3 Capitolo

3. PIATTAFORMA PER L’INTEGRAZIONE
DEL FOLLOW-UP AMBULATORIALE CON IL
SERVIZIO DI HOME-MONITORING DI
PAZIENTI
AFFETTI
DA
SCOMPENSO
CARDIACO
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
di homemonitoring di pazienti affetti da Scompenso Cardiaco
3.1. Introduzione
Per la comprensione del protocollo definito in questo lavoro di tesi,
riteniamo indispensabile descrivere l’oggetto della procedura di validazione,
ovvero la piattaforma, iniziando dalla sua genesi e dagli obiettivi, senza
trascurarne gli aspetti clinici ed organizzativi.
Il progetto di una piattaforma di telecardiologia con l’obiettivo di
integrare il follow-up ambulatoriale con l’home-monitoring, è nato come
ausilio per la gestione di pazienti cronici affetti da patologie cardiovascolari al
fine di contribuire alla creazione di una rete integrata di servizi sanitari e
sociali per l’assistenza ai malati cronici,[20] come previsto dall’allora vigente
Piano Sanitario Nazionale[4].
Nel corso degli anni, come riassunto in tabella 3.1, diversi lavori di tesi
hanno contribuito alla progettazione e sviluppo della piattaforma, sostenuti
ulteriormente dalle indicazioni del nuovo Piano Sanitario,[5] tuttora in
vigore,[21] il quale asserisce che “per attivare interventi di prevenzione di
ulteriori eventi acuti, garantire la continuità delle cure, monitorare il
paziente, ridurre le recidive e i ricoveri […] è valido l’utilizzo degli strumenti
della teleassistenza e del telesoccorso che consentono di monitorare i pazienti
presso il proprio domicilio, con l’invio per via telematica di ecg e di
analisi.”[5]
Infine, per quanto attiene la sostenibilità economica del progetto, sono
stati pubblicati diversi lavori scientifici, in particolare di analisi di fattibilità[22]
e di valutazione economica ex-ante[23]
28
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
di homemonitoring di pazienti affetti da Scompenso Cardiaco
Tabella 3.1: contributi alla Piattaforma dei diversi lavori di tesi in ordine cronologico
e distinti secondo le tre aree
Autore
Pecchia
Area Client
Area Server
Area Web Server
X
X
X
[20]
interfaccia utente
database
estrazione HRV da
integrata nel portale
ECG; analisi
di Assistenza
frequenza e statistica
Domiciliare
dell’HRV
Integrata realizzato
nell’ambito del
progetto
“Telemedicina
Regione Campania”
Melillo
X
X
X
[21]
Interactive Voice
demodulazione
segmentazione
Response (IVR)
ECG
spettro dell’HRV
Fusco
X
X
[24]
IVR
tabella ECG
Aprile
X
X
[25]
IVR
tabella Parametri
Vitali
Pellegrino
X
[26]
interfaccia Monitor
Multiparametrico;
upload ECG
Corbisiero
X
[27]
pressione arteriosa
Esposito
X
[28]
analisi spaziofrequenza; Poincaré
Plot
Piscopo
X
[29]
interfaccia Monitor
Multiparametrico
con invocazione
Web Service
progetto
Intramednet
29
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
di homemonitoring di pazienti affetti da Scompenso Cardiaco
3.2. Lo scenario di riferimento: lo Scompenso Cardiaco
Lo Scompenso Cardiaco è una patologia debilitante caratterizzata da
un’alta mortalità, con un impatto marcato sulla salute fisica e sull’equilibrio
psico-emotivo del paziente e rappresenta anche un rilevante problema
economico dovuto prevalentemente all’alto numero e lunga durata dei
ricoveri ospedalieri.
L’interesse per lo Scompenso Cardiaco Cronico è legato al netto
incremento della sua incidenza nei paesi industrializzati[30], dovuto, da un lato
all’invecchiamento della popolazione, dall’altro alla migliore gestione in fase
acuta delle patologie che determinano lo SCC[31]. Infatti, nel nostro paese ogni
anno, mediamente, vengono ricoverati nei reparti cardiologici circa 65.000
pazienti affetti da Scompenso Cardiaco Cronico[32]: da un’analisi comparativa
delle Schede di Dimissione Ospedaliera[33] degli anni 1999 e 2003 si evince
un incremento del 12,7% del DRG 127 (insufficienza cardiaca e shock),
diventato il secondo DRG più frequente.
