Development of a platform to manipulate multimodal data to evaluate the hemodynamic state of the patient during cardiac arrest using nonivasive sensors

Abstract

Out-of-hospital-cardiac-arrest (OHCA) is a sudden cardiovascular event that constitutes a major public health problem and is one of the leading causes of death in the world. The survival rate from OHCA decreases with time, therefore its early recognition and treatment is key. Defibrillation and cardiopulmonary resuscitation maneuver are the fundamental OHCA therapies. Electrocardiogram (EKG) is a low cost noninvasive technique used to monitor the electrical status of the heart. However, in many OHCA cases the EKG shows a close to normal electrical activity of the heart when actually the hemodynamic activity of the heart (blood flow and pressure) is not effective. Consequently, a noninvasive, inexpensive and reliable technique that allows real-time monitoring of the hemodynamic status of the pa- tient would be of great value. However, currently no such technique exists for out-of-hospital situations and it is only available in hospitals. Cardiac output (CO) and stroke volume index (SVI) are the main indica- tors of hemodynamic status. The objective of this master thesis has been to develop and imple- ment the tools to help establish correlations between CO and SVI values measured by well-established in-hospital technologies (invasive blood pressure and doppler echocardiography), and the measures taken from novel noninvasive signals such as ballistocardiography (BCG) sensors that could be easily used in OHCA.

The first step was to collect data from a cohort of healthy subjects with both types of technologies. In May 2021 started the collection of real OHCA cases. To accomplish the main objective several interme- diate objectives have been defined and achieved; first, the creation of a multisource, standardized and common open format database using raw data from the different proprietary measurement devices. For this purpose, existing data converters have been applied and custom data converters have also been developed. The data have been preliminar- ily pseudo-synchronized with a custom-made algorithm based on the temporal annotations of the physicians. Two graphical interfaces have been created, one for each site (out- of- and in-hospital) that have collected the measurements for the database. The graphical interfaces are user-friendly, flexible, and func- tional to enable visualization, annotation and time alignment fine tun- ing of the multisource standardized database. They also integrate al- gorithms to help the analysis of the data and find possible hidden cor- relations between signals. The creation of these two interfaces has led to two outcomes: on the one hand, the extraction of analysis windows together with the physicians of the Oslo University Hospital. On the other hand, the creation of a generalist graphical interface develop- ment method. Thanks to this method, a third graphical interface has been built to analyze the extracted windows. This also integrates a fifth algorithm for data processing. In conclusion, a scalable platform has been created both in num- ber of patients and mesurement devices, consisting of a multisource, standardized, common open format database and three graphical in- terfaces for its visualization, annotation and processing. This platform sets the framework to help the future identification of the correlation between the different technologies that will save lives thanks to real- time hemodynamic monitoring in emergency medical services-treated OHCA cases.

Ospitalez kanpoko bihotz geldialdia (OKBG) ustekabeko gertakari kardiobaskular bat da, osasun publikoko arazo garrantzitsua dena, munduko heriotza-kausa nagusietako bat izanez. OKBGaren biziraupen- tasa murriztu egiten da denborarekin, eta, beraz, haren antzemate eta tratamendu goiztiarrak funtsezkoak dira. Bi dira OKBGaren oinar- rizko terapiak: desfibrilazio eta bihotz-biriketako berpizte (BBB) goiz- tiarrak. Elektrokardiograma (EKG) kostu txikiko teknika ez-inbaditzailea da, bihotzaren egoera elektrikoa monitorizatzeko erabiltzen dena. Hala ere, OKBGko kasu askotan, EKGak bihotzaren jarduera elektriko sasi- normala erakusten du, nahiz eta bihotzaren jarduera hemodinamikoa (odol-fluxua eta presioa) eraginkorra ez izan. Beraz, oso baliagarria litzateke teknika ez-inbaditzailea, merkea eta fidagarria izatea pazientearen egoera hemodinamikoa denbora errealean monitorizatzeko. Zoritxarrez, gaur egun ez dago horre- lako teknikarik ospitalez kanpoko egoeretarako eta ospitaleetan baino ezin da erabili. Egoera hemodinamikoaren adierazle nagusiak bi dira: bihotz-gastua (BG) eta bolumen sistolikoaren indizea (BSI). Master amaierako lan honen helburua dagoeneko ondo ezarrita dauden ospitalez barruko teknologiek (odol-presio inbaditzailea eta doppler ekokardiografia), eta OKBGan erraz erabil daitezkeen diren seinale berri ez inbasiboak, hala nola, balistokardiografia (BCG) sentsoreak neurtutako BG eta BSI balioen arteko korrelazioak topatzen lagunduko duten tresnak garatzea eta inplementatzea izan da.

