Revealing Real-Time Emotional Responses: a Personalized Assessment based on Heartbeat Dynamics

Emotion recognition through computational modeling and analysis of physiological signals has been widely investigated in the last decade. Most of the proposed emotion recognition systems require relatively long-time series of multivariate records and do not provide accurate real-time characterizations using short-time series. To overcome these limitations, we propose a novel personalized probabilistic framework able to characterize the emotional state of a subject through the analysis of heartbeat dynamics exclusively. The study includes thirty subjects presented with a set of standardized images gathered from the international affective picture system, alternating levels of arousal and valence. Due to the intrinsic nonlinearity and nonstationarity of the RR interval series, a specific point-process model was devised for instantaneous identification considering autoregressive nonlinearities up to the third-order according to the Wiener-Volterra representation, thus tracking very fast stimulus-response changes. Features from the instantaneous spectrum and bispectrum, as well as the dominant Lyapunov exponent, were extracted and considered as input features to a support vector machine for classification. Results, estimating emotions each 10 seconds, achieve an overall accuracy in recognizing four emotional states based on the circumplex model of affect of 79.29%, with 79.15% on the valence axis, and 83.55% on the arousal axis

Affective-autonomic states of domestic pigs in the context of coping and animal welfare

Gaining better insight in affective states of farm animals is of importance for understanding their welfare state. One important step in this context is to establish valid proxy measures to objectively assess and interpret an individual’s subjective perception of its environment. This thesis presents a reliable tool for the objective evaluation of affective-autonomic states in free-moving pigs and gains insight into the neurophysiological mechanisms underlying the individual processing of affective states in relation to their valence and arousal dimensions.Die Untersuchung affektiver Zustände von Nutztieren ist für das Verständnis ihres Wohlbefindens von essentieller Bedeutung. Ein wichtiger Schritt in diesem Kontext ist die Etablierung zuverlässiger Messmethoden zur objektiven Beurteilung und Interpretation individueller subjektiver Wahrnehmung. Diese Arbeit stellt eine valide Methode zur objektiven Beurteilung affektiv-autonomer Zustände bei Schweinen dar und vermittelt einen Einblick in die neurophysiologischen Mechanismen, die der individuellen Verarbeitung affektiver Zustände zugrunde liegen

Fractals analysis of cardiac arrhythmias

Heart rhythms are generated by complex self-regulating systems governed by the laws of chaos. Consequently, heart rhythms have fractal organization, characterized by self-similar dynamics with long-range order operating over multiple time scales. This allows for the self-organization and adaptability of heart rhythms under stress. Breakdown of this fractal organization into excessive order or uncorrelated randomness leads to a less-adaptable system, characteristic of aging and disease. With the tools of nonlinear dynamics, this fractal breakdown can be quantified with potential applications to diagnostic and prognostic clinical assessment. In this paper, I review the methodologies for fractal analysis of cardiac rhythms and the current literature on their applications in the clinical context. A brief overview of the basic mathematics of fractals is also included. Furthermore, I illustrate the usefulness of these powerful tools to clinical medicine by describing a novel noninvasive technique to monitor drug therapy in atrial fibrillation

