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 /

Automatic risk evaluation in elderly patients based on Autonomic Nervous System assessment

Dysfunction of Autonomic Nervous System (ANS) is a typical feature of chronic heart failure and other cardiovascular disease. As a simple non-invasive technology, heart rate variability (HRV) analysis provides reliable information on autonomic modulation of heart rate. The aim of this thesis was to research and develop automatic methods based on ANS assessment for evaluation of risk in cardiac patients. Several features selection and machine learning algorithms have been combined to achieve the goals. Automatic assessment of disease severity in Congestive Heart Failure (CHF) patients: a completely automatic method, based on long-term HRV was proposed in order to automatically assess the severity of CHF, achieving a sensitivity rate of 93% and a specificity rate of 64% in discriminating severe versus mild patients. Automatic identification of hypertensive patients at high risk of vascular events: a completely automatic system was proposed in order to identify hypertensive patients at higher risk to develop vascular events in the 12 months following the electrocardiographic recordings, achieving a sensitivity rate of 71% and a specificity rate of 86% in identifying high-risk subjects among hypertensive patients. Automatic identification of hypertensive patients with history of fall: it was explored whether an automatic identification of fallers among hypertensive patients based on HRV was feasible. The results obtained in this thesis could have implications both in clinical practice and in clinical research. The system has been designed and developed in order to be clinically feasible. Moreover, since 5-minute ECG recording is inexpensive, easy to assess, and non-invasive, future research will focus on the clinical applicability of the system as a screening tool in non-specialized ambulatories, in order to identify high-risk patients to be shortlisted for more complex investigations

Complexity Science in Human Change

This reprint encompasses fourteen contributions that offer avenues towards a better understanding of complex systems in human behavior. The phenomena studied here are generally pattern formation processes that originate in social interaction and psychotherapy. Several accounts are also given of the coordination in body movements and in physiological, neuronal and linguistic processes. A common denominator of such pattern formation is that complexity and entropy of the respective systems become reduced spontaneously, which is the hallmark of self-organization. The various methodological approaches of how to model such processes are presented in some detail. Results from the various methods are systematically compared and discussed. Among these approaches are algorithms for the quantification of synchrony by cross-correlational statistics, surrogate control procedures, recurrence mapping and network models.This volume offers an informative and sophisticated resource for scholars of human change, and as well for students at advanced levels, from graduate to post-doctoral. The reprint is multidisciplinary in nature, binding together the fields of medicine, psychology, physics, and neuroscience

Simple Tests for Assessing Kidney and Cardiovascular Function in Chromic Kidney Disease Patients (Stages 2, 3 and 4)

Reliable measurement of glomerular filtration rate (GFR) is an important aspect of clinical decision making and forms the basis of classification for kidney function. Moreover the interpretation of risk factors for progression of CKD linked to cardiovascular disease (CVD) remains difficult, particularly in older subjects. To address this GFR and the cardiovascular parameters arterial stiffness, heart rate variability (HRV) and natriuretic peptides (NT- proBNP and NT-proCNP) were measured in a cohort of CKD patients of stages 2,3 and 4. The primary aim however of the thesis was to measure the Kidney Functional Reserve (KFR) of CKD3 and CKD4 patients as it has been thought of as analogous to cardiac functional reserve. CysC, creatinine clearance (CrCl) and with simultaneous radionuclide 99technetium diethylenetriaminepentaacetatic acid (Tc-99m) measured GFR (mGFR) of KFR in 19 CKD Stage 3 and 21 CKD Stage 4 patients yielded good agreement. KFR was not correlated with baseline kidney function. Eight CKD Stage 3 (42%) and 11 CKD Stage 4 (52%) subjects reached their lowest serum CysC concentration 4 hours after OPL. CysC KFR and baseline serum creatinine (sCr) predicted Major Adverse Kidney Event, death or dialysis (MAKE-T) and MAKE-F (fast progression with GFR decrease > 5ml/min/year) with a respective area under the curve (AUC) of 0.73 (95% confidence interval [CI] 0.48 – 0.890) and 0.71 (95% CI: 0.51–0.84). Including CysC KFR, age, baseline sCr and nadir CysC predicted a decrease in sCr-estimated GFR >1.2 ml/min/year (MAKE-S) with an AUC of 0.89. In the latter case the inclusion of cardiovascular variables; “Recovery” (1-4 minutes post exercise) RMSSD, urinary and serum NT-proCNP concentration and whether CysC GFR reserve was early or late in nadir improved the AUC to 1.00 (AICc =15.41). In conclusion serial CysC may facilitate monitoring of KFR in clinical practice along with the use of a portable exercise stress test to increase c-f-PWV (carotid-femoral Pulse Wave Velocity) and identify CKD patients with serious/subliminal vascular stiffening. Future research may confirm this studies other preliminary finding that urinary NT-proCNP concentration may relate to renal haemodynamic function in CKD stages, as this correlated with stimulated mGFR (R2 = 0.41). In short this thesis has furthered the premise that the heart and kidney are interlinked via cardiovascular physiology which likely can be used to predict CKD progression

