Dynamic Assessment of Baroreflex Control of Heart Rate During Induction of Propofol Anesthesia Using a Point Process Method

In this article, we present a point process method to assess dynamic baroreflex sensitivity (BRS) by estimating the baroreflex gain as focal component of a simplified closed-loop model of the cardiovascular system. Specifically, an inverse Gaussian probability distribution is used to model the heartbeat interval, whereas the instantaneous mean is identified by linear and bilinear bivariate regressions on both the previous R−R intervals (RR) and blood pressure (BP) beat-to-beat measures. The instantaneous baroreflex gain is estimated as the feedback branch of the loop with a point-process filter, while the RRBP feedforward transfer function representing heart contractility and vasculature effects is simultaneously estimated by a recursive least-squares filter. These two closed-loop gains provide a direct assessment of baroreflex control of heart rate (HR). In addition, the dynamic coherence, cross bispectrum, and their power ratio can also be estimated. All statistical indices provide a valuable quantitative assessment of the interaction between heartbeat dynamics and hemodynamics. To illustrate the application, we have applied the proposed point process model to experimental recordings from 11 healthy subjects in order to monitor cardiovascular regulation under propofol anesthesia. We present quantitative results during transient periods, as well as statistical analyses on steady-state epochs before and after propofol administration. Our findings validate the ability of the algorithm to provide a reliable and fast-tracking assessment of BRS, and show a clear overall reduction in baroreflex gain from the baseline period to the start of propofol anesthesia, confirming that instantaneous evaluation of arterial baroreflex control of HR may yield important implications in clinical practice, particularly during anesthesia and in postoperative care.National Institutes of Health (U.S.) (Grant R01-HL084502)National Institutes of Health (U.S.) (Grant K25-NS05758)National Institutes of Health (U.S.) (Grant DP2- OD006454)National Institutes of Health (U.S.) (Grant T32NS048005)National Institutes of Health (U.S.) (Grant T32NS048005)National Institutes of Health (U.S.) (Grant R01-DA015644)Massachusetts General Hospital (Clinical Research Center, UL1 Grant RR025758

Analysis of the propagation of uterine electrical activity applied to predict preterm labor

There are many open questions concerning the functioning of the human uterus. One of these open questions concerns exactly how the uterus operates as an organ to perform the very organized act of contracting in a synchronized fashion to expulse a new human into this world. If we don‟t understand how it works when it is working normally, it is obvious that we will not be as capable of intervening or preventing when, sometimes with tragic consequences, it does not do its job properly and a child is born before it is ready. The aim of our research is to be able to understand what the electrical activity of the uterus can tell us about the risk of premature birth, to understand better how the uterus works and to benefit from these understanding to find tool that can be used for labor detection and prediction of preterm labor. This idea of using the externally detected electrical activity of the uterus (electrohysterogram or EHG) to predict preterm labor is not new and lot of work has already been put into it. The novel approach in this work is not to use the signal collected from one or two isolated places on the expectant mother‟s abdomen but to map the propagation of the signals and to investigate the auto organization of the contractions. We therefore use a matrix of electrodes to give us a much more complete picture of the organization and operation of the uterus as pregnancy reaches its conclusion. Labor is the physiologic process by which a fetus is expelled from the uterus to the outside world and is defined as regular uterine contractions accompanied by cervical effacement and dilatation. In the normal labor, the uterine contractions and cervix dilatation are preceded by biochemical changes in the cervical connective tissue.Il reste beaucoup de questions ouvertes concernant le fonctionnement de l'utérus humain. L'une de ces questions est comment l'utérus fonctionne en tant qu‟organe organisé pour générer une contraction synchrone et expulser un nouvel être humain dans ce monde ? Si nous ne comprenons pas comment l‟utérus fonctionne, quand il fonctionne normalement, il est évident que nous ne serons pas en mesure d'intervenir ou de prévoir quand, avec parfois des conséquences tragiques, il ne fait pas son travail correctement et qu‟un enfant nait avant d‟être prêt ! Le but de notre recherche est de comprendre ce que l'activité électrique de l'utérus peut nous apporter sur la prévention du risque de naissance prématurée, de mieux comprendre comment fonctionne l'utérus et de bénéficier de ces connaissances pour développer un outil qui peut être utilisé pour la détection de l‟accouchement et la prédiction du travail prématuré. Cette idée d'utiliser l'activité électrique détectée à la surface de l‟abdomen (ou électrohystérogramme EHG) pour prédire un accouchement prématuré n'est pas nouvelle et beaucoup de travaux ont déjà été mis en oeuvre. La nouvelle approche dans ce travail n‟est pas d‟utiliser le signal recueilli par un ou deux endroits isolés sur l'abdomen de la future mère, mais de cartographier la propagation des signaux et d‟explorer l'auto organisation des contractions. Nous utilisons donc une matrice d'électrodes pour nous donner une image beaucoup plus complète de l'organisation et du fonctionnement de l'utérus. L‟accouchement est le processus physiologique par lequel le foetus est expulsé de l'utérus vers le monde extérieur. Il est défini comme la survenue de contractions utérines régulières accompagnées de l'effacement du col et de la dilatation cervicale. Dans le travail normal, les contractions de l'utérus et la dilatation du col sont précédées par des changements biochimiques du tissu conjonctif du col utérin

Etude de la propagation de l‟activité électrique utérine dans une optique clinique : Application a la détection des menaces d‟accouchement prématuré

