Respiratory rate derived from smartphone-camera-acquired pulse photoplethysmographic signals

A method for deriving respiratory rate from smartphone-camera-acquired pulse photoplethysmographic (SCPPG) signal is presented. Our method exploits respiratory information by examining the pulse wave velocity and dispersion from the SCPPG waveform and we term these indices as the pulse width variability (PWV). A method to combine information from several derived respiration signals is also presented and it is used to combine PWV information with other methods such as pulse amplitude variability (PAV), pulse rate variability (PRV), and respiration-induced amplitude and frequency modulations (AM and FM) in SCPPG signals Evaluation is performed on a database containing SCPPG signals recorded from 30 subjects during controlled respiration experiments at rates from 0.2 to 0.6 Hz with an increment of 0.1 Hz, using three different devices: iPhone 4S, iPod 5, and HTC One M8. Results suggest that spontaneous respiratory rates (0.2–0.4 Hz) can be estimated from SCPPG signals by the PWV- and PRVbased methods with low relative error (median of order 0.5% and interquartile range of order 2.5%). The accuracy can be improved by combining PWV and PRV with other methods such as PAV, AM and/or FM methods. Combination of these methods yielded low relative error for normal respiratory rates, and Institute of Physics and Engineering in Medicine maintained good performance at higher rates (0.5–0.6 Hz) when using the iPhone 4S or iPod 5 devices

Breathing Rate Estimation From the Electrocardiogram and Photoplethysmogram: A Review.

Breathing rate (BR) is a key physiological parameter used in a range of clinical settings. Despite its diagnostic and prognostic value, it is still widely measured by counting breaths manually. A plethora of algorithms have been proposed to estimate BR from the electrocardiogram (ECG) and pulse oximetry (photoplethysmogram, PPG) signals. These BR algorithms provide opportunity for automated, electronic, and unobtrusive measurement of BR in both healthcare and fitness monitoring. This paper presents a review of the literature on BR estimation from the ECG and PPG. First, the structure of BR algorithms and the mathematical techniques used at each stage are described. Second, the experimental methodologies that have been used to assess the performance of BR algorithms are reviewed, and a methodological framework for the assessment of BR algorithms is presented. Third, we outline the most pressing directions for future research, including the steps required to use BR algorithms in wearable sensors, remote video monitoring, and clinical practice

Non-invasive techniques for respiratory information extraction based on pulse photoplethysmogram and electrocardiogram

