Fractional order models of the human respiratory system

The fractional calculus is a generalization of classical integer-order integration and derivation to fractional (non-integer) order operators. Fractional order (FO) models are those models which contain such fractional order operators. A common representation of these models is in frequency domain, due to its simplicity. The dynamical systems whose model can be approximated in a natural way using FO terms, exhibit specific features, such as viscoelasticity, diffusion and a fractal structure; hence the respiratory system is an ideal application for FO models. Although viscoelastic and diffusive properties were intensively investigated in the respiratory system, the fractal structure was ignored. Probably one of the reasons is that the respiratory system does not pose a perfect symmetry, hence failing to satisfy one of the conditions for being a typical fractal structure. In the 70s, the respiratory impedance determined by the ratio of air-pressure and air-flow, has been introduced in a model structure containing a FO term. It has also been shown that the fractional order models outperform integer-order models on input impedance measurements. However, there was a lack of underpinning theory to clarify the appearance of the fractional order in the FO model structure. The thesis describes a physiologically consistent approach to reach twofold objectives: 1. to provide a physiologically-based mathematical explanation for the necessity of fractional order models for the input impedance, and 2. to determine the capability of the best fractional order model to classify between healthy and pathological cases. Rather than dealing with a specific case study, the modelling approach presents a general method which can be used not only in the respiratory system application, but also in other similar systems (e.g. leaves, circulatory system, liver, intestines). Furthermore, we consider also the case when symmetry is not present (e.g. deformations in the thorax - kyphoscoliose) as well as various pathologies. We provide a proof-of-concept for the appearance of the FO model from the intrinsic structure of the respiratory tree. Several clinical studies are then conducted to validate the sensitivity and specificity of the FO model in healthy groups and in various pathological groups

Structural changes in the COPD lung and related heterogeneity

This paper proposes a mathematical framework for understanding how the structural changes in the COPD lung reflect in model parameters. The core of the analysis is a correlation between the heterogeneity in the lung as COPD degree changes (GOLD II, III and IV) and the nonlinearity index evaluated using the forced oscillation technique. A low frequency evaluation of respiratory impedance models and nonlinearity degree is performed since changes in tissue mechanics are related to viscoelastic properties. Simulation analysis of our model indicates a good correlation to expected changes in heterogeneity and nonlinear effects. A total of 43 COPD diagnosed patients are evaluated, distributed as GOLD II (18), GOLD III (15) and GOLD IV (10). Experimental data supports the claims and indicate that the proposed model and index for nonlinearity is well-suited to capture COPD structural changes

Noninvasive cardiorespiratory signals analysis for asthma evolution monitoring in preschool children

Despite its increasing prevalence, diagnosis of asthma in children remains problematic due to their difficulties in producing repeatable spirometric maneuvers. Moreover, low adherence to inhaled corticosteroids (ICS) treatment could result in permanent airway remodeling. The growing interest in a noninvasive and objective way for monitoring asthma, together with the apparent role of autonomic nervous system (ANS) in its pathogenesis, have attracted interest towards heart rate variability (HRV) and cardiorespiratory coupling (CRC) analyses. In this work, HRV and CRC were analyzed in 70 children who were prescribed ICS treatment due to obstructive bronchitis. They underwent three different electrocardiogram and respiratory signals recordings, during and after treatment period. After treatment completion, they were followed up during 6 months and classified attending to their current asthma status. Vagal activity, as measured from HRV, and CRC, were reduced after treatment in those children at lower risk of asthma, whereas it kept unchanged in those with a worse prognosis. Results suggest that HRV analysis could be useful for the continuous monitoring of ANS anomalies present in asthma, thus contributing to evaluate the evolution of the disease, which is especially challenging in young children

Bioimpedance sensor and methodology for acute pain monitoring

The paper aims to revive the interest in bioimpedance analysis for pain studies in communicating and non-communicating (anesthetized) individuals for monitoring purpose. The plea for exploitation of full potential offered by the complex (bio)impedance measurement is emphasized through theoretical and experimental analysis. A non-invasive, low-cost reliable sensor to measure skin impedance is designed with off-the-shelf components. This is a second generation prototype for pain detection, quantification, and modeling, with the objective to be used in fully anesthetized patients undergoing surgery. The 2D and 3D time-frequency, multi-frequency evaluation of impedance data is based on broadly available signal processing tools. Furthermore, fractional-order impedance models are implied to provide an indication of change in tissue dynamics correlated with absence/presence of nociceptor stimulation. The unique features of the proposed sensor enhancements are described and illustrated here based on mechanical and thermal tests and further reinforced with previous studies from our first generation prototype

Nonlinear Stochastic Dynamic Systems Approach for Personalized Prognostics of Cardiorespiratory Disorders

