Automatic analysis of electrocardiographic repolarization: innovative approaches in the time and frequency domains

Sudden cardiac death (SCD) is one of the leading causes of death in developed countries. Consequently, several noninvasive predictors of SCD based on the T-wave, that is the cardiac repolarization on electrocardiogram (ECG) tracings, have been proposed in the literature, such as the QT-interval and the T-wave alternans. However, none of these indexes has proven sufficient sensitivity and specificity to justify preventive treatments. Abnormalities in the repolarization morphology are reflected, in the frequency domain, in a variation of the T-wave frequency content. Thus, aims of the present thesis are: (i) to propose innovative frequency-based repolarization index (Toff) and (ii) to improve QT-interval reliability introducing a new procedure to help identify T-wave offsets (Toff). To aim (i), 4 new indexes are proposed, termed AUNE2-5, AUNE10-35, TCE10 and f99, and their ability to discriminate clinical to pathological condition or to assess cardiovascular risk is evaluated. As a result, the f99 is the most promising frequency-based repolarization index among all proposed, being able to assess cardiovascular risk, even though each of these indexes is able to discriminate clinical to pathological condition. To aim (ii), the dominant T-wave (DTW), which is a global repolarization waveform, is used to improve QT-interval reliability by identifying Toff on DTWs computed over all the clinical available 15 ECG leads and then over smaller, yet linear independent, leads' groups, to test if data redundancy could bias the analysis. As a result, Toff identification by two automatic methods is equivalent when performed on DTWs computed over 15 leads and results are not affected by data redundancy, being statistically comparable and strongly correlated when Toffs are identified on DTWs computed over 8 or more leads. In conclusion, the proposed innovative f99 index and the use of DTW to improve QT-interval reliability represent a step further in the ECG repolarization analysis.

La morte cardiaca improvvisa (SCD) rappresenta la causa principale di morte nei paesi industrializzati. Conseguentemente, a scopo preventivo, sono stati proposti numerosi indici, basati sull'onda T elettrocardiografica,cioè la ripolarizzazione cardiaca, tra i quali i più usati sono l'intervallo QT e la T-wave alternans. Tuttavia, nessuno di questi indici è stato in grado di fornire sensibilità e specificità sufficienti a giustificare terapie preventive. E' stato inoltre osservato che cambiamenti nella morfologia della ripolarizzazione si riflettono in variazioni del contenuto in frequenza delle onde T. Quindi gli obiettivi di questa tesi sono: (i) proporre indici basati sul contenuto in frequenza delle onde T e (ii) migliorare l'affidabilità dell'intervallo QT tramite una nuova procedura per l'identificazione della fine delle onde T (Toff). (i) E' stata valutata la capacità di quattro nuovi indici, AUNE2-5, AUNE10-35, TCE10 e f99, sia nell'individuare la patologia sia come indici di rischio. L'indice f99 è risultato il più promettente: infatti, oltre a discriminare pazienti con patologie analogamente agli altri indici proposti, è anche utilizzabile come indice di rischio cardiovascolare. (ii) L'onda T dominante (DTW), cioè un'onda globale di ripolarizzazione, è stata utilizzata per identificare i Toff tramite due algoritmi presenti in letteratura. La DTW è stata prima calcolata su tutte e 15 le derivazioni elettrocardiografiche, quindi su gruppi di derivazioni linearmente indipendenti per verificare se i risultati possano essere influenzati da ridondanza. L'identificazione dei Toff è risultata equivalente tra i due metodi quando la DTW è ottenuta usando le 15 derivazioni; Inoltre è stato verificato che non dipende dal numero di derivazioni usate per il calcolo della DTW, quando questo è superiore a 8. In conclusione l'indice f99 e l'uso della DTW per migliorare l'affidabilità dell'intervallo QT sono un passo in avanti nell'analisi della ripolarizzazione cardiaca.