El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de métodos no invasivos para la extracción de información respiratoria a partir de dos señales biomédicas ampliamente utilizadas en la rutina clínica: el electrocardiograma (ECG) y la señal fotopletismográfica de pulso (PPG). La motivación de este estudio es la conveniencia de monitorizar información respiratoria a partir de dispositivos no invasivos que permita sustituir las técnicas actuales que podrían interferir con la respiración natural y que presentan inconvenientes en algunas aplicaciones como la prueba de esfuerzo y los estudios del sueño. Además, si estos dispositivos no invasivos son los ya utilizados en la rutina clínica, la información respiratoria extraída de ellos representa un valor añadido que permite tener una visión más completa del paciente. DESARROLLO TEÓRICO Esta tesis se divide en 6 capítulos. El Capítulo 1 introduce la problemática, motivaciones y objetivos del estudio. También introduce el origen fisiológico de las señales estudiadas ECG y PPG, y cómo y por qué tienen información autonómica y respiratoria que se puede extraer de ellas. El Capítulo 2 aborda la obtención de información respiratoria a partir del ECG. Se han propuesto varios métodos para la obtención de la respiración a partir del ECG (EDR, del inglés ¿ECG derived respiration?). Su rendimiento se suele ver muy afectado en entornos altamente no estacionarios y ruidosos como la prueba de esfuerzo. No obstante, se han propuesto algunas alternativas, como una basada en el ángulo de rotación del eje eléctrico (obtenido del ECG), que es el que mejor funciona en prueba de esfuerzo según nuestros conocimientos. Este método requiere de tres derivaciones ortogonales y es muy dependiente de cada una de ellas, i.e., el método no es aplicable o su rendimiento se reduce significativamente si hay algún problema en alguna de las derivaciones requeridas. En el Capítulo 2 se propone un método EDR nuevo basado en las pendientes del QRS y el ángulo de la onda R. El Capítulo 3 aborda a obtención de información respiratoria a partir de la señal PPG. Se propone un método nuevo para obtener la tasa respiratoria a partir de la señal PPG. Explota una modulación respiratoria en la variabilidad de anchura de pulso (PWV) relacionada con la velocidad y dispersión de la onda de pulso. El Capítulo 4 aborda la extracción de información respiratoria a partir de señales PPG registradas con smarthpones (SCPPG), mediante la adaptación de los métodos basados en la señal PPG presentados en el Capítulo 3. En el Capítulo 5 se propone un método para el diagnóstico del síndrome de apnea obstructiva del sueño (OSAS) en niños basado únicamente en la señal PPG. El OSAS es una disfunción relacionada con la respiración y el sueño que se diagnostica mediante polisomnografía (PSG). La PSG es el registro nocturno de muchas señales durante el sueño, siendo muy difícil de aplicar en entornos ambulatorios. El método que presenta esta tesis está enfocado a diagnosticar el OSAS en niños utilizando únicamente la señal PPG que permitiría considerar un diagnóstico ambulatorio con sus ventajas económicas y sociales. Finalmente, el Capítulo 6 resume las contribuciones originales y las conclusiones principales de esta tesis, y propone posibles extensiones del trabajo. CONCLUSIÓN El método presentado en el Capítulo 2 para estimar la tasa respiratoria a partir de las pendientes del complejo QRS y el ángulo de la onda R en el ECG demostró ser robusto en entornos altamente no estacionarios y ruidosos y por tanto ser aplicable durante ejercicio incluyendo entrenamiento deportivo. Además, es independiente de un conjunto específico de derivaciones y, por tanto, un problema en alguna de ellas no implica una reducción considerable del rendimiento. El método presentado en el Capítulo 3 para estimar la tasa respiratoria a partir de la PWV extraída de la señal PPG está mucho menos afectada por el tono simpático que otros métodos presentados en la literatura que suelen basarse en la amplitud y/o la tasa de pulso. Esto permite una mayor precisión que otros métodos basados en PPG. Además, se propone un método para combinar información de diferentes señales respiratorias, y se utiliza para estimar la tasa respiratoria a partir de la PWV en combinación con otros métodos basados en la señal PPG, mejorando la precisión de la estimación incluso en comparación con otros métodos en la literatura que requieren el ECG o la presión sanguínea. Los métodos propuestos en el Capítulo 4 para estimar la tasa respiratoria mediante señales SCPPG estimaron de forma precisa la tasa respiratoria en sus rangos espontáneos habituales (0.2-0.4 Hz) e incluso a tasas más altas (hasta 0.5 Hz o 0.6 Hz, dependiendo del dispositivo utilizado). El único requerimiento es que el smartphone tenga un luz tipo flash y una cámara para grabar una yema del dedo sobre ella. La popularidad de los smartphones los convierte en dispositivos de acceso y aceptación r¿apidos. Así, para la población general es potencialmente aceptable un método que funciona en smartphones, pudiendo facilitar la medida de algunas constantes vitales utilizando solo la yema del dedo. El método presentado en el Capítulo 5 para el diagnóstico del OSAS en niños a partir de la PPG obtuvo una precisión suficiente para la clínica, aunque antes de ser aplicado en dicho entorno, el método debería ser validado en una base de datos más grande.The main objective of this thesis is to develop non-invasive methods for respiration information extraction from two biomedical signals which are widely adopted in clinical routine: the electrocardiogram (ECG) and the pulse photoplethysmographic (PPG) signal. This study is motivated by the desirability of monitoring respiratory information from non-invasive devices allowing to substitute the current respiration-monitoring techniques which may interfere with natural breathing and which are unmanageable in some applications such as stress test or sleep studies. Furthermore, if these noninvasive devices are those already used in the clinical routine, the respiratory information obtained from them represents an added value which allows a more complete overview of the patient status. This thesis is divided into 6 chapters. Chapter 1 of this thesis introduces the problematic, motivations and objectives of this study. It also introduces the physiological origin of studied ECG and PPG signals, and why and how they carry autonomic- and respiration-related information which can be extracted from them. Chapter 2 of this thesis addresses the derivation of respiratory information from ECG signal. Several ECG derived respiration (EDR) methods have been presented in literature. Their performance usually decrease considerably in highly non-stationary and noisy environments such as stress test. However, some alternatives aimed to this kind of environments have been presented, such as one based on electrical axis rotation angles (obtained from the ECG), which to the best of our knowledge was the best suited for stress test. This method requires three orthogonal leads, and it is very dependent on each one of those leads, i.e., the performance of the method is significantly decreased if there is any problem at any one of the required leads. A novel EDR method based on QRS slopes and R-wave angle is presented in this thesis. The proposed method demonstrated to be robust in highly non-stationary and noisy environments and so to be applicable to exercise conditions including sports training. Furthermore, it is independent on a specific lead set, and so, a problem at any lead do not imply a significantly reduction of the performance. Chapter 3 addresses the derivation of respiratory information from PPG signals. A novel method for deriving respiratory rate from PPG signal is presented. It exploits respiration-related modulations in pulse width variability (PWV) which is related to pulse wave velocity and dispersion. The proposed method is much less affected by the sympathetic tone than other methods in literature which are usually based on pulses amplitude and/or rate. This leads to highest accuracy than other PPG-based method. Furthermore, a method for combining information from several respiratory signals was developed and used to obtain a respiratory rate estimation from the proposed PWV-based in combination with other known PPG-based methods, improving the accuracy of the estimation and outperforming other methods in literature which involve ECG or BP recording. Chapter 4 addresses the derivation of respiratory information from smartphone- camera-acquired-PPG (SCPPG) signals by adapting the methods for deriving respiratory rate from PPG signal presented in Chapter 3. The proposed method accurately estimates respiratory rate from SCPPG signals at its normal spontaneous ranges (0.2-0.4 Hz) and even at higher rates (up to 0.5 Hz or 0.6 Hz, depending on the used device). The only requirement is that these smartphones and tablets contain a flashlight and a video camera to image a fingertip pressed to it. As smartphones and tablets have become common, they meet the criteria of ready access and acceptance. Hence, a mobile phone/tablet approach has the potential to be widely-accepted by the general population and can facilitate the capability to measure some of the vital signs using only fingertip of the subject. Chapter 5 of this thesis proposes a methodology for obstructive sleep apnea syndrome (OSAS) screening in children just based on PPG signal. OSAS is a sleep-respiration-related dysfunction for which polysomnography (PSG) is the gold standard for diagnosis. PSG consists of overnight recording of many signals during sleep, therefore, it is quite involved and difficult to use in ambulatory scenario. The method presented in this thesis is aimed to diagnose the OSAS in children based just on PPG signal which would allow us to consider an ambulatory diagnosis with both its social and economic advantages. Finally, Chapter 6 summarizes the original contributions and main conclusions of the thesis, and proposes possible extensions of the work

