Registered Report: Artifact Index for Capacitive Electrocardiography Acquired with an Armchair

Résumé technique : Indice d'artefact pour l'électrocardiographie capacitive acquise avec un fauteuil

Énoncé du problème
Le suivi continu de la santé dans des environnements privés, tels que les maisons intelligentes et les véhicules, offre un potentiel pour la détection précoce des maladies et l'amélioration des résultats thérapeutiques. L'électrocardiographie capacitive (cECG), intégrée dans des contextes non intrusifs comme des fauteuils, permet l'enregistrement non intrusif de signaux biologiques lors des activités quotidiennes. Cependant, les signaux cECG sont hautement sensibles au bruit et aux artefacts causés par les mouvements, les perturbations électromagnétiques, les plis des tissus et les problèmes de capacité de couplage. Ces artefacts dégradent la qualité du signal, compromettant la fiabilité des calculs de la fréquence cardiaque (FC) et de la variabilité de la fréquence cardiaque (VFC). Bien que divers indices de qualité de signal (SQI) existent pour l'ECG galvanique, leur applicabilité à la cECG et le développement d'un indice d'artefact robuste pour des contextes réels et non supervisés restent des défis critiques.

Méthodologie
Suivant un protocole de rapport enregistré, les auteurs ont mené une étude à bras unique impliquant 44 sujets.

• Acquisition des données : Les sujets se sont assis dans un prototype de fauteuil intelligent équipé d'électrodes cECG intégrées (Capical GmbH) pour deux sessions de 11 minutes : la lecture et le visionnage de la télévision. Un ECG de référence synchronisé temporellement a été enregistré simultanément à l'aide d'électrodes cutanées.
• Variables : L'étude a analysé l'impact du type d'activité et du matériau des vêtements (coton, lin, jean, polyester) sur la qualité du signal.
• Prétraitement : Les données ont été filtrées (passe-bande 15–30 Hz) et le meilleur canal a été sélectionné. Les enregistrements ont été segmentés en fenêtres de 10 secondes chevauchantes avec un pas de 2 secondes.
• Vérité de terrain (Ground Truth) : Un expert qualifié a annoté manuellement les signaux, marquant les artefacts de mouvement de haute amplitude et le bruit de l'équipement. Tout intervalle de 2 secondes contenant des artefacts a été étiqueté comme tel.
• Développement de l'indice d'artefact : Les auteurs ont développé un indice utilisant trois SQI spécifiques :
  1. corSQI : Corrélation des complexes QRS par rapport à un modèle moyen.
  2. bSQI : Cohérence de la détection des pics R entre deux algorithmes différents.
  3. aSQI : Rapport d'amplitude absolue à travers cinq sous-segments de 2 secondes.
     Les seuils de ces indices ont été optimisés via une approche de score F1 pour traiter le déséquilibre des classes. Un mécanisme de vote majoritaire a été employé, où un segment de 10 secondes est classé comme artefact si deux ou plus de SQI sont d'accord. Enfin, une approche de fenêtre glissante a marqué les intervalles de 2 secondes comme artefacts uniquement si les cinq segments de 10 secondes chevauchants étaient tous classés comme artefacts.
• Évaluation : L'indice a été évalué par rapport à la vérité de terrain manuelle en utilisant la précision (accuracy), la sensibilité, la spécificité et les scores F1.

Résultats clés

• Qualité du signal par activité : Le visionnage de la télévision a produit des durées de signaux propres continues plus longues que la lecture. En moyenne, 88,3 % du signal de la télévision présentait une durée de signal propre minimale de 10 secondes, contre 79,8 % pour la lecture. Seuls 44,6 % des signaux de la télévision et 22,7 % des signaux de lecture maintenaient une durée de signal propre continue de 300 secondes.
• Qualité du signal par vêtement : Tous les matériaux testés (coton, lin, jean, polyester) ont permis des durées de signaux propres dépassant 10 secondes. Le polyester a étonnamment montré le pourcentage le plus élevé de segments propres de 300 secondes (17,8 %), bien que les auteurs notent que cette observation repose sur un sous-ensemble restreint (5 sujets) et peut être influencée par des facteurs autres que le matériau seul.
• Performance des SQI : Parmi les métriques individuelles, le bSQI a été le plus performant avec une précision de 90,7 % et un score F1 de 79,9 %. Le aSQI a atteint 90,0 % de précision, et le corSQI 89,4 %.
• Performance de l'indice combiné : L'approche de vote majoritaire combinant les trois SQI a amélioré la performance à 92,0 % de précision et un score F1 de 82,1 % pour les segments de 10 secondes.
• Classification à 2 secondes : Appliqué aux intervalles de 2 secondes, l'indice d'artefact a atteint 93,4 % de précision, avec un taux de faux positifs de 4,4 % et un taux de faux négatifs de 2,3 %.

Principales contributions

1. Indice d'artefact : L'article présente un indice d'artefact basé sur des caractéristiques, spécifiquement conçu pour la cECG acquise dans un cadre de fauteuil, capable de distinguer les segments propres des segments d'artefacts par pas de temps de 2 secondes.
2. Jeu de données : Les auteurs fournissent un jeu de données anonymisé et librement accessible contenant des données ECG de référence et cECG de 44 sujets, ainsi que les annotations de vérité de terrain.
3. Analyse empirique : L'étude quantifie l'impact d'activités quotidiennes spécifiques (lecture vs TV) et des matériaux de vêtements sur la qualité du signal cECG, fournissant des métriques de base pour la faisabilité de la surveillance continue.

Signification et affirmations
Les auteurs affirment que leur indice d'artefact parvient à automatiser la distinction entre les segments cECG propres et les artefacts, favorisant ainsi la viabilité de la surveillance de la santé dans des contextes réels non supervisés.

• FC vs VFC : Les résultats suggèrent que les enregistrements cECG en fauteuil sont adaptés à la détermination de la fréquence cardiaque (FC), car la majorité des signaux contiennent des segments propres de 10 secondes suffisants. Cependant, les auteurs déclarent avec modestie que l'analyse de la VFC, qui nécessite des enregistrements propres contin uninterrupted de 5 minutes (300 secondes), est actuellement impossible avec cette configuration pour la plupart des sujets.
• Utilité future : Les auteurs suggèrent que si des méthodes d'analyse de la VFC ultra-courtes (par exemple, en utilisant des segments de 60 secondes) sont validées, l'utilisabilité des signaux enregistrés augmenterait considérablement (passant de 22,7 % à 63,0 % pour la lecture).
• Limites : L'article reconnaît explicitement des limites, notamment la restriction à seulement deux activités (lecture et TV), l'utilisation d'un fauteuil prototype et l'exclusion de sujets présentant des pathologies cardiaques (spécifiquement l'arythmie), notant qu'aucune base de données de référence pour l'arythmie en cECG n'existe actuellement.

Ce travail sert de fondation pour étendre la surveillance de la santé personnalisée et continue à la médecine préventive, tout en soulignant la nécessité d'une détection précise des artefacts pour garantir la fiabilité des données.