Textile Electrode Size and Placement Influence on Electrocardiography Monitoring

Resumen Técnico: Influencia del Tamaño y la Colocación de los Electrodos Textiles en la Monitorización de la Electrocardiografía

Planteamiento del Problema
La monitorización a largo plazo de la actividad eléctrica cardíaca (ECG) mediante dispositivos ponibles (wearables) es cada vez más frecuente. Sin embargo, los electrodos convencionales de plata/cloruro de plata (Ag/AgCl) presentan limitaciones significativas, incluyendo la incomodidad del usuario, posibles reacciones alérgicas, irritación cutánea y susceptibilidad a los artefactos de movimiento. Si bien los electrodos textiles ofrecen una alternativa prometedora debido a su reutilización, su compatibilidad con la piel y su facilidad de integración en la ropa, la calidad de su señal depende fuertemente de parámetros de diseño específicos. Los autores identifican un vacío en la literatura respecto a la evaluación sistemática de cómo el tamaño del área de contacto del electrodo y la colocación corporal específica influyen en la calidad de la señal y la precisión de la detección del pico R, particularmente bajo condiciones variables de reposo y actividad física.

Metodología
El estudio empleó un diseño experimental robusto que involucró a 30 voluntarios de diversas edades, géneros y somatotipos. La metodología se dividió en dos fases principales:

1. Evaluación de la Calidad de la Señal (Reposo y Actividad):

   • Diseño del Electrodo: Se fabricaron tres tamaños de electrodos textiles utilizando tela conductora Silitex (Shieldex) con acolchado de espuma de memoria para asegurar el contacto con la piel. Los tamaños fueron 2×2 cm, 4×4 cm y 6×6 cm.
   • Colocación: Se probaron seis ubicaciones distintas: tres en el pecho (debajo de la mama derecha, a la derecha del esternón, en el medio del esternón) y tres en la espalda (debajo de la escápula derecha, en el surco espinal, debajo de la escápula izquierda). Cada electrodo textil se emparejó con un electrodo de referencia Ag/AgCl colocado inmediatamente debajo de este.
   • Adquisición de Datos: Las señales se registraron utilizando un dispositivo ECG comercial BTL Flexi 12 a 500 Hz. Los datos brutos fueron procesados mediante filtros IIR de segundo orden (paso alto a 0.5 Hz, paso bajo a 100 Hz y banda de parada de 49–51 Hz).
   • Métricas de Evaluación: La calidad de la señal se evaluó comparando los periodos cardíacos representativos (RCP) derivados de las señales textiles contra las señales de referencia utilizando el coeficiente de correlación de Pearson ($R$) y el Error Cuadrático Medio (MSE).

2. Precisión de la Detección del Pico R:

   • Modelo: Se diseñó una Red Neuronal Profunda (DNN) para la detección del pico R. La arquitectura presenta tres ramas convolucionales 1D paralelas con diversos tamaños de núcleo para capturar diferentes escalas de QRS, una capa LSTM bidireccional para la información rítmica secuencial, y cabezales de salida duales (un cabezal de detección con un mapa de probabilidad Gaussiano y un cabezal de regresión para una localización precisa).
   • Entrenamiento: El modelo fue entrenado con aproximadamente 1,200 grabaciones de ECG de 6 minutos anotadas, tanto de electrodos textiles como de referencia, bajo condiciones de laboratorio.
   • Validación: Se utilizó la puntuación F1 (media armónica de precisión y exhaustividad/recall) para evaluar la precisión de la detección. Se utilizó un conjunto de datos suplementario que involucró a 15 voluntarios adicionales realizando cuatro actividades físicas (caminar a 4 km/h y 5 km/h, ejercicios con mancuernas y sentadillas) para probar el rendimiento bajo artefactos de movimiento.