Characterization of the Autonomic Nervous System Response in Hyperbaric Environments.

Esta tesis se centra en el estudio de la respuesta del Sistema Nervioso Autónomo (ANS) en entornos hiperbáricos. Los entornos hiperbáricos son aquellos escenarios en los cuales la presión atmosférica aumenta y ese aumento en la presión produce cambios en el sistema cardio-respiratorio del sujeto para mantener la homeostasis.Estos cambios se ven reflejados en el ANS, cuya respuesta puede ser medida de manera no invasiva a través de la Variabilidad del Ritmo Cardiaco (HRV), extraída del electrocardiograma (ECG), o a través de la Variabilidad del Ritmo del Pulso (PRV), extraída de la señal de pulso pletismográfico (PPG). La descripción de los entornos hiperbáricos, de la actividad del ANS, de la relación entre ellos y de cómo la respuesta del ANS puede ser medida a través de las señales ECG y PPG, puede encontrarse en el Capítulo 1.En el Capítulo 2, para corroborar si la señal PPG proporciona la misma información en términos de respuesta del ANS que la señal ECG, ambas señales fueron registradas en sujetos en el interior de una cámara hiperbárica, con la presión atmosférica aumentando desde 1 atm a 3 y 5 atm y luego volviendo a 3 y 1 atm. La correlación y el análisis estadístico entre los parámetros en el dominio temporal y frecuencial extraídos de ambas señales demuestran que la PRV puede ser considerada una medida sustituta de la HRV para los sujetos en el interior de la cámara hiperbárica. Esto hace de la PPG una señal a ser considerada en los entornos hiperbáricos, dado que su sensor es más barato y fácil de colocar que los electrodos del ECG (especialmente debajo del agua), y además la PPG puede estimar otros parámetros, como la saturación de oxígeno, que no se pueden estimar con el ECG. También se ha realizado una caracterización de cómo el ANS reacciona ante los cambios de presión y ante el tiempo pasado en el entorno hiperbárico mediante los parámetros extraídos del ECG y la PPG, aumentando aquellos relacionados con el sistema parasimpático cuando la presión es alta y disminuyendo los parámetros relacionados con el sistema simpático conforme más tiempo se pasa dentro de la cámara.La respiración juega un papel importante en los entornos hiperbáricos por lo que se debe incluir la información respiratoria en el análisis del HRV/PRV, dado que se ha demostrado que los cambios en el patrón respiratorio pueden alterar la interpretación de la respuesta del ANS. Por lo tanto, una vez que se ha probado que la señal PPG debe ser tenida en cuenta en los entornos hiperbáricos, en el Capítulo 3 se ha realizado un estudio sobre la estimación de la frecuencia respiratoria colocando el sensor de la PPG en distintas localizaciones. Para hacer esto, se ha registrado la señal respiratoria junto con la señal PPG en el dedo y en la frente en 35 sujetos mientras respiraban espontáneamente y de forma controlada a un ritmo constante, desde 0,1 Hz a 0,6 Hz en pasos de 0,1 Hz. Cuatro señales respiratorias derivadas dela PPG (PDR) fueron extraídas de cada una de las señales PPG registradas. Éstas son: la variabilidad del ritmo del pulso (PRV), la variabilidad de la anchura del pulso (PWV), la variabilidad de la amplitud del pulso (PAV) y la variabilidad de la intensidad inducida de la respiración (RIIV). La frecuencia respiratoria fue estimada para cada una de las 4 señales PDR en ambas localizaciones del sensor PPG. Los resultados sugieren que: i) la estimación de la frecuencia respiratoria es mejor en frecuencias bajas (por debajo de 0,4 Hz); ii) las señales registradas en el dedo son mejores para la estimación que las registradas en la frente; iii) es mejor no incluir la señal RIIV para estimar la frecuencia respiratoria.Siguiendo con la señal PPG, no sólo la PRV contiene información sobre la respuesta del ANS. También la morfología de la PPG puede proporcionar una gran cantidad de información sobre el estado vascular o sobre la distensibilidad arterial, dado que la propagación de la presión del pulso en las arterias causa alteraciones en el volumen de la sangre y por lo tanto cambios en la forma de onda de la PPG.Esta es la razón por la que, en el Capítulo 4, se presenta un nuevo algoritmo para descomponer el pulso de la PPG en dos ondas relacionadas con los picos sistólico y diastólico. La primera onda es obtenida concatenando la pendiente de subida del pulso, desde el principio hasta el primer máximo, con ella misma girada horizontalmente. La segunda onda se modela como una curva lognormal, ajustando su máximo al pico diastólico. De estas dos ondas, se extraen la amplitud, el instante temporal, la anchura, el _área y algunos ratios. Este método se aplica en el conjunto de datos de la cámara hiperbárica para identificar alteraciones en la morfología del pulso PPG debido a la exposición de los sujetos a diferentes presiones atmosféricas.Los resultados del instante temporal y la anchura de la onda relacionada con el pico sistólico apuntan a una vasoconstricción cuando aumenta la presión, probablemente debida a una activación del sistema simpático sobre los vasos sanguíneos. Los resultados del instante temporal y de la anchura de la onda relacionada con el pico diastólico reflejan esta vasoconstricción y también una dependencia con el intervalo entre los pulsos. Por lo tanto, esta metodología permite extraer una gran cantidad de parámetros relacionados con la morfología de la PPG que se ven afectados por los cambios de presión en los entornos hiperbáricos.En los Capítulos 2 y 4, la respuesta del ANS se ha estudiado dentro de una cámara hiperbárica, donde la presión varía. Sin embargo, hay muchas variables que pueden afectar la respuesta cardiovascular del cuerpo durante el buceo, como son la posición del cuerpo del buceador, la actividad física, la temperatura del agua, respirar por el regulador de presión, y algunas más. Por esta razón, en el Capítulo 5 se estudia la respuesta del ANS en tres entornos hiperbáricos distintos: dentro de la cámara hiperbárica, donde sólo la presión varió; durante una actividad de buceo controlado en el mar, donde la presión cambió, pero los efectos de otras variables se minimizaron lo máximo posible; y durante una actividad de buceo no controlado en un pantano, donde más factores cambiaron entre las etapas basal y de inmersión.Se realiza una comparación de los parámetros extraídos de la HRV entre dos etapas (basal e inmersión) en cada conjunto de datos para estudiar como estos factores relacionados con la actividad de buceo afectan a la respuesta del ANS. Para hacer esta comparación, en lugar de los parámetros frecuenciales clásicos, los métodos Principal Dynamic Mode (PDM) y Orthogonal Subspace Projection (OSP) se usan para tener en cuenta las interacciones lineales y no lineales y para tratar con la componente respiratoria que puede afectar a la respuesta del ANS, respectivamente.Los resultados del método OSP indican que la mayoría de la variación de la HRVno puede ser descrita por los cambios en la respiración, por lo que los cambios en la respuesta del ANS pueden aparecer por otros factores. Los parámetros temporales reflejan la activación vagal en la cámara hiperbárica y en el buceo controlado debido al efecto de la presión. En el buceo no