Apresentação de um artigo de referência sobre um sistema de Eletrocardiograma (ECG), em tempo real, embarcado e inteligente para a área de Saúde Assistida Eletrônica (e-healthy). Disciplina: Engenharia de Software para Sistemas Pervasivos. Coordenação de Pós-Graduação em Ciência da Computação / UFCG. Novembro de 2011.

1. A Real-Time ECG Data Compression and
Transmission Algorithm for an e-Health
Device
SangJoon Lee, Student Member, IEEE, Jungkuk Kim, Member, IEEE, and Myoungho Lee
IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, VOL. 58, NO. 9, SEPTEMBER 2011
D.O.I. 10.1109/TBME.2011.2156794
Sérgio Espínola - Mestrando em Ciência da Computação / COPIN
sergiodbe@lad.dsc.ufcg.edu.br
Engenharia de Software em Sistemas Pervasivos - 2011.3 (Out 2011)
Prof. Dr. Hyggo Almeida - Embedded/ DSC / UFCG

2. Destaques
1. Problemática
(Global e Técnica)
2. Solução
(Motivações e modelo proposto)
3. Resultados
(Contexto e Validação)
4. Técnicas
5. Análise Crítica
Fonte Figura fundo: (c) Photo by Lali Masriera. CC-BY-2.0.

3. Problemática: Doenças Cardíacas
● São responsáveis por um terço do total de
mortes e se tornam um problema de saúde
pública (mundo) [1]
● Relevância:
○ 2ª causa de mortes (Brasil)
○ 1ª causa de mortes entre mulheres (EUA)
Diminuir as mortes associadas:
● Previsão (ou prevenção) de situações de perigo 24h,
● No mundo, ocorre o aumento da longevidade
em populações de mais idade (maior atenção requerida).
[1] Fonte: Doenças Cardíacas: um mal que se pode prevenir < http://boasaude.uol.com.br/lib/ShowDoc.cfm?LibDocID=3977&ReturnCatID=18 >
Figura: http://www.onlinemedicinetips.com/disease/heart-disease/heart-attack/Heart-Attack-Signs-And-Symptoms.html

4. Motivações Operacionais e Impacto
"A computação pervasiva, também chamada de computação ubíqua (Weiser, 1991),
tem sido reconhecida como a terceira onda na Ciência da Computação, após as eras
do Mainframe e dos Computadores Pessoais. Se não completamente endereçada,
todavia a computação pervasiva será o paradigma predominante do século 21"
(Loureiro, Ferreira, Almeida & Perkusich; 2007)
Gastos associados às Doenças CardioVasculares (2004) *
● Custos
○ R$ 28,8 bilhões (bi) em casos +graves,
idade >= 35 anos
○ Comparativamente
■ R$ 66 bi (despesa pública em saúde)
■ R$ 37 bi (acidentes/violência)
● Números
○ População 35+ anos: 61.614.637
○ Mortes todas as causas: 816.523
○ DCV
■ Mortes 266.736
■ Internações 1.536.488
■ Mortes no Hospital 121.770
■ Aposentadorias 300.757
■ Pessoas/ano-auxílio 144.944
* Fonte Informações: Custos Associados com Doenças Cardiovasculares no Brasil. Dr. Aloysio Achutti, Dra. Maria Inês R. Azambuja, Dr. Murilo Foppa e Dr. Mário
Maranhão, 2007. Figura: http://portaldocoracao.uol.com.br/cardiologia-preventiva/ansiedade-e-depresso-aumentam-riscos-de-infarto-do-miocardio-em-60

5. Prevenção e Diagnostico a Tempo?
● Problema a ser resolvido:
● Poder identificar ou antecipar as situações-perigo (medição
da atividade cardíaca) por meio de uma rede de terminais
bio-sensores altamente disponíveis.
Fundamentos
1. Confiabilidade
2. Respostas em Tempo-Real
3. Alta-disponibilidade
Fonte Figura: www.rgbstock.com