Ciò evidenzia la forte domanda sanitaria per tale patologia, alla quale è
data spesso una risposta inappropriata o carente e con un elevato consumo
annuale di risorse. Studi d’economia sanitaria rilevano la necessità di ridurre
tale spesa contenendo soprattutto l’accesso ripetuto a strutture ospedaliere per
acuti[34]. Queste considerazioni impongono quindi la necessità di ridisegnare
percorsi sanitari, che possano determinare un contenimento delle risorse
senza, peraltro, diminuire la qualità della prestazione sanitaria.
3.2.1. Follow-up dei pazienti affetti da Scompenso Cardiaco Cronico
Generalmente il follow-up del paziente con scompenso cardiaco è
compito professionale del Medico di Medicina Generale, il quale concorda
con il cardiologo di riferimento il programma di monitoraggio personalizzato
e le visite di controllo periodico da parte della struttura territoriale od
ospedaliera.
30
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
di homemonitoring di pazienti affetti da Scompenso Cardiaco
Da un attento studio delle linee guida nazionali, in particolar modo di
quelle dell’ANMCO, che s’interessano del follow-up ospedaliero, si evince
che in condizioni di stabilità, elencate in Tabella 3.2, è possibile riferirsi al
seguente scadenzario di massima, che però può essere modificato in relazione
a specifiche situazioni cliniche-ambientali:
o controllo almeno ogni 3 mesi se appartenente alla classe funzionale
NYHA I o II;
o controllo almeno ogni mese se appartenente alla classe funzionale
NYHA III.
Tabella 3.2: criteri di stabilità
Assenza di:
dispnea, astenia, palpitazioni a riposo;
angina pectoris;
peggioramento della dispnea, dell’affaticamento o delle
palpitazioni durante sforzo fisico;
sintomi dovuti ad aritmie ventricolari;
effetti indesiderati da farmaci
Esame obiettivo
Variazioni di peso
corporeo
Pressione arteriosa
sistolica
Creatininemia e azotemia
Sodiemia
invariato rispetto al precedente controllo.
inferiori ai 3 kg rispetto al precedente controllo.
invariata rispetto al precedente controllo e comunque >
90 mmHg
invariate rispetto al precedente controllo
> 134 mEq/l
Durante i controlli è opportuno verificare:
o la compliance farmacologica e non farmacologica (assunzione nelle
dose adeguate di acqua e sale, dieta in rapporto ad eventuali fattori di
rischio cardiovascolare);
o lo stile di vita;
o l’uso di eventuali altri farmaci;
o le modalità d’assistenza e dell’ambiente di vita;
o la sintomatologia;
31
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
di homemonitoring di pazienti affetti da Scompenso Cardiaco
o l’esame obiettivo (PA, polso, auscultazione cardiaca e polmonare, peso
corporeo, ricerca di edemi declivi, valutazione della pressione venosa
giugulare e del riflesso addomino-giugulare);
o la necessità di eventuali esami ematochimici per il monitoraggio della
terapia in corso o per altra patologia.
Inoltre con frequenza almeno annuale è necessario richiedere:
o ECG;
o radiografia torace standard;
o esami di laboratorio e strumentali appropriati al monitoraggio della
terapia farmacologica, all’evoluzione della cardiopatia e al controllo dei
fattori di rischio cardiovascolare.
Per i pazienti con scompenso cardiaco già in trattamento e con diagnosi
di sospetta o certa instabilizzazione grave, sulla base dei criteri riproposti in
Tabella 3.3, il Medico di Medicina Generale o il Cardiologo Ambulatoriale
dovrebbero richiedere l’ospedalizzazione del paziente.
Tabella 3.3: criteri di instabilizzazione grave
Presenza di dispnea, astenia, palpitazioni per attività fisiche di entità inferiore
a quelle abituali o a riposo, con conseguente grave limitazione dell’attività
quotidiana, oppure anasarca o severi edemi declivi con segni gravi di
congestione venosa (turgore giugulare, epatomegalia), nonostante la terapia
farmacologica orale condotta, alle dosi massime tollerate, con A.C.E.inibitori, diuretici e digitatici.
