Měření

Experimenty se skládala ze spontánního dýchání po dobu 10 minut, pak následuje tři intervaly řízené high-frekvence dýchání (Obr. 1, zelené stínované oblasti) se 4 minutami spontánního dýchání mezi nimi. První řízené dýchání interval byl na 90% RHR (začal kolem 600 s), druhý interval (čas zahájení je kolem 1000 s) odpovídá dechová frekvence se rovná RHR, a třetí interval (kolem 1400 y) požadované dýchání na 120% RHR. Animace navádějící dýchání probíhala po dobu 100 kompletních dechových cyklů. Celkový počet řízených intervalů pro 22 dobrovolníků uvažovaných v této práci je 66.

Okamžitá dechová frekvence (modrá) a srdeční frekvence (červené) jsou uvedeny z údajů pro dobrovolníka 11. Oblasti řízeného dýchání jsou zastíněny. Markery “ x “ a “ + “ odpovídají maximům v respiračním signálu a R-špičkám v EKG signálu. Ne všechny 10minutové intervaly odpočinku na začátku jsou zobrazeny, protože tato data nejsou v tomto článku explicitně analyzována.

byly provedeny simultánní záznamy EKG a respiračních signálů. Podle postupu zpracování dat popsaného v části metody byly dýchání i srdeční frekvence odvozeny v Hertzech; pro ilustrativní účely v tomto článku jsou však sazby uvedeny v úderech za minutu (BPM). Srdeční a dechové frekvence jsou vykresleny společně na obr. 1 poskytněte jasný obraz experimentálního návrhu s intervaly zvýšené rychlosti dýchání, které prudce stoupají na rychlost blízkou RHR. Srdeční frekvence demonstruje reakci na krokovou změnu rychlosti dýchání; tyto krokové reakce budou popsány níže.

dechová frekvence jako hnací síla

vzhledem ke konstrukci experimentu měla být dechová frekvence během řízených intervalů konstantní. Experimenty však prokázaly, že jednotlivci nebyli schopni přesně sledovat rychlost metronomu, takže došlo k variabilitě rychlosti okamžitého dýchání. V několika případech bylo navíc pozorováno polykání nebo kašel. Průměrná rychlost dýchání se však shodovala s vedenými hodnotami stanovenými metronomem. Obrázek 2 ukazuje, jak úzce dobrovolníků následoval metronom: relativní normalizovaná interval 2 (100% RHR), průměrné sazby pro interval 1 a 3 jsou velmi blízko hodnoty 0,9 (90% RHR) a 1,2 (120% RHR), jak bylo zamýšleno podle experimentálního postupu. Pro tohoto dobrovolníka (obr. 2), odchylka od průměru pro každý interval je menší než 4%. Střední a směrodatná odchylka dechové frekvence pro všechny intervaly a dobrovolníky jsou uvedeny v tabulce Si1 podpůrných informací (SI). Pro většinu intervalů je směrodatná odchylka menší než 10%. Směrodatná odchylka dechová frekvence definuje minimální možné krocích mezi průvodcem dýchání sazby. Hodnoty pro standardní odchylka dýchání sazby získat pro naše kohorta potvrdit, že vybrané 10% a 20% dílčí změny s ohledem na RHR záruka statisticky významné změně průměrné hodnoty dechové frekvence mezi intervaly řízené dýchání.

Okamžité dechové frekvence, normalizovat tím, že průměrná dechová frekvence z intervalu 2, jsou uvedeny pomocí značky „x“. Přerušované černé čáry představují směrodatnou odchylku rychlosti, zatímco plná černá čára je střední dechová frekvence pro tento interval. Za předpokladu, že dobrovolník dobře sleduje metronom, bude rozsah mezi liniemi směrodatné odchylky malý. Normalizace ukazuje proporcionální rychlost dýchání vzhledem k RHR. Údaje od dobrovolníka 11.

Shapiro-Wilk normality test ukázal, že 33 z 66 veden intervalech, dechová frekvence je obvykle distribuována. Odchylky od normality jsou spojeny hlavně s kašlem a / nebo polykáním. Test Kwiatkowski-Phillips-Schmidt-Shin (KPSS) prokázal, že téměř všechny (63 ze 66) intervaly jsou trendově stacionární. To znamená, že náhodné složky v řízené dýchání může být reprezentován jako Gaussův náhodný proces, a dýchání signál odpovídá stochastické kvazi-harmonické kmity s konstantní amplitudou a proměnnou frekvencí (viz Obr. SI1 v SI).

