Advances in Wearable Photoplethysmography Applications in Health Monitoring

In the last few years, interest in wearable technology for physiological signal monitoring is rapidly growing, especially during and after the COVID-19 pandemic

Inclusión de la información respiratoria en el análisis de la variabilidad del ritmo cardiaco para la identificación de estrés

Se define el estrés como una respuesta fisiológica ante una amenaza. Sin embargo, si la respuesta ante el estrés se mantiene durante mucho tiempo o se inicia muy continuamente desemboca en una situación no saludable para el sujeto. Los problemas sociales y médicos asociados al estrés están creciendo claramente y afectando seriamente tanto a adultos como a niños, siendo considerado el estrés como la epidemia del siglo XXI. El principal problema del estrés es la no existencia de una medida objetiva del mismo. Éste es el objetivo del proyecto ES3, el estudio de señales fisiológicas, de marcadores bioquímicos y de cuestionarios psicométricos para analizar la respuesta del organismo ante el estrés. La variabilidad del ritmo cardiaco (HRV) es considerada una medida no invasiva de la regulación del Sistema Nervioso Autonomo (ANS) sobre el corazón, por lo que es ampliamente usada para caracterizar la respuesta al estrés. La respiración también varía ante estrés mental y tareas que requieren atención. Dentro del proyecto ES3, este trabajo se centra en el análisis de la respiración y de la variabilidad del ritmo cardiaco ante estrés emocional agudo. La primera parte de este trabajo comprende la grabación de la base de datos de voluntarios jóvenes y sanos sometidos a un protocolo destinado a originar estrés emocional agudo. Varias señales fisiológicas, incluídas la señal del ECG y la señal respiratoria, han sido grabadas. La segunda parte del trabajo ha includo el análisis espectral de la HRV en las bandas de frecuencia clásicas, asociadas comúnmente con los sistemas simpático y parasimpático. Se realiza la representacion tiempo-frecuencia de la señal moduladora que contiene la información del ANS y se definen las siguientes bandas frecuenciales: baja frecuencia (LF, de 0.04 a 0.15 Hz) y alta frecuencia (HF, de 0.15 a 0.4 Hz). Varios índices, que se usan como medidas del balance simpato-vagal, han sido extraídos para estudiar su capacidad de discriminar si el sujeto está estresado o no. Los índices del dominio frecuencial de la HRV, calculados segun los términos clásicos, apenas muestran diferencias signicativas con la presencia de estrés. La tercera parte del proyecto se ha centrado en el análisis de la información respiratoria, específicamente en su estabilidad y su frecuencia. En este trabajo, la estabilidad respiratoria es medida como la picudez del espectro respiratorio, que se calcula como el porcentaje de potencia alrededor del pico máximo respecto a la potencia del espectro total. Los resultados muestran mayor potencia discriminativa considerando la información de la frecuencia respiratoria, sugiriendo que puede ser un marcador para discriminar la presencia de estrés entre las distintas etapas de la prueba. Esto, sin embargo, se consigue a costa de perder algunas excepciones donde no se puede estimar la frecuencia respiratoria. La útlima parte considera el análisis de la HRV teniendo en cuenta la información respiratoria. La frecuencia respiratoria se usa para definir la banda de HF y evitar la medida de potencia en ambas bandas cuando la frecuencia respiratoria es tan baja que cae dentro de la banda de LF. Esto evita la sobresestimación de la actividad simpática y la infraestimación de la actividad parasimpática que ocurre cuando la frecuencia respiratoria cae en la banda de baja frecuencia. La combinación de los análisis de la HRV y la respiración aumenta el poder discriminativo entre las diferentes etapas del test, mostrando una mayor dominancia simpática cuando se está en una situación de estrés