Uterine contractions are essentially controlled by two physiological phenomena: cell excitability and propagation of uterine electrical activity probably related to high and low frequencies of uterine electromyogram, called electrohysterogram -EHG-, respectively. All previous studies have been focused on extracting parameters from the high frequency part and did not show a satisfied potential for clinical application. The objective of this thesis is the analysis of the propagation EHG signals of during pregnancy and labor in the view of extracting tool for clinical application. A novelty of our thesis is the multichannel recordings by using 4x4 electrodes matrix posed on the woman abdomen. Monovariate analysis was aimed to investigate the nonlinear characteristics of EHG signals. Bivariate and multivariate analyses have been done to analyze the propagation of the EHG signals by detecting the connectivity between the signals. An increase of the nonlinearity associated by amplitude synchronization and phase desynchronization were detected. Results indicate a highest EHG propagation during labor than pregnancy and an increase of this propagation with the week of gestations. The results show the high potential of propagation‟s parameters in clinical point of view such as labor detection and then preterm labor prediction. We proposed novel combination of Blind Source Separation and empirical mode decomposition to denoise monopolar EHG as a possible way to increase the classification rate of pregnancy and labor.Les contractions utérines sont contrôlées par deux phénomènes physiologiques: l'excitabilité cellulaire et la propagation de l'activité électrique utérine probablement liées aux hautes et basses fréquences de l‟electrohysterograme (EHG) respectivement. Toutes les études précédentes ont porté sur l'extraction de paramètres de la partie haute fréquence et n'ont pas montré un potentiel satisfait pour l'application clinique. L'objectif de cette thèse est l'analyse de propagation de l'EHG pendant la grossesse et le travail dans la vue de l'extraction des outils pour une application clinique. Une des nouveautés de la thèse est l‟enregistrement multicanaux à l'aide d‟une matrice d'électrodes 4x4 posée sur l'abdomen de la femme. Analyse monovariés visait à étudier les caractéristiques non linéaires des signaux EHG, analyses bivariées et multivariées ont été effectuées pour analyser la propagation des signaux EHG par la détection de la connectivité entre les signaux. Une augmentation de la non- linéarité associée par une synchronisation en amplitude et de désynchronisation en phase a été détectée. Les résultats indiquent plus de propagation au cours du travail que la grossesse et une augmentation de cette propagation avec les semaines de gestations. Les résultats montrent le potentiel élevé de paramètres de propagation dans le point de vue clinique tel que la détection du travail et de prédiction du travail prématuré. Finalement, nous avons proposé une nouvelle combinaison entre Séparation Aveugles de Sources et la Décomposition en Modes Empiriques pour débruiter les signaux EHG monopolaires comme un moyen possible d'augmenter le taux de classification de signaux grossesse et l'accouchement

Etude de la propagation de l’activité électrique utérine dans une optique clinique: Application à la détection des menaces d’accouchement prématuré.

Uterine contractions are essentially controlled by two physiological phenomena: cell excitability and propagation of uterine electrical activity probably related to high and low frequencies of uterine electromyogram, called electrohysterogram -EHG-, respectively. All previous studies have been focused on extracting parameters from the high frequency part and did not show a satisfied potential for clinical application. The objective of this thesis is the analysis of the propagation EHG signals of during pregnancy and labor in the view of extracting tool for clinical application. A novelty of our thesis is the multichannel recordings by using 4x4 electrodes matrix posed on the woman abdomen. Monovariate analysis was aimed to investigate the nonlinear characteristics of EHG signals. Bivariate and multivariate analyses have been done to analyze the propagation of the EHG signals by detecting the connectivity between the signals. An increase of the nonlinearity associated by amplitude synchronization and phase desynchronization were detected. Results indicate a highest EHG propagation during labor than pregnancy and an increase of this propagation with the week of gestations. The results show the high potential of propagation’s parameters in clinical point of view such as labor detection and then preterm labor prediction. We proposed novel combination of Blind Source Separation and empirical mode decomposition to denoise monopolar EHG as a possible way to increase the classification rate of pregnancy and labor.Les contractions utérines sont contrôlées par deux phénomènes physiologiques: l'excitabilité cellulaire et la propagation de l'activité électrique utérine probablement liées aux hautes et basses fréquences de l’electrohysterograme (EHG) respectivement. Toutes les études précédentes ont porté sur l'extraction de paramètres de la partie haute fréquence et n'ont pas montré un potentiel satisfait pour l'application clinique. L'objectif de cette thèse est l'analyse de propagation de l'EHG pendant la grossesse et le travail dans la vue de l'extraction des outils pour une application clinique. Une des nouveautés de la thèse est l’enregistrement multicanaux à l'aide d’une matrice d'électrodes 4x4 posée sur l'abdomen de la femme. Analyse monovariés visait à étudier les caractéristiques non linéaires des signaux EHG, analyses bivariées et multivariées ont été effectuées pour analyser la propagation des signaux EHG par la détection de la connectivité entre les signaux. Une augmentation de la non-linéarité associée par une synchronisation en amplitude et de désynchronisation en phase a été détectée. Les résultats indiquent plus de propagation au cours du travail que la grossesse et une augmentation de cette propagation avec les semaines de gestations. Les résultats montrent le potentiel élevé de paramètres de propagation dans le point de vue clinique tel que la détection du travail et de prédiction du travail prématuré. Finalement, nous avons proposé une nouvelle combinaison entre Séparation Aveugles de Sources et la Décomposition en Modes Empiriques pour débruiter les signaux EHG monopolaires comme un moyen possible d'augmenter le taux de classification de signaux grossesse et l'accouchement