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

Resumo Técnico: Índice de Artefatos para Eletrocardiografia Capacitiva Adquirida em uma Poltrona

Definição do Problema
O monitoramento contínuo da saúde em ambientes privados, como casas inteligentes e veículos, oferece potencial para detecção precoce de doenças e melhores resultados terapêuticos. A eletrocardiografia capacitiva (cECG), integrada em configurações não intrusivas como poltronas, permite o registro não intrusivo de sinais biológicos durante atividades cotidianas. No entanto, os sinais de cECG são altamente suscetíveis a ruídos e artefatos causados por movimentos, distúrbios eletromagnéticos, rugas no tecido, problemas de capacitância de acoplamento e outros fatores. Esses artefatos degradam a qualidade do sinal, comprometendo a confiabilidade dos cálculos de frequência cardíaca (FC) e variabilidade da frequência cardíaca (VFC). Embora existam vários índices de qualidade de sinal (SQIs) para o ECG galvânico, sua aplicabilidade ao cECG e o desenvolvimento de um índice de artefato robusto para configurações reais e não supervisionadas permanecem desafios críticos.

Metodologia
Seguindo um protocolo de relatório registrado, os autores conduziram um estudo de braço único envolvendo 44 indivíduos.

• Aquisição de Dados: Os participantes sentaram-se em uma poltrona inteligente prototípica equipada com eletrodos de cECG integrados (Capical GmbH) para duas sessões de 11 minutos: leitura e assistir televisão. Um ECG de referência sincronizado no tempo foi registrado simultaneamente usando eletrodos de pele.
• Variáveis: O estudo analisou o impacto do tipo de atividade e do material da roupa (algodão, linho, jeans, poliéster) na qualidade do sinal.
• Pré-processamento: Os dados foram filtrados (passa-banda de 15–30 Hz) e o canal de melhor desempenho foi selecionado. As gravações foram segmentadas em janelas sobrepostas de 10 segundos com um passo de 2 segundos.
• Verdade de Campo (Ground Truth): Um especialista qualificado anotou manualmente os sinais, marcando artefatos de movimento de alta amplitude e ruídos de equipamento. Qualquer intervalo de 2 segundos contendo artefatos foi rotulado como tal.
• Desenvolvimento do Índice de Artefato: Os autores desenvolveram um índice usando três SQIs específicos:
  1. corSQI: Correlação de complexos QRS contra um template médio.
  2. bSQI: Consistência da detecção de pico R entre dois algoritmos diferentes.
  3. aSQI: Razão de amplitude absoluta através de cinco subsegmentos de 2 segundos.
     Os limiares para esses índices foram otimizados usando uma abordagem de F1-score para lidar com o desequilíbrio de classes. Um mecanismo de votação majoritária foi empregado, onde um segmento de 10 segundos é classificado como um artefato se dois ou mais SQIs concordarem. Finalmente, uma abordagem de janela deslizante sinalizou intervalos de 2 segundos como artefatos apenas se todos os cinco segmentos de 10 segundos sobrepostos fossem classificados como artefatos.
• Avaliação: O índice foi avaliado contra a verdade de campo manual usando acurácia, sensibilidade, especificidade e F1-scores.

Principais Resultados

• Qualidade do Sinal por Atividade: Assistir televisão rendeu durações de sinal limpo contínuo mais longas do que a leitura. Em média, 88,3% do sinal de TV apresentou uma duração mínima de sinal limpo contínuo de 10 segundos, comparado a 79,8% para a leitura. Apenas 44,6% dos sinais de TV e 22,7% dos sinais de leitura mantiveram uma duração contínua limpa de 300 segundos.
• Qualidade do Sinal por Roupa: Todos os materiais de roupa testados (algodão, linho, jeans, poliéster) permitiram durações de sinal limpo superiores a 10 segundos. O poliéster surpreendentemente mostrou a maior porcentagem de segmentos limpos de 300 segundos (17,8%), embora os autores notem que essa observação é baseada em um pequeno subconjunto (5 sujeitos) e pode ser influenciada por fatores além do material isoladamente.
• Desempenho do SQI: Entre as métricas individuais, o bSQI teve o melhor desempenho, com uma acurácia de 90,7% e um F1-score de 79,9%. O aSQI alcançou 90,0% de acurácia e o corSQI alcançou 89,4%.
• Desempenho do Índice Combinado: A abordagem de votação majoritária combinando os três SQIs melhorou o desempenho para 92,0% de acurácia e um F1-score de 82,1% para segmentos de 10 segundos.
• Classificação de 2 Segundos: Quando aplicado a intervalos de 2 segundos, o índice de artefato alcançou 93,4% de acurácia, com uma taxa de falsos positivos de 4,4% e uma taxa de falsos negativos de 2,3%.

Principais Contribuições

1. Índice de Artefato: O artigo apresenta um índice de artefato baseado em características especificamente projetado para cECG adquirido em ambiente de poltrona, capaz de distinguir segmentos limpos de artefatos em passos de tempo de 2 segundos.
2. Conjunto de Dados (Dataset): Os autores disponibilizam um conjunto de dados anonimizado e de acesso livre contendo dados de ECG de referência e cECG de 44 sujeitos, juntamente com as anotações de verdade de campo.
3. Análise Empírica: O estudo quantifica o impacto de atividades diárias específicas (leitura vs. TV) e materiais de vestuário na qualidade do sinal de cECG, fornecendo métricas de base para a viabilidade do monitoramento contínuo.

Significância e Alegações
Os autores alegam que seu índice de artefato automatiza com sucesso a distinção entre segmentos de cECG limpos e com artefatos, promovendo assim a viabilidade do monitoramento de saúde em ambientes reais não supervisionados.

• FC vs. VFC: Os resultados sugerem que as gravações de cECG em poltrona são adequadas para a determinação da frequência cardíaca (FC), pois a maioria dos sinais contém segmentos limpos de 10 segundos suficientes. No entanto, os autores afirmam modestamente que a análise de VFC, que requer gravações limpas contínuas de 5 minutos (300 segundos), é atualmente não possível com esta configuração para a maioria dos sujeitos.
• Utilidade Futura: Os autores sugerem que, se métodos de análise de VFC ultra-curtos (por exemplo, usando segmentos de 60 segundos) forem validados, a usabilidade dos sinais registrados aumentará significativamente (por exemplo, de 22,7% para 63,0% para leitura).
• Limitações: O artigo reconhece explicitamente limitações, incluindo a restrição a apenas duas atividades (leitura e TV), o uso de uma poltrona prototípica e a exclusão de sujeitos com doenças cardíacas (especificamente arritmia), observando que não existe atualmente uma base de dados de referência para arritmia em cECG.

O trabalho serve como uma base para estender o monitoramento de saúde contínuo e personalizado para a medicina preventiva, enfatizando a necessidade de detecção precisa de artefatos para garantir a confiabilidade dos dados.