Καταγραφή, ανάλυση και επεξεργασία του καρδιοτοκογραφήματος (CTG) με σύγχρονες τεχνικές επεξεργασίας σήματος σε σχέση με παραμέτρους της κύησης προερχόμενες από την μητέρα και το έμβρυο

Abstract

Introduction - Aim: Cardiotocography is the most widely used method in clinical practice for the evaluation of the fetal status. The aim of this dissertation was the processing of the cardiotocograms of pregnant women in several gestational ages by the use of advanced techniques of signal processing already used for the study of signals in other scientific fields. Several indices from lineal and nonlinear fields were calculated to investigate the impact of gestational age and fetal gender on cardiotocograms, as well as the existence or not of differences between normal pregnancies and pregnancies with IUGR or fetuses from pregnants-smokers. Finally, there was an effort to interpret clinically the results, so that the electronic processing of signals extract information usually hidden to the naked eye. Material – methods: The FHR dataset comprised data from 99 pregnant women in singleton pregnancy with no gestational complications (56 female fetuses-43 male), 16 pregnant women that smoked during pregnancy and 15 pregnants with IUGR. The gestational age was between 28 and 40 weeks of gestation and the cardiotocogram lasted for 20 minutes. Multiple parameters from the fields of time-frequency and nonlinear parameters, were calculated, such as approximate entropy, multiscale entropy and algorithmic complexity. Results: There was reduction in the mean, median and the baseline of FHR (p=0,015) in the fetuses of pregnant-smokers, but there was no statistical difference in relation to the number of accelerations-decelerations, the long-term irregularity and the short-term variability. Parameters that scored higher in fetuses of pregnant-smokers were bicorrelation (p=0,025), skewness and kurtosis (p=0,0011). The Pearson autocorrelation coefficient, mutual information, as well as complexity measures, such as multiscale entropy (especially in scales 1-18) (p=0,01) and algorithmic complexity (p=0,024), were decreased in nicotine-exposed fetuses. In regards to the influence of gestational age to the FHR, the analysis showed a decrease in the mean (p=0,023), median and baseline of FHR in fetuses of 36-40 gestational weeks in comparison to fetuses of 28-31 weeks. There was no statistical difference in relation to the number of accelerations, decelerations, long-term and short-term variability. Parameters that appeared increased in fetuses at 36-40 gestational weeks were Pearson autocorrelation coefficient, bicorrelation (p=0,016) and skewness (p=0,0054), whereas approximate entropy (p=0,0064), multiscale entropy (especially in scales 1 -10) and algorithmic complexity (p=0,019) were found to decrease with gestational age.Fetal gender seems to influence a number of parameters of FHR. The comparison between male fetuses at 32-35 gestational weeks with females of the same gestational age indicated that mutual information and multiscale entropy were lower in males. Conclusions: The results of this dissertation show that the progression of pregnancy causes structural changes in the centers of FHR control, which lead their nonlinear behavior to a more pronounced nonlinearity. Most of the calculated parameters are not discriminable to the naked eye. It seems that smoking increases the nonlinear behavior of FHR, while it reduces its complexity. The parameters calculated in this study indicate that the chronic hypoxia of the nicotine-exposed fetuses induces the domination of the activity of the sympathetic branch of ANS in these fetuses.The impact of fetal gender in some of the parameters calculated, indicates that there are indeed differences in heart rate between males and females even prenatally. Nevertheless, gestational age seems to be the main control factor in most of them.

