Complex systems and the technology of variability analysis

Characteristic patterns of variation over time, namely rhythms, represent a defining feature of complex systems, one that is synonymous with life. Despite the intrinsic dynamic, interdependent and nonlinear relationships of their parts, complex biological systems exhibit robust systemic stability. Applied to critical care, it is the systemic properties of the host response to a physiological insult that manifest as health or illness and determine outcome in our patients. Variability analysis provides a novel technology with which to evaluate the overall properties of a complex system. This review highlights the means by which we scientifically measure variation, including analyses of overall variation (time domain analysis, frequency distribution, spectral power), frequency contribution (spectral analysis), scale invariant (fractal) behaviour (detrended fluctuation and power law analysis) and regularity (approximate and multiscale entropy). Each technique is presented with a definition, interpretation, clinical application, advantages, limitations and summary of its calculation. The ubiquitous association between altered variability and illness is highlighted, followed by an analysis of how variability analysis may significantly improve prognostication of severity of illness and guide therapeutic intervention in critically ill patients

Fractal scale-invariant and nonlinear properties of cardiac dynamics remain stable with advanced age: A new mechanistic picture of cardiac control in healthy elderly

We analyze heartbeat interval recordings from two independent databases: (a) 19 healthy young (avg. age 25.7 years) and 16 healthy elderly subjects (avg. age 73.8 years) during 2h under resting conditions from the Fantasia database; and (b) 29 healthy elderly subjects (avg. age 75.9 years) during $\approx{}8$h of sleep from the SHHS database, and the same subjects recorded 5 years later. We quantify: (1) The average heart rate ; (2) the SD $\sigma_{RR}$ and $\sigma_{\Delta{}RR}$ of the heartbeat intervals RR and their increments $\Delta{}RR$; (3) the long-range correlations in RR as measured by the scaling exponent $\alpha_{RR}$ using the Detrended Fluctuation Analysis; (4) fractal linear and nonlinear properties as represented by the scaling exponents $\alpha^{sign}$ and $\alpha^{mag}$ for the time series of the sign and magnitude of $\Delta{}RR$; (5) the nonlinear fractal dimension $D(k)$ of $RR$ using the Fractal Dimension Analysis. We find: (1) No significant difference in \left (P>0.05); (2) a significant difference in $\sigma_{RR}$ and $\sigma_{\Delta{}RR}$ for the Fantasia groups (P<10^{-4}) but no significant change with age between the elderly SHHS groups (P>0.5); (3) no significant change in the fractal measures $\alpha_{RR}$ (P>0.15), $\alpha^{sign}$ (P>0.2), $\alpha^{mag}$ (P>0.3), and D(k) with age. Our findings do not support the hypothesis that fractal linear and nonlinear characteristics of heartbeat dynamics break down with advanced age in healthy subjects. While our results indeed show a reduced SD of heartbeat fluctuations with advanced age, the inherent temporal fractal and nonlinear organization of these fluctuations remains stable.Comment: 19 pages, 14 figure

