Nonlinear trend removal should be carefully performed in heart rate variability analysis

$\bullet$ Background : In Heart rate variability analysis, the rate-rate time series suffer often from aperiodic non-stationarity, presence of ectopic beats etc. It would be hard to extract helpful information from the original signals. 10 $\bullet$ Problem : Trend removal methods are commonly practiced to reduce the influence of the low frequency and aperiodic non-stationary in RR data. This can unfortunately affect the signal and make the analysis on detrended data less appropriate. $\bullet$ Objective : Investigate the detrending effect (linear \& nonlinear) in temporal / nonliear analysis of heart rate variability of long-term RR data (in normal sinus rhythm, atrial fibrillation, 15 congestive heart failure and ventricular premature arrhythmia conditions). $\bullet$ Methods : Temporal method : standard measure SDNN; Nonlinear methods : multi-scale Fractal Dimension (FD), Detrended Fluctuation Analysis (DFA) \& Sample Entropy (Sam-pEn) analysis. $\bullet$ Results : The linear detrending affects little the global characteristics of the RR data, either 20 in temporal analysis or in nonlinear complexity analysis. After linear detrending, the SDNNs are just slightly shifted and all distributions are well preserved. The cross-scale complexity remained almost the same as the ones for original RR data or correlated. Nonlinear detrending changed not only the SDNNs distribution, but also the order among different types of RR data. After this processing, the SDNN became indistinguishable be-25 tween SDNN for normal sinus rhythm and ventricular premature beats. Different RR data has different complexity signature. Nonlinear detrending made the all RR data to be similar , in terms of complexity. It is thus impossible to distinguish them. The FD showed that nonlinearly detrended RR data has a dimension close to 2, the exponent from DFA is close to zero and SampEn is larger than 1.5 -- these complexity values are very close to those for 30 random signal. $\bullet$ Conclusions : Pre-processing by linear detrending can be performed on RR data, which has little influence on the corresponding analysis. Nonlinear detrending could be harmful and it is not advisable to use this type of pre-processing. Exceptions do exist, but only combined with other appropriate techniques to avoid complete change of the signal's intrinsic dynamics. 35 Keywords $\bullet$ heart rate variability $\bullet$ linear / nonlinear detrending $\bullet$ complexity analysis $\bullet$ mul-tiscale analysis $\bullet$ detrended fluctuation analysis $\bullet$ fractal dimension $\bullet$ sample entropy

Analysis of electroencephalograms in Alzheimer's disease patients with multiscale entropy

The aim of this study was to analyse the electroencephalogram (EEG) background activity of Alzheimer’s disease (AD) patients using the Multiscale Entropy (MSE). The MSE is a recently developed method that quantifies the regularity of a signal on different time scales. These time scales are inspected by means of several coarse-grained sequences formed from the analysed signals. We recorded the EEGs from 19 scalp electrodes in 11 AD patients and 11 age-matched controls and estimated the MSE profile for each epoch of the EEG recordings. The shape of the MSE profiles reveals the EEG complexity, and it suggests that the EEG contains information in deeper scales than the smallest one. Moreover, the results showed that the EEG background activity is less complex in AD patients than control subjects. We found significant difference

Use of Multiscale Entropy to Characterize Fetal Autonomic Development

The idea that uterine environment and adverse events during fetal development could increase the chances of the diseases in adulthood was first published by David Barker in 1998. Since then, investigators have been employing several methods and methodologies for studying and characterizing the ontological development of the fetus, e.g., fetal movement, growth and cardiac metrics. Even with most recent and developed methods such as fetal magnetocardiography (fMCG), investigators are continuously challenged to study fetal development; the fetus is inaccessible. Finding metrics that realize the full capacity of characterizing fetal ontological development remains a technological challenge. In this thesis, the use and value of multiscale entropy to characterize fetal maturation across third trimester of gestation is studied. Using multiscale entropy obtained from participants of a clinical trial, we show that MSE can characterize increasing complexity due to maturation in the fetus, and can distinguish a growing and developing fetal system from a mature system where loss of irregularity is due to compromised complexity from increasing physiologic load. MSE scales add a nonlinear metric that seems to accurately reflect the ontological development of the fetus and hold promise for future use to investigate the effects of maternal stress, intrauterine growth restriction, or predict risk for sudden infant death syndrome