controlado, sin embargo, la actividad simpática parece ser la dominante, debido a los efectos de otros factores como la actividad física, el entorno estimulante y el hecho de respirar a través del regulador durante la inmersión. Como resumen, se ha realizado una descripción detallada de los cambios en todos los posibles factores que pueden afectar a la respuesta del ANS entre las etapas basal y de inmersión en los distintos entornos hiperbáricos para una mejor explicación de los resultados.This dissertation focuses on the study of the Autonomic Nervous System (ANS) response in hyperbaric environments. Hyperbaric environments are those scenarios in which atmospheric pressure increases and this increase in pressure produces changes in the cardio-respiratory system of the subject to maintain the homeostasis. These changes are reflected in the ANS, whose response can be measured in a non-invasive way with the Heart Rate Variability (HRV), extracted from the electrocardiogram (ECG) or with the Pulse Rate Variability (PRV), extracted from the photoplethysmogram (PPG). The description of the hyperbaric environments, the ANS activity, the relationship between them and how the ANS response can be measured through ECG and PPG signals can be found in Chapter 1. In Chapter 2, to corroborate if PPG signal provides the same information in terms of ANS response than ECG signal, both signals were recorded for subjects inside a hyperbaric chamber when the atmospheric pressure varied from 1 atm to 3 atm and 5 atm and the coming back to 3 and 1 atm. The correlation and statistical analysis between time and frequency domain parameters extracted from both signals demonstrates that PRV can be considered as a surrogate measurement of HRV inside a hyperbaric chamber. This makes PPG a signal to be considered in hyperbaric environments, since its sensor is cheaper and easier to place than ECG electrodes (especially under the water), and PPG can estimate some parameters, as the oxygen saturation, than ECG cannot. Also a characterization of how the ANS reacts to pressure changes and the time spent in the hyperbaric environment is done with ECG and PPG parameters, increasing those related with the parasympathetic system when the pressure is high and decreasing the heart rate and the parameters related with the sympathetic system when more time is spent inside the chamber. Respiration plays an important role in hyperbaric environments, so it is important to include respiratory information in the HRV/PRV analysis, since it has been shown that changes in the respiratory pattern could alter the interpretation of the ANS response. Therefore, once that PPG signal has been proved as an interesting signal to consider in hyperbaric environments, in Chapter 3 a study about the respiratory rate estimation from different locations of the PPG sensor is performed. To do that, the respiratory signal together with finger and forehead PPG were recorded from 35 subjects while breathing spontaneously, and during controlled respiration experiments at a constant rate from 0.1 Hz to 0.6 Hz, in 0.1 Hz steps. Four PPG derived respiratory (PDR) signals were extracted from each one of the recorded PPG signals: pulse rate variability (PRV), pulse width variability (PWV), pulse amplitude variability (PAV) and the respiratory-induced intensity variability (RIIV). Respiratory rate was estimated from each one of the 4 PDR signals for both PPG sensor locations. Results suggest that: i) respiratory rate estimation is better at lower rates (0.4 Hz and below); ii) the signals recorded at the finger are better than those at the forehead to estimate respiratory rate; iii) it is better not to include RIIV signal to estimate the respiratory rate. Following with the PPG signal, not only PRV contains information about the ANS response. Also, PPG morphology can provide a great amount of information about vascular assessment or arterial compliance, since pulse pressure propagation in arteries causes alterations in blood volume and therefore changes in the PPG pulse shape. That is the reason why, in Chapter 4, a new algorithm to decompose the PPG pulse into two waves related with the systolic and the diastolic peaks is presented. The first wave is obtained concatenating the up-slope from the beginning to the first maximum with itself flipped horizontally. The second wave is modelled by a lognormal curve, adjusting its maximum to the diastolic peak. From these two waves, the amplitude, the time instant, the width, the area and some ratios are extracted. This method is applied in a hyperbaric chamber dataset to identify alterations in the morphology of the PPG pulse due to the exposure of the subjects to different pressures. Results of the time and width of the wave related with the systolic peak point out to a vasoconstriction when the pressure increases, probably due to an activation of the sympathetic system on the blood vessels. Results of the time and width of the wave related with the diastolic peak reflect the vasoconstriction but also a dependency with the pulse-to-pulse interval. Therefore this methodology allows to extract a great set of parameters related with the PPG morphology that are affected by the change of pressure in hyperbaric environments. In Chapters 2 and 4, the ANS response is studied inside a hyperbaric chamber, where the pressure varies. However, there are many variables that could affect the body's cardiovascular response during diving, such as diver body position, physical activity, water temperature, breathing with a scuba mouthpieces and more. This is the reason why in Chapter 5 the ANS response is studied in three different hyperbaric environments: inside a hyperbaric chamber, where only the pressure varied; during a controlled dive in the sea, where the pressure changed but the effects of other factors were minimized; and during an uncontrolled dive in a reservoir, where more factors differed from baseline to immersion stage. A comparison of the HRV features between the two stages (baseline and immersion) in each dataset is carried out to study how these factors related to scuba diving activity affect the ANS response. To do this comparison, instead of the classic frequency methods, the Principal Dynamic Mode (PDM) and the Orthogonal Subspace Projection (OSP) methods are used to account for linear and non-linear interactions and to deal with the respiratory component that could affect the ANS response, respectively. OSP results indicate that most of the variation in the heart rate variability cannot be described by changes in the respiration, so changes in ANS response can be assigned to other factors. Time domain parameters reflect vagal activation in the hyperbaric chamber and in the controlled dive because of the effect of pressure. In the uncontrolled dive, sympathetic activity seems to be dominant, due to the effects of other factors such as physical activity, the challenging environment, and the influence of breathing through the scuba mask during immersion. In summary, a careful description of the changes in all the possible factors that could affect the ANS response between baseline and immersion stages in hyperbaric environments is performed for better explanation of the results.<br /