Novel Framework for Nonlinear HRV Analysis and its Physiological Interpretation

La inclusión de métodos no lineales aplicados a señales de variabilidad del ritmo cardiaco (HRV, del inglés Heart Rate Variability) proporciona una nueva visión en la caracterización de anomalías en el contexto de las enfermedades cardiacas o patologías como la insuficiencia cardiaca o la fibrilación auricular, por nombrar algunas. Se ha demostrado que alteraciones en el sistema nervioso autónomo (ANS, del inglés Autonomic Nervous System), el cuál modula el ritmo cardiaco, conllevan a cambios en los patrones no lineales de la HRV. Sin embargo, la incertidumbre, todavía presente, en los mecanismos que subyacen a variaciones fisiológicas o patofisiológicas en los índices no lineales de la HRV, junto con el alto tiempo que requieren los algoritmos para la estimación de estos índices, representan el cuello de botella para su aplicación en la práctica clínica.Después de una breve introducción sobre los temas abordados en esta la tesis en el capítulo 1, el segundo capítulo, el capítulo 2, está dedicado a la primera gran contribución de esta tesis, que consiste en la propuesta y desarrollo de una metodología con el fin de reducir el coste computacional asociado a la caracterización no lineal de la HRV. El esquema propuesto es muy eficaz, reduciendo el tiempo de cálculo a unos pocos segundos para el análisis no lineal de señales de HRV de corta longitud (5 minutos). Con respecto a la interpretación del análisis no lineal de la HRV, es importante señalar que hay una serie de factores que afectan a su cálculo y deben tenerse en cuenta al comparar diferentes estudios de la literatura. Las características de las series de HRV, como la frecuencia de muestreo, así como la selección de valores de parámetros en los métodos no lineales, tienen un impacto en los resultados de los índices no lineales de la HRV y, en algunas circunstancias, pueden dar lugar a interpretaciones erróneas. Uno de los principales objetivos del capítulo 3 es estudiar la influencia de la tasa de muestreo en los índices no lineales de la HRV y proponer alternativas para atenuar esta influencia. Los métodos propuestos incluyen, por una parte, la corrección de la frecuencia cardiaca de las estimaciones de la HRV mediante fórmulas de regresión individuales o basadas en la población y, por otra, el preprocesamiento de las series temporales de HRV mediante modelos de interpolación o de point-process. El capítulo 4 se centra en investigar el efecto de la selección del valor de los parámetros requeridos para el cálculo de ciertos índices no lineales de la HRV (por ejemplo, la entropía aproximada) y proponiendo un nuevo índice independiente de la definición del valor de éstos parámetros a-priori. Este novedoso índice se denomina entropía multidimensional aproximada. El análisis no lineal de la HRV, incluido el nuevo índice propuesto, se aplica al estudio de afecciones asociadas a alteraciones de la modulación cardiaca del ANS, como el envejecimiento y la insuficiencia cardiaca congestiva (CHF, del inglés Congestive Heart Failure). Por un lado, todos los índices no lineales de la HRV evaluados ven disminuidos significativamente sus valores en las personas mayores en comparación con los jóvenes ambos grupos en condiciones de reposo en posición de decubito supino. Por otro lado, los pacientes con insuficiencia cardiaca muestran valores más altos de los índices no lineales significativamente con respecto al grupo de sujetos sanos, en ambos casos analizando el período nocturno. Además, el análisis no lineal de la HRV es evaluada en respuesta a provocaciones simpáticas, inducidas por el cambio de la posición supina a la posición de pie o por la administración de atropina, donde se observa una disminución en todos los índicesno lineales estimados.El capítulo 5 está dedicado a la evaluación del rendimiento del análisis no lineal de la HRV en el triaje de la administración profiláctica con el fin de prevenir los episodios de hipotension causados por la anestesia espinal durante el parto por cesárea. El estudio se realiza en colaboración con el Servicio de Anestesia del Hospital Universitario Miguel Servet (Zaragoza, España). Debido a que la profilaxis puede producir efectos secundarios en el feto, el desafío consiste en predecir los casos normotensos para los cuales se puede prescindir del tratamiento profilactico. La hipótesis de esta tesis se basa en el hecho de que la alteración de la regulación del ANS causada por el último período de embarazo y la proximidad a la cirugía podría reflejarse en los índices no lineales de la HRV, lo que podría ayudar a predecir los casos que deriven en hipotension y normotension con mayor precisión que cuando se utilizan solamente variables demográficas. Es importante destacar que las propuestas metodológicas para el análisis no lineal de la HRV desarrolladas en la tesis se aplican en la caracterización de otras señales cardiovasculares, como la señal fotopletismografica de pulso. Las series temporales derivadas de esta señal, que incluyen información del sistema vascular periférico, se incorporan en un clasificador basado en la regresión logística junto con los índices no lineales de la HRV. El clasificador propuesto alcanza un 76,5% de sensibilidad y un 72,2% de precisión en la detección de los casos normotensos, proporcionando así información pertinente y objetiva respaldando la decisión final del equipo médico.En el capítulo 6 se presentan las principales conclusiones derivadas de la tesis y se consideran futuras ampliaciones en base a las investigaciones llevadas a cabo. Se hace hincapié en la contribución de la tesis al desarrollo de metodologías novedosas para caracterizar de manera más robusta los índices no lineales de la HRV e interpretar con fiabilidad los resultados correspondientes. Basándose en las metodologías desarrolladas, se investigan las condiciones o patologías asociadas con alteraciones en la modulación autonómica de la actividad cardiaca y se destaca la contribución del análisis no lineal de la HRV para su caracterización. En conclusión, entre los objetivos metodológicos desarrollados en esta tesis se encuentran: i) la propuesta de un esquema de trabajo para incrementar la fiabilidad de la estimación de la dimensión de correlación, usando un algoritmo que reduce la carga computacional, facilitando su aplicabilidad en la práctica clínica; ii) el desarrollo de métodos alternativos para atenuar la dependencia de los índices no lineales de la HRV con el ritmo cardiaco medio; iii) la propuesta de un índice no lineal de la HRV multidimensional independiente de la definición a priori de parámetros para su estimación. Además, los objetivos relacionados con la aplicación clínica de lascontribuciones metodológicas son: i) la caracterización del efecto del envejecimiento en los índices no lineales de la HRV; ii) la evaluación de la complejidad e irregularidad del ritmo cardiaco en pacientes que sufren de insuficiencia cardiaca comparada con sujetos sanos; iii) la mejora de la eficacia de la profilaxis para la prevención de eventos de hipotensión después de anestesia espinal durante parto programado por cesárea.<br /

