Sviluppo e confronto di algoritmi di filtraggio del segnale fonocardiografico addominale per l’estrazione della frequenza cardiaca fetale

Introduzione                                                                                                                                              
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Introduzione 
Il monitoraggio elettronico fetale, come controllo di routine sull’andamento della gravidanza, 
fornisce informazioni importanti sullo stato di salute del feto. La registrazione della frequenza 
cardiaca fetale (Fetal Heart Rate - FHR) è una metodica ampiamente diffusa per valutare le 
condizioni di benessere del feto. Attualmente la metodologia diagnostica più utilizzata per la 
diagnosi clinica prenatale della salute del feto è la cardiotocografia (CTG). Essa consiste nella 
registrazione della FHR con una sonda Doppler ad ultrasuoni, e nella misurazione dell’intensità 
relativa delle contrazioni uterine (UC) con un trasduttore indiretto di pressione. Nonostante la 
registrazione frequente e/o a lungo termine della FHR sia spesso suggerita nelle gravidanze a 
rischio, non è ancora del tutto accertato che l’esposizione prolungata agli ultrasuoni non provochi 
danni al feto. Un’alternativa alla CTG è l’uso di metodiche passive, tra le quali grande interesse sta 
guadagnando la fonocardiografia (fPCG), una metodica totalmente non invasiva, consistente nella 
registrazione acustica dei suoni cardiaci fetali (Fetal Heart Sounds - FHS). La facilità di utilizzo, la 
non invasività ed il basso costo, ne consentono l’utilizzo per il monitoraggio continuo della FHR 
anche nel regime di home monitoring. Inoltre la fonocardiografia consente il rilevamento di 
anomalie dell’attività cardiaca come murmurs, splits, extrasistoli o altre aritmie, non facilmente 
riconoscibili o non riconoscibili affatto con altre metodiche. 
Il presente lavoro di tesi è stato organizzato nel modo seguente. Dopo una descrizione (Cap.1) delle 
caratteristiche del sistema cardiovascolare fetale, nel cap. 2 si esaminano le principali tecniche di 
diagnosi prenatale. Nel cap. 3 si analizzano il segnale FHR e le sue caratteristiche, si mette in 
evidenza inoltre come alterazioni della variaabilità del ritmo cardiaco fetale si possano collegare a 
stati di sofferenza fetale o a condizioni patologiche.  
Nel cap. 4 si analizzano le caratteristiche del segnale FHS nel dominio del tempo, le cui principali 
componenti sono il primo ed il secondo tono cardiaco fetale Il segnale fPCG registrato sulla 
superficie addominale materna ha tuttavia un’intensità piuttosto bassa ed è fortemente inquinato dal 
rumore. 
Nell’elaborazione dei segnali fPCG il primo passo è di solito la stima del segnale FHR. Ai fini del 
calcolo della FHR dal segnale FHS è necessario ricavare dai suoni cardiaci degli intervalli 
interbattito affidabili. Questo non è un obiettivo facile da raggiungere, a causa del basso rapporto 
segnale-rumore dell’FHS e a causa della morfologia variabile dei suoni cardiaci. Nonostante le 
difficoltà del signal processing, considerando che la variabilità del ritmo cardiaco gioca un ruolo 
cruciale nella valutazione dello stress fetale, bisogna comunque porre molta attenzione alla sua
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valutazione e quindi la stima dell’intervallo inter-battito (reciproco, a meno di una costante, della 
serie FHR) deve essere quanto più affidabile possibile. 
Nel cap. 5 si mostrano i risultati di un’analisi precedentemente condotta per caratterizzare i suoni 
cardiaci nel dominio della frequenza, che hanno mostrato un trend lineare delle caratteristiche 
ricavate al variare della settimana di gestazione.  
L’obiettivo principale del presente lavoro di tesi è stato il problema del filtraggio del segnale 
fonocardiografico fetale, che si rivela cruciale nelle strategie di de-noising, per la determinazione 
della FHR. Utilizzando un software per l’estrazione della FHR, sviluppato nell’ambito dell’attività 
di ricerca del gruppo di bioingegneria e preventivamente ottimizzato in molti suoi aspetti, sono state 
