Zastosowanie rozmytych reguł wnioskowania do automatycznej klasyfikacji zapisów częstości uderzeń serca płodu w odniesieniu do stanu urodzeniowego

Objectives: Fetal monitoring based on the analysis of the fetal heart rate (FHR) signal is the most common method of biophysical assessment of fetal condition during pregnancy and labor. Visual analysis of FHR signals presents a challenge due to a complex shape of the waveforms. Therefore, computer-aided fetal monitoring systems provide a number of parameters that are the result of the quantitative analysis of the registered signals. These parameters are the basis for a qualitative assessment of the fetal condition. The guidelines for the interpretation of FHR provided by FIGO are commonly used in clinical practice. On their basis a weighted fuzzy scoring system was constructed to assess the FHR tracings using the same criteria as those applied by expert clinicians. The effectiveness of the automated classification was evaluated in relation to the fetal outcome assessed by Apgar score. Material and methods: The proposed automated system for fuzzy classification is an extension of the scoring systems used for qualitative evaluation of the FHR tracings. A single fuzzy rule of the system corresponds to a single evaluation principle of a signal parameter derived from the FIGO guidelines. The inputs of the fuzzy system are the values of quantitative parameters of the FHR signal, whereas the system output, which is calculated in the process of fuzzy inference, defines the interpretation of the FHR tracing. The fuzzy evaluation process is a kind of diagnostic test, giving a negative or a positive result that can be compared with the fetal outcome assessment. The present retrospective study included a set of 2124 one-hour antenatal FHR tracings derived from 333 patients, recorded between 24 and 44 weeks of gestation (mean gestational age: 36 weeks). Various approaches for the research data analysis, depending on the method of interpretation of the individual patient-tracing relation, were used in the investigation. The quality of the fuzzy analysis was defined by the number of correct classifications (CC) and the additional index QI – the geometric mean of the sensitivity and specificity values. Results: The effectiveness of the fetal assessment varied, depending on the assumed relation between a patient and a set of her tracings. The approach, based on a common assessment of the whole set of tracings recorded for a single patient, provided the highest quality of automated classification. The best results (CC = 70.9% and QI = 84.0%) confirmed the possibility of predicting the neonatal outcome using the proposed fuzzy system based on the FIGO guidelines. Conclusions: It is possible to enhance the process of the fetal condition assessment with classification of the FHR records through the implementation of the heuristic rules of inference in the fuzzy signal processing algorithms.Cel pracy: Monitorowanie płodu na podstawie analizy sygnału czynności serca płodu (FHR) jest najczęściej stosowaną metodą biofizycznej oceny stanu płodu w czasie ciąży i porodu. Wzrokowa analiza krzywej FHR jest trudna z uwagi na jej złożony kształt. Z tego względu, komputerowo-wspomagane systemy monitorowania stanu płodu dostarczają szeregu parametrów będących rezultatem ilościowej analizy rejestrowanego sygnału. Parametry te są podstawą dla jakościowej oceny stanu płodu. Do najczęściej stosowanych wytycznych, określających sposób interpretacji sygnału FHR należą kryteria określone przez FIGO. Na ich podstawie skonstruowano ważony rozmyty system punktowy, którego zadaniem jest określenie stanu płodu na podstawie kryteriów oceny, jakimi posługuje się ekspert kliniczny. W pracy przedstawiono badania nad zgodnością rozmytej klasyfikacji z oceną stanu płodu wyznaczaną na podstawie punktacji Apgar. Materiał i metody: Proponowany system do automatycznej, rozmytej klasyfikacji stanowi rozwinięcie idei skal punktowych wykorzystywanych do jakościowej oceny zapisów czynności serca płodu. Za pomocą jednej reguły rozmytej modelowana jest zasada oceny pojedynczego parametru opisu ilościowego sygnału FHR zgodnie z wytycznymi FIGO. Wejściami systemu rozmytego są wartości parametrów ilościowych sygnału FHR, a stan wyjścia, wyznaczany w procesie wnioskowania rozmytego, definiuje interpretację zapisu. Proces rozmytej oceny sygnału jest rodzajem testu diagnostycznego, którego wynik, negatywny lub pozytywny, można porównać z oceną stanu urodzeniowego noworodka. Badaniem retrospektywnym objęto zbiór 2124 godzinnych zapisów ciążowych pochodzących od 333 pacjentek, zarejestrowanych pomiędzy 24 a 44 tygodniem ciąży (średni wiek ciążowy to 36 tygodni). W eksperymentach zastosowano różne konstrukcje zbiorów danych, w zależności od przyjętego sposobu interpretacji zbioru sygnałów zarejestrowanych dla pojedynczej pacjentki. Jakość rozmytej analizy automatycznej oceniano na podstawie liczby poprawnych klasyfikacji CC oraz wskaźnika QI będącego średnią geometryczną czułości oraz swoistości. Wyniki: W zależności od przyjętej metody analizy zbioru danych otrzymano różną skuteczność oceny stanu płodu. Podejście, w którym określano jedną wspólną ocenę dla całego zbioru zapisów zarejestrowanych dla pojedynczej pacjentki, pozwoliło na uzyskanie najwyższej jakości automatycznej klasyfikacji. Najlepsze z uzyskanych wyników (CC = 70.9% i QI = 84.0%) potwierdzają możliwość predykcji stanu urodzeniowego płodu na podstawie rozmytego wnioskowania opartego na wytycznych FIGO. Wnioski: Istnieje możliwość wspomagania procesu diagnostyki stanu płodu przez zastosowanie systemu rozmytej klasyfikacji sygnałów FHR, opartego o heurystyczne reguły wnioskowania właściwe doświadczonemu klinicyście