Uma Proposta de um Sistema de Apoio ao Diagnóstico de Patologias Cardíacas Utilizando Wavelets

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1 Uma Proposta de um Sistema de Apoio ao Diagnóstico de Patologias Cardíacas Utilizando Wavelets Autor: Ricardo Bortolatto Nunes 1, Orientador: Jamil Salem Barbar 1 1 Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação Universidade Federal do Uberlândia (UFU) Uberlândia MG Brasil ricardobnunes@gmail.com, jamil@facom.ufu.br Nível: Mestrado Ano de ingresso no programa: 2007 Época esperada de conclusão: Março / 2009 Etapa concluída: Defesa da proposta de dissertação Resumo. Com a evolução da tecnologia, os profissionais cardiologistas contam com dispositivos para o auxílio de diagnósticos de eletrocardiogramas (ECG) que, nem sempre funcionam com precisão. Wavelets são funções que satisfazem a certos requisitos matemáticos e são usadas na representação de dados ou de outras funções. A análise do eletrocardiograma com as wavelets torna possível a avaliação dos ciclos cardíacos, permitem a detecção das formas de onda, reconhecimento e classificação, podendo diagnosticar patologias cardíacas. Palavras-Chave. Eletrocardiograma, Wavelets, Análise de sinais, Reconhecimento de padrão.

2 1. Introdução e Motivação Atualmente, os profissionais médicos estão sendo auxiliados por sistemas de apoio de diagnósticos que incluem em suas bases de dados o conhecimento especialista, adquirido principalmente através de observações heurísticas aplicadas de seus diagnósticos que traduzem, em partes, aplicação da técnica utilizada. Nos sistemas de auxílio ao diagnóstico, especificamente em ECG os métodos de conhecimento de padrão simulam as habilidades do médico cardiologista, quanto a partir de um conjunto de características extraída de um sinal, possibilitam a inferência de uma determinada condição do coração, indicada por meio de alguma cardiopatia [MANZAN 2004]. O sinal do eletrocardiograma constitui a mensuração da atividade elétrica associada com o coração e o seu processamento utiliza-se de algorítmos cuja elaboração apresenta algumas dificuldades: variação da morfologia de suas ondas, condições fisiológicas e a presença de ruídos. A utilização das transformadas wavelets constituem uma eficiente ferramenta para a tarefa de análise do ECG, já que permitem, por meio de uma função wavelet mãe o realce das formas de onda que integram o registro do eletrocardiograma Morfologia cardíaca O coração é o órgão central da circulação sanguínea, localizado na caixa torácica, levemente inclinado para esquerda e para baixo, sendo constituído por uma massa contráctil, o miocárdio, revestido interiormente por uma membrana fina, o endocárdio, é envolvido por um saco fibroseroso, o pericárdio. Constituído de duas porções, o coração possui a metade direita ou coração direito, onde circula o sangue venoso e a metade esquerda, onde circula sangue arterial. Cada uma destas metades é constituída por duas cavidades, uma superior (átrio) e uma inferior (ventrículo). Estas cavidades comunicam entre si pelos orifícios auriculo-ventriculares. Os dois Átrios encontram-se separadas pelo septo interauricular e os dois ventrículos pelo septo interventricular. Na cavidade atrioventricular esquerda encontra-se a valva mitral, e no orifício atrioventricular direito a valva tricúspede (são valvas que se abrem em direção ao ventrículo e se fecham para evitar o refluxo do sangue). A circulação sanguínea é assegurada pelo batimento cardíaco, ou seja, o batimento do coração, que lança o sangue nas artérias. O coração é um órgão musculoso que, no Homem, tem o tamanho aproximado de um punho. A parte musculosa do coração tem o nome de miocárdio ou músculo cardíaco. O coração humano apresenta quatro partes ou cavidades: na parte superior estão as aurículas, divididas entre a direita e a esquerda, na parte inferior estão os ventrículos, também direito e esquerdo. Na metade direita do coração só circula sangue venoso, na esquerda sangue arterial. A circulação do sangue nestas quatro cavidades está controlada pelas valvúlas, estas também servem de meio de comunicação entre as aurículas e os ventrículos. A parte direita do coração está separada da parte esquerda por um septo. O pericárdio é a membrana que reveste todo o coração. O endocárdio é a membrana que reveste o interior do coração. As paredes musculares de cada parte contraem em uma seqüência precisa, impulsionando o volume máximo de sangue com o menor consumo energético possível durante cada batimento cardíaco. A contração das fibras musculares no coração é controlada por uma descarga elétrica que flui através do coração de maneira precisa, ao longo de vias distintas e em