Multiscale Analysis of Biological Data by Scale-Dependent Lyapunov Exponent

Physiological signals often are highly non-stationary (i.e., mean and variance change with time) and multiscaled (i.e., dependent on the spatial or temporal interval lengths). They may exhibit different behaviors, such as non-linearity, sensitive dependence on small disturbances, long memory, and extreme variations. Such data have been accumulating in all areas of health sciences and rapid analysis can serve quality testing, physician assessment, and patient diagnosis. To support patient care, it is very desirable to characterize the different signal behaviors on a wide range of scales simultaneously. The Scale-Dependent Lyapunov Exponent (SDLE) is capable of such a fundamental task. In particular, SDLE can readily characterize all known types of signal data, including deterministic chaos, noisy chaos, random 1/fα processes, stochastic limit cycles, among others. SDLE also has some unique capabilities that are not shared by other methods, such as detecting fractal structures from non-stationary data and detecting intermittent chaos. In this article, we describe SDLE in such a way that it can be readily understood and implemented by non-mathematically oriented researchers, develop a SDLE-based consistent, unifying theory for the multiscale analysis, and demonstrate the power of SDLE on analysis of heart-rate variability (HRV) data to detect congestive heart failure and analysis of electroencephalography (EEG) data to detect seizures

Heart beat variability analysis in perinatal brain injury and infection

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018Todos os anos, mais de 95 mil recém-nascidos são admitidos nas Unidades de Cuidados Intensivos Neonatais (UCIN) do Reino Unido, devido principalmente a partos prematuros ou outras complicações que pudessem ter ocorrido, como é o caso da encefalopatia hipóxico-isquémica (EHI), que assume 3% de todas as admissões nas unidades referidas. EHI é o termo que define uma complicação inesperada durante o parto, que resulta em lesões neurológicas a longo prazo e até em morte neonatal, devido à privação de oxigénio e fluxo sanguíneo ao recém-nascido durante o nascimento. Estima-se que tenha uma incidência de um a seis casos por 1000 nascimentos. Nos países desenvolvidos, a hipotermia é utilizada como método preventivo-terapêutico para esta condição. No entanto, existem dois grandes obstáculos para a obtenção da neuroprotecção pretendida e totalmente benéfica, na prática clínica. Em primeiro lugar, esta técnica é eficaz se for iniciada dentro de seis horas após o parto. Visto que o estado clínico da encefalopatia neonatal evolui nos dias posteriores ao nascimento, a sua deteção precoce é um grande desafio. Tal situação pode levar a diversos erros nas UCIN, tal como indivíduos sujeitos à terapia de hipotermia desnecessariamente, ou ainda mais grave, casos em que recém-nascidos foram inicialmente considerados como saudáveis, não tendo sido submetidos à terapia referida, apresentarem sinais de EHI após seis horas de vida. A segunda questão prende-se com o facto de a neuroprotecção poder ser perdida se o bebé estiver stressado durante o tratamento. Para além disso, não existe nenhuma ferramenta válida para a avaliação da dor dos recém-nascidos submetidos a esta terapia. Os obstáculos frisados anteriormente demonstram duas necessidades ainda não correspondidas: a carência de um método não invasivo e largamente adaptável a diferentes cenários para uma correta identificação de recém-nascidos com maior probabilidade de HIE, dentro de uma margem de seis horas após o parto, mas também um método preciso de stress em tempo real, não invasivo, que possa orientar tanto pessoal médico, como pais, de modo a oferecer um tratamento mais responsável, célere e individualizado. Deste modo, a análise do ritmo cardíaco demostra um enorme potencial para ser um biomarcador de encefalopatia neonatal, bem como um medidor de stress, através da eletrocardiografia (ECG), visto que é um importante indicador de homeostase, mas também de possíveis condições que podem afetar o sistema nervoso autónomo e, consequentemente, o equilíbrio do corpo humano. É extremamente difícil a obtenção de um parâmetro fisiológico, sem a presença de artefactos, especialmente no caso de recém-nascidos admitidos nas UCIN. Tanto no caso da aquisição de ECGs, como de outros parâmetros, existe uma maior probabilidade de o sinal ser corrompido por artefactos, visto que são longas aquisições, normalmente dias, onde o bebé é submetido a diversas examinações médicas, está rodeado de equipamentos eletrónicos, entre outros. Artefactos são definidos como uma distorção do sinal, podendo ser causados por diversas fontes, fisiológicas ou não. A sua presença nos dados adquiridos influencia e dissimula as informações corretas e reais, podendo mesmo levar a diagnósticos e opções terapêuticas erradas e perigosas para o paciente. Apesar de existirem diversos algoritmos de identificação de artefactos adequados para o sinal cardíaco adulto, são poucos os que funcionam corretamente para o de recém-nascido. Para além disso, é necessário bastante tempo tanto para o staff clínico, como para os investigadores, para o processo de visualização e identificação de artefactos no eletrocardiograma manualmente. Deste modo, o projeto desenvolvido na presente dissertação propõe um novo algoritmo de identificação e marcação de artefactos no sinal cardíaco de recém-nascidos. Para tal, foi criado um modelo híbrido de um método que tem em consideração todas as relações matemáticas de batimento para batimento cardíaco, com outro que tem como objetivo a remoção de spikes no mesmo sinal. O algoritmo final para além de cumprir com o objetivo descrito acima, é também adaptável a diferentes tipos de artefactos presentes no sinal, permitindo ao utilizador, de uma forma bastante intuitiva, escolher o tipo de parâmetros e passos a aplicar, podendo ser facilmente utilizado por profissionais de diferentes áreas. Deste modo, este algoritmo é uma mais-valia quando aplicado no processamento de sinal pretendido, evitando assim uma avaliação visual demorada de todo o sinal. Para obter a melhor performance possível, durante