Cerrando la Brecha entre Wearables y Cuidado de la Salud

Los dispositivos portátiles como Fitbit® y Apple Watch® no son caros y están ampliamente disponibles en el mercado. El mayor desafío para el uso de dispositivos portátiles en la atención médica es extraer conclusiones médicas significativas de los datos que recopilan, y proporcionar información FIABLE y precisa para que los pacientes y los médicos actúen.

En cardiología, el estándar de oro para el diagnóstico de arritmias cardíacas y otras anormalidades es un electrocardiograma (ECG). Con el monitoreo KardiaBand ™ y SmartRhythm ™, AliveCor lanzará la primera plataforma de salud cardíaca del mundo para Apple Watch, que combina un dispositivo de ECG y algoritmos de análisis aprobados por la FDA con modelos de avanzada inteligencia artificial para el seguimiento de la frecuencia cardíaca y la actividad datos del Apple Watch.

La monitorización del SmartRhythm implica una red neuronal profunda que se ejecuta directamente en el Apple Watch, que constantemente adquiere datos del sensor de frecuencia cardíaca y del acelerómetro del reloj. Compara su frecuencia cardíaca y los cambios en su frecuencia cardíaca a lo largo del tiempo con lo que espera de su nivel de actividad minuto a minuto, y le ofrece una visualización gráfica de dónde se encuentra su frecuencia cardíaca dentro de los límites predichos por la red neuronal. Cuando la red ve un patrón de frecuencia cardíaca y actividad que no espera, le notifica que debe tomar un ECG.

Cuando sienta síntomas, reciba una notificación de SmartRhythm o en cualquier momento que lo desee, puede realizar inmediatamente un ECG de 30 segundos con el sensor KardiaBand conectado a la correa de reloj. Los algoritmos aprobados por la FDA de AliveCor se ejecutan directamente en Apple Watch y pueden reconocer al instante el ritmo sinusal normal y verificar la posible fibrilación auricular (FA), que es el tipo mas común de arritmia.

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¿Como funciona?

Para entender cómo funciona Kardia para Apple Watch, comencemos hablando de su corazón, y  de la diferencia diagnóstica entre la medida de la frecuencia cardiaca como hace Apple Watch y otros dispositivos portátiles y la medida de un ECG que realiza el Kardia Band con el Apple Watch. Pueden medir su frecuencia cardíaca.

Su corazón es una bomba. Con cada latido de su corazón, la sangre se bombea a través de sus arterias y hace que se expandan. En el tiempo transcurrido entre los latidos, sus arterias se relajan nuevamente. En la parte inferior del Apple Watch hay un sensor, llamado fotopletismógrafo (PPG), que utiliza LEDs verdes e infrarrojos para iluminar la piel y detecta los pequeños cambios en la cantidad de luz que se refleja cuando las arterias se expanden y relajan. Gracias a este sensor, el Apple Watch, con cada latido es capaz de saber lo rápido que está latiendo tu corazón y cómo cambia tu ritmo cardíaco con el tiempo.

Pero, su ritmo cardíaco no dice todo lo que hay que saber sobre su corazón. El sensor PPG en el Apple Watch solo puede ver lo que ocurre después de cada latido del corazón, ya que la sangre se bombea alrededor de su cuerpo. No puede decirle nada sobre lo que está haciendo latir su corazón, o sobre lo que sucede dentro de su corazón durante cada latido. ¡Un ECG es muy diferente y te dice mucho más!

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Un ECG mide la actividad eléctrica en los músculos de su corazón. Detecta el pequeño pulso de electricidad del nódulo sinoauricular (el marcapasos natural del cuerpo, que normalmente inicia cada latido cardíaco) y los grandes impulsos eléctricos producidos cuando las cámaras inferiores del corazón (los ventrículos) se contraen y relajan. Al observar un ECG, un médico puede discernir una gran cantidad de información sobre la salud y la actividad de su músculo cardíaco, mucho más de lo que puede deducir de su ritmo cardíaco solo. Los ECG son el estándar de oro requerido para el diagnóstico de arritmias y muchas anormalidades cardíacas, e incluso se pueden usar para ver evidencia de ataques cardíacos agudos e incluso eventos que han ocurrido en el pasado.