3 uma velocidade controlada. A descarga rítmica que inicia cada batimento cardíaco origina-se no marcapasso natural do coração (nódulo sinoatrial), situado na parede do átrio direito. A freqüência da descarga é influenciada pelos impulsos nervosos e pelos níveis de hormônios que circulam na corrente sangüínea. O coração humano é responsável pelo bombeamento de sangue por todo o organismo, que é feito em aproximadamente 45 segundos em repouso [Wikipédia 2007]. Neste tempo o órgão bombeia sangue suficiente a uma pressão razoável, para percorrer todo o corpo nos sentidos de ida e volta, transportando assim, oxigênio e nutrientes necessários às células que sustentam as atividades orgânicas. A parte do sistema nervoso que regula a freqüência cardíaca automaticamente é o sistema nervoso autônomo, constituído pelos sistemas nervosos simpático e parassimpático. O sistema nervoso simpático aumenta a freqüência cardíaca, enquanto o sistema nervoso parassimpático a diminui. O sistema simpático supre o coração com uma rede de nervos, o plexo simpático. O sistema parassimpático supre o coração através de um único nervo, o nervo vago. A freqüência cardíaca também é influenciada pelos hormônios circulantes do sistema simpático, a epinefrina (adrenalina) e a norepinefrina (noradrenalina), os quais são responsáveis por sua aceleração. O hormônio tireoidiano também influencia a freqüência cardíaca: quando em excesso, a freqüência cardíaca torna-se muito elevada; quando há deficiência do mesmo, o coração bate muito lentamente. Geralmente, a freqüência cardíaca normal em repouso é de 60 a 100 batimentos por minuto. Entretanto, freqüências muito mais baixas podem ser normais em adultos jovens, particularmente entre aqueles que apresentam um bom condicionamento físico. Variações da freqüência cardíaca são normais. A freqüência cardíaca responde não só ao exercício e à inatividade, mas também a estímulos como, por exemplo, a dor e a raiva. Apenas quando a freqüência cardíaca é inadequadamente elevada (taquicardia) ou baixa (bradicardia) ou quando os impulsos elétricos são transmitidos por vias anormais é que se considera que o coração apresenta um ritmo anormal (arritmia). Os ritmos anormais podem ser regulares ou irregulares. A Fig. 1 apresenta a seqüência das vias elétricas do coração, onde o nódulo sinoatrial (1) inicia um impulso elétrico que flui sobre os átrios direito e esquerdo (2), fazendo essas câmaras se contraírem. Quando o impulso elétrico chega ao nódulo atrioventricular (3), sofre ligeiro retardo. Em seguida, o impulso dissemina-se ao longo do feixe de His (4), o qual divide-se em ramo direito (para o ventrículo direito) (5), e em ramo esquerdo (para o ventrículo esquerdo) (5). Em seguida, o impulso disssemina-se sobre os ventrículos, fazendo com que eles contraiam [Dohme 2007] Eletrocardiograma O eletrocardiograma é um exame médico na área de cardiologia onde é feito o registro da variação dos potenciais elétricos gerados pela atividade elétrica do coração. O coração apresenta atividade elétrica por variação na quantidade relativa de ions presentes dentro e fora das células do miocárdio. Esta variação cíclica gera diferença de concentração dos referidos íons na periferia do corpo. Eletrodos sensíveis colocados em pontos específicos do corpo registram esta diferença elétrica. O aparelho que registra o eletrocardiograma é o eletrocardiógrafo.

4 Fig. 1. Vias Elétricas do Coração O aparelho registra as alterações de potencial elétrico entre dois pontos do corpo. Estes potenciais são gerados a partir da despolarização e repolarização das células cardíacas. Normalmente, a atividade elétrica cardíaca se inicia no nodo sinusal (células auto-rítmicas) que induz a despolarização dos átrios e dos ventrículos. Esse registro mostra a variação do potencial elétrico no tempo, que gera uma imagem linear, em ondas. Estas ondas seguem um padrão rítmico, tendo denominação particular. A Fig. 2 apresenta o um sinal cardíaco uma ilustração das áreas do coração por onde passa o sinal [Dean Jenkins 2007]. Fig. 2. Eletrocardiograma e Área do coração afetada A onda P corresponde à despolarização dos átrios, e sua amplitude máxima é de 0.25 mv. O complexo QRS corresponde a despolarização ventricular. A onda T corresponde a repolarização ventricular.a onda T atrial corresponde a repolarização atrial não costuma ser registrada, pois é encoberta pela despolarização ventricular, evento elétrico concomitante e mais potente. Quando registrada, corresponde a Onda T atrial. A onda Ta é oposta à onda P. O intervalo PR é o intervalo entre o início da onda p e início do complexo QRS, é um indicativo da