Application of linear and nonlinear methods for processing HRV and EEG signals

2013/2014L'elaborazione dei segnali biomedici è fondamentale per l'interpretazione oggettiva dei sistemi fisiologici, infatti, permette di estrarre e quantificare le informazioni contenute nei segnali che sono generati dai sistemi oggetto di studio. Per analizzare i segnali biomedici, sono stati introdotti un gran numero di algoritmi inizialmente nati in ambiti di ricerca differenti. Negli ultimi decenni, il classico approccio lineare, basato principalmente sull'analisi spettrale, è stato affiancato con successo da metodi e tecniche derivanti dalla teoria della dinamica nonlineare e, in particolare, da quella del caos deterministico. L'obiettivo di questa tesi è quello di valutare i risultati dell'applicazione di diversi metodi di elaborazione, lineari e non lineari, a specifici studi clinici basati sul segnale di variabilità cardiaca (Heart Rate Variability, HRV) e sul segnale elettroencefalografico (EEG). Questi segnali, infatti, mostrano comportamenti attribuibili a sistemi la cui natura può essere alternativamente di tipo lineare o non, a seconda delle condizioni nelle quali i sistemi vengono analizzati. Nella prima parte della tesi, sono presentati i due segnali oggetto di studio (HRV ed EEG) e le tecniche di analisi utilizzate. Nel capitolo 1 vengono descritti il significato fisiologico, i requisiti necessari per l'acquisizione dei dati e i metodi di pre-elaborazione dei segnali. Nel capitolo 2 sono presentati i metodi e gli algoritmi utilizzati in questa tesi per la caratterizzazione delle diverse condizioni sperimentali in cui HRV e EEG sono stati studiati, prestando particolare attenzione alle tecniche di analisi non lineare. Nei capitoli seguenti (capitoli 3-7), sono presentate le cinque applicazioni dell'analisi dei segnali HRV ed EEG esaminate durante il dottorato. Più precisamente, le prime tre riguardano la variabilità cardiaca, le altre due il segnale EEG. Per quanto riguarda il segnale HRV, il primo studio analizza le variazioni delle proprietà spettrali e frattali in soggetti sani di diversa età; il secondo è focalizzatosull'importanza dell'approccio nonlineare nell'analisi del segnale HRV ricavato da registrazioni polisonnografiche di pazienti affetti da gravi apnee notturne; il terzo presenta le differenze nelle caratteristiche spettrali e nonlineari della variabilità cardiaca in pazienti con scompenso cardiaco determinato da diverse eziologie. Invece, per il segnale EEG, il primo studio analizza le alterazioni negli indici spettrali e nonlineari in pazienti con deficit cognitivi soggettivi e lievi, mentre il secondo valuta l'efficacia di un nuovo protocollo per la riabilitazione della malattia di Parkinson, attraverso la quantificazione dei parametri spettrali dell'EEG.XXVII Ciclo198

Complexity of Atrial Fibrillation Electrograms Through Nonlinear Signal Analysis: In Silico Approach

Identification of atrial fibrillation (AF) mechanisms could improve the rate of ablation success. However, the incomplete understanding of those mechanisms makes difficult the decision of targeting sites for ablation. This work is focused on the importance of EGM analysis for detecting and modulating rotors to guide ablation procedures and improve its outcomes. Virtual atrial models are used to show how nonlinear measures can be used to generate electroanatomical maps to detect critical sites in AF. A description of the atrial cell mathematical models, and the procedure of coupling them within two‐dimensional and three‐dimensional virtual atrial models in order to simulate arrhythmogenic mechanisms, is given. Mathematical modeling of unipolar and bipolar electrogramas (EGM) is introduced. It follows a discussion of EGM signal processing. Nonlinear descriptors, such as approximate entropy and multifractal analysis, are used to study the dynamical behavior of EGM signals, which are not well described by a linear law. Our results evince that nonlinear analysis of EGM can provide information about the dynamics of rotors and other mechanisms of AF. Furthermore, these fibrillatory patterns can be simulated using virtual models. The combination of features using machine learning tools can be used for identifying arrhythmogenic sources of AF

Symbolic Dynamics Analysis: a new methodology for foetal heart rate variability analysis

