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

Characteristics and coupling of cardiac and locomotor rhythms during treadmill walking tasks

Studying the variability of physiological subsystems (e.g., cardiac and locomotor control systems) has been insightful in understanding how functional and dysfunctional patterns emerge within their behaviors. The coupling of these subsystems (termed cardiolocomotor coupling) is believed to be important to maintain healthy functioning in the diverse conditions in which individuals must operate. Aging and pathology result in alterations to both the patterns of individual systems, as well as to how those systems couple to each other. By examining cardiac and locomotor rhythms concurrently during treadmill walking, it is possible to ascertain how these two rhythms relate to each other in different populations (i.e., younger and older adults) and with varying task constraints (i.e., a gait synchronization task or fast walking task). The purpose of this research was to simultaneously document the characteristics of cardiac and gait rhythms in younger (18-35 yrs) and older (63-80 yrs) healthy adults while walking and to establish the extent to which changes in these systems are coupled when gait is constrained. This study consisted of two repeated-measures experiments that participants completed on two separate days. Both experiments consisted of three 15-minute phases. During the first (baseline) and third (retention) phases of both experiments, participants walked with no cues or specific instructions at their preferred walking speed. During the second phase, participants were asked to synchronize their step falls to the timing of a visual cue (experiment 1) or to walk at 125% of their preferred walking speed (experiment 2). Fifty-one healthy adults (26 older, 67.67±4.70 yrs, 1.72±0.09 m, 70.13±14.30 kg; 25 younger, 24.57±4.29 yrs, 1.76±0.09 m, 73.34±15.35 kg) participated in this study. Participants’ cardiac rhythms (R-R interval time series) and locomotor rhythms (stride interval, step width, and step length time series) were measured while walking on a treadmill. Characteristics of variability in cardiac and locomotor rhythms and the coupling between cardiac and gait rhythms were measured. Results revealed that younger and older healthy adults alter gait patterns similarly when presented with a gait synchronization or fast walking task and that these tasks also alter cardiac patterns. Likewise, both groups exhibited enhanced cardiolocomotor coupling when tasked with a step timing constraint or increased speed during treadmill walking. Combined, these findings suggest that walking tasks likely alter both locomotor and cardiac dynamics and the coupling of physiological subsystems could be insightful in understanding the diverse effects aging and pathology have on individuals

Oximetry use in obstructive sleep apnea

Producción CientíficaIntroduction. Overnight oximetry has been proposed as an accessible, simple, and reliable technique for obstructive sleep apnea syndrome (OSAS) diagnosis. From visual inspection to advanced signal processing, several studies have demonstrated the usefulness of oximetry as a screening tool. However, there is still controversy regarding the general application of oximetry as a single screening methodology for OSAS. Areas covered. Currently, high-resolution portable devices combined with pattern recognition-based applications are able to achieve high performance in the detection this disease. In this review, recent studies involving automated analysis of oximetry by means of advanced signal processing and machine learning algorithms are analyzed. Advantages and limitations are highlighted and novel research lines aimed at improving the screening ability of oximetry are proposed. Expert commentary. Oximetry is a cost-effective tool for OSAS screening in patients showing high pretest probability for the disease. Nevertheless, exhaustive analyses are still needed to further assess unattended oximetry monitoring as a single diagnostic test for sleep apnea, particularly in the pediatric population and in especial groups with significant comorbidities. In the following years, communication technologies and big data analysis will overcome current limitations of simplified sleep testing approaches, changing the detection and management of OSAS.This research has been partially supported by the projects DPI2017-84280-R and RTC-2015-3446-1 from Ministerio de Economía, Industria y Competitividad and European Regional Development Fund (FEDER), the project 66/2016 of the Sociedad Española de Neumología y Cirugía Torácica (SEPAR), and the project VA037U16 from the Consejería de Educación de la Junta de Castilla y León and FEDER. D. Álvarez was in receipt of a Juan de la Cierva grant IJCI-2014-22664 from the Ministerio de Economía y Competitividad

Cardiorespiratory Function in Young Adults With a History of Covid-19 Infection

Objective. Respiratory complications may persist several months into the recovery period following COVID-19 infection. This study evaluated respiratory function and oxygen saturation variability between young adults with a history of COVID-19 infection and controls. Associations between cardiorespiratory function with potential biobehavioral correlates of COVID-19 infection were also explored.Methods. 57 adults ages 18 to 65 participated in this study (24 COVID+, 33 Control). Spirometry was used to assess pulmonary function volumes of forced vital capacity (FVC), forced expiratory volume in 1 second (FEV1), FEV1/FVC and peak expiratory flow (PEF). Exhaled nitric oxide (FeNO) was measured using the NiOX VERO, a handheld electrochemical nitric oxide analyzer and taken as a proxy of airway inflammation. Systemic inflammation levels were assessed using salivary concentrations of inflammatory biomarkers. Oxygen saturation variability was quantified via extended continuous oxygen saturation (SpO2) monitoring using linear and nonlinear analyses. Network physiology analysis was conducted to evaluate cardiorespiratory control between SpO2, heart rate (HR), respiratory rate and skin temperature signals measured by continuous ambulatory monitoring with an Equivital EQO2 LifeMonitor. Physical activity levels and sedentary time were assessed using 9-day accelerometry. COVID-19 symptom severity was assessed by participant self-report via questionnaires. Results. No group differences were observed for pulmonary function of FVC (COVID+: 4.22±1.01, C: 4.43±1.06 L, p=.663), FEV1 (COVID+: 3.45±0.72, C: 3.57±0.92 L, p=.865), PEF (COVID+: 349.63±105.54, C: 373.73±140.61 L/min, p=.370), or FeNO (COVID+: 16.61±13.04, C: 20.03±20.11 ppb, p=.285). Linear and nonlinear oxygen saturation variability did not differ between adults with a history of COVID-19 infection and controls with no history of infection (p\u3e0.05). Cardiorespiratory function measured using network analysis of did not differ between recovering COVID-19 individuals and controls (p\u3e0.05). Sedentary time was inversely associated with FEV1 (r=-.392, p=.040), PEF (r=-.579, p=.003), and IL-6 concentrations (r=- .370, p=.049). COVID-19 disease severity was inversely associated with FVC (r=-.461, p=.012) and FEV1 (r=-.365, p=.040). Number of symptoms was inversely associated with FVC (r=-.404, p=.025). Conclusions. Pulmonary function, inflammation levels and oxygen saturation variability were similar between individuals with a history of COVID-19 infection and controls without a history of COVID-19 infection. Network interactions between regulatory components of the cardiorespiratory system were also similar between recovering COVID-19 individuals and controls. Findings suggest that cardiorespiratory function and dynamic control of SpO2 may not be impaired following COVID-19 infection in young adults. Moreover, increased sedentary time and disease severity may have negative effects on pulmonary function in individuals recovering from COVID-19