6. A Computação pervasiva e uma instância
"Computação Pervasiva é parte de uma
cadeia de evoluções que consiste em
sistemas distribuídos e computação móvel"
(Satyanarayanan, 2001)
Um sistema de prevenção pervasivo deve:
1. Poder acompanhar a condição
cardíaca;
2. Ser robusto, disponível e
transparente.
○ Robustez: considerar o uso eficaz
e eficiente de recursos limitados e
possibilitar escalabilidade;
○ Disponibilidade: assegurar efeitos
de demanda na totalidade do
tempo requerido;
○ Estar presente de forma 'calma'.
Fonte Figura: http://www.research.philips.com/downloads/pictures/downloads/health_pershealth_22-0_h.jpg

7. Monitoramento do Coração
● "O exame de Eletro-Cardiograma (ECG ou EKG) é o
mais importante teste não-invasivo para
interpretação dos ritmos cardíacos, anomalias do
sistema condutor e detecção de isquemia do
miocárdio" [1]
○ É o registro das alterações de
potencial elétrico entre dois pontos
■ Despolarização e repolarização das células
cardíacas
■ A atividade elétrica cardíaca se inicia no nodo
sinusal
(células auto-rítmicas) que induz a
despolarização dos átrios e dos ventrículos
● Ocorre pela análise de padrões nos
pontos de interesse médico: P, Q, R, S e T
[1] Fonte Informações: Instant ECG app e Wikipedia.
Figura: <http://www.nhlbi.nih.gov/health/health-topics/topics/ekg/during.html>

8. Sistema Proposto
(proposed)
● Compressão, 'Transmissão' e Reconstrução
de sinais de ECG (em tempo-real)
● Comparar o desempenho contra
○ Métricas de Referência (validação local),
○ Outras técnicas propostas,
○ Características de Tempo Real
● Diferenciais
○ Detecção dos picos de ECG
diferenciados,
○ Realizar DCT entre o pico atual e o pico
anterior do fluxo do sinal.
Fonte Figura fundo: (c) Photo by Incase Designs. CC-BY-2.0. Figura Dr: www.rgbstock.com

9. Validação
● Modelo foi Implementado em software
"Lab/windows CVI 8.5 baseado na linguagem C".
○ Parâmetros analisados
1. Fator de Compressão: CR
2. Diferença Percentual Quadrático: PRD
3. Diferença Percentual Quadrático Normalizada:
PRDN
4. Erro Quadrático: RMS
5. Relação Sinal-Ruído: SNR
6. Escore de Qualidade: QS
○ Compressão usada: Tipo "com perdas"
(lossy)
● Testes realizados com 48 MIT-BIH *
● The source of the ECGs is a set of over 4000 long-term
dados de arritmias. Cada um contem: Holter recordings that were obtained by the Beth Israel
Hospital Arrhythmia Laboratory between 1975 and 1979.
○ Duas ECG data (lead) ● Approximately 60% of these recordings were obtained from
inpatients.
○ Tamanho cada lead 650 kbits (formato ● The database contains 23 records (numbered from 100 to
16bits). 124 inclusive with some numbers missing) chosen at random
from this set, and 25 records (numbered from 200 to 234
Obs. Apenas um lead foi considerado. inclusive, again with some numbers missing) selected from
the same set to include a variety of rare but clinically
important phenomena that would not be well-represented by
a small random sample of Holter recordings.
● Each of the 48 records is slightly over 30 minutes long.
Fonte Figura ECGs: <thttp://www.j2fi.net/wp-content/uploads/2008/08/example_ecg.gif>. Figura Validar: www.rgbstock.com
* Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology. http://physionet.org/physioban/database/html/mitdbdir/intro.htm

10. Procedimentos Efetuados
Compressão
1. Subamostragem e Diferença de Sinal
2. Detecção e Classificação dos
picos de Amplitude
3. Transformada do Cosseno Discreta
(DCT)
4. Janelamento
5. Código de Hufmann (CH)
Descompressão
6. CHˆ(-1)
7. DCT ^(-1)
8. Interpolação spline
9. Diferença Inversa
Fonte Figura: (c) Apple Automator app