Two-Dimensional EspEn: A New Approach to Analyze Image Texture by Irregularity

Image processing has played a relevant role in various industries, where the main challenge is to extract specific features from images. Specifically, texture characterizes the phenomenon of the occurrence of a pattern along the spatial distribution, taking into account the intensities of the pixels for which it has been applied in classification and segmentation tasks. Therefore, several feature extraction methods have been proposed in recent decades, but few of them rely on entropy, which is a measure of uncertainty. Moreover, entropy algorithms have been little explored in bidimensional data. Nevertheless, there is a growing interest in developing algorithms to solve current limits, since Shannon Entropy does not consider spatial information, and SampEn2D generates unreliable values in small sizes. We introduce a proposed algorithm, EspEn (Espinosa Entropy), to measure the irregularity present in two-dimensional data, where the calculation requires setting the parameters as follows: m (length of square window), r (tolerance threshold), and ρ (percentage of similarity). Three experiments were performed; the first two were on simulated images contaminated with different noise levels. The last experiment was with grayscale images from the Normalized Brodatz Texture database (NBT). First, we compared the performance of EspEn against the entropy of Shannon and SampEn2D. Second, we evaluated the dependence of EspEn on variations of the values of the parameters m, r, and ρ. Third, we evaluated the EspEn algorithm on NBT images. The results revealed that EspEn could discriminate images with different size and degrees of noise. Finally, EspEn provides an alternative algorithm to quantify the irregularity in 2D data; the recommended parameters for better performance are m = 3, r = 20, and ρ = 0.7

On the standardization of approximate entropy: multidimensional approximate entropy index evaluated on short-term HRV time series

Background. Nonlinear heart rate variability (HRV) indices have extended the description of autonomic nervous system (ANS) regulation of the heart. One of those indices is approximate entropy, ApEn, which has become a commonly used measure of the irregularity of a time series. To calculate ApEn, a priori definition of parameters like the threshold on similarity and the embedding dimension is required, which has been shown to be critical for interpretation of the results. Thus, searching for a parameter-free ApEn-based index could be advantageous for standardizing the use and interpretation of this widely applied entropy measurement. Methods. A novel entropy index called multidimensional approximate entropy, , is proposed based on summing the contribution of maximum approximate entropies over a wide range of embedding dimensions while selecting the similarity threshold leading to maximum ApEn value in each dimension. Synthetic RR interval time series with varying levels of stochasticity, generated by both MIX(P) processes and white/pink noise, were used to validate the properties of the proposed index. Aging and congestive heart failure (CHF) were characterized from RR interval time series of available databases. Results. In synthetic time series, values were proportional to the level of randomness; i.e., increased for higher values of P in generated MIX(P) processes and was larger for white than for pink noise. This result was a consequence of all maximum approximate entropy values being increased for higher levels of randomness in all considered embedding dimensions. This is in contrast to the results obtained for approximate entropies computed with a fixed similarity threshold, which presented inconsistent results for different embedding dimensions. Evaluation of the proposed index on available databases revealed that aging was associated with a notable reduction in values. On the other hand, evaluated during the night period was considerably larger in CHF patients than in healthy subjects. Conclusion. A novel parameter-free multidimensional approximate entropy index, , is proposed and tested over synthetic data to confirm its capacity to represent a range of randomness levels in HRV time series. values are reduced in elderly patients, which may correspond to the reported loss of ANS adaptability in this population segment. Increased values measured in CHF patients versus healthy subjects during the night period point to greater irregularity of heart rate dynamics caused by the disease

Estimation of indices derived from electrocardiographic and blood pressure signals for the study of the autonomic regulation during hemodialysis and hypotension episodes prediction