Srdeční frekvence odezvy na skokové změny v dýchání

průměr a směrodatná odchylka srdeční frekvence pro všechny intervaly a dobrovolníků, jsou uvedeny v Tabulce SI2 SI. Variabilita těchto údajů je výrazně silnější než u údajů o rychlosti dýchání. To lze vysvětlit nestacionární dynamikou srdeční frekvence. Naopak na řízené dýchání, KPSS test prokázal, že 63 z 66 vysoce frekvence dýchání intervalech, okamžité srdeční frekvence je nestacionární. Test Shapiro-Wilk navíc ukázal, že 49 ze 66 intervalů srdeční frekvence není normálně distribuováno. Všimněte si, že v intervalech s 120% dechová frekvence, které byly intervaly očekává, že k zobrazení synchronizace, nekoreluje přímo na intervalech, jejichž srdeční frekvence byla normálně rozložena.

všiml si, non-stacionarita je spojena s přechodnou adaptační období, které byly pozorovány pro většinu prohlídky intervalech, s srdeční tep se zvyšuje na úroveň, nepřiměřené předepsanou rychlost dýchání, tvoří rampu reakci. Adaptace byla zvláště viditelná během prvního intervalu vysokorychlostního dýchání (obr. 1). Bez ohledu na to, za předpokladu, že se dobrovolník uvolnil a pokračoval po dýchacím metronomu, jejich srdeční frekvence se odpovídajícím způsobem upravila. Toto přechodné období je méně výrazné v následujících druhých a třetích intervalech.

pro analýzu přechodné odpovědi byl vypočítán pomalý trend srdeční frekvence pomocí techniky klouzavého průměru popsané v části metody. Byla pozorována řada trendových vzorců (obr. SI2 v SI) a v některých intervalech nebyl žádný trend. V příkladu uvedeném na obr. 3, první interval ukazuje překročení odpověď s počátečním zvýšení srdeční frekvence následuje úpadek; toto chování bylo typické pro naše kohorta (příklady těchto pozemků, lze nalézt pro všechny dobrovolníky na Obr. SI2 v SI). Vzory pro druhý a třetí interval byly složitější, ale většina zahrnovala přechodné zvýšení rychlosti. Hrubé odhady ukázaly, že trvání tohoto přechodného zvýšení srdeční frekvence trvalo mezi 10 a 100 sekundami. Toto pozorování zpochybňuje některé výsledky19, 20, 21, kde celý interval řízeného dýchání byl kolem 30 sekund. V některých intervalech se zdálo, že srdeční frekvence po počáteční adaptaci začíná mít tendenci k ustálené hodnotě. Nebyl však pozorován žádný jasný ustálený stav a ve většině případů srdeční frekvence pokračovala v difúzi. Ve skutečnosti je taková putovní dynamika charakteristickým znakem srdeční frekvence22 a měla by být brána v úvahu při analýze synchronizace.

Trendy v srdeční frekvence během intervalu řízené dýchání. Černé křivky odpovídají trendům. Červené čáry určují střední hodnotu (plná čára) a směrodatnou odchylku (přerušované čáry) dechové frekvence pro každý interval. Všechny údaje jsou normalizovány průměrnou rychlostí dýchání v intervalu 2. Zamýšlená odezva srdeční frekvence by měla znamenat, že černá křivka spadá do červených přerušovaných čar po co největší část intervalu. Údaje od dobrovolníka 11.

synchronizace

na obr. 4, Kde Ψ představuje relativní fázi (viz část metody) dýchacího signálu. Epizoda fázové synchronizace s poměrem 1:1 je viditelné jako dřív hranici mezi 1400 a 1450 s během třetího intervalu řízené dýchání, kde rychlost je stanovena na 120% RHR. Během této epizody je putování srdeční frekvence omezené a srdeční frekvence kolísá kolem určité hodnoty (obr. 3 písm. c)). Před a po této epizodě srdeční frekvence vykazuje difuzní chování.

Synchrogram pro dobrovolníka 11. Stínované oblasti odpovídají oblastem řízeného dýchání. Fáze Ψ je zobrazena v radiánech.

