Bachelor's Thesis

Analysis of Atrial Depolarization Using High-Frequency Components of the ECG

Final Thesis 5.83 MB Appendix 37.27 kB

Author of thesis: Helena Géryková

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Radovan Smíšek, Ph.D.

Reviewer: Ing. Marina Filipenská, Ph.D.

Abstract:

The bachelor's thesis focuses on the analysis of high-frequency components of the P wave. The aim was to design an algorithm for precise alignment of P waves and to assess the frequency range in which the P wave can be reliably analysed and distinguished from noise. Two independent methods were employed: a method based on spectrogram and method using predefined frequency bands. The quality of the components was evaluated using signal-to-noise ratio. The methods were applied to a dataset of 100 patients, including healthy patients, patients with an implanted pacemaker and patients with paroxysmal atrial fibrillation. The results show that for healthy patients, the reliable frequency range lies approximately around 140 Hz. In the band 60-150 Hz, the SNR was higher in the healthy patient group than in patients with cardiac disease. High-frequency maps allowed visualization of depolarization propagation across leads.

Keywords:

P wave, electrocardiography, high-frequency analysis, signal-to-noise ratio, spectrogram, paroxysmal atrial fibrillation

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Studentka prezentovala výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Doc. Gumulec položil otázku: Co je vstupem do grafů? Kde se projeví frekvenční pásmo ve výsledném grafu? Ing. Němcová položila otázku: Jak je reprezentován graf, který je podobný spektrogramu? Studentka obhájila bakalářskou práci a odpověděla na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Biomedical Technology and Bioinformatics (BPC-BTB)

Composition of Committee

Doc. MUDr. Jaromír Gumulec, Ph.D. (předseda)
doc. Mgr. Ing. Karel Sedlář, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jan Odstrčilík, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Sekora, MBA (člen)
Ing. Andrea Němcová, Ph.D. (člen)
Ing. Roman Jakubíček, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Radovan Smíšek, Ph.D.

Studentka Helena Géryková se ve své bakalářské práci zabývala analýzou vysokofrekvenčních (HF) složek vlny P z EKG s cílem posoudit, do jaké frekvenční oblasti lze depolarizaci síní spolehlivě analyzovat a odlišit ji od šumu.
Teoretická část (kapitoly 1 až 3) je zpracována přehledně a čtivě. První dvě kapitoly shrnují anatomii a elektrickou aktivitu srdce, fyziologii i patologii vlny P. Třetí kapitola se věnuje metodám spektrální a časově-frekvenční analýzy a problematice SNR a průměrování vlny P.
Metodika práce obsahuje detekci a následné časové zarovnání vln P a analýzu vysokofrekvenčních složek vlny P, jejímž výstupem je vysokofrekvenční mapa. Celá metoda je popsána velmi dobře. Oceňuji blokové schéma (obr. 4.1) a postupné ilustrování jednotlivých kroků na svodu V4 (obr. 4.2 až 4.6), které názorně ukazují vliv baseline korekce, časového zarovnání i korelačního filtru. HF analýza (kapitoly 5 a 6) je provedena dvěma nezávislými metodami — spektrogramovou a metodou frekvenčních pásem. Tento přístup hodnotím kladně, neboť výsledky jedné metody slouží jako kontrola druhé; obě se shodly na mezní frekvenci přibližně 140 Hz. Metodika byla aplikována na dataset 100 pacientů a doplněna o adekvátní statistické vyhodnocení. Byla vyhodnocena frekvence, do které lze analyzovat frekvenční složky vlny P včetně závislosti SNR na frekvenčním pásmu a počtu vln P. Studentka také ukázala možné využití navržené metody u pacientů se stimulací Bachmannova svazku, což je moderní metoda, která se v klinické praxi používá nově.
Hlavní limitací, kterou studentka správně uvádí v závěru, je výrazná nevyváženost datasetu (90 zdravých, 6 pacientů s kardiostimulátorem a 4 s paroxysmální fibrilací síní). Srovnání mezi skupinami a klinické závěry pro patologické skupiny tak stojí na velmi malém počtu pacientů a je třeba je chápat jako orientační. Jedná se tak spíše o ukázky toho, jakými směry by šlo navrženou metodiku využít v klinické praxi. Toto ale není chyba studentky. Více dat nebylo k dispozici.
Po formální a jazykové stránce je práce na vynikající úrovni, jednotlivé části na sebe logicky navazují.
Studentka pracovala samostatně, aktivně a soustavně po celý semestr, pravidelně konzultovala a reagovala na připomínky. Studentka rovněž publikovala výsledky své práce na studentské konferenci EEICT, kde obsadila 3. místo. Zadání práce považuji za splněné ve všech bodech.
Práci hodnotím A, 93 bodů. Points proposed by supervisor: 93

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Marina Filipenská, Ph.D.