La hemodiálisis es el principal tratamiento de la uremia debida a una insuficiencia renal. Durante la hemodiálisis, el paciente sufre frecuentemente hipotensiones sintomáticas, seguidas de náuseas, vómitos y, en ocasiones, síncope. La hipotensión es una de las principales complicaciones de los pacientes de hemodiálisis, no sólo por la incomodidad del paciente y la pérdida de eficacia del tratamiento debido a las interrupciones, sino que ha sido demostrado que también incrementa la mortalidad de los pacientes que las sufren. Se busca por tanto desarrollar métodos para poder predecir y evitar estos episodios, en especial usando técnicas no invasivas que nos permitan además identificar a los pacientes con propensión a sufrir hipotensiones. Una de las hipótesis respecto al origen de dichas hipotensiones es una alteración en la regulación cardiovascular del sistema nervioso autónomo. La variabilidad del ritmo cardiaco es una de las principales medidas no invasivas que se usa para medir la actividad de dicho sistema, que puede completarse con medidas obtenidas a partir de la variabilidad de la presión sanguínea, por ejemplo, la sensibilidad barorrefleja. Se han obtenido diversos índices clínicos obtenidos a partir de la variabilidad del ritmo cardiaco, la variabilidad de la presión sanguínea, y la sensibilidad barorrefleja, capaces de distinguir entre pacientes propensos y resistentes a sufrir episodios de hipotensión. Como base de datos se han utilizado señales electrocardiográficas (ECG) y de presión sanguínea (BP) registradas simultáneamente durante hemodiálisis en Lund (Suecia) y Copenhague (Dinamarca) que pertenecen a sujetos de los cuales se sabe si son propensos o resistentes a sufrir hipotensiones. Se ha propuesto un clasificador capaz de separar los distintos pacientes en propensos y resistentes, y se ha aplicado una selección de características para mejorar dicha clasificación, obteniendo una precisión (Acc) de 88.4%. Introduciendo la información del estado de diabetes de los pacientes, se ha conseguido mejorar el resultado consiguiendo una sensibilidad (Se) y una especificidad (Sp) de 97.5% y 72.7% respectivamente, y una Acc=92.3%. Este resultado se ha mejorado balanceando las dos clases consiguiendo Se=87.8%, Sp=100% y Acc=93.2%. Por último, se ha estudiado cómo evolucionan dichas características a lo largo del tratamiento de hemodiálisis. Los resultados muestran que los pacientes resistentes presentan características similares a los pacientes propensos a lo largo del tratamiento, siendo más evidente en los casos de pacientes resistentes con episodios de hipotensión

QRS Detection Optimization in Stress Test Recordings Using Evolutionary Algorithms

QRS detection in exercise stress test recordings remains a challenging task because they are highly non-stationary and contaminated with noise. An algorithm to find the optimal set of parameters for QRS detection in these recordings is proposed. The performance improves up to 10.46 % in noisy recordings

Autonomic nervous system biomarkers from multi-modal and model-based signal processing in mental health and illness

