Cardiopulmonary exercise testing data processing and storage tools

ABSTRACT Conducting a clinical study is a complex and challenging task, so using technology to facilitate the process is necessary for the medical and scientific community. Data digitization is needed to store and process it. Digitization speeds up data visualization techniques so scientists can analyze it most effectively depending on their goals. In this project, we developed two digital tools related to the cardiopulmonary exercise test (CPET) data, one for digitizing PDF reports and the other for generating databases. The latter was a web-based database visualization dashboard. Users can select parameters of interest and check for differences among subgroups. Basic statistical tests are performed for each variable under analysis, and its results are presented in numerical and graphical formats. The initial statistical tests and the derived recommendation will guide the research team in deeper statistical analysis and robust analysis supporting more decisive conclusions. We ended up with the first version for both tools and validated it using patients' CPET data from the Dante Pazzanese Institute of Cardiology. We conducted a pilot study to verify if the tools served their purpose and observed that both programs worked as planned. The tools can be further tailored to be clinically or research-oriented. On the analysis of CPET's results, the conclusions for our example study were in line with what is presented in the bibliography for cardiorespiratory physiology.

Cardiovascular biomarkers in sickle cell disease− clinical and echocardiographic correlations in a cross-sectional study with 126 patients

INTRODUCTION: Cardiac biomarkers can be useful in understanding the systemic and heart manifestations of sickle cell disease (SCD). Biomarkers reflect various aspects of heart disease (remodeling, injury and myocardial strain), with discriminatory potential for non-cardiac complications. Patients and METHODS: SCD patients (SS/Sß0) in steady state, were studied, correlating clinical manifestations and echo parameters (myocardial work - MW and speckle tracking), pre-MSCD severity score (integrating clinical and echo data), and cardiac biomarkers (high-sensitivity troponins ­ hs-cTn I and T, NT-pro-BNP, ST2s, and galectin-3 - GAL3). Quantitative characteristics were analyzed by Spearman tests, and qualitative characteristics by Mann-Whitney test. Hemolytic Index (HI) was calculated through Principal Component Analysis. Generalized linear Poisson models were generated for hs-cTn, and γ-distribution models were employed for other markers, with final models selected through the Stepwise Backward method. RESULTS: We studied 126 patients (mean age 37.2 ± 11.6 years), 42.1% male, and 80.2% SS. 47% were on hydroxyurea treatment and 30.2% on a chronic transfusion. NT-pro-BNP was elevated in 44% (> 160 ng/mL in 37%), correlated with female gender (p < 0.001), severity score (p = 0.001), uric acid (p = 0.017), HI (p < 0.001), Global Work Index (GWI) (p = 0.003), left atrial (LA) stiffness (p = 0.003), and ventricular mass (VM) (p = 0.02). ST2s were elevated in 11% and correlated with male gender (p > 0.001), HI (p > 0.001), cardiac index (p = 0.015), and LA strain reservoir function (p = 0.034). GAL3 was elevated in 42.8%, correlated with E/e'ratio (p = 0.006), uric acid (p = 0.005), and absence of chronic pain (p = 0.046). hs-cTn correlated with age (c-TnI p = 0.004; c-TnT p > 0.001), HI (p > 0.001), diastolic dysfunction (p > 0.001), left VM (p < 0.001), increased GWI (p < 0.001), and reduced MW efficiency (p < 0.001). hs-cTn I also correlated with increased LA reservoir function (p < 0.001) with reduced conduit function (p < 0.001). hs-cTn T correlated with uric acid (p = 0.001), and in univariate analysis was also correlated with severity score. The values of both hs-cTn correlated with increased GWI (p < 0.001) and reduced MW efficiency (p < 0.001). DISCUSSION: The biomarkers demonstrated various clinical and pathophysiological aspects of SCD. NT-pro-BNP is a routine marker with correlations similar to literature, except for higher values in females, also observed in non-SCD population. ST2 and GAL3 had limited correlations with echo findings, likely due to their production in extracardiac tissues affected by inflammation/vaso-occlusion. Both were linked to the HI, and the decrease in GAL3 in chronic pain can be attributed to chronic opioid use causing reduced synthesis of it. The elevation of hs-cTn was expected due to the analytical characteristics of high-sensitivity assays, but low in terms of the extent of heart involvement. hs-cTnT was more associated with general severity, like in the general population, where it is associated with overall mortality, while hs-cTnI is more connected to heart disease. MW in SCD is optimized to the maximum with a very low Global Work Wasted, and hs-cTn elevation is associated with reduced MW efficiency, indicating mecano-energetic uncoupling and subtle systolic dysfunction. CONCLUSION: Our study demonstrates that cardiac biomarkers can be used for clinical and pathophysiological evaluation, with NT-pro-BNP confirming its role in clinical stratification. ST2s and GAL3 may reveal new pathophysiological pathways in hemolysis and the interaction of opioids and chronic pain. Troponins are promising as prospective tool and may unveil ischemic damage resulting from myocardial mecano-energetic dissociation.