Edema polmonare acuto (“scompenso cardiaco acuto”)
Evidenza clinica o strumentale di sospetta ischemia miocardica acuta
Dati bioumorali indicativi di danno d’organo correlato con lo scompenso:
oligo-anuria
o
comparsa/peggioramento
d’insufficienza
renale
con
creatininemia ≥ 3 mg/dl, comparsa/peggioramento di danno epatico, con
transaminasi > 80 U/l, bilirubina totale > 1,5 mg/dl, INR spontaneo > 1,5,
32
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
di homemonitoring di pazienti affetti da Scompenso Cardiaco
comparsa o peggioramento d’iponatriemia, con Na+ ≤ 134 mEq/l
Ipotensione arteriosa sintomatica con il trattamento necessario a impedire i
sintomi e/o il danno d’organo, dopo avere verificato/corretto l’eccesso di
diuretici
Aritmie minacciose sintomatiche (tachicardia ventricolare, ecc.) per sincope,
presincope, dispnea acuta, ecc.
Comparsa di malattie concomitanti aggravanti lo scompenso
Assenza di compliance alla terapia farmacologica e non farmacologica per
problemi cognitivi del paziente e inadeguata assistenza domiciliare
Per i pazienti, che permangono in condizioni di instabilità o in classe
NYHA IV dopo le dimissioni dall’ospedale, ovvero con dispnea,
affaticamento e palpitazioni presenti anche a riposo, con aumento dei disturbi
per ogni minima attività, dovrebbero essere previsti interventi personalizzati
da parte di medici specialisti con controlli frequenti, anche settimanali, nel
primo mese.
Nel corso degli anni sono stati sviluppati modelli gestionali diversi,
principalmente seguendo due indirizzi:
o la creazione di modelli assistenziali incentrati su strutture specialistiche
dedicate (Unità per lo Scompenso Cardiaco) o a prevalente
multicompetenza;
o l’organizzazione di modelli impostati sulla gestione domiciliare,
telefonica o telematica, medica o infermieristica[35].
Tuttavia la revisione critica ha evidenziato che l’efficacia dei risultati
non è univoca[36]. Infatti, un aspetto essenziale del problema è che la scelta del
modello non può prescindere dall’attenta valutazione della realtà locale, in
coerenza con le caratteristiche ed i bisogni effettivi dei pazienti in follow-up.
Inoltre la valutazione dei risultati dovrà obbligatoriamente tenere conto non
solo della soddisfazione del malato ma anche del favorevole impatto su
33
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
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endpoint di efficacia ed efficienza come la mortalità ed il rapporto
costo/efficacia[35].
Il modello dell’Unità per lo Scompenso, nato nella UCLA University di
Los Angeles, si basa sul ricovero in Unità specialistiche cardiologiche,
sull’impostazione di una terapia cardiologica ottimizzata e su un trattamento
non farmacologico di educazione sanitaria ad opera di personale
infermieristico specializzato (inclusa l’autogestione della terapia diuretica),
sull’impostazione di una attività fisica personalizzata. Il follow-up dei
pazienti è gestito dal personale delle Unità con visite ambulatoriali in regime
di continuità assistenziale, in stretta collaborazione con il medico di famiglia,
e con follow-up telefonico o domiciliare infermieristico gestito generalmente
dal personale della stessa Unità. L’assistenza intensiva da parte di personale
specializzato determina maggiori costi di gestione, ma questi dovrebbero
essere ampiamente compensati da una netta riduzione della degenza
ospedaliera, con un rapporto costo-efficacia sicuramente favorevole[37].
In una recente esperienza italiana è stato realizzato un protocollo
gestionale e assistenziale dedicato al paziente con SCC caratterizzato dalla
presa in carico globale del paziente e da un filo conduttore rappresentato da:
stretto rapporto con il MMG, finalizzato alla continuità della cura e
dell’assistenza, multidisciplinarietà, partecipazione attiva del paziente e del
familiare. Il percorso di gestione dei follow-up in ambulatorio dedicato con la
co-presenza del medico, dell’infermiere e dello psicologo prevede che i
controlli siano tutti programmati e individualizzati.