Esta tesis se centra en técnicas de procesado multimodal y basado en modelos de señales para derivar parámetros fisiológicos, es decir, biomarcadores, relacionados con el sistema nervioso autónomo (ANS). El desarrollo de nuevos métodos para derivar biomarcadores de ANS no invasivos en la salud y la enfermedad mental ofrece la posibilidad de mejorar la evaluación del estrés y la monitorización de la depresión. Para este fin, el presente documento se estructura en tres partes principales. En la Parte I, se proporciona unaintroducción a la salud y la enfermedad mental (Cap. 1). Además, se presenta un marco teórico para investigar la etiología de los trastornos mentales y el papel del estrés en la enfermedad mental (Cap. 2). También se destaca la importancia de los biomarcadores no invasivos para la evaluación del ANS, prestando especial atención en la depresión clínica (Cap. 3, 4). En la Parte II, se proporciona el marco metodológico para derivar biomarcadores del ANS. Las técnicas de procesado de señales incluyen el análisis conjunto de la variabilidad del rítmo cardíaco (HRV) y la señal respiratoria (Cap. 6), técnicas novedosas para derivar la señal respiratoria del electrocardiograma (ECG) (Cap. 7) y un análisis robusto que se basa en modelar la forma de ondas del pulso del fotopletismograma (PPG) (Ch. 8). En la Parte III, los biomarcadores del ANS se evalúan en la quantificacióndel estrés (Cap. 9) y en la monitorización de la depresión (Ch. 10).Parte I: La salud mental no solo está relacionada con ese estado positivo de bienestar, en el que un individuo puede enfrentar a las situaciones estresantes de la vida, sino también con la ausencia de enfermedad mental. La enfermedad o trastorno mental se puede definir como un trastorno emocional, cognitivo o conductual que causa un deterioro funcional sustancial en una o más actividades importantes de la vida. Los trastornos mentales más comunes, que muchas veces coexisten, son la ansiedad y el trastorno depresivo mayor (MDD). La enfermedad mental tiene un impacto negativo en la calidad de vida, ya que se asocia con pérdidas considerables en la salud y el funcionamiento, y aumenta ignificativamente el riesgo de una persona de padecer enfermedades ardiovasculares.Un instigador común que subyace a la comorbilidad entre el MDD, la patologíacardiovascular y la ansiedad es el estrés mental. El estrés es común en nuestra vida de rítmo rapido e influye en nuestra salud mental. A corto plazo, ANS controla la respuesta cardiovascular a estímulos estresantes. La regulación de parámetros fisiológicos, como el rítmo cardíaco, la frecuencia respiratoria y la presión arterial, permite que el organismo responda a cambios repentinos en el entorno. Sin embargo, la adaptación fisiológica a un fenómeno ambiental que ocurre regularmente altera los sistemas biológicos involucrados en la respuesta al estrés. Las alteraciones neurobiológicas en el cerebro pueden alterar lafunción del ANS. La disfunción del ANS y los cambios cerebrales estructurales tienen un impacto negativo en los procesos cognitivos, emocionales y conductuales, lo que conduce al desarrollo de una enfermedad mental.Parte II: El desarrollo de métodos novedosos para derivar biomarcadores del ANS no invasivos ofrece la posibilidad de mejorar la evaluacón del estrés en individuos sanos y la disfunción del ANS en pacientes con MDD. El análisis conjunto de varias bioseñales (enfoquemultimodal) permite la cuantificación de interacciones entre sistemas biológicos asociados con ANS, mientras que el modelado de bioseãles y el análisis posterior de los parámetros del modelo (enfoque basado en modelos) permite la cuantificación robusta de cambios en mecanismos fisiológicos relacionados con el ANS. Un método novedoso, quetiene en cuenta los fenómenos de acoplo de fase y frecuencia entre la respiración y las señales de HRV para evaluar el acoplo cardiorrespiratorio no lineal cuadrático se propone en el Cap. 6.3. En el Cap. 7 se proponen nuevas técnicas paramejorar lamonitorización de la respiración. En el Cap. 8, para aumentar la robustez de algunas medidas morfológicas que reflejan cambios en el tonno arterial, se considera el modelado del pulso PPG como una onda principal superpuesta con varias ondas reflejadas.Parte III: Los biomarcadores del ANS se evalúan en la cuantificación de diferentes tipos de estrés, ya sea fisiológico o psicológico, en individuos sanos, y luego, en la monitorización de la depresión. En presencia de estrés mental (Cap. 9.1), inducido por tareas cognitivas, los sujetos sanos muestran un incremento en la frecuencia respiratoria y un mayor número de interacciones no lineales entre la respiración y la seãl de HRV. Esto podría estar asociado con una activación simpática, pero también con una respiración menos regular. En presencia de estrés hemodinámico (Cap. 9.2), inducido por un cambio postural, los sujetos sanos muestran una reducción en el acoplo cardiorrespiratoriono lineal cuadrático, que podría estar relacionado con una retracción vagal. En presencia de estrés térmico (Cap. 9.3), inducido por la exposición a emperaturas ambientales elevadas, los sujetos sanos muestran un aumento del equilibrio simpatovagal. Esto demuestra que los biomarcadores ANS son capaces de evaluar diferentes tipos de estrés y pueden explorarse más en el contexto de la monitorización de la depresión. En el Cap. 10, se evalúan las diferencias en la función del ANS entre elMDD y los sujetos sanos durante un protocolo de estrés mental, no solo con los valores brutos de los biomarcadores del ANS, sino también con los índices de reactividad autónoma, que reflejan la capacidad deun individuo para afrontar con una situación desafiante. Los resultados muestran que la depresión se asocia con un desequilibrio autonómico, que se caracteriza por una mayor actividad simpática y una reducción de la distensibilidad arterial. Los índices de reactividad autónoma cuantificados por cambios, entre etapas de estrés y de recuperación, en los sustitutos de la rigidez arterial, como la pérdida de amplitud de PPG en las ondas reflejadas, muestran el mejor rendimiento en términos de correlación con el grado de la depresión, con un coeficiente de correlación r = −0.5. La correlación negativa implicaque un mayor grado de depresión se asocia con una disminución de la reactividadautónoma. El poder discriminativo de los biomarcadores del ANS se aprecia también por su alto rendimiento diagnóstico para clasificar a