analizzate, implementate e confrontate diverse soluzioni di filtraggio. L’algoritmo implementato 
consiste essenzialmente di un pre-processing, un primo stadio di elaborazione, lo stadio di 
filtraggio, uno ssecondo stadio di elaborazione tramite TEO, per l’enhancement dei primi suoni 
cardiaci fetali, uno stadio di elaborazione logica che individua i picchi del segnale associati ai 
battiti, ed uno stadio di post elaborazione per fissare degli affidabili marker temporali dei battiti 
individuati.  
Per lo stadio di filtraggio, sono state implementate quattro diverse tecniche di de-noising e ne sono 
stati confrontati i risultati. Le quattro tecniche sono rispettivamente un filtraggio adattativo basato 
sul filtro RLS, un filtraggio passa banda con frequenza di centro banda fissa, un filtraggio passa 
banda con frequenza di centro banda variabile ed una strategia di de-noising e di esaltazione dei 
suoni cardiaci fetali secondo la teoria della decomposizione wavelet. Per consentire il confronto dei 
risultati ottenuti con le diverse tecniche, il software è stato arricchito di nuove funzionalità ed è 
stato velocizzato il percorso di elaborazione.  
Per portare avanti e completare il lavoro, oltre allo sviluppo del software, è stato necessario 
effettuare un’ampia analisi della letteratura, principalmente riguardante le soluzioni adottate per la 
soppressione delle principali fonti di rumore del segnale fPCG e per l’elaborazione del segnale ai 
fini del calcolo affidabile della FHR, utilizzando come riferimento i toni cardiaci fetali.  
Gli algoritmi di filtraggio sono stati confrontati in relazione alla loro efficienza, confrontando il 
segnale FHR estratto da ognuno con quello estratto da una registrazione cardiotocografica eseguita 
contemporaneamente, utilizzando sia la sonda Doppler che il sensore acustico fonocardiografico. 
Dal confronto tra i due segnali, viene calcolata la distribuzione dell’errore beat-to-beat calcolata 
come la differenza punto-punto tra i due segnali. Sono inoltre calcolati ulteriori parametri statistici 
della distribuzione dell’errore, la frequenza cardiaca media e viene operato il confronto tra gli 
istogrammi della distribuzione della FHR estratta con cardiotocografia e fonocardiografia. Viene 
inoltre condotta un’analisi della varianza (ANOVA) per verificare l’appartenenza delle distribuzioni
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dei valori della FHR estratta dai vari algoritmi, alla stessa popolazione della distribuzione dei valori 
della FHR estratta con la CTG.  
Allo scopo di valutare quali fossero gli algoritmi di filtraggio migliori, caratterizzati da errori 
minori, è stato utilizzato un indice di qualità, già proposto ed utilizzato (cap. 7). Tale indice 
supporta in maniera più diretta l’individuazione dell’algoritmo di filtraggio ottimale tra quelli 
proposti ed analizzati.
Sviluppo fetale  Capitolo 1   
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Capitolo 1 
Sviluppo fetale 
1.1 Cenni sulla fisiologia dello sviluppo fetale 
Nell’embrione, il sistema cardiovascolare è il primo sistema a raggiungere uno stadio di 
attività funzionale; già dal 28° giorno dal concepimento, il cuore comincia a pulsare, e lo fa ad 
una velocità pari più del doppio del ritmo cardiaco della madre [3]. 
Questa precocità nello stabilirsi di un’attività cardiocircolatoria si spiega nella necessità di 
provvedere, nello stadio iniziale dello sviluppo embrionale, ad adeguati scambi nutritivi, 
respiratori ed escretori tra l’embrione e l’organismo materno [2]. Si è noti parlare di embrione 
fino alla fine dell’ottava settimana, e successivamente (fino al termine della gravidanza) di 
feto [1].  
Tra la seconda e la terza settimana di vita, l’embrione si presenta ancora sotto forma di 3 
semplici strati di cellule (Fig. 1.1): uno stato esterno (ectoderma), uno interno (endoderma) ed 
uno intermedio (mesoderma). Questi prendono il nome di foglietti embrionali germinativi 
primari (ectoderma e endoderma) e secondario (mesoderma), che si originano in seguito alla 
“gastrulazione”. 
                        