Εισαγωγή - Σκοπός: Η καρδιοτοκογραφία αποτελεί την περισσότερο χρησιμοποιούμενη μέθοδο στην καθημερινή κλινική πράξη, για την αξιολόγηση της επαρκούς οξυγόνωσης του εμβρύου. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η μελέτη και η επεξεργασία του καρδιοτοκογραφήματος σε διάφορες ηλικίες κύησης με τη χρήση προηγμένων τεχνικών επεξεργασίας σημάτων, ήδη χρησιμοποιούμενων για τη μελέτη σημάτων από διαφορετικά επιστημονικά πεδία. Συγκρίθηκαν παράμετροι από γραμμικά και μη-γραμμικά πεδία σε συνάρτηση με την ηλικία κύησης και το εμβρυϊκό φύλο, καθώς και σε αντιδιαστολή φυσιολογικών κυήσεων με κυήσεις με ενδομήτρια καθυστέρηση της ανάπτυξης (IUGR) και από καπνίστριες εγκύους. Τέλος, έγινε προσπάθεια για την κλινική ερμηνεία των αποτελεσμάτων, ώστε η ηλεκτρονική επεξεργασία των σημάτων να βοηθήσει στην κατανόηση της πληροφορίας που κρύβεται συχνά στο γυμνό οφθαλμό. Υλικό – μέθοδοι: Τα πειραματικά δεδομένα συλλέχθηκαν από καρδιοτοκογραφήματα με χρήση του καρδιοτοκογράφου EDAN F3. Ο υπό μελέτη πληθυσμός αποτελούνταν από 99 φυσιολογικές εγκύους (56 θήλεα και 43 άρρενα έμβρυα), 15 εγκύους με IUGR και 16 εγκύους που κάπνιζαν στη διάρκεια της κύησης. Κάθε καρδιοτοκογράφημα είχε διάρκεια 20 λεπτών και στη συνέχεια υπολογίστηκαν για κάθε ομάδα παράμετροι από τα πεδία χρόνου-συχνότητας, καθώς και μη-γραμμικές, όπως οι δείκτες προσεγγιστικής εντροπίας- εντροπίας πολλαπλής κλίμακας και η αλγοριθμική πολυπλοκότητα. Αποτελέσματα: Παρατηρήθηκε μείωση στο μέσο όρο και τη βασική γραμμή του ΕΚΡ (p=0,015) στα έμβρυα των εγκύων-καπνιστριών, αλλά καμία στατιστικά σημαντική διαφορά στον αριθμό των επιταχύνσεων-επιβραδύνσεων και τη μακροπρόθεσμη-βραχυπρόθεσμη μεταβλητότητα. Οι παράμετροι που βρέθηκαν αυξημένες στις εγκύους-καπνίστριες ήταν οι: bicorrelation (p=0,025), ασυμμετρία, κύρτωση (p=0,0011), ενώ ελαττωμένες βρέθηκαν οι: συντελεστής αυτοσυσχέτισης Pearson, δείκτης αμοιβαίας πληροφορίας, εντροπία πολλαπλής κλίμακας (ειδικά στα scales 1-18) (p=0,01), αλγοριθμική πολυπλοκότητα (p=0,024). Στις εγκύους με IUGR βρέθηκε ελαττωμένος ο μέσος όρος του ΕΚΡ και αυξημένοι οι: δείκτης ασυμμετρίας και Hjorth complexity. Αναφορικά με την επίδραση της ηλικίας κύησης στον ΕΚΡ, η ανάλυση έδειξε ελάττωση στο μέσο όρο (p=0,023) και τη βασική γραμμή στα τελειόμηνα έμβρυα σε σχέση με τα πρόωρα 28 έως 31 εβδομάδων κύησης. Ωστόσο, δε βρέθηκε στατιστικά σημαντική διαφορά στον αριθμό των επιταχύνσεων-επιβραδύνσεων, τη μακροπρόθεσμη και βραχυπρόθεσμη μεταβλητότητα. Οι παράμετροι που αυξήθηκαν στα τελειόμηνα έμβρυα ήταν οι: συντελεστής αυτοσυσχέτισης Pearson, bicorrelation (p=0,016), ασυμμετρία (p=0,0054). Αντίθετα, η προσεγγιστική εντροπία (p=0,0064), η εντροπία πολλαπλής κλίμακας (ειδικά στα scales 1-10) και η αλγοριθμική πολυπλοκότητα (p=0,019) ελαττώνονταν προϊούσης της κύησης. Το φύλο του εμβρύου φάνηκε να επηρεάζει ορισμένες παραμέτρους του ΕΚΡ. Η σύγκριση ανάμεσα σε άρρενα έμβρυα 32 έως 35 εβδομάδων με θήλεα της ίδιας ηλικίας έδειξε ότι ο δείκτης αμοιβαίας πληροφορίας και η εντροπία πολλαπλής κλίμακας ήταν χαμηλότερες στα άρρενα. Συμπεράσματα: Από τη μελέτη αυτή φαίνεται ότι η πρόοδος της κύησης προκαλεί δομικές μεταβολές στα κέντρα ρύθμισης του ΑΝΣ που τα οδηγούν προς πιο έντονη μη-γραμμικότητα. Οι περισσότερες από τις παραμέτρους που μελετήθηκαν δεν είναι δυνατό να υπολογιστούν με γυμνό οφθαλμό.Φαίνεται ότι το κάπνισμα επιτείνει τη μη-γραμμικότητα του ΕΚΡ, ενώ ελαττώνει την πολυπλοκότητά του. Οι δείκτες που υπολογίστηκαν στη μελέτη αυτή υποδεικνύουν ότι η χρόνια υποξαιμία που υπάρχει στα εκτεθειμένα σε νικοτίνη έμβρυα προκαλεί σε αυτά την κυριαρχία του συμπαθητικού κλάδου του ΑΝΣ. Τέλος, υπάρχουν διαφορές στον καρδιακό ρυθμό μεταξύ των φύλων ακόμα και προγεννητικά, αν και η ηλικία κύησης φαίνεται να είναι ο κύριος ρυθμιστής στις περισσότερες από τις μελετώμενες παραμέτρους.