Reflex syncope : an integrative physiological approach

Síncope, a forma mais comum de perda temporária de consciência é responsável por até 5% das idas aos serviços de emergência e até 3% dos internamentos hospitalares. É um problema médico frequente, com múltiplos gatilhos, incapacitante, potencialmente perigoso e desafiante em termos diagnósticos e terapêuticos. Assim, é necessária uma anamnese detalhada para primeiro estabelecer a natureza da perda de consciência, mas, após o diagnóstico, as medidas terapêuticas existentes são pouco eficazes. Embora a fisiopatologia da síncope vasovagal ainda não tenha sido completamente esclarecida, alguns mecanismos subjacentes foram já desvendados. Em última análise, a síncope depende de uma falha transitória na perfusão cerebral pelo que qualquer factor que afecte a circulação sanguínea cerebral pode determinar a ocorrência de síncope. Assim, o objectivo do presente estudo é caracterizar o impacto hemodinâmico e autonómico nos mecanismos subjacentes à síncope reflexa, para melhorar o diagnóstico, o prognóstico e a qualidade de vida dos doentes e dos seus cuidadores. Para isso, desenhámos e implementámos novas ferramentas matemáticas e computacionais que permitem uma avaliação autonómica e hemodinâmica integrada, de forma a aprofundar a compreensão do seu envolvimento nos mecanismos de síncope reflexa. Além disso, refinando a precisão do diagnóstico, a sensibilidade e a especificidade do teste de mesa de inclinação (“tilt test”), estabelecemos uma ferramenta preditiva do episódio iminente de síncope. Isso permitiu-nos estabelecer alternativas de tratamento eficazes e personalizadas para os doentes refractários às opções convencionais, sob a forma de um programa de treino de ortostatismo (“tilt training”), contribuindo para o aumento da sua qualidade de vida e para a redução dos custos directos e indirectos da sua assistência médica. Assim, num estudo verdadeiramente multidisciplinar envolvendo doentes com síncope reflexa refractária à terapêutica, conseguimos demonstrar uma assincronia funcional das respostas reflexas autonómicas e hemodinâmicas, expressas por um desajuste temporal entre o débito cardíaco e as adaptações de resistência total periférica, uma resposta baroreflexa atrasada e um desequilíbrio incremental do tónus autonómico que, em conjunto, poderão resultar de uma disfunção do sistema nervoso autónomo que se traduz por uma reserva simpática diminuída. Igualmente, desenhámos, testámos e implementámos uma plataforma computacional e respectivo software associado - a plataforma FisioSinal –incluindo novas formas, mais dinâmicas, de avaliação integrada autonómica e hemodinâmica, que levaram ao desenvolvimento de algoritmos preditivos para a estratificação de doentes com síncope. Além disso, na aplicação dessas ferramentas, comprovámos a eficácia de um tratamento não invasivo, não disruptivo e integrado, focado na neuromodulação das variáveis autonómicas e cardiovasculares envolvidas nos mecanismos de síncope. Esta terapêutica complementar levou a um aumento substancial da qualidade de vida dos doentes e à abolição dos eventos sincopais na grande maioria dos doentes envolvidos. Em conclusão, o nosso trabalho contribuiu para preencher a lacuna entre a melhor informação científica disponível e sua aplicação na prática clínica, sustentando-se nos três pilares da medicina translacional: investigação básica, clínica e comunidade.Syncope, the most common form of transient loss of consciousness, accounts for up to 5% of emergency room visits and up to 3% of hospital admissions. It is a frequent medical problem with multiple triggers, potentially dangerous, incapacitating, and challenging to diagnose. Therefore, a detailed clinical history is needed first to establish the nature of the loss of consciousness. However, after diagnosis, the therapeutic measures available are still very poor. Although the exact pathophysiology of vasovagal syncope remains to be