Fig. 1.1: Prime fasi dello sviluppo embrionale.
Sviluppo fetale  Capitolo 1   
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Il processo della gastrulazione è rappresentato da una serie di riarrangiamenti e movimenti 
morfo-genitici delle cellule embrionali, che ha luogo intorno al 15°-16° giorno (Fig. 1.2).   
 
                                
Fig. 1.2: Formazione dei foglietti germinativi embrionali (gastrulazione). 
La prima zona identificabile come cardiaca è inizialmente, in realtà, un agglomerato di cellule 
mesenchimali (nel mesoderma), detta area cardiogenica, le quali, verso la fine della terza 
settimana di gestazione, si affiancano e si ripiegano in modo da dare origine a delle cavità (i 
vasi primordiali) e ai tubi endocardiaci destro e sinistro. La fusione di questi due tubi (Fig. 
1.3), che porta alla formazione di un unico tubo cardiaco (il tubo endocardico), ha inizio sotto 
la zona cranica, che sarà la regione bulbare, e si estende caudalmente
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 per tutta la regione 
ventricolare (Fig. 1.4).  Il tubo cardiaco sarà sede degli antenati dell’atrio e del ventricolo    
[2, 4]. 
Nella quarta settimana di vita dell’embrione, si è già formata la camera ventricolare e gli atri 
sono accoppiati, come fossero un’unica camera, a ricevere sangue dalle vene primitive (Fig. 
1.5). 
Si sottolinea l’abuso di notazione nell’utilizzo dei termini “atriale”, “ventricolare”, ecc. per i 
diversi segmenti del tubo cardiaco primitivo. Le denominazioni devono essere considerate 
solo un’utile indicazione del destino futuro delle regioni interessate; negli stadi precoci, 
infatti, la distinzione tra i segmenti non è così precisa da permettere di definire esattamente i 
loro singoli contributi alle varie regioni cardiache degli stadi più avanzati [2]. Solo tra la 
quarta e la quinta settimana la forma esterna del cuore è ormai stabilita e si formano i setti 
interatriale e interventricolare. 
                                                 
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 Caudalmente significa nella direzione cranio-caudale, vale a dire nella direzione che va dalla testa verso i piedi 
(dal latino cauda:”coda”).
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Fig. 1.3: Sezioni trasversali di embrioni a diversi stadi di sviluppo.  Embrione a: A) 17 giorni, B) 18giorni, 
C) 21 giorni,  D) 22 giorni. 
               
Fig. 1.4: Dai tubi endocardici al tubo endocardico. 
Questi cambiamenti fanno si che l’orientazione iniziale della struttura cardiaca possa mutare, 
e che la terminazioni arteriose e venose si avvicinino, come nell’adulto. Le metamorfosi 
successive, tra la sesta e l’ottava settimana, consistono principalmente nella divisione delle 
camere cardiache (Fig. 1.6), necessaria per fornire circolazioni separate per polmoni e corpo, 
e nella formazione, tra gli atri, del forame ovale, il quale consente il passaggio del sangue da 
sinistra a destra. Il forame ovale è destinato a chiudersi solo dopo la nascita.
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Fig. 1.5: Veduta posteriore della regione cardiaca di un embrione umano tra la terza e la quarta settimana 
di gestazione. 
                            