Lehenengo urratsa bi teknologia motekin datuak biltzea izan zen, subjektu osasuntsuen talde batetik abiatuta. 2021eko maiatzean hasi ziren benetako OKBG kasuetako datuak biltzen. Helburu nagusia lortzeko, tarteko helburu batzuk definitu eta lortu dira; lehenik eta be- hin, iturri anitzetako datu-base estandarizatua eta formatu ireki ko- munekoa sortu da. Horretarako, neurketa-ekipoek jasotako datu gor- dinak (formatu jabeduna zeukatenak) erabili dira. Hori lortzeko, da- goeneko existitzen ziren datu-bihurgailuak aplikatu dira, baita garatu- tako datu-bihurgailu propioak ere. Datuak aldez aurretik sinkronizatu dira algoritmo propio baten bidez. Algoritmo horrek medikuen denbora- oharrak hartzen ditu oinarritzat. Bi interfaze grafiko sortu dira, datu-baserako neurketak hartu di- tuzten teknologien aplikazio-esparru bakoitzeko bat (ospitalez kan- poko eta barrukoa). Interfaze grafikoak erabiltzeko errazak dira, mal- guak eta funtzionalak. Haiei esker datu-basea bistaratzen, anotatzen eta denbora-lerrokatzea doitzen da. Interfazeek datuak aztertzen la- guntzeko eta seinaleen arteko ezkutuko korrelazioak aurkitzeko algo- ritmoak ere badituzte. Bi interfaze horiek sortzeak bi emaitza ekarri ditu: batetik, analisi-leihoak atera dira Osloko Unibertsitate Ospitaleko medikuekin batera. Bestetik, interfaze grafikoak garatzeko metodo orokor bat sortu da. Metodo horri esker, hirugarren interfaze grafiko bat eraiki da ateratako leihoak aztertzeko. Interfaze honek bosgarren algo- ritmo bat ere integratzen du datuak prozesatzeko. Ondorioz, plataforma eskalagarri bat sortu da, bai paziente zein neurketa-ekipoen kopuruari dagokienez. Plataforma hori osatzen dute iturri anitzetako datu-base estandarizatu eta formatu ireki komuneko bat, eta hiru interfaze grafiko, datuak ikusi, anotatu eta prozesatzeko.

La parada cardiorespiratoria extrahospitalaria (PCREH) es un evento cardiovascular súbito que constituye un importante problema de salud pública y es una de las principales causas de muerte en el mundo. La tasa de supervivencia a una PCREH disminuye con el tiempo, por lo que su reconocimiento y tratamiento tempranos son clave. La desfibrilación y la maniobra de reanimación cardiopulmonar son las terapias funda- mentales de la PCREH. El electrocardiograma (EKG) es una técnica no invasiva de bajo coste que se utiliza para monitorizar el estado eléctrico del corazón. Sin embargo, en muchos casos de PCREH el EKG mues- tra una actividad eléctrica del corazón relativamente normal cuando realmente la actividad hemodinámica del corazón (flujo y presión san- guínea) no es efectiva. Por lo tanto, resultaría muy útil contar con una técnica no invasiva, barata y fiable que permitiera monitorizar en tiempo real el estado hemodinámico del paciente. Sin embargo, actualmente no existe ninguna técnica de este tipo para situaciones extrahospitalarias, tan sólo está disponible en los hospitales. El gasto cardíaco (GC) y el índice de volumen sistólico (IVS) son los principales indicadores del estado hemodinámico. El objetivo de este trabajo de fin de máster ha sido desarrollar e implementar las herramientas que ayuden a establecer correlaciones entre los valores de GC y IVS medidos por tecnologías intrahospitalarias ya consolidadas (presión arterial invasiva y ecocardiografía doppler), y las medidas tomadas a partir de novedosas señales no invasivas como los sensores de balistocardiografía (BCG) que podrían ser fácilmente utilizados en la PCREH. El primer paso fue recopilar datos de una cohorte de sujetos sanos con ambos tipos de tecnologías. En mayo de 2021 se inició la recogida de casos reales de PCREH. Para lograr el objetivo principal se han definido y alcanzado varios objetivos intermedios; en primer lugar, la creación de una base de datos multifuente, estandarizada y con un for- mato abierto común, utilizando los datos sin procesar en formato propi- etario de los diferentes equipos de medida. Para ello, se han aplicado conversores de datos existentes y también se han desarrollado conver- sores de datos propios. Los datos se han sincronizado preliminarmente con un algoritmo propio que toma como base las anotaciones tempo- rales de los médicos. Se han creado dos interfaces gráficas, una por cada lugar de apli- cación (extra e intrahospitalaria) de las tecnologías que han captado las medidas para la base de datos. Las interfaces gráficas son fáciles de usar, flexibles y funcionales para permitir la visualización, la anotación y el ajuste de la alineación temporal de la base de datos. También in- tegran algoritmos para ayudar al análisis de los datos y encontrar posi- bles correlaciones ocultas entre las señales. La creación de estas dos interfaces ha dado lugar a dos resultados: por un lado, la extracción de ventanas de análisis junto con los médicos del Hospital Universitario de Oslo. Por otro, la creación de un método general de desarrollo de in- terfaces gráficas. Gracias a este método, se ha construido una tercera interfaz gráfica para analizar las ventanas extraídas. Ésta también inte- gra un quinto algoritmo para el procesamiento de datos. En conclusión, se ha creado una plataforma escalable tanto en número de pacientes como de dispositivos de medición, que consiste en una base de datos multifuente, estandarizada y de formato abierto común y tres interfaces gráficas para su visualización, anotación y procesamiento. Esta plataforma establece el marco para ayudar a la fu- tura identificación de la correlación entre las diferentes tecnologías que salvarán vidas gracias a la monitorización hemodinámica en tiempo real en las PCREH tratados por los equipos médicos de emergencia.