Estimación de la frecuencia respiratoria instantánea mediante representaciones tiempo-frecuencia de señales de fotopletismografía de imagen

Abstract

La frecuencia respiratoria (respiratory rate, RR) es un signo vital básico que refleja el estado de salud del sistema cardiorrespiratorio y que tiene importancia en eventos clínicos y enfermedades como el asma, hipoventilación, taquipnea, arrestos cardiopulmonares, entre otros. Con el objetivo de obtener una medición sencilla, económica y fiable de la RR, se han investigado diversas estrategias, entre ellas el uso de técnicas de análisis tiempo-frecuencia en series de tiempo de la variabilidad del pulso cardiaco, provenientes de señales de fotopletismografía de imagen (imagephotoplethysmography, iPPG). Algunas de estas técnicas son el espectrograma, la transformada synchrosqueezing basada en Fourier (Fourier-based synchrosqueezing transform, FSST), el escalograma y el espectro Hilbert-Huang. En todos los casos, los resultados de estas técnicas son imágenes, denominadas representaciones tiempo-frecuencia (time-frequency representations, TFR), las cuales dependen de diversas variables. Sin embargo, el procedimiento de selección de los parámetros que se usan no siempre es detallado o metodológico. En este trabajo de tesis se propone una metodología para que las TFR sean evaluadas utilizando señales respiratorias sintéticas de maniobras respiratorias, empleando diferentes parámetros para encontrar cuales de estos logran el mejor rendimiento para estimar la RR instantánea. Después, se aplican los mejores parámetros, resultantes para cada TFR, a series temporales de frecuencia de pulso derivadas de señales de iPPG, adquiridas previamente en voluntarios sanos por el grupo de trabajo, en la modalidad de contacto. Finalmente, se hace una comparación y análisis estadístico del desempeño de la estimación con las diversas TFR en términos de su error absoluto promedio (mean absolute error, MAE), raíz del error cuadrático medio (root mean square error, RMSE) e índice de correlación cruzada. Utilizando los parámetros seleccionados, se obtuvo un RMSE promedio de 0.127 respiraciones por minuto (breaths-per-minute, bpm) mediante la FSST, en la maniobra respiratoria constante a 6 bpm, de hasta 2.951 bpm en una maniobra con cambios repentinos en la frecuencia con el espectrograma, de 2.394 para una maniobra después del ejercicio con la FSST y de 1.621 bpm en la maniobra espontanea con el espectrograma. Los resultados resaltan la relevancia de una adecuada selección de los parámetros de las TFR cuando se emplean para la estimación de la RR instantánea a partir de los registros de iPPG.

Respiratory rate (RR) is a basic vital sign reflecting the health status of the cardiorespiratory system and is relevant in clinical events and diseases such as asthma, hypoventilation, tachypnea, cardiopulmonary arrests, among others. In order to obtain a simple, economical and reliable measurement of RR, several strategies have been investigated, including the use of time-requency análisis techniques to time series of heart rate variability extracted from image photoplethysmography (iPPG) signals. Some of these techniques include the spectrogram, Fourier-based synchrosqueezing transform (FSST), scalogram, and Hilbert-Huang spectrum. In any case, the results of these techniques are images, called time-frequency representations (TFRs), which depend on diverse variables. However, the procedure for selecting their parameters is not always detailed or methodological. In this thesis, a methodology is proposed to evaluate time-frequency representations using synthetic respiratory signals emulating respiratory maneuvers, while using different parameters to find which of these achieve the best performance to estimate instantaneous RR. Then, the TFRs computed using the selected parameters are applied to pulse rate time series derived from contact-based iPPG signals previously acquired from healthy volunteers by our research group. Finally, a comparison and statistical analysis of the performance of the estimation with the various TFRs is made in terms of their mean absolute error (MAE), root mean square error (RMSE) and cross-correlation index. Using the selected parameters, an average RMSE of 0.127 breaths-per-minute (bpm) was obtained by the FSST, in the constant breathing maneuver at 6 (breaths-per-minute) bpm, up to 2.951 bpm in a maneuver with sudden changes in frequency with the spectrogram, 2.394 bpm for a post-exercise maneuver with the FSST and 1.621 bpm in the spontaneous maneuver with the spectrogram. The obtained results highlight the relevance of an adequate selection of the parameters of the TFR when they are used for the estimation of the instantaneous RR from iPPG data.