los sujetos como MDD o sanos, con una precisión de 80.0%. Por lo tanto, se puede concluir que los biomarcadores del ANS pueden usarse para evaluar el estrés y que la distensibilidad arterial deteriorada podría constituir un biomarcador de salud mental útil en el seguimiento de la depresión.This dissertation is focused on multi-modal and model-based signal processing techniques for deriving physiological parameters, i.e. biomarkers, related to the autonomic nervous system (ANS). The development of novel approaches for deriving noninvasive ANS biomarkers in mental health and illness offers the possibility to improve the assessment of stress and the monitoring of depression. For this purpose, the present document is structured in three main parts. In Part I, an introduction to mental health and illness is provided (Ch. 1). Moreover, a theoretical framework for investigating the etiology of mental disorders and the role of stress in mental illness is presented (Ch. 2). The importance of noninvasive biomarkers for ANS assessment, paying particular attention in clinical depression, is also highlighted (Ch. 3, 4). In Part II, themethodological framework for deriving ANS biomarkers is provided. Signal processing techniques include the joint analysis of heart rate variability (HRV) and respiratory signals (Ch. 6), novel techniques for deriving the respiratory signal from electrocardiogram (ECG) (Ch. 7), and a robust photoplethysmogram(PPG)waveform analysis based on amodel-based approach (Ch. 8). In Part III, ANS biomarkers are evaluated in stress assessment (Ch. 9) and in the monitoring of depression (Ch. 10). Part I:Mental health is not only related to that positive state ofwell-being, inwhich an individual can cope with the normal stresses of life, but also to the absence of mental illness. Mental illness or disorder can be defined as an emotional, cognitive, or behavioural disturbance that causes substantial functional impairment in one or more major life activities. The most common mental disorders, which are often co-occurring, are anxiety and major depressive disorder (MDD). Mental illness has a negative impact on the quality of life, since it is associated with considerable losses in health and functioning, and increases significantly a person’s risk for cardiovascular diseases. A common instigator underlying the co-morbidity between MDD, cardiovascular pathology, and anxiety is mental stress. Stress is common in our fast-paced society and strongly influences our mental health. In the short term, ANS controls the cardiovascular response to stressful stimuli. Regulation of physiological parameters, such as heart rate, respiratory rate, and blood pressure, allows the organism to respond to sudden changes in the environment. However, physiological adaptation to a regularly occurring environmental phenomenon alters biological systems involved in stress response. Neurobiological alterations in the brain can disrupt the function of the ANS. ANS dysfunction and structural brain changes have a negative impact on cognitive, emotional, and behavioral processes, thereby leading to development of mental illness. Part II: The development of novel approaches for deriving noninvasive ANS biomarkers offers the possibility to improve the assessment of stress in healthy individuals and ANS dysfunction in MDD patients. Joint analysis of various biosignals (multi-modal approach) allows for the quantification of interactions among biological systems associated with ANS, while the modeling of biosignals and subsequent analysis of the model’s parameters (model-based approach) allows for the robust quantification of changes in physiological mechanisms related to the ANS. A novel method, which takes into account both phase and frequency locking phenomena between respiration and HRV signals, for assessing quadratic nonlinear cardiorespiratory coupling is proposed in Ch. 6.3. Novel techniques for improving the monitoring of respiration are proposed in Ch. 7. In Ch. 8, to increase the robustness for some morphological measurements reflecting arterial tone changes, the modeling of the PPG pulse as amain wave superposed with several reflected waves is considered. Part III: ANS biomarkers are evaluated in the assessment of different types of stress, either physiological or psychological, in healthy individuals, and then, in the monitoring of depression. In the presence of mental stress (Ch. 9.1), induced by cognitive tasks, healthy subjects show an increment in the respiratory rate and higher number of nonlinear interactions between respiration and HRV signal, which might be associated with a sympathetic activation, but also with a less regular breathing. In the presence of hemodynamic stress (Ch. 9.2), induced by a postural change, healthy subjects show a reduction in strength of the quadratic nonlinear cardiorespiratory coupling, whichmight be related to a vagal withdrawal. In the presence of heat stress (Ch. 9.3), induced by exposure to elevated environmental temperatures, healthy subjects show an increased sympathovagal balance. This demonstrates that ANS biomarkers are able to assess different types of stress and they can be further explored in the context of depression monitoring. In Ch. 10, differences in ANS function between MDD and healthy subjects during a mental stress protocol are assessed, not only with the raw values of ANS biomarkers but also with autonomic reactivity indices, which reflect the ability of an individual to copewith a challenging situation. Results show that depression is associated with autonomic imbalance, characterized by increased sympathetic activity and reduced arterial compliance. Autonomic reactivity indices quantified by changes, from stress to recovery, in arterial stiffness surrogates, such as the PPG amplitude loss in wave reflections, show the best performance in terms of correlation with depression severity, yielding to correlation coefficient r = −0.5. The negative correlation implies that a higher degree of depression is associated with a decreased autonomic reactivity. The discriminative power of ANS biomarkers is supported by their high diagnostic performance for classifying subjects as having MDD or not, yielding to accuracy of 80.0%. Therefore, it can be concluded that ANS biomarkers can be used for assessing stress and that impaired arterial compliance might constitute a biomarker of mental health useful in the monitoring of depression.<br /

