Evaluation of Methods to Characterize the Change of the Respiratory Sinus Arrhythmia with Age in Sleep Apnea Patients

The High Frequency (HF) band of the power spectrum of the Heart Rate Variability (HRV) is widely accepted to contain information related to the respiration. However, it is known that this often results in misleading estimations of the strength of the Respiratory Sinus Arrhythmia (RSA). In this paper, different approaches to characterize the change of the RSA with age, combining HRV and respiratory signals, are studied. These approaches are the bandwidths in the power spectral density estimations, bivariate phase rectified signal averaging, information dynamics, a time-frequency representation, and a heart rate decomposition based on subspace projections. They were applied to a dataset of sleep apnea patients, specifically to periods without apneas and during NREM sleep. Each estimate reflected a different relationship between RSA and age, suggesting that they all capture the cardiorespiratory information in a different way. The comparison of the estimates indicates that the approaches based on the extraction of respiratory information from HRV provide a better characterization of the age-dependent degradation of the RSA

Modulations of Heart Rate, ECG, and Cardio-Respiratory Coupling Observed in Polysomnography

The cardiac component of cardio-respiratory polysomnography is covered by ECG and heart rate recordings. However their evaluation is often underrepresented in summarizing reports. As complements to EEG, EOG, and EMG, these signals provide diagnostic information for autonomic nervous activity during sleep. This review presents major methodological developments in sleep research regarding heart rate, ECG and cardio-respiratory couplings in a chronological (historical) sequence. It presents physiological and pathophysiological insights related to sleep medicine obtained by new technical developments. Recorded nocturnal ECG facilitates conventional heart rate variability analysis, studies of cyclical variations of heart rate, and analysis of ECG waveform. In healthy adults, the autonomous nervous system is regulated in totally different ways during wakefulness, slow-wave sleep, and REM sleep. Analysis of beat-to-beat heart-rate variations with statistical methods enables us to estimate sleep stages based on the differences in autonomic nervous system regulation. Furthermore, up to some degree, it is possible to track transitions from wakefulness to sleep by analysis of heart-rate variations. ECG and heart rate analysis allow assessment of selected sleep disorders as well. Sleep disordered breathing can be detected reliably by studying cyclical variation of heart rate combined with respiration-modulated changes in ECG morphology (amplitude of R wave and T wave)

Model-Based Evaluation of Methods for Respiratory Sinus Arrhythmia Estimation

Objective: Respiratory sinus arrhythmia (RSA) refers to heart rate oscillations synchronous with respiration, and it is one of the major representations of cardiorespiratory coupling. Its strength has been suggested as a biomarker to monitor different conditions and diseases. Some approaches have been proposed to quantify the RSA, but it is unclear which one performs best in specific scenarios. The main objective of this study is to compare seven state-of-the-art methods for RSA quantification using data generated with a model proposed to simulate and control the RSA. These methods are also compared and evaluated on a real-life application, for their ability to capture changes in cardiorespiratory coupling during sleep. Methods: A simulation model is used to create a dataset of heart rate variability and respiratory signals with controlled RSA, which is used to compare the RSA estimation approaches. To compare the methods objectively in a real-life application, regression models trained on the simulated data are used to map the estimates to the same measurement scale. Results and conclusion: RSA estimates based on cross entropy, time-frequency coherence and subspace projections showed the best performance on simulated data. In addition, these estimates captured the expected trends in the changes in cardiorespiratory coupling during sleep similarly. Significance: An objective comparison of methods for RSA quantification is presented to guide future analyses. Also, the proposed simulation model can be used to compare existing and newly proposed RSA estimates. It is freely accessible online

Model-Based Evaluation of Methods for Respiratory Sinus Arrhythmia Estimation

OBJECTIVE: Respiratory sinus arrhythmia (RSA) refers to heart rate oscillations synchronous with respiration, and it is one of the major representations of cardiorespiratory coupling. Its strength has been suggested as a biomarker to monitor different conditions and diseases. Some approaches have been proposed to quantify the RSA, but it is unclear which one performs best in specific scenarios. The main objective of this study is to compare seven state-of-the-art methods for RSA quantification using data generated with a model proposed to simulate and control the RSA. These methods are also compared and evaluated on a real-life application, for their ability to capture changes in cardiorespiratory coupling during sleep. METHODS: A simulation model is used to create a dataset of heart rate variability and respiratory signals with controlled RSA, which is used to compare the RSA estimation approaches. To compare the methods objectively in a real-life application, regression models trained on the simulated data are used to map the estimates to the same measurement scale. RESULTS AND CONCLUSION: RSA estimates based on cross entropy, time-frequency coherence and subspace projections showed the best performance on simulated data. In addition, these estimates captured the expected trends in the changes in cardiorespiratory coupling during sleep similarly. SIGNIFICANCE: An objective comparison of methods for RSA quantification is presented to guide future analyses. Also, the proposed simulation model can be used to compare existing and newly proposed RSA estimates. It is freely accessible online

Effect of the Heart Rate Variability Representations on the Quantification of the Cardiorespiratory Interactions during Autonomic Nervous System Blockade

The Heart Rate Variability (HRV) is a noninvasive tool to evaluate the activity of the autonomic nervous system. To study the HRV, different mathematical representations can be used. The selection of a representation might have an effect on the evaluation of the mechanisms that modulate the Heart Rate (HR). One of these mechanisms is the Respiratory Sinus Arrhythmia (RSA), i.e. an increased HR during inhalation and a decreased HR during exhalation. Different methods exist to quantify the RSA. A common approach is to calculate the power in the High Frequency (HF, 0.15 - 0.4 Hz) band of the spectrum of the HRV representation. More recently proposed methods use the respiratory signals to estimate the strength of the RSA.This paper studies the effect of the HRV representations on the quantification of the RSA. To this end, an experiment is used in which the sympathetic and parasympathetic branches of the autonomic nervous system are selectively blocked. Three different HRV representations are considered. Afterwards, the strength of the RSA is estimated using three approaches, namely the spectral content in the HF band of the HRV representations, orthogonal subspace projections and a time-frequency representation.The results suggest that the selection of an HRV representation does not have a significant impact on the RSA estimates in a healthy population

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 /

Nocturnal Heart Rate Variability Spectrum Characterization in Preschool Children with Asthmatic Symptoms

Asthma is a chronic lung disease that usually develops during chilhood. Despite that symptoms can almost be controlled with medication, early diagnosis is desirable in order to reduce permanent airway obstruction risk. It has been suggested that abnormal parasympathetic nervous system (PSNS) activity might be closely related with the pathogenesis of asthma, and that this PSNS activity could be reflected in cardiac vagal control. In this work, an index to measure the spectral regularity of the high frequency (HF) component of heart rate variability (HRV) spectrum, named peakness (P), is proposed. Three different implementations of P, based on electrocardiogram (ECG) recordings, impedance pneumography (IP) recordings and a combination of both, were employed in the characterization of a group of pre-school children classified attending to their risk of developing asthma. Peakier componentswere observed in the HF band of those children classified as high-risk (p < 0.005), who also presented reduced sympathvoagal balance. Results suggest that high-risk of developing asthma might be related with a lack of adaptability of PSNS