Developing an algorithm for pulse oximetry derived respiratory rate (RRoxi): a healthy volunteer study

Objective The presence of respiratory information within the pulse oximeter signal (PPG) is a well-documented phenomenon. However, extracting this information for the purpose of continuously monitoring respiratory rate requires: (1) the recognition of the multi-faceted manifestations of respiratory modulation components within the PPG and the complex interactions among them; (2) the implementation of appropriate advanced signal processing techniques to take full advantage of this information; and (3) the post-processing infrastructure to deliver a clinically useful reported respiratory rate to the end user. A holistic algorithmic approach to the problem is therefore required. We have developed the RROXI algorithm based on this principle and its performance on healthy subject trial data is described herein

Estimation of respiratory rate from motion contaminated photoplethysmography signals incorporating accelerometry.

Estimation of respiratory rate (RR) from photoplethysmography (PPG) signals has important applications in the healthcare sector, from assisting doctors onwards to monitoring patients in their own homes. The problem is still very challenging, particularly during the motion for large segments of data, where results from different methods often do not agree. The authors aim to propose a new technique which performs motion reduction from PPG signals with the help of simultaneous acceleration signals where the PPG and accelerometer sensors need to be embedded in the same sensor unit. This method also reconstructs motion corrupted PPG signals in the Hilbert domain. An auto-regressive (AR) based technique has been used to estimate the RR from reconstructed PPGs. The proposed method has provided promising results for the estimation of RRs and their variations from PPG signals corrupted with motion artefact. The proposed platform is able to contribute to continuous in-hospital and home-based monitoring of patients using PPG signals under various conditions such as rest and motion states

Photoplethysmographic Waveform Versus Heart Rate Variability to Identify Low Stress States. Attention Test