La investigación ha demostrado que tomar ECG frecuentes aumenta la probabilidad de detectar ciertas arritmias y disminuye el tiempo promedio para el diagnóstico.

Monitorización de SmartRhythm

Existen productos ECG que brindan monitorización continua, pero tienen una vida útil limitada, son altamente sensibles a la colocación adecuada, son incómodos de usar, son invasivos y / o costosos; por ejemplo, los parches de ECG o los monitores Holter solo se pueden usar durante un tiempo muy limitado, y monitores cardiacos implantables requieren cirugía. Un sensor PPG como el de Apple Watch no es invasivo, es conveniente y se puede usar continuamente. Sin embargo, la señal PPG no proporciona nada cerca de la capacidad de diagnóstico de un ECG.

En AliveCor, queríamos una manera de obtener lo mejor de ambos mundos, mediante el uso de PPG que puede vigilar su frecuencia cardíaca todo el tiempo y notificarle cuando su frecuencia cardíaca y otros factores, como la actividad, no parecen estar de acuerdo , para que pueda tomar fácilmente un ECG médico de alta calidad. Esa es la motivación detrás de la monitorización SmartRhythm.

¿Cómo construimos la monitorización SmartRhythm?

Empezamos por pensar qué factores influyen en la frecuencia cardíaca y cómo podemos utilizar el tipo de datos de frecuencia cardíaca que podemos obtener del sensor Apple Watch PPG. La asociación de arritmias con patrones específicos de la frecuencia cardíaca y la variabilidad de la frecuencia cardíaca es bien conocida a partir de investigaciones anteriores en AliveCor y en otros lugares. También se ha observado que aunque estos patrones pueden estar relacionados con arritmias, no son específicos, es decir, patrones similares pueden ocurrir en situaciones perfectamente normales. Dado que las personas usan su Apple Watch mientras hacen todo tipo de cosas, sabíamos que la mayoría de los cambios en sus frecuencias cardíacas vendrían simplemente de la actividad diaria normal. Hace años, comenzamos a trabajar (y patentamos) utilizando el concepto de discordancia de la frecuencia cardíaca / actividad, es decir, una frecuencia cardíaca medida que no es coherente con su nivel de actividad actual, para identificar los momentos en que un usuario debe tomar un ECG.

5min-history

Este gráfico ilustra cómo se veía algunos de nuestros primeros análisis de datos. El eje Y representa la frecuencia cardíaca, y el eje X representa el número de “pasos” tomados en los últimos 5 minutos, estimados por el acelerómetro Apple Watch. Está claro que existe una relación directa entre la frecuencia cardíaca y la actividad, pero también una gran variación en las frecuencias cardíacas que corresponden a cualquier nivel de actividad determinado. A medida que profundizamos en los datos que adquirimos, pudimos ver interacciones entre todos los diversos factores que influyen en la frecuencia cardíaca, incluida la actividad, el estrés, la hora del día, el consumo de cafeína, el nivel de condición física, etc. Rápidamente nos dimos cuenta de que necesitaríamos más modelos sofisticados para capturar la complejidad de los datos que estábamos viendo, por lo que recurrimos a enfoques basados ​​en el aprendizaje profundo.

La monitorización de SmartRhythm usa una red neuronal autorregresiva y profunda que puede aprender la relación normal entre la frecuencia cardíaca y la actividad y notificarle cuando ve un patrón inesperado. Este es un tipo de aprendizaje no supervisado. Cuando la mayoría de las personas piensa en el aprendizaje automático, se imaginan tareas como el reconocimiento de imágenes, donde una computadora está entrenada para identificar objetos específicos y nombrados en una imagen. Esto se llama aprendizaje supervisado. La monitorización de SmartRhythm usa técnicas del aprendizaje no supervisado para aprender por sí mismo cómo es un ritmo cardíaco normal y un patrón de actividad, y le notifica cuando los datos reales de Apple Watch no coinciden con lo que el modelo SmartRhythm espera ver.

En particular, usamos una configuración de red neuronal específica llamada red autoregresiva no lineal (NAN). La monitorización del SmartRhythm se ejecuta continuamente en su Apple Watch y procesa los datos de frecuencia cardíaca del sensor Apple PPG y los datos de actividad del acelerómetro.