This research investigates an approach rooted in nonlinear stochastic dynamic systems principles for personalized prognostics of cardiorespiratory disorders in the emerging point-of-care (POC) treatment contexts. Such an approach necessitates new methods for (a) quantitative and personalized modeling of underlying cardiovascular system dynamics to serve as a virtual instrument to derive surrogate (hemodynamic) signals, (b) high-specificity diagnostics to identify and localize disorders, (c) real-time prediction to provide forecasts of impending disorder episodes, and (d) personalized prognosis of the short-term variations of the risk, necessary for effective treatment decisions, based on estimating the distribution of the times remaining till the onset of an anomaly episode. The specific contributions of the dissertation work are as follows: 1. Quantitative modeling for real-time synthesis of hemodynamic signals. Features extracted from ECG signals were used to construct atrioventricular excitation inputs to a nonlinear deterministic lumped parameter model of cardiovascular system dynamics. The model-derived hemodynamic signals, personalized to an individual's physiological and anatomical conditions, would lead to cost-effective virtual medical instruments necessary for personalized POC prognostics. 2. Random graph representation of the complex cardiac dynamics for disorder diagnostics. The quantifiers of a random walk on a network reconstructed from vectorcardiogram (VCG) were investigated for the detection and localization of cardiovascular disorders. Extensive tests with signals from PTB database of PhysioNet databank suggest that locations of myocardial infarction can be determined accurately (sensitivity of ~88% and specificity of ~92%) from tracking certain consistently estimated invariants of this random walk representation. 3. Nonparametric prediction modeling of disorder episodes. A Dirichlet process based mixture Gaussian process was utilized to track and forecast the evolution of the complex nonlinear and nonstationary cardiorespiratory dynamics underlying of the measured signal features and health states. Extensive sleep tests suggest that the method can predict an impending sleep apnea episode to accuracies (R^2) of 83% and 77% for 1 step and 3 step-ahead predictions, respectively.4. Color-coded random graph representation of the state space for personalized prognostic modeling. The prognostic model used the stochastic evolution of the transition pathways from a normal state to an anomalous state in the color-coded state space network to estimate the distribution of the remaining useful life. The prognostic model was validated using the data from ECG Apnea Database (Physionet.org). The model can predict the estimated time till a disorder (apnea episode) onset to within 15% of the observed times 1-45 min ahead of their inception.Industrial Engineering & Managemen

Noninvasive autonomic nervous system assessment in respiratory disorders and sport sciences applications