Pro 18 22 dobrovolníků, CRS došlo ve třetím intervalu, kdy průvodcem dechová frekvence byla vyšší než RHR. U čtyř dobrovolníků (číslo 2, 10, 20 a 21) byly pozorovány epizody synchronizace pro druhý interval, kdy měla být rychlost dýchání rovna RHR. Další analýza srdeční frekvence během 10 minut odpočinout interval před průvodcem dýchání naznačuje, že RHR hodnota vypočtená pro tyto byl potenciálně příliš vysoká, a tak pro tento druhý interval dechová frekvence byla výše skutečné RHR. Tak, pro všechny dobrovolníky CRS byla pozorována, když dechová frekvence byla vyšší než RHR. V mnoha případech byla ve stejném časovém intervalu pozorována více než jedna epizoda CRS. Tyto epizody byly automaticky identifikovány synchronizačním indexem6 λ a ohraničeným fázovým rozdílem φ, jak je popsáno v části metody. Nejdelší epizoda byla vybrána a byla vypočtena celková doba trvání všech epizod v daném intervalu. Všechny výsledky jsou shrnuty v tabulce 1 s časy uvedenými do nejbližší sekundy. Doby trvání CRS vypočtené oběma metodami vytvořily blízké hodnoty. U většiny dobrovolníků byla nejdelší epizoda prodloužena, přičemž doba trvání se pohybovala od 20 do 80 sekund, což odpovídá 30% až 98% celého intervalu řízeného dýchání.

jeden dobrovolník (číslo 3) měl velmi krátké epizody CRS. Dynamika fázového rozdílu a rychlosti pro třetí interval pro tohoto dobrovolníka a dobrovolníka 2 jsou znázorněny na obr. 5 (podobné srovnávací grafy lze nalézt pro všechny dobrovolníky na obr. SI3 v SI). Interpretace těchto grafů umožňuje vizualizaci trvání uvedených v tabulce 1. Horní panel (plot (a) A (e) na obr. 5) ukazuje fázový rozdíl mezi srdeční frekvencí a dechovou frekvencí. Oscilace fázového rozdílu v omezeném rozsahu menším než 2 π nebo fázový rozdíl blízký konstantní hodnotě po delší dobu svědčí o fázové synchronizaci mezi oběma signály. Doba trvání synchronizačních epizod pro různé dobrovolníky je uvedena v tabulce 1. Druhý panel (plot (b) A (f)) ukazuje časovou závislost indexu synchronizace. Hodnota indexu Blízkého jednomu představuje synchronizaci 1:1 mezi dvěma oscilačními signály. Rozšířené epizody nad experimentálně odůvodněnou prahovou hodnotou 0,7 určují hodnotu λ v tabulce 1. Třetí panel (grafy (c) A (g)) zobrazuje synchrogram pro celý interval vysokorychlostního dýchání. Během fázové synchronizace body na synchrogramu demonstrují plošinu. Takové plošiny představují fázi jednoho signálu, která se nemění o více než celé období vzhledem k fázi druhého signálu. Konečný panel (grafy (d) A (h)) jsou reprezentací srdeční a respirační frekvence pro srovnání okamžitých rychlostí během epizod synchronizace s dynamikou fází. Přerušované červené čáry představují vysoká variabilita dechové frekvence i pro řízené dýchání – čím větší je tento rozsah, tím více variabilní rychlost dýchání a tím i horší dobrovolník udržuje konstantní rychlost. Pevná červená čára je průměrná dechová frekvence a modrá čára demonstruje dynamiku okamžité dechové frekvence v celém intervalu. Černá čára v grafech (d) A (h) odpovídá srdeční frekvenci s odstraněnými vysokofrekvenčními oscilacemi pomocí technik klouzavého průměru. Během epizod fázové synchronizace se očekává, že černá čára zcela spadne mezi přerušované červené čáry, což představuje skutečnost, že variabilita srdeční frekvence je obsažena v variabilitě dechové frekvence.

Synchronizace opatření pro dobrovolníka 2 (vlevo) a dobrovolníka, 3 (vpravo). Čísla (a,e) ukazují, fázový rozdíl, postavy (b,f) show synchronizace indexu, čísla (c,g) ukázat synchrogram, a čísla (d,h) ukazují, vyhlazené srdce (černá čára) a respirační (modrá čára) sazby. Na obrázcích (d, h) červené čáry specifikují střední hodnotu (plná čára)a směrodatnou odchylku (přerušované čáry) dechové frekvence pro každý interval.