Training for Optimal Sports Performance and Health

In this book, the emphasis is on various training interventions. Types of exercises that can help improve performance in athletes and health in people facing poor movement diseases.Also, we have presented a variety of strength training interventions in the form of various types of research. On the other hand, we continue to monitor internal and external loads related to non-contact injuries and performance analysis

Applications

Volume 3 describes how resource-aware machine learning methods and techniques are used to successfully solve real-world problems. The book provides numerous specific application examples: in health and medicine for risk modelling, diagnosis, and treatment selection for diseases in electronics, steel production and milling for quality control during manufacturing processes in traffic, logistics for smart cities and for mobile communications

Wearable Sensors in the Evaluation of Gait and Balance in Neurological Disorders

The aging population and the increased prevalence of neurological diseases have raised the issue of gait and balance disorders as a major public concern worldwide. Indeed, gait and balance disorders are responsible for a high healthcare and economic burden on society, thus, requiring new solutions to prevent harmful consequences. Recently, wearable sensors have provided new challenges and opportunities to address this issue through innovative diagnostic and therapeutic strategies. Accordingly, the book “Wearable Sensors in the Evaluation of Gait and Balance in Neurological Disorders” collects the most up-to-date information about the objective evaluation of gait and balance disorders, by means of wearable biosensors, in patients with various types of neurological diseases, including Parkinson’s disease, multiple sclerosis, stroke, traumatic brain injury, and cerebellar ataxia. By adopting wearable technologies, the sixteen original research articles and reviews included in this book offer an updated overview of the most recent approaches for the objective evaluation of gait and balance disorders

Applications

Volume 3 describes how resource-aware machine learning methods and techniques are used to successfully solve real-world problems. The book provides numerous specific application examples: in health and medicine for risk modelling, diagnosis, and treatment selection for diseases in electronics, steel production and milling for quality control during manufacturing processes in traffic, logistics for smart cities and for mobile communications

Classification and detection of Critical Transitions: from theory to data

From population collapses to cell-fate decision, critical phenomena are abundant in complex real-world systems. Among modelling theories to address them, the critical transitions framework gained traction for its purpose of determining classes of critical mechanisms and identifying generic indicators to detect and alert them (“early warning signals”). This thesis contributes to such research field by elucidating its relevance within the systems biology landscape, by providing a systematic classification of leading mechanisms for critical transitions, and by assessing the theoretical and empirical performance of early warning signals. The thesis thus bridges general results concerning the critical transitions field – possibly applicable to multidisciplinary contexts – and specific applications in biology and epidemiology, towards the development of sound risk monitoring system

The Public Service Media and Public Service Internet Manifesto

This book presents the collectively authored Public Service Media and Public Service Internet Manifesto and accompanying materials.The Internet and the media landscape are broken. The dominant commercial Internet platforms endanger democracy. They have created a communications landscape overwhelmed by surveillance, advertising, fake news, hate speech, conspiracy theories, and algorithmic politics. Commercial Internet platforms have harmed citizens, users, everyday life, and society. Democracy and digital democracy require Public Service Media. A democracy-enhancing Internet requires Public Service Media becoming Public Service Internet platforms – an Internet of the public, by the public, and for the public; an Internet that advances instead of threatens democracy and the public sphere. The Public Service Internet is based on Internet platforms operated by a variety of Public Service Media, taking the public service remit into the digital age. The Public Service Internet provides opportunities for public debate, participation, and the advancement of social cohesion. Accompanying the Manifesto are materials that informed its creation: Christian Fuchs’ report of the results of the Public Service Media/Internet Survey, the written version of Graham Murdock’s online talk on public service media today, and a summary of an ecomitee.com discussion of the Manifesto’s foundations