11. Validação Visual (Execução)
● Legibilidade
○ Diferenças mínimas (original e
reconstruída): Figs. "a" e "d"
○ Até 30% os sinais são muito
próximos

12. Validação Local (Proposed)
● Alguns destaques
○ Redução até 27,9:1
(CR em 15%)
○ "Raiz quadrada da
diferença das médias"
PRD<=2,93
Abaixo do janelamento de 30%,
há diferenças bem distintas
entre o sinal original e o recuperado.

13. Validação II (proposed X outros esquemas)
● Comparação dos desempenhos do
modelo proposto contra técnicas
(de 1999-2008) publicadas
recentemente.
● Apenas três instâncias
MIT-BIH confrontadas
● Janela de 30%
Proposed foi melhor!

14. Validação III (proposed X outros tipos)
● Comparação dos desempenhos do
modelo proposto contra tipos de
compressão comuns,
● Apenas uma instância
MIT-BIH confrontada,
● Com 25% window, ajuste
entre CR e PRD pode
ser necessário.
Proposed foi bem
(melhor em alguns casos)

15. Validação IV: Tempo Real e eventual
Entrave
● Ruído Gaussiano foi somado ao sinal original
● Considerou-se DP o aspecto mais crítico:
"Since the proposed algorithm compresses the differenced ECG data which
are segmented by peak detection, incorrect peak detection affects the
performance of the algorithm"
● A variável Gaussiana (desvio padrão) foi variada
de 0 a 60 (u=0). Onde 0 é o sinal original.
● Valores de janelas considerados: [50%, 20%]
● A acurácia da DP não é afetada por CR
● Outras métricas (PRD, PRDN, RMS, SNR)
podem levar a DP incorretas para alta taxa
de compressão (Tabela VI)

16. Contribuições
● Compressão e 'Transmissão' em tempo-real
assegurados;
● Sistema proposto pode
compor soluções maiores:
○ LAN com largura de banda limitada,
○ Conexão de biosensores ou
com vários canais
Fonte Figura fundo: (c) Photo by Jon Fife. CC-BY-SA-2.0.

17. Detecção de Picos
● Considera as
diferenças do sinal;
● Realizar DCT entre o
pico corrente e o
anterior do fluxo de
dados;

18. Janelamento (Windowing)
● Multiplica os dados de
entrada pelo FFT com um
valor que atenua para zero
no fim de cada dado;
● Seu propósito eh reduzir as
aberrações na saída do
FFT que são introduzidos
por bruscas mudanças nos
dados no início e fim dos
dados.
Fonte: http://www.wavemetrics.com/products/igorpro/dataanalysis/signalprocessing/spectralwindowing.htm

19. DCT (Discrete Cossine Transform)
● Transformada rápida de Fourier
Applet:
http://falstad.com/fourier
● É Codificação de Transformada
Adaptativa (ATC)
● De implementação prática e 'rápida'
(computacionalmente)
● Idéias:
○ "Assinalar mais bits para
os coeficientes espectrais mais
importantes e menor quantidade
para os outros."
○ "Alocar dinamicamente o número
de bits para os coeficientes
espectrais em função da
estatísticas do sinal".
Fonte: http://www.cs.auckland.ac.nz/software/AlgAnim/huffman.html
Figura: Livro "The transform and data compression handbook"

20. Código de Hufmann - Motivação
● Método de compressão
● Usa probabilidades de
ocorrência dos símbolos
no conjunto de dados
a ser comprimido para
determinar códigos
de tamanho variável
para cada símbolo.
● Desenvolvido em 1952
por David A. Huffman
● Tamanho médio da
redução de dados: 22.27%
Fonte: http://www.cs.auckland.ac.nz/software/AlgAnim/huffman.html