o desenvolvimento do algoritmo foram sempre considerados os resultados de validação, tais como exatidão, sensibilidade, entre outros. Para tal, foram analisados e comparados eletrocardiogramas de 4 recém-nascidos saudáveis e 4 recém-nascidos com encefalopatia. Todos possuíam aproximadamente 5 horas de sinal cardíaco adquirido após o nascimento, com diferentes níveis de presença de artefactos. O algoritmo final, obteve uma taxa de sensibilidade de 96.2% (±2.4%) e uma taxa de exatidão de 92.6% (±3.2%). Como se pode verificar pelos valores obtidos, o algoritmo obteve percentagens altas nos vários parâmetros de classificação, o que significa uma deteção correta. A taxa de exatidão apresenta um valor mais baixo, comparativamente ao parâmetro da sensibilidade, pois em diversas situações, normalmente perto de artefactos, os batimentos normais são considerados como artefactos, pelo algoritmo. Contudo, essa taxa não é alarmante, tendo sido considerada uma taxa reduzida, pelo pessoal médico. Após o processamento do sinal cardíaco dos grupos mencionados acima, um estudo comparativo, utilizando parâmetros da variabilidade do ritmo cardíaco, foi realizado. Diferenças significativas foram encontradas entre os dois grupos, onde o saudável assumiu sempre valores maiores. SDNN e baixa frequência foram os parâmetros que traduziram uma diferença maior entre os dois grupos, com um p-value <0.01. De modo a corresponder ao segundo obstáculo referido nesta dissertação, outro objetivo desta tese foi a criação de um algoritmo que pudesse identificar e diferenciar uma situação de stress nesta faixa etária, com recurso ao ritmo cardíaco. Um estudo multidimensional foi aplicado aos diferentes métodos de entropia utilizados nesta tese (approximate entropy, sample entropy, multiscales entopy e fuzzy entropy) de modo a estudar como os diferentes métodos de entropia interagem entre si e quais são os resultados dessa relação, especialmente na distinção de estados normais e stressantes. Para tal, a utilização de clusters foi essencial. Dado que para todos os ECGs de bebés saudáveis analisados neste projeto foram registados todas as possíveis situações de stress, como é o caso de choro, examinações médicas, mudança de posição, entre outros, foram escolhidos 10 minutos do sinal do ritmo cardíaco adquirido, antes da situação, para análise. Infelizmente, associado a um evento stressante, na maioria dos casos encontra-se uma percentagem bastante alta do sinal corrompida por artefactos. No entanto, em alguns casos foi possível observar uma clara distinção de grupos de clusters, indicando que naquele período de tempo, houve uma mudança de estado. Foi também realizado um estudo intensivo de diversos métodos de entropia aplicados ao grupo de sujeitos apresentados nesta dissertação, onde foi provado que o método mais adequado a nível de diferenciação é a Fuzzy Entropy (p=0.0078). Ainda é possível sugerir alguns aspetos e apontar algumas limitações, no âmbito de poderem ser ultrapassadas no futuro. Em primeiro lugar, é necessária a aquisição de mais eletrocardiogramas, quer de recém-nascidos saudáveis, quer com encefalopatia hipóxico-isquémica, de modo a aumentar o tamanho da amostra e, deste modo diminuir os valores do desvio-padrão em todos os parâmetros calculados. Relativamente ao estudo do stress, seria interessante, com uma amostra maior, a definição de clusters, de modo a ter uma identificação precisa de situações stressantes. Para além disso, a transformação do software atualmente escrito em MATLAB para GUI (interface gráfica do utilizador), a fim de tornar mais acessível a sua utilização por profissionais de diversas áreas.In Neonatal Intensive Care Unit (NICU), the heart rate (HR) offers significant insight into the autonomic function of sick newborns, especially with hypoxic ischemic encephalopathy condition (HIE). However, the intensity of clinical care and monitoring contributes to the electrocardiogram (ECG) to be often noisy and contaminated with artefacts from various sources. These artefacts, defined as any distortion of the signal caused by diverse sources, being physiological or non-physiological features, interfere with the characterization and subsequent evaluation of the heart rate, leading to grave consequences, both in diagnostic and therapeutic decisions. Besides, its manual inspection in the ECG trace is highly time-consuming, which is not feasible in clinical monitoring, especially in NICU. In this dissertation, it is proposed an algorithm capable of automatically detect and mark artefacts in neonatal ECG data, mainly dealing with mathematical aspects of the heart rate, starting from the raw signal. Also, it is proposed an adjacent algorithm, using complexity science applied to HR data, with the objective of identifying stress scenarios. Periods of 10-minute ECG were considered from 8 newborns (4 healthy and 4 HIE) to the identification of stress situations, whereas for the artefacts removal algorithm small portions varying in time length according to the amount of noise present in the originally 5 hours long samples were utilised. In this report it is also present several comparisons utilising heart rate parameters between healthy and HIE groups. Fuzzy Entropy was considered the best method to differentiate both groups (p=0.00078). In this report, substantial differences in heart rate variability were found between healthy and HIE groups, especially in SDNN and low frequency (p<0.01), confirming results of previous literature. For the final artefact removal algorithm, it is illustrated significant differences between raw and post-processed ECG signals. This method had a Recall rate of 96.2% (±2.4%) and a Precision Rate of 92.6% (±3.2%), demonstrating high efficiency in ECG noise removal. Regarding stress measures, associated with a stressful event, in most cases there is a high percentage of the signal corrupted by artefacts. However, in some cases it was possible to see a clear distinction between groups of clusters, indicating that in that period, there was a change of state. Not all the time segments from subjects demonstrated differences in stress stages, indicating that there is still room for improvement in the method developed