Dai risultati preliminari i promotori del progetto ritengono che tale
modello, adeguato e adattato ad ogni realtà locale, possa essere utile per la
gestione globale del malato con SCC al fine di realizzare una concreta
continuità della cura e l’integrazione fra medicina specialistica ospedaliera e
medicina territoriale[35].
34
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
di homemonitoring di pazienti affetti da Scompenso Cardiaco
3.2.2. Integrazione con il servizio di home-monitoring
Il servizio di home-monitoring integra il modello di gestione dei
pazienti affetti da SC al fine di garantire la continuità della cura e prevede il
controllo e la trasmissione a distanza, direttamente dal domicilio dei pazienti,
di alcuni parametri clinici nonché la registrazione, sempre da casa, della
attività
cardio-respiratoria.
Per
quanto
concerne
gli
indicatori
di
instabilizzazione clinica, oltre ai parametri standard quali ad esempio peso
corporeo, pressione arteriosa, diuresi delle 24 ore, liquidi assunti nelle 24 ore,
variazioni del decubito notturno e temperatura corporea, si è ritenuto
opportuno considerare i principali parametri estratti dall’analisi della
Variabilità del Ritmo Cardiaco (in inglese Heart Rate Variability,
frequentemente indicata con l’acronimo HRV).
In studi precedenti condotti con la collaborazione di medici
cardiologici[38][39] è stato definito un percorso assistenziale del paziente affetto
da SC condiviso da tutti gli operatori sanitari coinvolti mediante l’adozione
delle linee guida così da poter standardizzare i contenuti diagnostici,
terapeutici, assistenziali ed organizzativi del follow-up. In primis è stato
suddiviso il follow-up in tre momenti: follow-up a breve termine, follow-up a
lungo termine, valutazione finale.
In particolare è stato descritto il follow-up a breve termine: è possibile
distinguere tre fasi successive; una fase può seguire la precedente solo se i
parametri presentati dal paziente rientrano nel range di normalità, viceversa,
se il paziente dovesse presentare alterazioni si ricorrerebbe ad una nuova
ospedalizzazione.
La prima fase, convenzionalmente chiamata fase rossa, della durata di
circa 10 giorni, prevede il monitoraggio dei parametri vitali con frequenza
giornaliera, il controllo dei parametri soggetti ed oggettivi, nonché delle
informazioni di laboratorio e strumentali con cadenza settimanale. Nella fase
arancione, di circa 10 giorni, i controlli dei parametri vitali si effettueranno
35
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
di homemonitoring di pazienti affetti da Scompenso Cardiaco
ogni 3-5 giorni. Infine nella fase verde, ovvero i successivi 21 giorni, si
provvederà alla valutazione dei parameri vitali settimanalmente, mentre i
parametri soggettivi e oggettivi, di laboratorio e strumentali verranno
controllati a scadenza quindicinale.
Se il paziente alla fine delle tre fasi i parametri vitali e quelli di
laboratorio rientrano nella norma, il percorso terminerà con la visita
ambulatoriale prevista dalle linee guida.
Inoltre grazie ai medesimi lavori[38][39] si è giunti alla definizione di un
preciso dataset di parametri vitali, distinguibili in quattro categorie di
parametri clinici:
o soggettivi, ovvero i sintomi non apprezzabili dall’esterno che il
paziente avverte come sensazioni del tutto personali ed autoriferite;
o oggettivi rilevabili dal paziente e/o da un familiare, cioè piccole o
grandi variazioni di parametri fisiologici che il paziente e/o un familiare
possono apprezzare anche nell’ambito di piccoli periodi di tempo;
o obiettivi rilevabili dal medico, ovvero i segni positivi dell’esame
obiettivo clinico completo di palpazione, auscultazione e percussione;
o strumentali: ossia ECG ed altri parametri rilevabili attraverso esami
ematochimici e strumentali, che il paziente deve eseguire presso
appositi presidi ambulatoriali.