Our long-term goal is the development of an automatic identifier of attentional states. In order to accomplish it, we should firstly be able to identify different states based on physiological signals. So, the first aim of this work is to identify the most appropriate features, to detect a subject high performance state. For that, a database of electrocardiographic (ECG) and photopletysmographic (PPG) signals is recorded in two unequivocally defined states (rest and attention task) from up to 50 subjects as a sample of the population. Time and frequency parameters of heart/pulse rate variability have been computed from the ECG/PPG signals respectively. Additionally, the respiratory rate has been estimated from both signals and also six morphological parameters from PPG. In total, twenty six features are obtained for each subject. They provide information about the autonomic nervous system and the physiological response of the subject to an attention demand task. Results show an increase of sympathetic activation when the subjects perform the attention test. The amplitude and width of the PPG pulse were more sensitive that the classical sympathetic markers (normalised power in LF and LF/HF ratio) for identifying this attentional state. State classification accuracy reaches a mean of 89 $\pm$ 2%, a maximum of 93% and a minimum of 85%, in the hundred classifications made by only selecting four parameters extracted from the PPG signal (pulse amplitude, pulse width, pulse downward slope and mean pulse rate). These results suggest that attentional states could be identified by PPG

Estimación robusta de la diferencia del tiempo de tránsito del pulso sanguíneo a partir de señales fotopletismográficas

En el presente trabajo se va a estudiar la posibilidad de detectar estrés mental utilizando técnicas no invasivas basadas en la señal fotopletismográfica de pulso (PPG). Para ello se pretende detectar cambios en la velocidad de pulso arterial (PWV), utilizando señales de PPG tomadas en dos puntos distintos del árbol arterial con las que poder medir el tiempo de llegada de pulso arterial a la periferia (PAT) y la diferencia de ese tiempo de llegada entre dos puntos de la periferia distintos (PTTD). Tanto el PAT como el PTTD han sido propuestas en la bibliografía como medidas influenciados por el Tiempo de Tránsito de Pulso (PTT), este último capaz de medir cambios en la dinámica cardiovascular. Sin embargo, el PTTD, al contrario que el PAT, no necesita del electrocardiograma (ECG) para ser obtenido y no está influenciado por el periodo de pre-eyección (PEP) -un intervalo de tiempo en la sístole ventricular que cambia pulso a pulso- el cual genera que el PAT pierda la relación con el PTT, dos factores importantes que aventajan al PTTD frente al PAT. Primero, se estudia de fiabilidad de los puntos fiduciales para la detección de los pulsos de la señal PPG y con ésto comprobar cuál es el método con la mayor precisión. Se demuestra mediante diversos análisis que el mejor punto para detectar los pulsos corresponde al valor de la PPG en el instante de máxima pendiente (valor máximo en la primera derivada). Resulta necesario implementar un detector de artefactos ya que el método de adquisición de la PPG es muy sensible a ellos pudiendo llegar a haber segmentos en los que la señal registrada es absolutamente inutilizable. Posteriormente, se analizan 14 voluntarios sanos sometidos a un protocolo de estrés y se realiza un test estadístico para comprobar la validez del método propuesto. Los resultados muestran que la desviación estándar de la PTTD tiene la capacidad estadística suficiente como para discernir entre estados de estrés y de relajación, para cada uno de los sujetos por separado. Además, se puede ver una tendencia descendente generalizada del descenso de la PTTD en situación de estrés con respecto a relajación. %Sin embargo, resultará necesario repetir el análisis con una muestra de señales mayor ya que se dispone de pocos sujetos en la base de datos utilizada, ya que la calidad de la señal de PPG que se registró en la frente es muy mala y hay muy pocos sujetos con los que se puede computar la PTTD. A modo de conclusión, se ha visto que la PTTD contiene información fisiológica que puede ser interesante para la detección de estrés. A su vez, también es una técnica potencialmente interesante para otros tipos de aplicaciones clínicas tales como la estimación no invasiva de la presión arterial o la evaluación de la rigidez arterial, pero se necesita estudiar la adecuación de ésta en cada escenario en particular. Además, como la PTTD se puede medir a partir de únicamente dos señales PPG, la técnica es idónea para dispositivos wearable y smartphones

Autonomic nervous system biomarkers from multi-modal and model-based signal processing in mental health and illness