La presente tesis está centrada en el análisis no invasivo de señales cardíacas y respiratorias, con el objetivo de evaluar la actividad del sistema nervioso autónomo (ANS) en diferentes escenarios, tanto clínicos como no clínicos. El documento está estructurado en tres partes principales. La primera parte consiste en una introducción a los aspectos fisiológicos y metodológicos que serán cubiertos en el resto de la tesis. En la segunda parte, se analiza la variabilidad del ritmo cardiaco (HRV) en el contexto de enfermedades respiratorias, concretamente asma (tanto en niños como en adultos) y apnea del sueño. En la tercera parte, se estudian algunas aplicaciones novedosas del análisis de señales cardiorespiratorias en el campo de las ciencias del deporte. La primera parte está compuesta por los capítulos 1 y 2. El capítulo 1 consiste en una extensa introducción al funcionamiento del sistema nervioso autónomo y las características de las bioseñales analizadas a lo largo de la tesis. Por otro lado, se aborda la patofisiología del asma y la apnea del sueño, su relación con el funcionamiento del ANS y las estrategias de diagnóstico y tratamiento de lasmismas. El capítulo concluye con una introducción a la fisiología del ejercicio, así como al interés en la estimación del volumen tidal y del umbral anaeróbico en el campo de las ciencias del deporte.En cuanto al capítulo 2, se presenta un marco de trabajo para el análisis contextualizado de la HRV. Después de una descripción de las técnicas de evaluación y acondicionamiento de la señal de HRV, el capítulo se centra en el efecto de los latidos ectópicos, la arritmia sinusal respiratoria y la frecuencia respiratoria en el análisis de la HRV.Además, se discute el uso de un índice para la evaluación de la distribución de la potencia en los espectros de HRV, así como diferentes medidas de acoplo cardiorespiratorio.La segunda parte está compuesta por los capítulos 3, 4 y 5, todos ellos relacionados con el análisis de la HRV en enfermedades respiratorias. Mientras que los capítulos 3 y 4 están centrados en asma infantil y en adultos respectivamente, el capítulo 5 aborda la apnea del sueño. El asma es una enfermedad respiratoria crónica que aparece habitualmente acompañada por una inflamación de las vías respiratorias. Aunque afecta a personas detodas las edades, normalmente se inicia en edades tempranas, y ha llegado a constituir una de las enfermedades crónicasmás comunes durante la infancia. Sin embargo, todavía no existe un método adecuado para el diagnóstico de asma en niños pequeños. Por otro lado, el rol fundamental que desempeña el sistema nervioso parasimpático en el control del tono bronco-motor y la bronco-dilatación sugiere que la rama parasimpática del ANS podría estar implicada en la patogénesis del asma. De estemodo, en el capítulo 3 se evalúa el ANS mediante el análisis de la HRV en dos bases de datos diferentes, compuestas por niños en edad pre-escolar clasificados en función de su riesgo de desarrollar asma, o de su condición asmática actual. Los resultados del análisis revelaron un balance simpáticovagal reducido y una componente espectral de alta frecuencia más picuda en aquellos niños con un mayor riesgo de desarrollar asma. Además, la actividad parasimpática y el acoplo cardiorespiratorio se redujeron en un grupo de niños con bajo riesgo de asma al finalizar un tratamiento para bronquitis obstructiva, mientras que estos permanecieron inalterados en aquellos niños con una peor prógnosis.A diferencia de los niños pequeños, en el caso de adultos el diagnóstico de asma se realiza a través de una rutina clínica bien definida. Sin embargo, la estratificación de los pacientes en función de su grado de control de los síntomas se basa generalmente en el uso de cuestionarios auto-aplicados, que pueden tener un carácter subjetivo. Por otro lado, la evaluación de la severidad del asma requiere de una visita hospitalaria y de incómodas pruebas, que no pueden aplicarse de una forma continua en el tiempo. De este modo, en el capítulo 4 se estudia el valor de la evaluación del ANS para la estratificación de adultos asmáticos. Para ello, se emplearon diferentes características extraídas de la HRV y la respiración, junto con varios parámetros clínicos, para entrenar un conjunto de algoritmos de clasificación. La inclusión de características relacionadas con el ANS para clasificar los sujetos atendiendo a la severidad del asma derivó en resultados similares al caso de utilizar únicamente parámetros clínicos, superando el desempeño de estos últimos en algunos casos. Por lo tanto, la evaluación del ANS podría representar un potencial complemento para la mejora de la monitorización de sujetos asmáticos.En el capítulo 5, se analiza la HRV en sujetos que padecen el síndrome de apnea del sueño (SAS) y comorbididades cardíacas asociadas. El SAS se ha relacionado con un incremento de 5 veces en el riesgo de desarrollar enfermedades cardiovasculares (CVD), que podría aumentar hasta 11 veces si no se trata convenientemente. Por otro lado, una HRV alterada se ha relacionado independientemente con el SAS y con numerosos factores de riesgo para el desarrollo de CVD. De este modo, este capítulo se centra en evaluar si una actividad autónoma desbalanceada podría estar relacionada con el desarrollo de CVD en pacientes de SAS. Los resultados del análisis revelaron una dominancia simpática reducida en aquellos sujetos que padecían SAS y CVD, en comparación con aquellos sin CVD. Además, un análisis retrospectivo en una base de datos de sujetos con SAS que desarollarán CVD en el futuro también reveló una actividad simpática reducida, sugiriendo que un ANS desbalanceado podría constituir un factor de riesgo adicional para el desarrollo de CVD en pacientes de SAS.La tercera parte está formada por los capítulos 6 y 7, y está centrada en diferentes aplicaciones del análisis de señales cardiorespiratorias en el campo de las ciencias del deporte. El capítulo 6 aborda la estimación del volumen tidal (TV) a partir del electrocardiograma (ECG). A pesar de que una correcta monitorización de la actividad respiratoria es de gran interés en ciertas enfermedades respiratorias y en ciencias del deporte, la mayor parte de la actividad investigadora se ha centrado en la estimación de la frecuencia respiratoria, con sólo unos pocos estudios centrados en el TV, la mayoría de los cuales se basan en técnicas no relacionadas con el ECG. En este capítulo se propone un marco de trabajo para la estimación del TV en reposo y durante una prueba de esfuerzo en tapiz rodante utilizando únicamente parámetros derivados del ECG. Errores de estimación del 14% en la mayoría de los casos y del 6% en algunos sugieren que el TV puede estimarse a partir del ECG, incluso en condiciones no estacionarias.Por último, en el capítulo 7 se propone una metodología novedosa para la estimación del umbral anaeróbico (AT) a partir del análisis de las dinámicas de repolarización ventricular. El AT representa la frontera a partir de la cual el sistema cardiovascular limita la actividad física de resistencia, y aunque fue inicialmente concebido para la evaluación de la capacidad física de pacientes con CVD, también resulta de gran interés en el campo de las ciencias del deporte, permitiendo diseñar mejores rutinas de entrenamiento o para prevenir el sobre-entrenamiento. Sin embargo, la evaluación del AT requiere de técnicas invasivas o de dispositivos incómodos. En este capítulo, el AT fue estimado a partir del análisis de las variaciones de las dinámicas de repolarización ventricular durante una prueba de esfuerzo en cicloergómetro. Errores de estimación de 25 W, correspondientesa 1 minuto en este estudio, en un 63% de los sujetos (y menores que 50 W en un 74% de ellos) sugieren que el AT puede estimarse de manera no invasiva, utilizando únicamente registros de ECG.<br /