First evidence that intrinsic fetal heart rate variability exists and is affected by hypoxic pregnancy.

KEY POINTS: We introduce a technique to test whether intrinsic fetal heart rate variability (iFHRV) exists and we show the utility of the technique by testing the hypothesis that iFHRV is affected by chronic fetal hypoxia, one of the most common adverse outcomes of human pregnancy complicated by fetal growth restriction. Using an established late gestation ovine model of fetal development under chronic hypoxic conditions, we identify iFHRV in isolated fetal hearts and show that it is markedly affected by hypoxic pregnancy. Therefore, the isolated fetal heart has intrinsic variability and carries a memory of adverse intrauterine conditions experienced during the last third of pregnancy. ABSTRACT: Fetal heart rate variability (FHRV) emerges from influences of the autonomic nervous system, fetal body and breathing movements, and from baroreflex and circadian processes. We tested whether intrinsic heart rate variability (iHRV), devoid of any external influences, exists in the fetal period and whether it is affected by chronic fetal hypoxia. Chronically catheterized ewes carrying male singleton fetuses were exposed to normoxia (n = 6) or hypoxia (10% inspired O2 , n = 9) for the last third of gestation (105-138 days of gestation (dG); term ∼145 dG) in isobaric chambers. At 138 dG, isolated hearts were studied using a Langendorff preparation. We calculated basal intrinsic FHRV (iFHRV) indices reflecting iFHRV's variability, predictability, temporal symmetry, fractality and chaotic behaviour, from the systolic peaks within 15 min segments in each heart. Significance was assumed at P < 0.05. Hearts of fetuses isolated from hypoxic pregnancy showed approximately 4-fold increases in the Grid transformation as well as the AND similarity index (sgridAND) and a 4-fold reduction in the scale-dependent Lyapunov exponent slope. We also detected a 2-fold reduction in the Recurrence quantification analysis, percentage of laminarity (pL) and recurrences, maximum and average diagonal line (dlmax, dlmean) and the Multiscale time irreversibility asymmetry index. The iHRV measures dlmax, dlmean, pL and sgridAND correlated with left ventricular end-diastolic pressure across both groups (average R2  = 0.38 ± 0.03). This is the first evidence that iHRV originates in fetal life and that chronic fetal hypoxia significantly alters it. Isolated fetal hearts from hypoxic pregnancy exhibit a time scale-dependent higher complexity in iFHRV.British Heart Foundatio

Large deviations estimates for the multiscale analysis of heart rate variability

International audienceIn the realm of multiscale signal analysis, multifractal analysis provides with a natural and rich framework to measure the roughness of a time series. As such, it has drawn special attention of both mathematicians and practitioners, and led them to characterize relevant physiological factors impacting the heart rate variability. Notwithstanding these considerable progresses, multifractal analysis almost exclusively developed around the concept of Legendre singularity spectrum, for which efficient and elaborate estimators exist, but which are structurally blind to subtle features like non-concavity or, to a certain extent, non scaling of the distributions. Large deviations theory allows bypassing these limitations but it is only very recently that performing estimators were proposed to reliably compute the corresponding large deviations singularity spectrum. In this article, we illustrate the relevance of this approach, on both theoretical objects and on human heart rate signals from the Physionet public database. As conjectured, we verify that large deviations principles reveal significant information that otherwise remains hidden with classical approaches, and which can be reminiscent of some physiological characteristics. In particular we quantify the presence/absence of scale invariance of RR signals