Análisis lineal y no lineal de la dinámica de la regulación autonómica de los sistemas cardiovascular y respiratorio durante la prueba ortostática

En la presente tesis doctoral en Ciencias en Ingeniería Biomédica se investigó la regulación autonómica durante el reto ortostático con un enfoque en el análisis de su dinámica temporal utilizando segmentos de corto plazo de las series de tiempo cardiovasculares y respiratorias. Los sujetos enrolados en el estudio incluyeron 12 hombres y 12 mujeres sanos jóvenes, así como 16 mujeres con diagnóstico de síncope vasovagal, con edad similar. La investigación tuvo un doble objetivo: primero, estudiar el efecto de género en personas sanas y segundo, evaluar en mujeres el efecto del síncope vasovagal, sobre la regulación autonómica de los sistemas cardiovascular y respiratorio utilizando un reto ortostático. Además de incluir el análisis de variables hemodinámicas, se analizaron la variabilidad de los intervalos entre latido y latido, de las señales respiratorias, así como de la presión arterial sistólica y diastólica. Las series de tiempo se adquirieron durante la prueba de inclinación a 70°. Las series de tiempo se analizaron mediante técnicas de procesamiento univariadas y bivariadas que proporcionaron información de la variabilidad, la complejidad, el acoplamiento y las interacciones presentes durante la progresión del reto ortostático. La extracción de características se llevó a cabo usando diversos métodos lineales y no lineales en los dominios del tiempo, frecuencia e información. Las técnicas lineales incluyen las recomendadas por Task Force como la función de correlación, el método de doble secuencia y la función de coherencia dirigida parcial. Los métodos no lineales involucraron la dinámica simbólica, la compresión por entropía, análisis de fluctuación sin tendencia, análisis de la irreversibilidad con respecto al tiempo, información mutua, así como diferentes enfoques basados en la entropía en múltiples escalas de tiempo, análisis de la representación de Poincaré y la dinámica simbólica conjunta. En cuanto a los resultados, los valores medios de las variables hemodinámicas no arrojaron diferencias estadísticas entre grupos. Con respecto al efecto del género en los controles, en hombres se obtuvieron diferencias estadísticas durante la línea de base (posición supina) incluyendo una mayor presión arterial sistólica, una menor variabilidad y complejidad de la frecuencia cardíaca, así como un acoplamiento cardiorrespiratorio reducido. Durante la progresión de la fase ortostática, las diferencias de género siguieron o fueron más pronunciadas, especialmente con relación a la variabilidad de la frecuencia cardíaca. Además, la frecuencia respiratoria también aumentó significativamente durante la fase ortostática. Del mismo modo, en hombres el acoplamiento cardiovascular y cardiorrespiratorio disminuyó durante la fase ortostática.En general, los resultados indicaron que en los controles masculinos existió un incremento de la actividad simpática, inmediatamente después de la inclinación, y que se mantuvo durante la fase ortostática. Por el contrario en las mujeres sanas, la regulación autonómica se caracterizó por un equilibrio simpático-vagal pronunciado durante el reto ortostático seguido por un ligero aumento, pero retrasado, de la actividad simpática al final de la fase ortostática. En consecuencia, los análisis mostraron que en estudios de reto ortostático los hombres y las mujeres deben investigarse por separado debido a las diferentes respuestas temporales autonómicas. Con respecto al efecto de síncope vasovagal en las mujeres, casi todas las técnicas aplicadas demostraron diversas diferencias estadísticamente significativas, durante varios minutos e incluso en toda la fase ortostática. Varios de los métodos mostraron diferencias considerables dentro de los primeros minutos después de inclinar al sujeto, donde aún no existían síntomas de presíncope. Las diferencias distintivas durante la fase ortostática incluyeron un aumento de la frecuencia respiratoria, una disminución de la variabilidad y complejidad de la frecuencia cardiaca, un aumento de la variabilidad y complejidad respiratoria, un aumento de la variabilidad y complejidad de la presión arterial sistólica así como una disminución y/o alteración de los acoplamientos e interacciones cardiovasculares y cardiorrespiratorias en pacientes femeninas. Los resultados claramente señalaron un aumento sostenido de la actividad simpática que afectó la regulación autonómica del sistema cardiovascular y respiratorio debido al reto ortostático en pacientes femeninas jóvenes y susceptibles al síncope vasovagal. Los resultados mostraron la ventaja de realizar una descripción temporal detallada de la regulación autonómica durante el reto ortostático que depende del género y de la susceptibilidad al síncope vasovagal. Además, durante la investigación doctoral se formularon y evaluaron procedimientos alternativos para analizar la dinámica temporal de las series de tiempo cardiovasculares y respiratorias. Se propusieron nuevos procedimientos que combinan la entropía multiescala y la dinámica simbólica, y se establecieron sugerencias para el análisis segmentado de Poincaré. Asimismo, se propusieron nuevos parámetros para la dinámica simbólica a corto plazo y la entropía multiescala. Adicionalmente, se introdujo un nuevo método no lineal para estudiar acoplamientos e interacciones, llamado el análisis gráfico en el espacio delta. Estos índices y métodos revelaron resultados prometedores que deben de investigarse en mayor medida en futuros estudios