Pertanto il paziente e/o il parente scelto e/o l’operatore sanitario
incaricato sono invitati ad immettere nel sistema i dati prelevati via web o via
linea telefonica. Infatti, una serie di esami clinici possono essere effettuati e
trasmessi direttamente presso la propria abitazione, dal paziente stesso, da un
suo familiare o da un operatore socio-sanitario, opportunamente formato, con
l’ausilio di apposita strumentazione user-friendly. Tali esami possono essere
eseguiti molto frequentemente e principalmente sono: ECG, PO2, pressione
arteriosa, temperatura corporea.
36
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
di homemonitoring di pazienti affetti da Scompenso Cardiaco
3.3. Architettura del sistema
Il sistema nel suo complesso, seguendo il modello di architettura
distribuita client/server a tre livelli, è organizzato in tre aree: area Client
equivalente al livello presentation, area Server corrispondente al livello data
ma con alcune funzioni tipiche del livello business, area Web service
equivalente ad un livello business puro.
Prima di descrivere dettagliatamente ciascuna area, ne esaminiamo
sinteticamente le funzioni:
o l’area Client consente di acquisire i dati e mostrare i risultati delle
elaborazioni;
o l’area Server garantisce la gestione, l’archiviazione e la ricerca dei dati;
o l’area Web service offre un servizio di processing remoto dell’ECG per
estrarre la HRV e da questa i parametri significativi.
3.3.1. Area Client
L’area Client è principalmente utilizzata dai pazienti, dai loro familiari
e dagli operatori del Servizio Sanitario (medici, infermieri, operatori sociosanitari) e rappresenta la periferia del sistema, che consente di acquisire ed
inviare i parametri alfanumerici e i segnali biomedici, in particolare i tracciati
elettrocardiografici. L’acquisizione e la trasmissione può avvenire attraverso
tre distinte modalità. Ciascuna modalità si caratterizza per i dispositivi
impiegati, i mezzi di comunicazioni supportati e per il software necessario,
come sintetizzato in Tabella 3.4.
Tabella 3.4: modalità di acquisizione e trasmissione dei dati e segnali biomedici
#
Dispositivi
 Elettrocardiografo
I
domiciliare transtelefonico
 Telefono
 Monitor Multiparametrico
II  PC o PDA
Mezzi di
comunicazione
 PSTN
 GPRS
 GPRS
 UMTS
 xDSL o altro
37
Software necessario
 Non richiesto
 Applicazione ad
hoc
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
di homemonitoring di pazienti affetti da Scompenso Cardiaco
Mezzi di
Software necessario
comunicazione
 Elettrocardiografo
 GPRS
 Web Browser
commerciale
III
 UMTS
 PC o PDA
 xDSL o altro
La prima modalità richiede l’utilizzo di un ECG recorder ad una
#
Dispositivi
derivazione che, attraverso una modulazione FM del segnale, consente la
trasmissione dei tracciati ECG tramite linea telefonica PSTN (Public
Switched Telephone Network) o anche cellulare (ad esempio GPRS). I
parametri alfanumerici (ad esempio, pressione e temperatura) possono essere
inviati sempre effettuando una semplice telefonata alla quale risponde
automaticamente il software Interactive Voice Response (IVR) che sarà
descritto nel prossimo paragrafo.
La seconda modalità prevede l’utilizzo di un monitor multipametrico
(precisamente Propaq Encore® prodotto dalla Welch Allyn® Medical
Products) per acquisire simultaneamente diversi segnali biomedici (ad
esempio ECG, SPO2), di un personal computer e dell’apposita applicazione
per la memorizzazione dei dati e la successiva trasmissione via web.
Quest’ultima è stata sviluppata in Visual C# .NET 2005 usufruendo delle
librerie fornite dal produttore del monitor multiparametrico considerato. Per la
trasmissione è richiesta una connessione ad Internet, preferibilmente tramite
tecnologia xDSL.
Infine, l’ultima modalità richiede un PC o un palmare per inviare
tramite web i segnali acquisiti con un qualsiasi dispositivo medico che
consenta di esportarli in un formato compatibili. Il formato più semplice
adoperato è un file testuale ASCII contenente una matrice le cui colonne
rappresentazione la base dei tempi e le derivazioni. Pertanto tale modalità è
supportata dal portale web, che descriviamo più approfonditamente nel
prossimo paragrafo.
