Textile Electrode Size and Placement Influence on Electrocardiography Monitoring

Resumo Técnico: Influência do Tamanço e da Localização do Eletrodo Têxtil na Monitoração de Eletrocardiografia

Definição do Problema
A monitoração de longo prazo da atividade elétrica cardíaca (ECG) via dispositivos vestíveis é cada vez mais prevalente. No entanto, os eletrodos convencionais de prata/cloreto de prata (Ag/AgCl) apresentam limitações significativas, incluindo desconforto ao usuário, potenciais reações alérgicas, irritação cutânea e suscetibilidade a artefatos de movimento. Embora os eletrodos têxteis ofereçam uma alternativa promissora devido à sua reutilização, amigabilidade à pele e facilidade de integração em vestuário, a qualidade do sinal depende fortemente de parâmetros de design específicos. Os autores identificam uma lacuna na literatura quanto à avaliação sistemática de como a área de contato do eletrodo e a localização corporal específica influenciam a qualidade do sinal e a precisão da detecção do pico-R, particularmente sob diferentes condições de repouso e atividade física.

Metodologia
O estudo empregou um design experimental robusto envolvendo 30 voluntários de diversas idades, gêneros e somatotipos. A metodologia foi dividida em duas fases primárias:

1. Avaliação da Qualidade do Sinal (Repouso e Atividade):

   • Design do Eletrodo: Três tamanhos de eletrodos têxteis foram fabricados utilizando tecido condutivo Silitex (Shieldex) com enchimento de espuma de memória para garantir o contato com a pele. Os tamanhos foram 2×2 cm, 4×4 cm e 6×6 cm.
   • Posicionamento: Seis locais distintos foram testados: três no tórax (abaixo do mamilo direito, à direita do esterno, meio do esterno) e três nas costas (abaixo da escápula direita, sulco espinal, abaixo da escápula esquerda). Cada eletrodo têxtil foi pareado com um eletrodo de referência Ag/AgCl colocado imediatamente abaixo dele.
   • Aquisição de Dados: Os sinais foram registrados usando um dispositivo ECG comercial BTL Flexi 12 a 500 Hz. Os dados brutos foram processados usando filtros IIR de 2ª ordem (passa-alta em 0,5 Hz, passa-baixa em 100 Hz e rejeita-banda em 49–51 Hz).
   • Métricas de Avaliação: A qualidade do sinal foi avaliada comparando períodos cardíacos representativos (RCP) derivados dos sinais têxteis contra sinais de referência usando o coeficiente de correlação de Pearson ($R$) e o Erro Quadrático Médio (MSE).

2. Precisão de Detecção do Pico-R:

   • Modelo: Uma Rede Neural Profunda (DNN) foi projetada para detecção de pico-R. A arquitetura apresenta três ramos convolucionais 1D paralelos com variados tamanhos de kernel para capturar diferentes escalas de QRS, uma camada LSTM bidirecional para informação de ritmo sequencial, e cabeças de saída duplas (uma cabeça de detecção com um mapa de probabilidade Gaussiana e uma cabeça de regressão para localização precisa).
   • Treinamento: O modelo foi treinado em aproximadamente 1.200 registros de ECG de 6 minutos anotados, tanto de eletrodos têxteis quanto de referência, sob condições laboratoriais.
   • Validação: O F1-score (média harmônica de precisão e recall) foi usado para avaliar a precisão da detecção. Um conjunto de dados suplementar envolvendo 15 voluntários adicionais realizando quatro atividades físicas (caminhada a 4 km/h e 5 km/h, exercícios com halteres e agachamentos) foi utilizado para testar o desempenho sob artefatos de movimento.