Avaliação de setup para teste de elevação de pós-carga em pacientes com insuficiência cardíaca com fração de ejeção preservada: um estudo experimental / Evaluation of afterload elevation test setup in heart failure patients with preserved ejection fraction: an experimental study

INTRODUÇÃO: A Insuficiência Cardíaca com Fração de Ejeção Preservada (ICFEP) é uma doença de alta prevalência e de difícil diagnóstico devido ao fato que parte dos pacientes apresenta alterações apenas quando submetidos a determinadas condições de estresse hemodinâmico como elevação da pré-carga e da pós-carga do ventrículo esquerdo. OBJETIVOS: Avaliar a efetividade de um setup para elevação da pós-carga em pacientes com ICFEP. MÉTODOS: Realizou-se medida da pressão arterial sistólica (PAS), pressão arterial diastólica (PAD) e frequência cardíaca (FC) em repouso no membro superior direito com o paciente em decúbito supino seguindo as diretrizes da Sociedade Brasileira de Cardiologia. Em seguida, realizou-se um teste de elevação de pós-carga através da contração isométrica da mão esquerda com 60% da força máxima com um dinamômetro combinada com compressão pneumática de ambos os membros inferiores 20 mmHg acima da pressão sistólica utilizando dois esfigmomanômetros. Uma nova medida da pressão e frequência cardíaca foi realizada após 30s de início da manobra. Para comparação das métricas entre repouso e estresse, utilizou-se o teste-t pareado com intervalo de confiança de 95%. RESULTADOS: A população do estudo foi de 37 pacientes: 17 controles e 20 com ICFEP. A idade foi 58 ± 15 anos e 19 (51%) eram do sexo feminino. Houve diferença significativa para PAS: 128,2 ± 17,7 mmHg e 146,7 ± 19,9 mmHg (p<0,001) e FC 66 ± 11 bpm x 77 ± 14 bpm (p<0,001) repouso e estresse, respectivamente (Figura 1). CONCLUSÃO: O setup utilizado foi efetivo em elevar a pós-carga na população estudada. Os dados desta pesquisa têm grande potencial de aplicação para protocolos alternativos ao exercício padrão em cicloergômetro como teste provocativo para diagnóstico de ICFEP. Palavras-chaves: Insuficiência cardíaca com fração de ejeção preservada, Aumento de pós-carga, Teste de Estresse.

Teste de caminhada para caracterização de intolerância ao esforço de indivíduos com insuficiência cardíaca com fração de ejeção preservada: um estudo observacional / Walk test for characterization of exercise intolerance in individuals with heart failure with preserved ejection fraction: an observational study