38
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
di homemonitoring di pazienti affetti da Scompenso Cardiaco
3.3.2. Area Server
L’area server assolve a tre funzioni principali:
o web server per consentire all’utente di inviare i dati alfanumerici e i
segnali via web e di visualizzare non solo i segnali e dati acquisiti ma
anche
trend
e
correlazioni,
parametri
ed
immagini
ottenuti
dall’elaborazione;
o interactive voice response (IVR) per eseguire le operazioni di
acquisizione di dati e segnali tramite la linea telefonica;
o interfaccia per chiamare il web service.
Per implementare la prima funzione è stato adoperato un server
commerciale con un indirizzo IP statico e software gratuito: Apache come
web server, Php come middleware e MySQL come Database Management
System e War FTP daemon quale FTP server.
La funzione di Interactive Voice Response è stata implementata con un
programma realizzato ad hoc, installato su un PC collegato alla linea
telefonica tramite modem analogico. In particolare, l’IVR quando riceve una
telefonata dal paziente, lo invita a digitare il suo codice identificativo e la
parola chiave. Il programma, interrogato il database, saluta il paziente
pronunciando il nome e cognome e chiede se desidera inserire i parametri
fisiologici, quali pressione o temperatura, oppure inviare i tracciati ECG. In
entrambi i casi fornisce all’utente tutte le informazioni necessarie, ripetendo,
quando possibile, i parametri inseriti e richiedendo un’ulteriore conferma. Il
software
provvede,
previa
opportuna
elaborazione
(ad
esempio
demodulazione dell’ECG) all’archiviazione e/o al processing dei dati
acquisiti. Infine la telefonata viene conclusa cordialmente dall’IVR.
Tale applicazione è stata sviluppata in Visual Basic 6.0 utilizzando due
librerie:
o una libreria di terze parti per la gestione della linea telefonica;
39
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
di homemonitoring di pazienti affetti da Scompenso Cardiaco
o l’apposita libreria per la demodulazione del segnale ECG, realizzata
con il Matlab Builder for COM and il compilatore del Visual Studio
C++ .NET 2003.
L’interfaccia con il Web Service, completamente invisibile all’utente,
provvede a tutte le operazioni necessarie per consentire il processing remoto
dell’ECG. Per una migliore comprensione la sua descrizione è posticipata alla
descrizione del Web service.
3.3.3. Area Web Service
L’area web service assolve l’unico obiettivo di garantire l’elaborazione
remota dell’ECG con l’estrazione e analisi dalla HRV, i cui dettagli sono
descritti nel prossimo paragrafo. Per ora ci limiteremo agli aspetti
architetturali.
Tale area consiste in un LAN di computer, sui quali è installato tutto il
software per il processing dell’ECG. In particolare un computer, avente
indirizzo IP statico, che nell’attuale configurazione coincide con il server,
provvede a:
o ricevere le chiamate al Web Service;
o controllare lo stato degli altri PC sulla LAN;
o ottimizzare la distribuzione del processing.
Per la realizzazione di quest’area si adotta la medesima tecnologia
dell’area server ovvero sinteticamente Apache, Php e MySQL. Inoltre è stata
utilizzata la libreria NuSOAP, distribuita con licenza GNU da NuSphere e
Dietrich Ayala, e che consiste in un insieme di classi in PHP che consentono
di creare ed invocare Web service basati sul protocolli SOAP 1.1, WSDL 1.1
e HTTP 1.0/1.1. Per il processing si è adottato sin dall’inizio Matlab ed in
particolare la prima soluzione, tuttora in funzione, prevede l’utilizzo del
Matlab Webserver Toolbox, che consente di eseguire programmi Matlab sotto
un’applicazione HTML, utilizzando il Common Gateway Interface per la
comunicazione tra il server Apache e Matlab. Dal momento che Matlab Web
40
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
di homemonitoring di pazienti affetti da Scompenso Cardiaco
Server è stato dismesso con la release R2006b, sono state considerate anche
altre opportunità per sviluppare applicazioni Matlab via Web.