Autonomic Regulation during Quiet and Active Sleep States in Very Preterm Neonates

The immature autonomic nervous system (ANS) in premature infants regulates heart rate (HR) and respiration different during quiet sleep (QS) and active sleep (AS). Little information is available about ANS regulation in these subjects. The aim of this study was to investigate changes in autonomic regulation and cardiorespiratory coupling during AS and QS in five very preterm neonates with gestational age (GA) 26–31 weeks, applying univariate and bivariate linear and non-linear dynamics methods to the recorded cardiorespiratory signals. During QS univariate linear indices revealed lower standard deviations and entropies, indicating decreased heart rate (HR) variability. More balanced sympatho-vagal behavior of the ANS was revealed by decreased low frequency (LF), increased high frequency (HF), and a trend toward lower ratio LF/HF in QS. Applied non-linear indices (probabilities, entropies, and fractal measures) quantifying the complexity and scaling behavior of HR regulation processes were significantly altered in QS in comparison to AS. This reflects a lower short-term variability, less complexity, and a loss of fractal-like correlation properties of HR dynamics in QS. One major finding is that cardiorespiratory coupling is not yet completely developed in very preterm neonates with 26–31 weeks GA. Significantly different regulation patterns in bivariate oscillations of HR and respiration during AS and QS could be recognized. These patterns were characterized on the one hand by predominant monotonous regulating sequences originating from respiration independently from HR time series in AS, and to a minor degree in QS, and on the other hand by some prominent HR regulation sequences in QS independent of respiratory regulation. We speculate that these findings might be suitable for monitoring preterm neonates and for detecting disorders in the developing cardiorespiratory system

The Blair Progress

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Improvement of Circadian Rhythm of Heart Rate Variability by Eurythmy Therapy Training

Background. Impairment of circadian rhythm is associated with various clinical problems. It not only has a negative impact on quality of life but can also be associated with a significantly poorer prognosis. Eurythmy therapy (EYT) is an anthroposophic movement therapy aimed at reducing fatigue symptoms and stress levels. Objective. This analysis of healthy subjects was conducted to examine whether the improvement in fatigue symptoms was accompanied by improvements in the circadian rhythm of heart rate variability (HRV). Design. Twenty-three women performed 10 hours of EYT over six weeks. Electrocardiograms (ECGs) were recorded before and after the EYT trial. HRV was quantified by parameters of the frequency and time domains and the nonlinear parameters of symbolic dynamics. Results. The day-night contrast with predominance of vagal activity at night becomes more pronounced after the EYT training, and with decreased Ultralow and very low frequencies, the HRV shows evidence of calmer sleep. During the night, the complexity of the HRV is significantly increased indicated by nonlinear parameters. Conclusion. The analysis of the circadian patterns of cardiophysiological parameters before and after EYT shows significant improvements in HRV in terms of greater day-night contrast caused by an increase of vagal activity and calmer and more complex HRV patterns during sleep

Time-Frequency Analysis of Cardiovascular and Cardiorespiratory Interactions During Orthostatic Stress by Extended Partial Directed Coherence

In this study, the linear method of extended partial directed coherence (ePDC) was applied to establish the temporal dynamic behavior of cardiovascular and cardiorespiratory interactions during orthostatic stress at a 70° head-up tilt (HUT) test on young age-matched healthy subjects and patients with orthostatic intolerance (OI), both male and female. Twenty 5-min windows were used to analyze the minute-wise progression of interactions from 5 min in a supine position (baseline, BL) until 18 min of the orthostatic phase (OP) without including pre-syncopal phases. Gender differences in controls were present in cardiorespiratory interactions during OP without compromised autonomic regulation. However in patients, analysis by ePDC revealed considerable dynamic alterations within cardiovascular and cardiorespiratory interactions over the temporal course during the HUT test. Considering the young female patients with OI, the information flow from heart rate to systolic blood pressure (mechanical modulation) was already increased before the tilt-up, the information flow from systolic blood pressure to heart rate (neural baroreflex) increased during OP, while the information flow from respiration to heart rate (respiratory sinus arrhythmia) decreased during the complete HUT test. Findings revealed impaired cardiovascular interactions in patients with orthostatic intolerance and confirmed the usefulness of ePDC for causality analysis