Contribuciones Clave

• Evaluación Sistemática del Tamaño: El estudio probó tres tamaños distintos de electrodos textiles (2×2, 4×4 y 6×6 cm) para determinar el impacto del área de contacto en la fidelidad de la señal.
• Análisis Exhaustivo de la Colocación: La investigación evaluó seis ubicaciones corporales específicas (tres anteriores, tres posteriores) para mapear la influencia de la posición anatómica en la calidad del ECG.
• Modelo de Detección Avanzado: El desarrollo y aplicación de un modelo DNN personalizado para la detección de alta precisión del pico R, capaz de manejar diversas morfologías de señal.
• Conjunto de Datos Robusto: La generación de un conjunto de datos que comprende mediciones de 30 voluntarios, incluyendo subconjuntos específicos para el análisis de actividad física, proporcionando un tamaño de muestra más amplio que muchos estudios comparables.
• Evaluación de Múltiples Métricas: Una evaluación holística utilizando correlación ($R$), MSE y puntuaciones F1 para evaluar tanto la morfología de la señal como el rendimiento del algoritmo de detección.

Resultados

• Tamaño del Electrodo: El análisis estadístico (prueba de Kruskal-Wallis) reveló que no existe una diferencia estadísticamente significativa en la calidad de la señal basada en el tamaño del electrodo. Aunque los electrodos más pequeños (2×2 cm) mostraron ocasionalmente una variabilidad ligeramente menor y valores de correlación medianos más altos, las diferencias entre tamaños fueron mínimas.
• Colocación del Electrodo: La colocación tuvo un impacto estadísticamente significativo en la calidad de la señal.
  • Pecho vs. Espalda: Las señales registradas en la espalda arrojaron resultados significativamente mejores (mayor $R$, menor MSE) que las del pecho.
  • Ubicaciones Específicas: En el pecho, la posición debajo de la mama izquierda produjo los mejores resultados. En la espalda, la posición debajo de la escápula izquierda logró la mayor calidad, con los datos agrupándose cerca de una correlación perfecta ($R \approx 1$) y error cero.
  • Correlación de Distancia: La calidad de la señal mejoró a medida que la posición del electrodo se acercaba al corazón (lado izquierdo), siendo el lado derecho el que mostró la menor calidad.
• Detección del Pico R (Puntuación F1):
  • Bajo condiciones de reposo, las puntuaciones F1 fueron generalmente altas (>98%) tanto para los electrodos textiles como para los de referencia en la mayoría de las posiciones.
  • Durante la actividad física, los electrodos textiles en la posición V4 demostraron una mejor estabilidad en la detección del pico R que los electrodos de referencia durante la caminata (4 km/h y 5 km/h) y los ejercicios con mancuernas.
  • La única excepción fue el entrenamiento de pesas (mancuernas/sentadillas), donde los electrodos de referencia generalmente funcionaron de manera ligeramente mejor o comparable, particularmente en la posición V6.
  • En las posiciones V5 y V6, las diferencias entre los electrodos textiles y los de referencia fueron mínimas en todas las actividades.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo concluye que, si bien el tamaño del electrodo no es un factor crítico para la calidad de la señal, la colocación es la variable dominante. El estudio afirma que los electrodos textiles pueden servir como un reemplazo funcional para los sistemas convencionales de Ag/AgCl, siempre que se coloquen de manera óptima (específicamente en la espalda, cerca de la escápula izquierda, o en el pecho cerca de la mama izquierda).

Los autores enfatizan que el rendimiento superior de los electrodos más pequeños (2×2 cm) en términos de consistencia sugiere el potencial para minimizar las áreas de contacto en diseños ponibles. Esto podría permitir una mayor densidad de sensores en prendas portátiles, permitiendo el monitoreo simultáneo de múltiples señales biológicas (por ejemplo, ECG y EMG) sin comprometer la comodidad. El estudio sostiene que el modelo DNN propuesto maneja eficazmente la diversidad morfológica de las señales de ECG textiles, validando la viabilidad del uso de aprendizaje profundo para datos de monitorización portátiles propensos a artefactos.

Este trabajo se posiciona como un paso necesario en el estado del arte, abordando la falta de estudios exhaustivos sobre los efectos combinados de tamaño, colocación y movimiento en el ECG textil, y proporciona un conjunto de datos y una metodología validados para futuras investigaciones en la monitorización cardíaca portátil.