Principais Contribuições

• Avaliação Sistemática de Tamanho: O estudo testou três tamanhos distintos de eletrodos têxteis (2×2, 4×4 e 6×6 cm) para determinar o impacto da área de contato na fidelidade do sinal.
• Análise Abrangente de Posicionamento: A pesquisa avaliou seis localizações corporais específicas (três anteriores, três posteriores) para mapear a influência da posição anatômica na qualidade do ECG.
• Modelo de Detecção Avançado: O desenvolvimento e aplicação de um modelo DNN customizado para detecção de pico-R de alta precisão, capaz de lidar com diversas morfologias de sinal.
• Dataset Robusto: A geração de um dataset compreendendo medições de 30 voluntários, incluindo subconjuntos específicos para análise de atividade física, fornecendo um tamanho de amostra maior do que muitos estudos comparáveis.
• Avaliação Multi-métrica: Uma avaliação holística usando correlação ($R$), MSE e F1-scores para avaliar tanto a morfologia do sinal quanto o desempenho do algoritmo de detecção.

Resultos

• Tamanho do Eletrodo: A análise estatística (teste de Kruskal-Wallis) revelou que não houve diferença estatisticamente significativa na qualidade do sinal baseada no tamanho do eletrodo. Embora os eletrodos menores (2×2 cm) ocasionalmente tenham mostrado uma variabilidade ligeiramente menor e valores de correlação mediana mais altos, as diferenças entre os tamanhos foram mínimas.
• Posicionamento do Eletrodo: O posicionamento teve um impacto estatisticamente significativo na qualidade do sinal.
  • Tórax vs. Costas: Sinais registrados nas costas produziram resultados significativamente melhores (maior $R$, menor MSE) do que os do tórax.
  • Localizações Específicas: No tórax, a posição abaixo do mamilo esquerdo apresentou os melhores resultados. Nas costas, a posição abaixo da escápula esquerda alcançou a maior qualidade, com os dados agrupados próximo à correlação perfeita ($R \approx 1$) e erro zero.
  • Correlação de Distância: A qualidade do sinal melhorou conforme a posição do eletrodo se aproximava do coração (lado esquerdo), com o lado direito apresentando a menor qualidade.
• Detecção de Pico-R (F1-score):
  • Sob condições de repouso, os F1-scores foram geralmente altos (>98%) tanto para eletrodos têxteis quanto para de referência na maioria das posições.
  • Durante a atividade física, os eletrodos têxteis na posição V4 demonstraram melhor estabilidade de detecção de pico-R do que os eletrodos de referência para caminhada (4 km/h e 5 km/h) e exercícios com halteres.
  • A única exceção foi o treinamento de peso (halteres/agachamentos), onde os eletrodos de referência geralmente performaram ligeiramente melhor ou de forma comparável, particularmente na posição V6.
  • Nas posições V5 e V6, as diferenças entre eletrodos têxteis e de referência foram mínimas em todas as atividades.

Significância e Alegações
O artigo conclui que, embora o tamanho do eletrodo não seja um fator crítico para a qualidade do sinal, o posicionamento é a variável dominante. O estudo afirma que os eletrodos têxteis podem servir como um substituto funcional para os sistemas convencionais de Ag/AgCl, desde que colocados de forma otimizada (especificamente nas costas, próximo à escápula esquerda, ou no tórax próximo ao mamilo esquerdo).

Os autores enfatizam que o desempenho superior dos eletrodos menores (2×2 cm) em termos de consistência sugere potencial para minimizar as áreas de contato em designs vestíveis. Isso permitiria uma maior densidade de sensores em vestimentas inteligentes, possibilitando o monitoramento simultâneo de múltiplos sinais biológicos (ex: ECG e EMG) sem comprometer o conforto. O estudo assegura que o modelo DNN proposto lida efetivamente com a diversidade morfológica dos sinais de ECG têxteis, validando a viabilidade do uso de aprendizagem profunda para dados de vestíveis propensos a artefatos.

Este trabalho posiciona-se como um passo necessário para o estado da arte, abordando a falta de estudos abrangentes sobre os efeitos combinados de tamanho, posicionamento e movimento no ECG têxtil, fornecendo um dataset validado e metodologia para pesquisas futuras em monitoramento cardíaco vestível.