INTRODUÇÃO: A Insuficiência Cardíaca com Fração de Ejeção Preservada (ICFEP) é uma condição clínica caracterizada por intolerância ao esforço e, nesse contexto, ferramentas que possam mensurar objetivamente este sintoma podem ser de grande valor na prática clínica. A abordagem diagnóstica atual da ICFEP requer aplicação de escores. O escore europeu HFA-PEFF, considera domínios morfológico, funcional e de peptídeos natriuréticos. Cada domínio tem um critério maior, que vale 2 pontos, e um critério menor, que vale 1 ponto. Se o total do escore for ≥ 5 pontos, o paciente tem diagnóstico de ICFEP. O teste de caminhada de seis minutos (TC6min) é uma ferramenta capaz de avaliar objetivamente a capacidade funcional traduzindo a habilidade dos pacientes em realizar tarefas cotidianas. OBJETIVOS: Avaliar a capacidade funcional de uma população de indivíduos em investigação para ICFEP. MÉTODOS: Trata-se de um estudo observacional transversal realizado em uma população de indivíduos com suspeita de ICFEP de um centro terciário de cardiologia. Foram incluídos sujeitos que realizaram o TC6min e categorizados de acordo com a probabilidade de ICFEP pelo escore HFA-PEFF. A normalidade dos dados foi avaliada pelo teste Shapiro-Wilk e a comparação entre os grupos foi realizada por meio do teste de Kruskal-Wallis. O nível de confiança adotado foi de 95%. Realizou-se ainda modelos de regressão linear univariado e multivariado. RESULTADOS: A amostra foi 105 indivíduos com idade de 59,5 ± 12,0 anos, 64% sexo feminino, IMC=31(5,8) Kg/m². A probabilidade de ICFEP foi baixa em 32 indivíduos, intermediária em 46; e alta em 27. A distância percorrida no TC6min foi de 416(±90) m. Para indivíduos com baixa probabilidade a distância percorrida foi de 472(±72) m, probabilidade intermediária de 406(±73) m e com alta probabilidade 356(±96) m. A diferença na distância percorrida entres os grupos com alta e baixa probabilidade de ICFEP foi estatisticamente significativa (P<0,05). Em um modelo de regressão multivariada, o efeito se manteve quando ajustado para idade, sexo e IMC. CONCLUSÃO: O presente estudo sugere que indivíduos com alta probabilidade de ICFEP classificados pelo escore HFA-PEF percorreram distâncias menores no TC6min quando comparados a indivíduos sem ICFEP (baixa probabilidade). Estes achados demonstram o valor clínico do TC6min na avaliação de indivíduos com suspeita de ICFEP. Palavras chaves: Insuficiência Cardíaca com Fração de Ejeção Preservada, Teste de Caminhada de Seis Minutos, Capacidade Funcional.

Ferramentas para otimização de digitalização, armazenamento e visualização de dados do teste cardiopulmonar de exercício / Tools for optimizing the digitization, storage and visualization of cardiopulmonary exercise test data

INTRODUÇÃO: O teste cardiopulmonar de exercício (TCPE) é o padrão ouro para função cardiorrespiratória de pacientes. Por conta disso, os dados obtidos por meio deste são extremamente relevantes em pesquisas clínicas. No entanto, há situações em que, por conta de limitações dos equipamentos, a obtenção e armazenamento dos resultados destes exames se torna um processo complicado e dispendioso. OBJETIVO: Desenvolver ferramentas capazes de: 1) Digitalizar os dados nos formatos disponibilizados pelos equipamentos e montar um banco de dados; 2) Permitam uma análise, visualização e comparação otimizadas desses dados. MÉTODOS: Inicialmente, os laudos obtidos diretamente do equipamento são lidos por um programa, os valores dos parâmetros são armazenados durante os tempos mais relevantes do teste (limiares aeróbico e anaeróbico, VO2 máximo etc.) em um arquivo que servirá como banco de dados relacional. Esta base de dados é então utilizada para montar um Dashboard onde se pode selecionar a variável e o intervalo de tempo que se deseja comparar entre os grupos. Nele são mostrados histogramas e gráficos violinos para se comparar visualmente os grupos (figuras 1 e 2) e estatísticas dos dados coletados junto a: 1) Resultado de um teste de normalidade para o parâmetro escolhido; 2) Resultado (p-valor) de um teste de hipótese (paramétrico caso a distribuição seja considerada normal, ou não paramétrico caso contrário); 3) Os tamanhos mínimos que as amostras devem possuir para que os resultados dos testes possam ser considerados estatisticamente significativos. Por fim, é possível analisar, em uma segunda página desta ferramenta os valores individuais de cada paciente, sendo possível filtrar e visualizar apenas os valores dentro de um intervalo desejado. (Figura 4) RESULTADOS: As ferramentas desenvolvidas foram utilizadas na base de dados dos pacientes do Ambulatório de Medicina Cardiovascular Personalizada com os resultados de 102 exames. O Dashboard foi utilizado para realizar um estudo comparativo entre os pacientes homens e mulheres do ambulatório com resultados coerentes com a literatura. CONCLUSÕES: Com estas ferramentas foi possível, rapidamente, digitalizar e armazenar os dados montando um arquivo com as informações de todos pacientes. Ademais, também permitiu realizar um estudo exemplo comparando todos pacientes gerando imagens que auxiliam a visualizar os resultados e os respectivos p-valores para cada comparação.