Cardiotocography (CTG) is a widespread foetal diagnostic methods. However, it lacks of objectivity and reproducibility since its dependence on observer's expertise. To overcome these limitations, more objective methods for CTG interpretation have been proposed. In particular, many developed techniques aim to assess the foetal heart rate variability (FHRV). Among them, some methodologies from nonlinear systems theory have been applied to the study of FHRV. All the techniques have proved to be helpful in specific cases. Nevertheless, none of them is more reliable than the others. Therefore, an in-depth study is necessary. The aim of this work is to deepen the FHRV analysis through the Symbolic Dynamics Analysis (SDA), a nonlinear technique already successfully employed for HRV analysis. Thanks to its simplicity of interpretation, it could be a useful tool for clinicians. We performed a literature study involving about 200 references on HRV and FHRV analysis; approximately 100 works were focused on non-linear techniques. Then, in order to compare linear and non-linear methods, we carried out a multiparametric study. 580 antepartum recordings of healthy fetuses were examined. Signals were processed using an updated software for CTG analysis and a new developed software for generating simulated CTG traces. Finally, statistical tests and regression analyses were carried out for estimating relationships among extracted indexes and other clinical information. Results confirm that none of the employed techniques is more reliable than the others. Moreover, in agreement with the literature, each analysis should take into account two relevant parameters, the foetal status and the week of gestation. Regarding the SDA, results show its promising capabilities in FHRV analysis. It allows recognizing foetal status, gestation week and global variability of FHR signals, even better than other methods. Nevertheless, further studies, which should involve even pathological cases, are necessary to establish its reliability.La Cardiotocografia (CTG) è una diffusa tecnica di diagnostica fetale. Nonostante ciò, la sua interpretazione soffre di forte variabilità intra- e inter- osservatore. Per superare tali limiti, sono stati proposti più oggettivi metodi di analisi. Particolare attenzione è stata rivolta alla variabilità della frequenza cardiaca fetale (FHRV). Nel presente lavoro abbiamo suddiviso le tecniche di analisi della FHRV in tradizionali, o lineari, e meno convenzionali, o non-lineari. Tutte si sono rivelate efficaci in casi specifici ma nessuna si è dimostrata più utile delle altre. Pertanto, abbiamo ritenuto necessario effettuare un’indagine più dettagliata. In particolare, scopo della tesi è stato approfondire una specifica metodologia non-lineare, la Symbolic Dynamics Analysis (SDA), data la sua notevole semplicità di interpretazione che la renderebbe un potenziale strumento di ausilio all’attività clinica. Sono stati esaminati all’incirca 200 riferimenti bibliografici sull’analisi di HRV e FHRV; di questi, circa 100 articoli specificamente incentrati sulle tecniche non-lineari. E’ stata condotta un’analisi multiparametrica su 580 tracciati CTG di feti sani per confrontare le metodologie adottate. Sono stati realizzati due software, uno per l’analisi dei segnali CTG reali e l’altro per la generazione di tracciati CTG simulati. Infine, sono state effettuate analisi statistiche e di regressione per esaminare le correlazioni tra indici calcolati e parametri di interesse clinico. I risultati dimostrano che nessuno degli indici calcolati risulta più vantaggioso rispetto agli altri. Inoltre, in accordo con la letteratura, lo stato del feto e le settimane di gestazione sono parametri di riferimento da tenere sempre in considerazione per ogni analisi effettuata. Riguardo la SDA, essa risulta utile all’analisi della FHRV, permettendo di distinguere – meglio o al pari di altre tecniche – lo stato del feto, la settimana di gestazione e la variabilità complessiva del segnale. Tuttavia, sono necessari ulteriori studi, che includano anche casi di feti patologici, per confermare queste evidenze

Proceedings Virtual Imaging Trials in Medicine 2024

This submission comprises the proceedings of the 1st Virtual Imaging Trials in Medicine conference, organized by Duke University on April 22-24, 2024. The listed authors serve as the program directors for this conference. The VITM conference is a pioneering summit uniting experts from academia, industry and government in the fields of medical imaging and therapy to explore the transformative potential of in silico virtual trials and digital twins in revolutionizing healthcare. The proceedings are categorized by the respective days of the conference: Monday presentations, Tuesday presentations, Wednesday presentations, followed by the abstracts for the posters presented on Monday and Tuesday

Heart rate variability in psychology: a review of hrv indices and an analysis tutorial

The use of heart rate variability (HRV) in research has been greatly popularized over the past decades due to the ease and affordability of HRV collection, coupled with its clinical relevance and significant relationships with psychophysiological constructs and psychopathological disorders. Despite the wide use of electrocardiograms (ECG) in research and advancements in sensor technology, the analytical approach and steps applied to obtain HRV measures can be seen as complex. Thus, this poses a challenge to users who may not have the adequate background knowledge to obtain the HRV indices reliably. To maximize the impact of HRV-related research and its reproducibility, parallel advances in users’ understanding of the indices and the standardization of analysis pipelines in its utility will be crucial. This paper addresses this gap and aims to provide an overview of the most up-to-date and commonly used HRV indices, as well as common research areas in which these indices have proven to be very useful, particularly in psychology. In addition, we also provide a step-by-step guide on how to perform HRV analysis using an integrative neurophysiological toolkit, NeuroKit2