Development of a Novel Multichannel Seismocardiography Method
Author
Jeppesen, Kim Munck
Term
4. term
Publication year
2017
Submitted on
2017-06-07
Pages
118
Abstract
Hjertesvigt kan forværres, når hjertets to pumpekamre (ventriklerne) ikke trækker sig sammen samtidig – en tilstand kaldet ventrikel dyssynkroni. Cardiac resynchronization therapy (CRT) med en biventrikulær pacemaker kan hjælpe, men de nuværende kriterier for at udvælge patienter er upræcise, og omkring 30% får ingen målbar effekt. Seismokardiografi (SCG) bruger små sensorer (accelerometre) på brystkassen til at måle bittesmå bevægelser forårsaget af hjertets slag. Tidligere studier peger dog på, at man ikke ved nok om, hvordan sensorernes placering påvirker signalerne. Denne afhandling udvikler, implementerer og afprøver en multikanals SCG-metode (mSCG) som mulig markør for ventrikel dyssynkroni. Vi byggede et system med 12 SCG-kanaler, synkroniseret med elektrokardiogram (EKG) og et respirationsbælte. Systemet benyttede digitale MEMS-accelerometre, der konverterede signalet tæt ved kilden og sendte det digitalt via en bus; tre programmerede mikrocontrollere håndterede synkronisering og dataoverførsel til et pc-baseret opsamlingsprogram. Tre raske forsøgspersoner lå ned i 10 minutter, mens mSCG, EKG og respiration blev optaget. SCG-signalerne blev filtreret i to bånd: 0,5–30 Hz for langsomme kræfter på brystkassen og 20–250 Hz for hjertelydsenergi. En hjertecyklus blev derefter segmenteret og “kortlagt” over brystkassen med 2D-interpolation; kortene blev opdelt i systole og diastole, og mønstre blev sammenlignet mellem deltagerne. Resultaterne viste, at alle SCG-kanaler var tæt tidsmæssigt synkroniserede (standardafvigelse 140 µs) og i gennemsnit forsinkede 8,9 ms i forhold til EKG. Kort over kræfter på brystkassen viste ens mønstre hos alle tre: to modsat rettede kræfter optrådte to gange i systolen og én gang i diastolen. Hvor traditionelle enkeltkanals SCG blot viste et mønster, gjorde mSCG det muligt at bestemme mønstrets placering på brystkassen. I kortlægningen af hjertelydsenergi kunne de to hjertelyde i nogle tilfælde adskilles, og den anden hjertelyd var generelt placeret højere på brystkassen end den første. Disse kraftmønstre kan ifølge litteraturen afspejle bestemte bevægelser af hjertet, men flere målinger – gerne sammen med ekkokardiografi – er nødvendige for at bekræfte sammenhænge. Yderligere signalbehandling kan forbedre metoden: I dette studie blev kun én akse fra hver 3-aksede sensor anvendt, og multikanals komponentanalyse kan muligvis adskille hjertelyde tydeligere. Samlet set viser afhandlingen, at et 12-kanals mSCG-system kan udvikles og fungere stabilt, og at det kan afdække rumlige mønstre knyttet til ventrikelkontraktion. Arbejdet spændte fra ansøgning om midler og etisk godkendelse til teknikudvikling, forsøg og dataanalyse. Studiet kan ikke afgøre, om mSCG kan forudsige effekten af CRT, men fund af konsistente mønstre er lovende. Inklusion af CRT-patienter i fremtidige studier kan afklare, om mSCG kan bruges som markør for ventrikel dyssynkroni og dermed støtte bedre udvælgelse til CRT.
Heart failure can worsen when the heart’s two pumping chambers (ventricles) do not contract at the same time—a condition called ventricular dyssynchrony. Cardiac resynchronization therapy (CRT) with a biventricular pacemaker can help, but today’s criteria for selecting patients are imprecise, and about 30% show no measurable benefit. Seismocardiography (SCG) uses small sensors (accelerometers) on the chest to detect tiny movements caused by the heartbeat. However, prior work suggests we do not fully understand how sensor placement influences the recorded signals. This thesis develops, implements, and tests a multichannel SCG method (mSCG) as a potential marker of ventricular dyssynchrony. We built a 12-channel SCG system synchronized with an electrocardiogram (ECG) and a respiratory belt. The system used digital MEMS accelerometers that converted signals close to the source and transmitted them digitally via a bus; three programmed microcontrollers handled synchronization and data transfer to a PC-based acquisition program. Three healthy volunteers lay supine for 10 minutes while mSCG, ECG, and respiration were recorded. SCG signals were filtered into two bands: 0.5–30 Hz to examine slow chest forces and 20–250 Hz to examine heart sound energy. A heart cycle was then segmented and “mapped” across the chest using 2D interpolation; maps were split into systole and diastole, and patterns were compared across participants. Results showed tight timing synchronization across channels (standard deviation 140 µs) and an average delay of 8.9 ms relative to the ECG. Chest-force maps revealed consistent patterns in all three participants: two oppositely directed forces appeared twice during systole and once during diastole. Where traditional single-channel SCG showed a pattern, mSCG additionally pinpointed its location on the chest. In heart sound energy maps, the two heart sounds could sometimes be separated, and the second heart sound generally appeared higher on the chest than the first. According to the literature, these force patterns may reflect specific cardiac motions, but more measurements—ideally alongside echocardiography—are needed to confirm this. Further signal processing could improve performance: in this study only one axis from each tri-axial sensor was used, and multichannel component analysis may better separate heart sounds. Overall, the thesis demonstrates that a 12-channel mSCG system can be built and operate reliably, and that it can reveal spatial patterns linked to ventricular contraction. The work ranged from funding and ethics approvals to hardware/software development, experiments, and data analysis. While the study cannot determine whether mSCG predicts CRT response, the consistent patterns are encouraging. Including CRT patients in future studies may clarify whether mSCG can serve as a marker of ventricular dyssynchrony and support better CRT candidate selection.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords
Documents