Esaminiamo ora l’interazione tra l’area server e l’area web service.
Quando il segnale ECG viene archiviato nell’area server, essa invoca il web
service attraverso un’apposita pagina web in Php che utilizza le classi della
libreria NuSOAP. A questo punto il web service, accedendo alla tabella del
DB contenente le informazioni sullo stato dei PC, sceglie quello meno
impegnato e provvede alla trasmissione delle informazioni necessarie e al
trasferimento dei file che devono essere elaborati. La trasmissione dei dati
avviene tramite protocollo TCP/IP, mentre i file vengono trasferiti mediante
protocollo FTP. Proprio l’introduzione del Server FTP ha consentito di
superare la restrizione, indicata anche dalla documentazione del Matlab Web
Server, circa la necessità di porre tutti i file necessari in una stessa cartella
accessibile sia al web server che al Matlab Web Server.
Eseguita l’elaborazione da parte del Matlab, vengono restituiti all’area
server per l’archiviazione e la successiva visualizzazione sia i valori dei
parametri calcolati e che le immagini relative al processing della HRV.
3.4. Web Service: il processing dell’ECG e della HRV
Il segnale ECG viene trasferito al web service sotto forma di file in uno
dei formati supportati ed è oggetto dell’elaborazione per l’estrazione della
HRV. Senza pretendere di essere esaustivi ci limitiamo di ricordare che
l’analisi della HRV è l’analisi delle variazioni nella serie temporali degli
intervalli tra due picchi R consecutivi del tracciato elettrocardiografico[40].
Tale
analisi
dovrebbe
consentire
una
valutazione
delle
patologie
cardiovasvolari. In particolare la frequenza cardiaca sembra aumentare con
una ridotta attività del sistema simpatico e diminuire con una maggiore
attività vagale ovvero del sistema parasimpatico. L’analisi spettrale della serie
RR è tipicamente utilizzata per stimare gli effetti della modulazione simpatica
41
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
di homemonitoring di pazienti affetti da Scompenso Cardiaco
e parasimpatica sugli intervalli RR. Le due principali bande di interesse sono
indicate come banda LF (0.04-0,15 Hz) e HF (0.15–0.4 Hz)[40]. Il sistema
simpatico sembra influenzare la banda LF mentre quello parasimpatico pare
aver effetti sulla banda HF. Per questo il rapporto delle potenze nelle due
bande è stato utilizzato come misura della bilancia simpato-vagale.
L’analisi della HRV viene condotta secondo le modalità previste dalle
Linea Guida Internazionali[40]. In particolare il primo stadio consiste nella
conversione del file nel formato più semplice adottato. I passaggi successivi
consistono in una serie di filtraggi per preparare l’ECG al rilevazione dei
picchi al fine di estrarre l’HRV. In particolare, oltre al filtro standard,
passabanda centrato alla frequenza di 17 Hz e con un fattore di merito Q pari
a 5, che riduce il movimenti della linea di base e il rumore, includendo le
onde P e T dell’ECG[41], è presente un filtraggio non lineare. Tale filtro,
specifico per le analisi in asincrono, è simile ai filtri per aumentare il
contrasto delle immagini digitali, infatti, esalta quelle zone del tracciato che
superano la soglia del rumore calcolata in un secondo.
La fase successiva è il riconoscimento dei picchi. L'algoritmo utilizzato
usa come fiducial point il massimo del picco R. Viene fissata una soglia ad
1/3 della massima ampiezza ed un tempo di refrattarietà di 0.25 secondi. Un
evento non viene riconosciuto come picco R se non supera la soglia. In
seguito vengono rilevati tutti i picchi presenti nel segnale imponendo le
seguenti condizioni:
o tempo dall'ultima salita < tempo dall'ultima discesa
o tempo dalla prossima salita > tempo dalla prossima discesa
o i picchi non cadono nel tempo di refrattarietà
o i picchi superano la soglia.
Come ulteriore controllo, nel caso in cui vengano riscontrati valori
anomali nell'intervallo temporale tra due successivi picchi R rilevati, si
42
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
di homemonitoring di pazienti affetti da Scompenso Cardiaco
abbassa la soglia e si controlla negli intervalli critici l'eventuale presenza di
un picco R di ampiezza minore.
