Predicción robusta de las señales cardiorrespiratorias de un sistema fisiológico multimodal en el brazo superior

Área de la Ciencia:

• Ingeniería biomédica
• Tecnología portátil
• Monitoreo fisiológico

Sus antecedentes:

• Los sensores portátiles comerciales a menudo usan fotopletismografía única (PPG) para el monitoreo cardiorrespiratorio.
• PPG es susceptible a sesgos como variaciones en el tono de la piel y ruido por movimiento o presión.
• Los sistemas existentes de una sola modalidad se enfrentan a desafíos para proporcionar una estimación sólida y precisa de las variables fisiológicas.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar y evaluar un dispositivo portátil multimodal para una vigilancia cardiorrespiratoria robusta.
• Evaluar el rendimiento de las señales fisiológicas combinadas (PPG, ECG, BioZ) frente a las limitaciones de una sola modalidad.
• Investigar un enfoque jerárquico para la selección de la modalidad óptima del sensor basada en la calidad de la señal y las características del sujeto.

Principales métodos:

• Se desarrolló un dispositivo portátil que integra PPG de longitud de onda múltiple, ECG unilateral (SS-ECG), bioimpedancia (BioZ) y una unidad de medición inercial (IMU).
• El dispositivo se evaluó en 16 sujetos para estimar la frecuencia cardíaca (HR) y la frecuencia respiratoria (BR) en diversas condiciones de ruido.
• Se utilizó un enfoque jerárquico para seleccionar las modalidades de detección óptimas, teniendo en cuenta el tono de la piel y la calidad de la señal.

Principales resultados:

• Para la estimación de HR, el SS-ECG ofreció una alta precisión pero una menor fiabilidad, mientras que el PPG/BioZ mostró una menor precisión pero una mayor fiabilidad, destacando una compensación entre precisión y robustez.
• La fusión de estimaciones de múltiples modalidades utilizando regresión de árbol en bolsa conjunto superó significativamente las estimaciones de una sola modalidad para BR.
• El enfoque multimodal demostró una mejor resistencia frente a fuentes de ruido como el tono de la piel y los artefactos de movimiento.

Conclusiones:

• El monitoreo cardiorrespiratorio multimodal utilizando PPG, SS-ECG y BioZ combinados puede superar la compensación de precisión y robustez inherente a los sistemas de una sola modalidad.
• Una estrategia de selección jerárquica mejora la fiabilidad del monitoreo cardiorrespiratorio portátil.
• Este enfoque ofrece una solución más robusta para estimar la frecuencia cardíaca y la frecuencia respiratoria en diversas condiciones del mundo real.