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

Il segnale acustico registrato sulla superficie addominale materna tuttavia ha un’intensità piuttosto bassa ed è fortemente inquinato dal rumore. Le componenti principali del segnale FHS sono il primo ed il secondo tono cardiaco fetale. Ai fini del calcolo della FHR è necessario ricavare dai suoni cardiaci degli intervalli di tempo 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. Considerando che la variabilità del ritmo cardiaco gioca un importante ruolo nella valutazione dello stress fetale, la valutazione delle condizioni che potrebbero influenzare questa diagnosi è cruciale.
Nel presente lavoro è stato affrontato 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 delle attività di ricerca del gruppo di bioingegneria e preventivamente ottimizzato, sono state confrontate diverse soluzioni di filtraggio. L’algoritmo implementato consiste essenzialmente di un primo stadio di pre-elaborazione, uno stadio di filtraggio, uno stadio di elaborazione tramite TEO ed uno stadio di post-elaborazione per fissare degli affidabili marker temporali dei battiti cardiaci. Per lo stadio di filtraggio, sono state implementate 4 diverse tecniche di de-noising e ne sono stati confrontati i risultati. Le 4 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 al variare della settimana di gestazione ed una strategia di de-noising e di esaltazione dei primi toni 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 sulle soluzioni adottate per la soppressione delle principali fonti di rumore dal segnale fPCG e per l’elaborazione del segnale ai fini del calcolo affidabile della FHR utilizzando come riferimento i toni cardiaci fetali. Sono stati inoltre riorganizzati i dati ed è stata creata una nuova interfaccia.
Gli algoritmi di filtraggio sono stati confrontati in relazione alla loro efficienza, confrontando il segnale FHR estratto da ognuno di essi con il segnale FHR ottenuto da una registrazione cardiotocografica eseguita contemporaneamente, utilizzando sia la sonda Doppler che il sensore acustico fonocardiografico. Il software sviluppato valuta l’efficienza degli algoritmi tramite il confronto dei due segnali, restituendo la distribuzione dell’errore beat-to-beat calcolato come differenza punto-punto tra i 2 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 tramite cardiotocografia e fonocardiografia. Viene poi condotta un’analisi della varianza (ANOVA) per verificare l’appartenenza delle distribuzioni 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 gli algoritmi migliori, caratterizzati da errori minori, è stato utilizzato un indice di qualità, già proposto. Tale indice supporta in maniera più diretta l’individuazione dell’algoritmo di filtraggio ottimale tra quelli proposti ed analizzati. In particolare, i risultati ottenuti indicano che, a parità di altre condizioni, i migliori risultati si ottengono con il filtro passa banda con frequenza di centro banda variabile.