Esta tesis se centra en técnicas de procesado multimodal y basado en modelos de señales para derivar parámetros fisiológicos, es decir, biomarcadores, relacionados con el sistema nervioso autónomo (ANS). El desarrollo de nuevos métodos para derivar biomarcadores de ANS no invasivos en la salud y la enfermedad mental ofrece la posibilidad de mejorar la evaluación del estrés y la monitorización de la depresión. Para este fin, el presente documento se estructura en tres partes principales. En la Parte I, se proporciona unaintroducción a la salud y la enfermedad mental (Cap. 1). Además, se presenta un marco teórico para investigar la etiología de los trastornos mentales y el papel del estrés en la enfermedad mental (Cap. 2). También se destaca la importancia de los biomarcadores no invasivos para la evaluación del ANS, prestando especial atención en la depresión clínica (Cap. 3, 4). En la Parte II, se proporciona el marco metodológico para derivar biomarcadores del ANS. Las técnicas de procesado de señales incluyen el análisis conjunto de la variabilidad del rítmo cardíaco (HRV) y la señal respiratoria (Cap. 6), técnicas novedosas para derivar la señal respiratoria del electrocardiograma (ECG) (Cap. 7) y un análisis robusto que se basa en modelar la forma de ondas del pulso del fotopletismograma (PPG) (Ch. 8). En la Parte III, los biomarcadores del ANS se evalúan en la quantificacióndel estrés (Cap. 9) y en la monitorización de la depresión (Ch. 10).Parte I: La salud mental no solo está relacionada con ese estado positivo de bienestar, en el que un individuo puede enfrentar a las situaciones estresantes de la vida, sino también con la ausencia de enfermedad mental. La enfermedad o trastorno mental se puede definir como un trastorno emocional, cognitivo o conductual que causa un deterioro funcional sustancial en una o más actividades importantes de la vida. Los trastornos mentales más comunes, que muchas veces coexisten, son la ansiedad y el trastorno depresivo mayor (MDD). La enfermedad mental tiene un impacto negativo en la calidad de vida, ya que se asocia con pérdidas considerables en la salud y el funcionamiento, y aumenta ignificativamente el riesgo de una persona de padecer enfermedades ardiovasculares.Un instigador común que subyace a la comorbilidad entre el MDD, la patologíacardiovascular y la ansiedad es el estrés mental. El estrés es común en nuestra vida de rítmo rapido e influye en nuestra salud mental. A corto plazo, ANS controla la respuesta cardiovascular a estímulos estresantes. La regulación de parámetros fisiológicos, como el rítmo cardíaco, la frecuencia respiratoria y la presión arterial, permite que el organismo responda a cambios repentinos en el entorno. Sin embargo, la adaptación fisiológica a un fenómeno ambiental que ocurre regularmente altera los sistemas biológicos involucrados en la respuesta al estrés. Las alteraciones neurobiológicas en el cerebro pueden alterar lafunción del ANS. La disfunción del ANS y los cambios cerebrales estructurales tienen un impacto negativo en los procesos cognitivos, emocionales y conductuales, lo que conduce al desarrollo de una enfermedad mental.Parte II: El desarrollo de métodos novedosos para derivar biomarcadores del ANS no invasivos ofrece la posibilidad de mejorar la evaluacón del estrés en individuos sanos y la disfunción del ANS en pacientes con MDD. El análisis conjunto de varias bioseñales (enfoquemultimodal) permite la cuantificación de interacciones entre sistemas biológicos asociados con ANS, mientras que el modelado de bioseãles y el análisis posterior de los parámetros del modelo (enfoque basado en modelos) permite la cuantificación robusta de cambios en mecanismos fisiológicos relacionados con el ANS. Un método novedoso, quetiene en cuenta los fenómenos de acoplo de fase y frecuencia entre la respiración y las señales de HRV para evaluar el acoplo cardiorrespiratorio no lineal cuadrático se propone en el Cap. 6.3. En el Cap. 7 se proponen nuevas técnicas paramejorar lamonitorización de la respiración. En el Cap. 8, para aumentar la robustez de algunas medidas morfológicas que reflejan cambios en el tonno arterial, se considera el modelado del pulso PPG como una onda principal superpuesta con varias ondas reflejadas.Parte III: Los biomarcadores del ANS se evalúan en la cuantificación de diferentes tipos de estrés, ya sea fisiológico o psicológico, en individuos sanos, y luego, en la monitorización de la depresión. En presencia de estrés mental (Cap. 9.1), inducido por tareas cognitivas, los sujetos sanos muestran un incremento en la frecuencia respiratoria y un mayor número de interacciones no lineales entre la respiración y la seãl de HRV. Esto podría estar asociado con una activación simpática, pero también con una respiración menos regular. En presencia de estrés hemodinámico (Cap. 9.2), inducido por un cambio postural, los sujetos sanos muestran una reducción en el acoplo cardiorrespiratoriono lineal cuadrático, que podría estar relacionado con una retracción vagal. En presencia de estrés térmico (Cap. 9.3), inducido por la exposición a emperaturas ambientales elevadas, los sujetos sanos muestran un aumento del equilibrio simpatovagal. Esto demuestra que los biomarcadores ANS son capaces de evaluar diferentes tipos de estrés y pueden explorarse más en el contexto de la monitorización de la depresión. En el Cap. 10, se evalúan las diferencias en la función del ANS entre elMDD y los sujetos sanos durante un protocolo de estrés mental, no solo con los valores brutos de los biomarcadores del ANS, sino también con los índices de reactividad autónoma, que reflejan la capacidad deun individuo para afrontar con una situación desafiante. Los resultados muestran que la depresión se asocia con un desequilibrio autonómico, que se caracteriza por una mayor actividad simpática y una reducción de la distensibilidad arterial. Los índices de reactividad autónoma cuantificados por cambios, entre etapas de estrés y de recuperación, en los sustitutos de la rigidez arterial, como la pérdida de amplitud de PPG en las ondas reflejadas, muestran el mejor rendimiento en términos de correlación con el grado de la depresión, con un coeficiente de correlación r = −0.5. La correlación negativa implicaque un mayor grado de depresión se asocia con una disminución de la reactividadautónoma. El poder discriminativo de los biomarcadores del ANS se aprecia también por su alto rendimiento diagnóstico para clasificar a