clarified, some underlying mechanisms have been unveiled, dependent not only on the cause of syncope but also on age and various other factors that affect clinical presentation. Ultimately, syncope depends on a failure of the circulation to perfuse the brain, so any factor affecting blood circulation may determine syncope occurrence. Thus, the purpose of the present study is to understand the impact of the hemodynamic and autonomic functions on reflex syncope mechanisms to improve patients diagnose, prognosis and general quality of life. Bearing that in mind, we designed and implemented new mathematical and computational tools for autonomic and hemodynamic evaluation, in order to deepen the understanding of their involvement in reflex syncope mechanisms. Furthermore, by refining the diagnostic accuracy, sensitivity and specificity of the head-up tilt-table test, we established a predictive tool for the impending syncopal episode. This allowed us to establish effective and personalised treatment alternatives to patient’s refractory to conventional options, contributing to their increase in the quality of life and a reduction of health care and associated costs. In accordance, in a truly multidisciplinary study involving reflex syncope patients, we were able to show an elemental functional asynchrony of hemodynamic and autonomic reflex responses, expressed through a temporal mismatch between cardiac output and total peripheral resistance adaptations, a deferred baroreflex response and an unbalanced, but incremental, autonomic tone, all contributing to autonomic dysfunction, translated into a decreased sympathetic reserve. Through the design, testing and implementation of a computational platform and the associated software - FisioSinal platform -, we developed novel and dynamic ways of autonomic and hemodynamic evaluation, whose data lead to the development of predictive algorithms for syncope patients’risk stratification. Furthermore, through the application of these tools, we showed the effectiveness of a non-invasive, non-disruptive and integrated treatment, focusing on neuromodulation of the autonomic and cardiovascular variables involved in the syncope mechanisms, leading to a substantial increase of quality of life and the abolishment of syncopal events in a vast majority of the enrolled patients. In conclusion, our work contributed to fill the gap between the best available scientific information and its application in the clinical practice by tackling the three pillars of translational medicine: bench-side, bedside and community

Live Biofeedback as a User Interface Design Element: A Review of the Literature

With the advances in sensor technology and real-time processing of neurophysiological data, a growing body of academic literature has begun to explore how live biofeedback can be integrated into information systems for everyday use. While researchers have traditionally studied live biofeedback in the clinical domain, the proliferation of affordable mobile sensor technology enables researchers and practitioners to consider live biofeedback as a user interface element in contexts such as decision support, education, and gaming. In order to establish the current state of research on live biofeedback, we conducted a literature review on studies that examine self and foreign live biofeedback based on neurophysiological data for healthy subjects in an information systems context. By integrating a body of highly fragmented work from computer science, engineering and technology, information systems, medical science, and psychology, this paper synthesizes results from existing research, identifies knowledge gaps, and suggests directions for future research. In this vein, this review can serve as a reference guide for researchers and practitioners on how to integrate self and foreign live biofeedback into information systems for everyday use

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 /