Ferramenta para processamento e armazenamento de curvas de strain para estudo da mecânica miocárdica / Tool for processing and storing strain curves for studying myocardial mechanics

INTRODUÇÃO: As curvas de deformação cardíacas derivadas de Speckle Tracking, permitem avaliação detalhada de diversos aspectos da mecânica miocárdica, entretanto o estudo de novos parâmetros é limitado por restrições impostas pelos softwares proprietários dos diferentes fabricantes. OBJETIVO: Desenvolver um programa com interface gráfica que permita visualizar e processar as curvas de Strain e Strain Rate facilitando o desenvolvimento de pesquisas. MÉTODOS: Inicia-se com a exportação das curvas de Strain do programa do fabricante. Elas são a entrada do software que as converte em variáveis do Matlab. Pode-se então, selecionar o exame de interesse, ou seja, paciente e janela de aquisição. As curvas de Strain e Strain Rate são exibidas e é possível selecionar os segmentos de interesse e, caso exista, outros exames do mesmo paciente com a mesma janela de aquisição. As curvas de deformação são exibidas sincronizadas com o Eletrocardiograma possibilitando ter em uma única tela o sinal elétrico e o sinal de deformação. Além disso, também é possível anotar o tempo de abertura e fechamento das válvulas com relação ao pico do QRS, que é encontrado automaticamente e pode ser editado caso necessário. As demais abas do programa apresentam as seguintes funcionalidades: em "Curvas Separadas" é possível visualizar as porções das curvas correspondentes à fase do ciclo cardíaco desejada, na aba "Plot Simul" é possível visualizar, simultaneamente, uma janela do ventrículo esquerdo e uma de átrio esquerdo sincronizados pelos respectivos ECGs, e na aba "Doppler" é possível verificar a imagem de um doppler e utilizá-lo para demarcar os tempos de válvula. RESULTADOS: O software funcional foi implementado em um ambulatório, sendo responsável por converter e processar curvas de mais de 2000 arquivos exportados, segmentando-os nas fases específicas do ciclo cardíaco (relaxamento e contração isovolumétricos, períodos de ejeção, enchimento rápido e enchimento lento) de exames utilizados para desenvolvimento de uma linha de pesquisa. CONCLUSÕES: O software livre desenvolvido no IDPC permite explorar as curvas de deformação cardíaca de maneira personalizada sendo adequado ao estudo do ecocardiograma em diversas situações.

Evaluation of vectorcardiography parameters matrixed synthesized

The form of analysis of the cardiac signal most used today is the electrocardiogram (ECG). However, in addition to this form of data visualization, there is the vectorcardiogram (VCG), that allows a visualization of the signal in 3 dimensions. This study aims to compare the different ECG to VCG transformation matrices Kors and Inverse Dower (iDower), by analyzing some known parameters taken from VCG's mathematically synthesized from 12-lead ECG's of amyloidosis patients. The idea is also to compare that similarity for patients with different types of amyloidosis. The study was done through the analysis of electrocardiograms taken from a sample of 12 humans who have amyloidosis, either mutant or wild-type. The results indicated that there is not much similarity between the signals, although the similarity was higher for patients with mutant amyloidosis than for those with wild-type amyloidosis.

Análise de parâmetros do VCG obtidos a partir de matrizes de transformação do ECG em pacientes com hipertrofia cardíaca / Analysis of VCG parameters obtained from ECG transformation matrices in patients with cardiac hypertrophy

INTRODUÇÃO: O eletrocardiograma (ECG) é uma ferramenta diagnóstica primordial em cardiologia. Através de técnicas de pós-processamento do ECG digital é possível extrair dados do clássico vetorcardiograma (VCG) e ampliar as possibilidades do método. OBJETIVO: Comparar os dados matriciais do ECG entre os pacientes portadores de hipertrofia ventricular patológica (Cardiomiopatia Hipertrófica e Amiloidose Cardíaca) e o grupo controle utilizando duas matrizes diferentes de transformação de ECG para VCG: a matriz inversa de Dower (iDower) e a matriz de Kors. MÉTODOS: Foram analisados VCGs sintetizados a partir das duas matrizes, iDower e Kors, e tais exames foram obtidos para o grupo hipertrófico, composto por 11 pacientes, e para o grupo controle, com cinco pacientes. O tempo de coleta do ECG foi de 10 minutos e, para cada paciente, foram analisados 10 VCGs, referentes a cada minuto da coleta. Foram analisados a amplitude cúbica (mV), por meio da análise da variação dos valores, e o ângulo do complexo QRS e da onda T, por meio da análise de dados circulares. RESULTADOS: Em relação aos ângulos, as médias dos ângulos de cada grupo tiveram maior proximidade no grupo controle e menor no grupo hipertrófico. A variação destes ângulos foi maior utilizando a matriz de Kors para o grupo controle (Figura.1); no entanto, no grupo hipertrófico a maior variação no observada na matriz iDower (Figura 2). Em relação à amplitude cúbica das ondas, a variação foi pequena para ambos os grupos, porém com proximidade maior na onda T, e não houve diferença notável em relação às matrizes. CONCLUSÃO: Analisando as variáveis angulares e de amplitude cúbica nas ondas QRS e T para o grupo controle e hipertrófico, não foi observada diferença significativa entre os grupos. Tal proximidade entre as variáveis também foi observada considerando as matrizes de transformação.