5 velocidade de condução entre os átrios e os ventrículos e corresponde ao tempo de condução do impulso elétrico desde o nódulo auriculo-ventricular até aos ventrículos Wavelets Wavelets são funções que satisfazem a certos requisitos matemáticos e são usadas na representação de dados ou de outras funções. Elas utilizam a idéia de aproximação usando a superposição de funções. Esta idéia tem sua origem no trabalho de Joseph Fourier, que no século XIX descobriu que poderia utilizar senos e cossenos para representar outras funções [Andrea Vergara da Silva 2007]. A novidade em relação a Fourier é que a análise em wavelets não é feita segundo a freqüência, mas sim segundo a escala. Os algoritmos wavelet processam dados em diferentes escalas e resoluções, permitindo que sejam vistos tanto o global quanto os detalhes. As wavelets possuem um vasto campo de aplicações. A compressão de imagens pode ser considerada a mais conhecida das aplicações, mas existem ainda aplicações no processamento de sinais, astronomia, acústica, engenharia nuclear, neurofisiologia, música, ótica, fractais e em aplicações matemáticas puras, como na resolução de equações diferenciais parciais. 2. Trabalhos Relacionados A dissertação Utilização de Transformadas Wavelets na Extração de Características e no Reconhecimento de Padrões em um Sinal ECG [MANZAN 2006], propõe o uso de Wavelets reconhecimento de sinais de ECG, no entanto, o trabalho proposto neste plano de trabalho vai além, propõe um produto que pode auxiliar o diagnóstico de uma patologia cardíaca Problemas correlatos Com a evolução da tecnologia, os profissionais cardiologistas passaram a utilizar ferramentas desenvolvidas para auxiliar o diagnostico de patologias cardíacas. Com o surgimento dos micro-processadores e micro-controladores, possibilitou-se o desenvolvimento de dispositivos portáteis que monitoram a atividade cardíaca o tempo todo. Surgem também softwares que simulam a tarefa do cardiologista e com o intuito de diagnosticar patologias cardíacas que, devido às técnicas utilizadas para fazer tal inferência, não obtêm resultados satisfatórios. Ainda assim, tais softwares apenas conseguem fazer inferência após o eletrocardiograma ser captado. Não existe um dispositivo portátil que alem de capturar as atividades cardíacas, diagnostique alguma alteração muito significativa para o usuário, onde o mesmo devesse se preocupar, por exemplo, uma arritmia cardíaca. 3. Metodologia e Estado da Pesquisa A metodologia utilizada para a realização do no trabalho proposto consiste de: Acompanhamento de Artigos nas diversas áreas onde é possível fazer aplicação da ferramenta a ser utilizada (Wavelets). Apoio do orientador e de um aluno da graduação da Facom/UFU para o desenvolvimento do hardware. Utilização de livros das áreas de ciência da computação e matemática aplicada para implementação das técnicas propostas. Submissão de artigos em congressos para apresentação dos experimentos e re-sultados adquiridos.

6 4. Cronograma O cronograma foi dividido nas seguintes etapas: Etapa 1 Estudo avançado em morfologia Cardíaca, ECG e Analise de Sinais (Wavelets). Etapa 2 Apresentações e debates com orientador e um provável co-orientador da área cardíaca para focar as necessidades mais relevantes encontradas nos dias de ho-je. Etapa 3 Criação do Hardware para captura e armazenamento do ECG. Etapa 4 Desenvolvimento do software para captura, armazenamento e análise do ECG. Etapa 5 Escrita da dissertação Etapa 6 Resultados obtidos e conclusões finais. Etapa 7 Defesa da dissertação. Fig. 3. Cronograma Referências Andrea Vergara da Silva, J. E. (Acessado em 02 de Novembro de 2007). Wavelets e wavelet packets. Dean Jenkins, S. G. (Acessado em 01 de Novembro de 2007). Distúrbios do coração e dos vasos sangüíneos. Dohme, M. S.. (Acessado em 01 de Novembro de 2007). Distúrbios do coração e dos vasos sangüíneos. MANZAN, W. A. (2006). Utilização das transformadas wavelets na extração de características e no reconhecimento de padrão em um sinal ecg. Universidade Federal de Uberlândia. MANZAN, W. A.. K. E. E.. B. J. S. (2004). O uso de wavelets no reconhecimento de padrão em ecg. In 1 Congresso Internacional de Gestão de Tecnologia e Sistemas de Informação. Anais do 1 Congresso Internacional de Gestão de Tecnologia e Sistemas de Informação. Wikipédia (Acessado em 01 de Novembro de 2007). Coração humano.