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El sistema SmartRhythm funciona observando los 5 minutos de datos de actividad más recientes (1) y, según el modelo entrenado de frecuencia cardíaca normal y patrones de actividad, así como sus datos históricos de frecuencia cardíaca (2) y actividad (3), hace una predicción de lo que espera que sean sus 5 minutos más recientes de valores de frecuencia cardíaca.

La monitorización del SmartRhythm compara las características del ritmo cardíaco que predijo para usted, con sus valores reales de frecuencia cardíaca registrados durante esos 5 minutos. Si su patrón de frecuencia cardíaca difiere significativamente (varianza mucho más alta, más baja y / o diferente) de lo que la red espera que sea, le notifica que tome un ECG.

Todo esto funciona sin enseñar explícitamente a la red neuronal lo que es “normal” y lo que no. De hecho, hemos entrenado esta red neuronal simplemente al proporcionar un gran número de voluntarios sanos con relojes Apple que registraron su ritmo cardíaco y sus patrones de actividad mientras realizaban actividades diarias regulares, que incluyen ejercicio y sueño.

Internamente, la red neuronal usa un componente llamado Modelo de Mezcla Gaussiana (MGM) para producir una distribución de probabilidad sobre las frecuencias cardíacas esperadas. El siguiente diagrama muestra cómo se ve la predicción de la red para un usuario durante un entrenamiento.

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Algunos ejemplos

La monitorización de SmartRhythm ha sido desarrollada y probada en una amplia variedad de situaciones. Tendremos más para compartir sobre esto en artículos futuros, pero por ahora, aquí hay algunos ejemplos de nuestras herramientas de ingeniería de cómo se ve la información de monitorización de SmartRhythm. La actividad se muestra en barras azules claras, la banda verde es una visualización de las predicciones de frecuencia cardíaca, las barras verdes oscuras muestran el rango de frecuencia cardíaca (1 minuto por barra) y la línea de puntos roja muestra dónde se activó una notificación para registrar ECG .

Un día normal en la oficina

Ejercicio en el que el reloj detecta la actividad (por ejemplo, usuarios sanos que caminan o corren)

Ejercítese donde la actividad no se detecta con precisión (por ejemplo, levantamiento de pesas de usuarios saludables o utilizando una bicicleta estacionaria)

Ejercítese donde la actividad no se detecta con precisión (por ejemplo, levantamiento de pesas de usuarios saludables o utilizando una bicicleta estacionaria)

Como se señaló anteriormente, tomar ECG frecuentes puede ayudarlo a controlar mejor la salud de su corazón, y la captura de un ECG específicamente durante los momentos de discordancia de frecuencia cardíaca / actividad puede ser útil. Sin embargo, recibir una notificación de SmartRhythm no significa necesariamente que algo esté mal. Hay muchas situaciones perfectamente normales que pueden causar una discordancia en la actividad cardíaca / de frecuencia, incluido el ejercicio que Apple Watch no puede detectar, el estrés o la ansiedad, el consumo de cafeína o alcohol, porque la correa del reloj esté demasiado apretada. Por el contrario, no recibir una notificación de SmartRhythm no significa necesariamente que todo sea normal, ya que el PPG solo mide su frecuencia cardíaca y no capta la complejidad total de su corazón. La monitorización de SmartRhythm se debe utilizar como un medio adicional para capturar ECG frecuentes. Cuando hay un posible problema cardíaco, ya sea identificado por los algoritmos de análisis de ECG de Kardia o porque siente síntomas, un registro de ECG sirve como documentación procesable para que un profesional médico diagnostique y presente un plan de tratamiento.

¿Qué aspecto tiene en Apple Watch?

La pantalla de inicio Monitorización de SmartRhythm Monitoring muestra su ritmo cardíaco y actividad en la última hora, en intervalos de 1 minuto. Cada barra de intervalo en el gráfico muestra los valores mínimos y máximos que su ritmo cardíaco alcanzó en ese período. El contorno alrededor de las barras de intervalo es la banda de predicción. Esta es una representación simplificada de la salida del Modelo de Mezcla Gaussiana de la red SmartRhythm, que muestra los límites superior e inferior de las frecuencias cardíacas. La monitorización del Ritmo Inteligente se predijo en función de su nivel de actividad actual. Siempre que su frecuencia cardíaca no coincida con las predicciones de SmartRhythm, resaltará esas barras de intervalo en naranja. Esto puede suceder brevemente por una variedad de razones, pero si el desacuerdo es especialmente grande o dura mucho tiempo, le notificaremos que tome un ECG, y verá un símbolo naranja en el gráfico.