Fig. 1.6: Sezioni frontali del cuore nelle fasi di formazione delle camere cardiache. 
Infine a dividersi è la regione bulbare cardiaca, dando origine all’arteria polmonare e all’aorta 
(ognuna con la propria valvola semilunare); cosicché, dalla fine dell’ottava settimana, il cuore 
fetale è completamente formato (riconosciamo cioè le quattro camere dell’adulto, nonché le 
valvole mitrale e tricuspide) e non subirà altri sostanziali cambiamenti fino alla nascita, 
quando si riorganizzerà la circolazione sanguigna come nell’adulto (Fig. 1.7). 
Una peculiarità del cuore fetale è lo spessore della parete dei ventricoli, uguale tra destra e 
sinistra ( Fig. 1.8). Lo spessore della parete del ventricolo sinistro aumenta solo dopo la 
nascita, al variare dei carichi relativi della circolazione sistemica (o grande circolo), che porta 
il sangue ossigenato in tutto il corpo, e di quella polmonare (o piccolo circolo). Quest’ultima
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Fig. 1.7: Fasi dello sviluppo del cuore fetale. 
avviene, invece, tra cuore e polmoni, e consente lo scambio gassoso e l’ossigenazione del 
sangue. In tale periodo, infatti, l’espansione dei polmoni (che invece risultano collassati nello 
stadio fetale), che si ha all’insorgere dell’attività respiratoria, comporta una caduta nelle 
resistenze vascolari periferiche polmonari riducendo così notevolmente il lavoro di espulsione 
del sangue necessario al  ventricolo destro, il cui miocardio si dovrà sviluppare dunque meno 
di quello sinistro. Si tenga conto che la resistenza vascolare polmonare dopo la nascita è circa 
1/8 di quella sistemica [30, 20]. 
Le differenze strutturali tra il cuore fetale e quello dell’adulto corrispondono, come sarà 
successivamente spiegato, a differenze strutturali. 
1.2 Attività elettrica cardiaca 
Il cuore fetale, al pari di quello adulto, è dotato della capacità intrinseca di pulsare 
ritmicamente; tale caratteristica è attribuibile alla struttura stessa del tessuto muscolare 
cardiaco: il miocardio [20, 43].  
Si distinguono, nel tessuto miocardico, delle fibre più propriamente contrattili e delle fibre
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(a)
(b)
 
 Fig. 1.8: Cuore fetale esterno, a), e interno, b). Legenda: RA e LA – Atri destro e sinistro, RV e LV – 
Ventricoli destro e sinistro, 
AO – Aorta, PA – Arteria polmonare, IVC – Vena Cava Inferiore, 
FO – Forame Ovale, FOV – Valvola del Forame Ovale, 
SRPV – Vena Polmonare Superiore Destra, DAO – Aorta discendente. 
 
speciali (che costituiscono, rispettivamente, un miocardio comune, ed un miocardio specifico), 
che si contraggono solo debolmente e che costituiscono il sistema di automatismo e 
conduzione, responsabile dell’origine e della propagazione dell’eccitamento del miocardio 
(Fig. 1.9). Le fibrocellule della muscolatura liscia cardiaca sono delle cellule striate, simili a 
quelle dei muscoli volontari, delimitate ciascuna da una membrana (il sarcolemma) ed 
organizzate in un reticolo tridimensionale [44].  
Le prime contrazioni cardiache regolari si hanno a partire circa della 4^ settimana, al ritmo 
idiopatico di 60 bpm (battiti per minuto). In seguito si sovrappone il ritmo più alto del nodo 
seno-atriale, quindi il ritmo cardiaco aumenta fino a 180 bpm, per arrestarsi, infine, intorno ai 
140 bpm di media. Il ritmo cardiaco diventa regolare (120-160 bpm) a partire dall’ottava 
settima di gestazione, quando, infatti, si potrebbe anche registrare un segnale ECG simile a 
quello dell’adulto, direttamente dal feto. Difficilmente, però, un ECG fetale può essere 
registrato dall’addome materno prima della sedicesima settimana. 
                       
Fig. 1.9: Struttura cellulare (vista al microscopio elettronico) del miocardio comune (a) e del miocardio 
specifico (b).