La Figura 3.1 mostra un esempio: un segmento del tracciato originario
(a), il tracciato dopo il filtraggio standard passa-banda (b), dopo il filtraggio
non lineare (c), infine il segnale con i picchi riconosciuti.
Figura 3.1: esempio di processing dell’ECG: prima del filtraggio (a),
dopo il filtraggio passabanda (b), dopo il filtraggio non lineare (c),
dopo il riconoscimento dei picchi R (d)
In questo modo viene ottenuta la cosiddetta sequenza RR, di cui si
rappresenta un esempio in Figura 3.2.
Il servizio a questo punto calcola alcuni parametri nel domino del
tempo, come la media, la deviazione standard degli intervalli RR. La serie RR
è inoltre convertita in un pattern geometrico, ovvero la distribuzione di
densità della durata degli intervalli (di cui si rappresenta un esempio in Figura
3.3) e il triangular index viene calcolato.
43
Capitolo 3 – Piattaforma per l’integrazione del follow-up ambulatoriale con il servizio
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Figura 3.2: una sequenza RR ottenuta dal processing dell’ECG
Figura 3.3: distribuzione di densità della durata degli intervalli
Inoltre viene condotta l’analisi in frequenza utilizzando un metodo non
parametrico per la semplicità dell’algoritmo impiegato e l’elevata velocità del
processing. L’analisi spettrale viene condotta, tramite algoritmo FFT, sul DES
(discret event series) ottenuto interpolando la serie RR con il metodo degli
spline cubici e ricampionando uniformemente la serie ottenuta. La
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segmentazione dello spettro è enfatizzato dall’utilizzo di diversi colori per le
componenti VLF (banda di frequenza sino ai 0.04 Hz), LF, HF. Inoltre per le
registrazioni di durata superiore ai cinque minuti, è prevista la
rappresentazione dello spettro della HRV di cinque minuti di tracciato con
eventuale sovrapposizione di un numero preimpostato di battiti, questo per
ottemperare alla standardizzazione prevista dalle linee guida dell’analisi su
tracciati di durata di cinque minuti.
I parametri calcolati sono proposti in Tabella 3.5
Tabella 3.5: riepilogo dei parametri estratti dall’analisi della HRV
Misura
Descrizione
[
Media RR ms]
SDRR[ms]
RMSSD[ms]
PARAMETRI STATISTICI
Media degli intervalli RR
Deviazione standard degli intervalli RR
La radice quadrata della media delle somme dei
quadrati delle differenze tra intervalli RR
consecutivi
Il numero delle coppie di intervalli RR consecutive
che differiscono di oltre 50 ms
RR50 count
pRR50[%]
RR50 count diviso per il numero totale di intervalli
RR
PARAMETRI GEOMETRICI
HRV triangular index Il numero totale degli intervalli RR diviso per il
Massimo dell’istogramma degli intervalli RR sun
una scala discreta con bin di 7.8125 ms (1/128 s)
[
2
VLF ms ]
PARAMETRI NEL DOMINIO DELLA FREQUENZA
La potenza nel range delle very low frequency
LF[ms2]
La potenza nel range delle low frequency
LF normal[n.u.]
LF in unità normalizzate
LF/(Potenza Totale – VLF) x 100
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Misura
Descrizione
HF[ms2]
La potenza nel range delle high frequency
HF normal[n.u.]
HF in unità normalizzate
HF/(Potenza totale – VLF) x 100
LF/HF
Rapporto LF / HF
Infine, per valutare le proprietà non lineari della HRV è stato
implementato il Pointcaré plot, che consiste in uno scatterplot dell’intervallo
RR successivo in funzione di quello corrente e di cui si propone un esempio
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Le figure seguenti mostrano le immagini ottenute dal processing, in
particolare
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propone
una
rappresentazione spettrale mentre la Figura 3.5 propone un grafico a torta per
rappresentare graficamente il rapporto LF/HF.
Figura 3.4: rappresentazione tempo-frequenza: densità spettrali di potenza stimate su
segmenti di ECG di 5 minuti di durata
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Figura 3.5: grafico a torta del rapporto LF/HF
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