Efectos de la pérdida de datos en las métricas de Variabilidad del Ritmo Cardíaco

La explosión en el mercado de dispositivos wearables ha supuesto una revolución en el ámbito de la monitorización de la salud. Gran parte de la población, incluida la población no paciente, posee dispositivos de pulsera capaces de detectar sus latidos a lo largo de todo el día. Juntocon las ventajas que esto supone, aparecen nuevos retos. Uno de ellos es la estabilidad de la calidad de la señal. Los movimientos constantes de estos dispositivos hacen que se produzcan grandes pérdidas de datos, que pueden ocasionar un deterioro de las mediciones. Esto es especialmente relevante en los dispositivos que analizan la variabilidad de ritmo cardíaco, una técnica que permite inferir información del sistema nervioso autónomo de forma no invasiva a partir del control que éste ejerce sobre el sistema circulatorio. Esta técnica necesita que todos los pulsos sean detectados para funcionar correctamente, por lo que la pérdida de datos supone inevitablemente un deterioro. Este trabajo se centra en investigar cómo se produce esta degradación para diferentes métodos y qué técnicas se pueden utilizar para reducirla. Para ello, se ha desarrollado un método de simulación de pérdida de pulsos que permite analizar los dos tipos de errores que se suelen dar: errores aleatoriamente distribuidos y en ráfagas. A su vez, se propone un nuevo método de rellenado de pulsos como una posibilidad de preprocesado, que obtiene mejores resultados que el método de referencia. Dependiendo de la aplicación y de los requerimientos de los dispositivos, se sugieren los métodos más robustos teniendo en cuenta también su coste y la información que proveen. Los métodos se han probado en una base de datos con 17 sujetos sometidos a una prueba de mesa basculante, que permite provocar cambios en la activación del sistema nervioso autónomo sin involucrar al sistema central o causar actividad en los músculos. Las métricas se han comparado tanto en la degradación de sus valores como en la capacidad para distinguir los cambios provocados por la prueba de mesa basculante.<br /

Influence of photoplethysmogram signal quality on pulse arrival time during polysomnography

Intervals of low-quality photoplethysmogram (PPG) signals might lead to significant inaccuracies in estimation of pulse arrival time (PAT) during polysomnography (PSG) studies. While PSG is considered to be a “gold standard” test for diagnosing obstructive sleep apnea (OSA), it also enables tracking apnea-related nocturnal blood pressure fluctuations correlated with PAT. Since the electrocardiogram (ECG) is recorded synchronously with the PPG during PSG, it makes sense to use the ECG signal for PPG signal-quality assessment. (1) Objective: to develop a PPG signal-quality assessment algorithm for robust PAT estimation, and investigate the influence of signal quality on PAT during various sleep stages and events such as OSA. (2) Approach: the proposed algorithm uses R and T waves from the ECG to determine approximate locations of PPG pulse onsets. The MESA database of 2055 PSG recordings was used for this study. (3) Results: the proportions of high-quality PPG were significantly lower in apnea-related oxygen desaturation (matched-pairs rc = 0.88 and rc = 0.97, compared to OSA and hypopnea, respectively, when p &lt; 0.001) and arousal (rc = 0.93 and rc = 0.98, when p &lt; 0.001) than in apnea events. The significantly large effect size of interquartile ranges of PAT distributions was between low- and high-quality PPG (p &lt; 0.001, rc = 0.98), and regular and irregular pulse waves (p &lt; 0.001, rc = 0.74), whereas a lower quality of the PPG signal was found to be associated with a higher interquartile range of PAT across all subjects. Suggested PPG signal quality-based PAT evaluation reduced deviations (e.g., rc = 0.97, rc = 0.97, rc = 0.99 in hypopnea, oxygen desaturation, and arousal stages, respectively, when p &lt; 0.001) and allowed obtaining statistically larger differences between different sleep stages and events. (4) Significance: the implemented algorithm has the potential to increase the robustness of PAT estimation in PSG studies related to nocturnal blood pressure monitoring

The Effect of Emotional Valence on Ventricular Repolarization Dynamics Is Mediated by Heart Rate Variability: A Study of QT Variability and Music-Induced Emotions

Background: Emotions can affect cardiac activity, but their impact on ventricular repolarization variability, an important parameter providing information about cardiac risk and autonomic nervous system activity, is unknown. The beat-to-beat variability of the QT interval (QTV) from the body surface ECG is a non-invasive marker of repolarization variability, which can be decomposed into QTV related to RR variability (QTVrRRV) and QTV unrelated to RRV (QTVuRRV), with the latter thought to be a marker of intrinsic repolarization variability. Aim: To determine the effect of emotional valence (pleasant and unpleasant) on repolarization variability in healthy volunteers by means of QTV analysis. Methods: 75 individuals (24.5 ± 3.2 years, 36 females) without a history of cardiovascular disease listened to music-excerpts that were either felt as pleasant (n = 6) or unpleasant (n = 6). Excerpts lasted about 90 s and were presented in a random order along with silent intervals (n = 6). QTV and RRV were derived from the ECG and the time-frequency spectrum of RRV, QTV, QTVuRRV and QTVrRRV as well as time-frequency coherence between QTV and RRV were estimated. Analysis was performed in low-frequency (LF), high frequency (HF) and total spectral bands. Results: The heart rate-corrected QTV showed a small but significant increase from silence (median 347/interquartile range 31 ms) to listening to music felt as unpleasant (351/30 ms) and pleasant (355/32 ms). The dynamic response of QTV to emotional valence showed a transient phase lasting about 20 s after the onset of each musical excerpt. QTV and RRV were highly correlated in both HF and LF (mean coherence ranging 0.76–0.85). QTV and QTVrRRV decreased during listening to music felt as pleasant and unpleasant with respect to silence and further decreased during listening to music felt as pleasant. QTVuRRV was small and not affected by emotional valence. Conclusion: Emotional valence, as evoked by music, has a small but significant effect on QTV and QTVrRRV, but not on QTVuRRV. This suggests that the interaction between emotional valence and ventricular repolarization variability is mediated by cycle length dynamics and not due to intrinsic repolarization variability