los sujetos como MDD o sanos, con una precisión de 80.0%. Por lo tanto, se puede concluir que los biomarcadores del ANS pueden usarse para evaluar el estrés y que la distensibilidad arterial deteriorada podría constituir un biomarcador de salud mental útil en el seguimiento de la depresión.This dissertation is focused on multi-modal and model-based signal processing techniques for deriving physiological parameters, i.e. biomarkers, related to the autonomic nervous system (ANS). The development of novel approaches for deriving noninvasive ANS biomarkers in mental health and illness offers the possibility to improve the assessment of stress and the monitoring of depression. For this purpose, the present document is structured in three main parts. In Part I, an introduction to mental health and illness is provided (Ch. 1). Moreover, a theoretical framework for investigating the etiology of mental disorders and the role of stress in mental illness is presented (Ch. 2). The importance of noninvasive biomarkers for ANS assessment, paying particular attention in clinical depression, is also highlighted (Ch. 3, 4). In Part II, themethodological framework for deriving ANS biomarkers is provided. Signal processing techniques include the joint analysis of heart rate variability (HRV) and respiratory signals (Ch. 6), novel techniques for deriving the respiratory signal from electrocardiogram (ECG) (Ch. 7), and a robust photoplethysmogram(PPG)waveform analysis based on amodel-based approach (Ch. 8). In Part III, ANS biomarkers are evaluated in stress assessment (Ch. 9) and in the monitoring of depression (Ch. 10). Part I:Mental health is not only related to that positive state ofwell-being, inwhich an individual can cope with the normal stresses of life, but also to the absence of mental illness. Mental illness or disorder can be defined as an emotional, cognitive, or behavioural disturbance that causes substantial functional impairment in one or more major life activities. The most common mental disorders, which are often co-occurring, are anxiety and major depressive disorder (MDD). Mental illness has a negative impact on the quality of life, since it is associated with considerable losses in health and functioning, and increases significantly a person’s risk for cardiovascular diseases. A common instigator underlying the co-morbidity between MDD, cardiovascular pathology, and anxiety is mental stress. Stress is common in our fast-paced society and strongly influences our mental health. In the short term, ANS controls the cardiovascular response to stressful stimuli. Regulation of physiological parameters, such as heart rate, respiratory rate, and blood pressure, allows the organism to respond to sudden changes in the environment. However, physiological adaptation to a regularly occurring environmental phenomenon alters biological systems involved in stress response. Neurobiological alterations in the brain can disrupt the function of the ANS. ANS dysfunction and structural brain changes have a negative impact on cognitive, emotional, and behavioral processes, thereby leading to development of mental illness. Part II: The development of novel approaches for deriving noninvasive ANS biomarkers offers the possibility to improve the assessment of stress in healthy individuals and ANS dysfunction in MDD patients. Joint analysis of various biosignals (multi-modal approach) allows for the quantification of interactions among biological systems associated with ANS, while the modeling of biosignals and subsequent analysis of the model’s parameters (model-based approach) allows for the robust quantification of changes in physiological mechanisms related to the ANS. A novel method, which takes into account both phase and frequency locking phenomena between respiration and HRV signals, for assessing quadratic nonlinear cardiorespiratory coupling is proposed in Ch. 6.3. Novel techniques for improving the monitoring of respiration are proposed in Ch. 7. In Ch. 8, to increase the robustness for some morphological measurements reflecting arterial tone changes, the modeling of the PPG pulse as amain wave superposed with several reflected waves is considered. Part III: ANS biomarkers are evaluated in the assessment of different types of stress, either physiological or psychological, in healthy individuals, and then, in the monitoring of depression. In the presence of mental stress (Ch. 9.1), induced by cognitive tasks, healthy subjects show an increment in the respiratory rate and higher number of nonlinear interactions between respiration and HRV signal, which might be associated with a sympathetic activation, but also with a less regular breathing. In the presence of hemodynamic stress (Ch. 9.2), induced by a postural change, healthy subjects show a reduction in strength of the quadratic nonlinear cardiorespiratory coupling, whichmight be related to a vagal withdrawal. In the presence of heat stress (Ch. 9.3), induced by exposure to elevated environmental temperatures, healthy subjects show an increased sympathovagal balance. This demonstrates that ANS biomarkers are able to assess different types of stress and they can be further explored in the context of depression monitoring. In Ch. 10, differences in ANS function between MDD and healthy subjects during a mental stress protocol are assessed, not only with the raw values of ANS biomarkers but also with autonomic reactivity indices, which reflect the ability of an individual to copewith a challenging situation. Results show that depression is associated with autonomic imbalance, characterized by increased sympathetic activity and reduced arterial compliance. Autonomic reactivity indices quantified by changes, from stress to recovery, in arterial stiffness surrogates, such as the PPG amplitude loss in wave reflections, show the best performance in terms of correlation with depression severity, yielding to correlation coefficient r = −0.5. The negative correlation implies that a higher degree of depression is associated with a decreased autonomic reactivity. The discriminative power of ANS biomarkers is supported by their high diagnostic performance for classifying subjects as having MDD or not, yielding to accuracy of 80.0%. Therefore, it can be concluded that ANS biomarkers can be used for assessing stress and that impaired arterial compliance might constitute a biomarker of mental health useful in the monitoring of depression.<br /