21. Operações inversas e complementares
● Ajustes foram
necessários diante da
compressão com
perdas (lossy)
● Pontos 'faltantes'
obtidos por
interpolação spline.
Fonte: http://www.wavemetrics.com/products/igorpro/dataanalysis/signalprocessing/spectralwindowing.htm

22. Análise Crítica
● O cenário gerado é verossímil e
representativo?
○ 48 amostras 'apenas' podem não ser suficientes!
○ A amostra endereça a População? Correspondem a
pessoas com mais idade?
○ Qual perfil dos ECG testados?
Usado apenas um lead/Artigo. Quando, segundo
professor de medicina (cardiologia/UFCG), um bom
exame usa 12 leads.
● Profissional médico (especialista) validou resultados?
○ A modificação do sinal recebido até 30%
(DCT window) pode ser considerável satisfatória?
Fonte Figura fundo: (c) Photo by Michell Zappa. CC-BY-2.0

23. Análise Crítica 2
● Técnicas empregadas são apropriadas para dispositivos embarcados?
○ Complexidade associada (memória e processamento) não
mencionada
○ Custos em função de Energia, Memória ou Taxa de Compressão
não foram apresentados
● Validação cruzada usou apenas três (100,117 e 119) e uma (117)
amostra(s) de ECG para validar os esquemas e tipos respectivamente.
○ Quantidade e os usados foram escolhidos de que forma?
○ Qual (is) critério(s) e o porquê?
● Base com dados da década de 70 representa condições atuais para a
população idosa?
● Uma sessão de ECG tem baixa sensibilidade (é prático mas apenas é
o primeiro passo de diagnóstico de atividades cardíacas) .
Ideal seria monitorar por mais tempo ou associar com outras medições
e exames (mapa da pressão no braço, por ex.) para compor melhor
análise da condição cardíaca.
Fonte Figura fundo: (c) Photo by Michell Zappa. CC-BY-2.0

24. Referências
● A Real-Time ECG Data Compression and Transmission ● Custos Associados com Doenças
Algorithm for an e-Health Device. <http://ieeexplore.ieee. Cardiovasculares no Brasil. Dr. Aloysio Achutti,
org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5771057>. Acessado Dra. Maria Inês R. Azambuja, Dr. Murilo Foppa e
em 02/09/2011 Dr. Mário Maranhão, 2007. Disponível em < http:
● Eletrocardiograma. <http://en.wikipedia. //www.diabetes.org.
org/wiki/Electrocardiography > br/apresentacoes/Diversas/achutti_custos.php >.
● ECG em 100 passos. <http://www.lifehugger. Acessado em 14/10/2011
com/doc/120/ecg-100-steps>. Acessado em 2/10/2011
● Código de Hufmann
<http://www.cs.auckland.ac.nz/software/AlgAnim/huffman.
html> Acessado em 10/10/2011
● Extração de Características. <http://clopinet.
com/isabelle/Projects/ETH/> Acessado em 5/10/2011
● The transform and data compression handbook / editors,
P.C. Yip, K.R. Rao. (Electrical engineering and signal
processing series) ISBN 0-8493-3692-9
● Fourier Análise: http://www.fftw.org/doc/1d-
Real_002deven-DFTs-_0028DCTs_0029.html#g_t1d-
Real_002deven-DFTs-_0028DCTs_0029 Acessado em
2/10/2011
● Ubiquitous and prevasive knowledge and learning
management : semantics, social networking and new
media to their full potential / Miltiadis Lytras and Ambjörn
Naeve, editors. 2007 by Idea Group Inc.
Fonte Figura: www.rgbstock.com

25. Sérgio Espínola - Mestrando em Ciência da Computação / COPIN
sergiodbe@lad.dsc.ufcg.edu.br
Obrigado!
Fonte Figura fundo: (c) Photo by Ed Schipul. CC-BY-
SA-2.0.
Engenharia de Software em Sistemas Pervasivos - 2011.3
Prof. Dr. Hyggo Almeida - Embedded/ UFCG