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Realizando un ECG

Kardia Band para Apple Watch está diseñado para permitirle tomar un ECG en cualquier lugar, por cualquier motivo. Usando su sensor de Kardia Band, puede tomar un ECG de inmediato y en 30 segundos recibir un resultado de nuestros algoritmos de análisis de ECG aprobados por la FDA. También puede enviar su ECG a su médico para obtener una opinión profesional.

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KardiaBand es un dispositivo de ECG miniaturizado autocontenido y aprobado por la FDA. Alimentado por una batería de litio interna con una vida útil de 1-2 años, el sensor en KardiaBand siempre está listo para usar: con la pantalla de grabación abierta en su Apple Watch, simplemente toque su dedo índice con el sensor KardiaBand para comenzar una grabación. La vista en vivo muestra su ECG en tiempo real, y después de una grabación de 30 segundos, nuestros algoritmos de aprendizaje automático aprobados por la FDA se ejecutan directamente en Apple Watch e inmediatamente informan un resultado: Normal si nuestros algoritmos indican que su ECG es normal. Posible Fibrilación auricular si nuestros algoritmos detectan señales de que puede estar experimentando AF, Sin clasificar si la señal cae fuera del rango que podemos clasificar con confianza, e ilegibles si hubo demasiada interferencia o artefacto de movimiento en la señal para analizar.

Si no tiene KardiaBand, aún puede usar la monitorización del SmartRhythm en el Apple Watch: simplemente use KardiaMobile para tomar un ECG en su iPhone en lugar de usar su reloj.

Que sigue

Kardia para Apple Watch es solo el primer paso para cerrar la brecha entre los dispositivos portátiles de consumo y la ciencia de la salud.

La disponibilidad de un dispositivo de ECG portátil y portátil puede mejorar drásticamente la detección temprana de arritmias. Muchas arritmias comienzan como problemas ocasionales e intermitentes que generalmente no aparecen en el consultorio de un médico y son notoriamente difíciles de diagnosticar. Por ejemplo, desde la presentación inicial de los síntomas, toma un promedio de 1.7 años para diagnosticar la fibrilación auricular. En este período, el paciente tiene un riesgo elevado de accidente cerebrovascular y otras complicaciones graves.

Estamos increíblemente entusiasmados con la posibilidad de que Kardia para Apple Watch reduzca estas cifras al permitirles a los pacientes tomar un ECG estándar cuando y donde quieran, y monitorizar SmartRhythm para ayudar a los pacientes a identificar momentos en los que podrían no haber pensado tomar un ECG de lo contrario.

Más allá de la detección de arritmias, AliveCor está trabajando en otras tecnologías que utilizan el poder del aprendizaje automático y dispositivos ECG portátiles como KardiaBand para ampliar aún más la importancia clínica y diagnóstica del ECG. Por ejemplo, en asociación con la Clínica Mayo, estamos trabajando para la detección precisa de anomalías electrolíticas potencialmente mortales, como hiperpotasemia, directamente desde un ECG, y herramientas de detección que algún día pueden permitir la detección de anomalías genéticas, como el síndrome de QT largo congénito. . El ECG ha existido desde hace más de 100 años. Nuevas técnicas como el aprendizaje automático pueden permitirnos ver lo que antes era invisible para los ojos humanos, y esto puede salvar millones de vidas.

AliveCor®, KardiaBand ™ y SmartRhythm ™ son marcas comerciales de AliveCor, Inc. Apple Watch® es una marca comercial de Apple Inc.
Fitbit® es una marca registrada de Fitbit, Inc.

  1. https://doi.org/10.1161/CIRCULATIONAHA.117.030583
  2. https://doi.org/10.1109/EMBC.2016.7591456
  3. Patentes de Estados Unidos Nos. 9.572.499 y 9.839.363, y solicitudes de patente pendientes adicionales
  4. Fuera de sincronización: Encuesta del estado de AFib en América. Marzo-abril de 2009MKT-0032.3