Variations in regional strain under different afterload conditions may help to identify is-chemic myocardium

INTRODUCTION: Acute coronary syndromes are a major health problem worldwide. The Speckle Tracking Imaging has been proposed as ad-junctive for diagnosis and prognosis purposes in the context of NSTE-ACS. Purpose: We sought to determine the regional myocardial strain in ischemic versus non-ischemic segments in subjects with NSTE-ACS, before and during acute pressure overload. METHODS: Data from 2D-echocardiography were obtained from 21 patients (mean age, 50 ± 10 years) undergoing cinecoronariography for NSTE-ACS indications. A blinded observer performed an offline analysis to obtain the Systolic Positive Peak (P), Systolic Peak Strain (S), Peak Strain (G) and Time to Peak Strain (TTP) of each segment acquired before and during pressure overload-induced by left hand-grip (42± 8 Kg) combined with simultaneous pneumatic constriction of the right arm and both lower limbs. Moreover, LVEF and GLS were also calculated. A second blinded observer labelled the ischemic regions according to AHA-16 Bull's eye using data from cinecoronariography. RESULTS: The handgrip manuever caused mild reductions in the median LVEF (56 %; IQR 48 -58% vs 54%; IQR 51-56%) as well as the median GLS (-17%; IQR-19%-15% vs -16%; IQR -19-15%). For the analysis of regional myocardial function, we obtained 360 segments (29% labelled as ischemic) with optimal tracking quality. Mean regional strain changes during pressure overload were significantly different in ischemic vs non-ischemic segments for Peak S (1,07% x -0.5%; p-value <0,01) and Peak G (0.85% x -0.65%; p-value < 0.01) (Table). Notably, however, we found marked increases in the systolic deformation, restricted to the apical ischemic segments during pressure overload (Figure). CONCLUSIONS: Our data point to a distinct increase in the systolic deformation of the apical segments in contrast to the overall reductions in the GLS and EF in the ischemic left ventricle.

Machine learning for medical decision support in a first attendance ambulatory of a tertiary care cardiologic hospital

INTRODUCTION: Cardiovascular disease is an expensive public health problem. Establish the right level of healthcare attention for each patient in a highdemand system is a complex task, and in this scenario, the development of computational methods to support medical decisions has shown to be quite promising. Purpose: Define Machine Learning (ML) algorithms to support medical decisions in a first attendance ambulatory of a tertiary cardiology hospital. METHODS: A prospective observational study was performed in 336 patients (58±13 years and 49.4% male), obtaining clinical and ECG/VCG data. A follow up of 15 months was performed in order to access MACE, PCI, Cardiac Surgery and evidence of Severe Cardiac Disease. From twentyfive initial features, running the ML Kmeans Clustering algorithm, we identify which ones to use and the optimal number of Clusters. Once defined the Clusters the data were labeled, and then the clusters compared with field data (outcomes) and by Kaplan Meyer curves. The labeled data were also run by a Gradient Boosting algorithm in order to define a Predictor for future use in medical decision support. RESULTS: The best result, with welldefined Clusters, was obtained with the combination 5 Clusters and 8 specific Features, and the follow-up data has matched the Cluster classification as shown in the Table. Kaplan Meyer curves corroborated these finding with statistically significant differences between the Clusters: Logrank test (p<0.001). Predictor algorithm, trained by the labeled data, presented an average precision of 95% (CI 95%; 91100%). CONCLUSION: The defined Predictor, using eight simple, quick and easy to get Features (clinical and ECG/VCG), shows excellent performance to classify patients who require tertiary cardiovascular healthcare attention. (AU)