Předložená bakalářská práce studentky Heleny Gerykové se zabývá analýzou vysokofrekvenčních složek P vlny EKG signálu. Téma je aktuální a odborně velmi zajímavé, zejména s ohledem na potenciální využití v diagnostice poruch síňové aktivace a fibrilace síní. Studentka splnila všechny body zadání. Navrhla a implementovala algoritmus pro detekci, časové zarovnání a morfologickou filtraci P vln, realizovala vysokofrekvenční analýzu dvěma nezávislými metodami a aplikovala navrženou metodiku na soubor 100 pacientů. Součástí práce je rovněž statistické vyhodnocení výsledků. Teoretická část poskytuje dostatečný přehled problematiky a vychází z relevantní odborné literatury. V textu se místy objevují drobné terminologické či formulační nepřesnosti (např. v popisu vlnkové transformace či používání některých anglických termínů místo běžně používaných českých ekvivalentů), které však nesnižují odbornou úroveň práce. Praktickou část hodnotím velmi kladně. Je patrné, že studentka věnovala řešení značné úsilí. Pozitivně hodnotím použití dvou nezávislých metod vysokofrekvenční analýzy, jejichž výsledky se vzájemně podporují. Zajímavá je rovněž ukázka potenciální klinické aplikace u pacientů se stimulací Bachmannova svazku a u pacientů s paroxysmální fibrilací síní. Práce potvrzuje známé poznatky o vyšší morfologické variabilitě a horší kvalitě vysokofrekvenčních složek P vln u pacientů s fibrilací síní. Za zajímavý výsledek považuji také experimentální odhad frekvenční hranice spolehlivě analyzovatelných vysokofrekvenčních složek přibližně kolem 140 Hz, který je rovněž v souladu s frekvenčními rozsahy používanými v dříve publikovaných studiích. K práci mám několik připomínek a doporučení. Morfologická filtrace P vln pomocí korelačního koeficientu je rozumným přístupem, avšak chybí hlubší analýza a vizuální ověření vyřazených P vln. Do budoucna by bylo zajímavé zaměřit se například na shlukovou analýzu P vln podle morfologie a posoudit, zda nelze analyzovat více morfologických skupin samostatně. Interpretaci výsledků získaných u pacientů s paroxysmální fibrilací síní a s implantovaným kardiostimulátorem omezuje nízký počet dostupných záznamů v těchto skupinách. Uvedené výsledky proto vnímám především jako pilotní ukázku potenciálních možností navržené metodiky, která by si zasloužila ověření na rozsáhlejších souborech dat. V práci postrádám jednoznačné uvedení původu použité databáze. Přehlednost výsledků by zlepšilo doplnění souhrnné tabulky hodnot SNR pro jednotlivé skupiny pacientů, frekvenční pásma a svody. V případech, kdy jsou výsledky prezentovány pomocí mediánů, by bylo vhodné uvádět interkvartilové rozpětí namísto směrodatné odchylky. Po formální stránce je práce zpracována na velmi dobré úrovni. Text je přehledný, jednotlivé kapitoly na sebe logicky navazují a grafická úprava působí velmi dobrým dojmem. Pouze v některých obrázcích a grafech by bylo vhodné doplnit jednotky nebo podrobněji vysvětlit způsob zobrazení dat (např. obr. 5.4). Celkově hodnotím práci jako zdařilou a odborně přínosnou. Studentka prokázala schopnost řešit technický problém, navrhnout a implementovat vlastní algoritmy pro zpracování biologických signálů a kriticky interpretovat získané výsledky. Práce představuje vhodný základ pro další navazující výzkum. Práci doporučuji k obhajobě. Hodnocení: B / 86 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Jakým způsobem byl zvolen práh korelačního koeficientu 0,95 pro morfologickou filtraci P vln a jak citlivé jsou výsledky na změnu této hodnoty?
  2. Bylo nějak ověřováno, jaký charakter měly P vlny vyřazené korelační filtrací?
  3. Byla nějak ověřována vhodnost mediánové P vlny použité jako templát pro korelační filtraci? Jak by mohly výsledky ovlivnit alternativní způsoby tvorby templátu?
  4. V čem spatřujete hlavní přínos své práce ve srovnání s dříve publikovanými studiemi vysokofrekvenční analýzy P vlny, například pracemi Alcaraze et al.?
Points proposed by reviewer: 86

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová