The effect of respiratory event type and duration on heart rate variability in suspected obstructive sleep apnea patients

Abstract. Obstructive sleep apnea (OSA) patients have often reduced long-term heart rate variability (HRV) which is a known risk factor for several cardiovascular diseases such as hypertension and stroke. Albeit OSA being actively studied, it has remained uncharacterized how the duration and type of respiratory events affect the heart rate (HR), i.e. RR intervals, and ultra-short-term HRV during and immediately after the individual respiratory events. This study aimed to investigate whether the changes in ultra-short-term HRV and HR are modulated by the duration and type of the individual respiratory events and whether these changes are sex-specific. It was hypothesized that longer respiratory events cause higher ultra-short-term HRV and greater differences between RR intervals during and after the respiratory event. Moreover, it was hypothesized that the higher HRV and greater differences in HR are associated with apneas and men stronger than hypopneas and women. Electrocardiograms (ECG) of 862 suspected OSA patients were collected during clinical polysomnography (PSG) at the Princess Alexandra Hospital (Brisbane, Australia) and they were analyzed retrospectively. Ultra-short-term HRV was studied with time-domain parameters determined from the ECG segments measured during (in-event) and 15 seconds after (post-event) the respiratory event. The respiratory events of all subjects were divided into groups based on the sex, the type of the respiratory events (apneas and hypopneas), and the duration of the respiratory events (10–20 s, 20–30 s, over 30 s). A clear bradycardia-tachycardia rhythm associated with respiratory events was observed. The ultra-short-term HRV and the difference between in- and post-event RR intervals increased with increasing respiratory event duration. However, the difference between in- and post-event HRV parameter values decreased with increasing duration of the respiratory events. Furthermore, higher ultra-short-term HRV and a greater decrease in RR interval were observed in apneas and men. Based on the results, the duration and type of the respiratory events modulate the HR and ultra-short-term HRV during and after the respiratory events, and these phenomena appear to be sex-specific. Therefore, considering the characteristics of respiratory events and ultra-short-term HRV could be useful in OSA diagnostics when estimating the OSA-related cardiac consequences. A scientific article based on the results of this thesis, Hietakoste et al. Longer apneas and hypopneas are associated with greater ultra-short-term HRV in OSA, has been submitted to a peer-reviewed scientific journal.Tiivistelmä. Uniapneapotilailla havaitaan usein matalaa pitkän aikavälin sykevälivaihtelua, jonka tiedetään myös olevan riskitekijä useille sydän- ja verisuonisairauksille. Ei kuitenkaan tiedetä, miten uniapneaan liittyvät erimittaiset hengityskatkot tai niiden tyyppi vaikuttavat yksittäisten hengityskatkojen aikaiseen ja jälkeiseen ultralyhyeen sykevälivaihteluun ja sydämen lyöntien väliseen kestoon, ts. RR-intervalleihin. Tässä tutkimuksessa tavoitteena oli tutkia ultralyhyen sykevälivaihtelun ja RR-intervallien sukupuolisidonnaisia muutoksia eri mittaisten apneoiden ja hypopneoiden aikana ja jälkeen. Hypoteesina oli, että pidemmät hengityskatkot aiheuttavat suurempia muutoksia hengityskatkojen aikaisen ja jälkeisen keskimääräisen RR-intervallien kestojen välille ja siten korkeampaa ultralyhyttä sykevälivaihtelua. Oletettiin myös, että apneat aiheuttavat suurempia muutoksia kuin hypopneat ja havaitut muutokset ovat suurempia miehillä kuin naisilla. Potilasaineisto koostui 862 uniapneasta epäillyn potilaan sydänsähkökäyristä (EKG), jotka oli mitattu Prinsessa Alexandran sairaalassa (Brisbane, Australia) osana kliinistä unipolygrafiaa. Ultralyhyen sykevälivaihtelun määrittämiseen käytettiin keskimääräistä RR-intervallien kestoa ja aikatason sykevälivaihteluparametreja, jotka määritettiin hengityskatkojen aikaisista ja jälkeisistä (15 s hengityskatkon jälkeen) EKG-segmenteistä. Tutkittavat hengityskatkot jaettiin ryhmiin niiden tyypin (apneat ja hypopneat) ja keston (10–20 s, 20–30 s ja yli 30 s) perusteella. Lisäksi miesten ja naisten hengityskatkoja tutkittiin erikseen. Tutkimuksessa havaittiin, että hengityskatkojen aikaisten ja jälkeisten RR-intervallien ero sekä ultralyhyt sykevälivaihtelu kasvoivat hengityskatkojen keston kasvaessa riippumatta sukupuolesta tai hengityskatkojen tyypistä. Havaittiin myös, että ero hengityskatkojen aikaisten ja jälkeisten sykevälivaihteluparametrien arvojen välillä pieneni hengityskatkojen pidentyessä riippumatta sukupuolesta tai hengityskatkojen tyypistä. Apneat kuitenkin aiheuttivat suuremman muutoksen kuin hypopneat, ja muutokset olivat suurempia miehillä. Tulosten perusteella hengityskatkojen tyyppi ja kesto vaikuttavat ultralyhyeen sykevälivaihteluun ja RR-intervalleihin. Ultralyhyen sykevälivaihtelun ja hengityskatkojen ominaisuuksien huomioonottaminen uniapnean diagnostiikassa voisi olla hyödyllistä arvioitaessa taudin vakavuutta ja sydänterveyteen liittyviä riskejä. Tämän tutkimuksen tuloksista on kirjoitettu tieteellinen artikkeli Hietakoste ym. Longer apneas and hypopneas are associated with greater ultra-short-term HRV in OSA, joka on lähetetty vertaisarvioitavaksi alan kansainväliseen tieteelliseen julkaisusarjaan