Na obr. 5, v obou případech srdeční frekvence (obr. 5 (d, h)) jsou vizuálně blízké rychlosti dýchání po celý interval, ale fázová dynamika (obr. 5(a, e)) jsou pozoruhodně odlišné. Fázový rozdíl φ (obr. 5(a)) je omezený a téměř konstantní pro dobrovolníka 2, zatímco pro dobrovolníka 3 se monotónně zvyšuje (obr. 5 písm. e)). Tento významný rozdíl mezi fází a hodnotit dynamiku zdůrazňuje význam kvalitativních přístupů, jako je fáze popis analýza synchronizace pro signály s stochastické a/nebo nestacionární složky.

jak již bylo zmíněno, epizody CRS byly pozorovány ve druhém intervalu (míra zamýšlená jako ekvivalentní RHR) u čtyř dobrovolníků. Proto jejich třetí interval odpovídal rychlosti dýchání výrazně vyšší než RHR. Časový vývoj fázového rozdílu φ pro všechny tři intervaly je znázorněn na obr. 6 pro jednoho z těchto dobrovolníků. Fázový rozdíl φ se monotónně zvyšuje s časem během prvního intervalu, protože oscilace srdce jsou rychlejší než dýchání. Omezený a téměř konstantní fázový rozdíl během druhého intervalu demonstruje projev synchronizačního efektu. Pro třetí interval je situace opačná a fázový rozdíl monotónně klesá. Všimněte si, že u všech ostatních dobrovolníků odpovídal třetí interval synchronizačnímu intervalu, a tedy omezenému fázovému rozdílu.

Fázové rozdíly φ za tři řízené dýchání intervaly jsou uvedeny pro dobrovolníka 2. Modré, červené a zelené křivky odpovídají první (90% RHR), druhé (100% RHR) a třetí (120% RHR) intervalech, resp. Fázové rozdíly jsou normalizovány pomocí 2π.

Existuje jasný rozdíl v trvání synchronizace epizody mezi výsledky pro sportovce (zvýrazněné hvězdičkou) a non-sportovci (Tabulka 1). Je třeba poznamenat, že většina sportovců měla výrazně nižší RHR, kolem 50 BPM (tabulka SI1 v SI), ve srovnání s jinými dobrovolníky, a proto by dýchala při nižších rychlostech během intervalů řízeného dýchání. To vede k ovlivnění problém v designu experimentu – montér jedince, a tím nižší jejich RHR, tím pomaleji se potřebovali nadechnout, i přes pravděpodobné, že jsou více schopné udržet vyšší dýchání sazby, než non-sportovců. Všichni sportovci měli dlouhé synchronizační epizody. Výsledky nesportovců jsou méně konzistentní; nejdelší epizoda synchronizace v kohortě však byla pozorována u nesportovce (dobrovolník 2).

Jako 9 z 10 sportovců v rámci studie jsou muži, celkové srovnání synchronizace epizody mezi mužskými a ženskými účastníky není nutně reprezentativní pro rovnoměrné rozdělení populace, a by být ze své podstaty neobjektivní rozdíl mezi sportovce a non-atleti uvedeno výše. Při zvažování non-sportovci však, existují 5 muži a 7 ženy. Z tabulky 1 je vidět, že neexistuje žádný rozdíl mezi výsledky mužů a žen pro 12 nesportovců. Epizody synchronizace a celková doba trvání jsou srovnatelné délky. Shodou okolností byly nejdelší i nejkratší epizody synchronizace ženy (dobrovolník 2 a 3), s jasnými rozdíly mezi těmito výsledky prokázanými na obr. 5.

i když opatření synchronizace považovat v tomto výzkumu byly úspěšně identifikovány epizody CRS, je důležité zdůraznit, že těchto epizod může stále být náhodné, bez jakékoli kardio-respirační interakce. Ve skutečnosti bylo diskutováno výše, že srdeční frekvence vykazuje putující (difuzní) dynamiku a změny v širokém rozmezí. Vzhledem k této rozptyl, při dýchání a srdeční frekvence jsou blízko u sebe po dobu, jejich průměrné ceny jsou téměř stejné, a žádné rozdíly mezi sazbami by být jasně vidět během těchto krátkých období. Synchrogram, synchronizační index a fázový rozdíl, by identifikovaly tato časová období jako epizody synchronizace i při absenci skutečné kardio-respirační interakce. Proto v této práci dodatečně prokazujeme, že epizody, které jsme pozorovali, nebyly náhodné použitím náhradních dat.

uvažujme náhradní dýchání a srdeční frekvence generované pomocí náhodných, normálně distribuovaných dat a odvodit synchrogram a index synchronizace pro tato data. Průměrné hodnoty (70 BPM) a standardní odchylky (3%) dýchání a srdeční frekvence jsou vybrány tak, aby být stejné a odpovídat na dva různé náhodné časové řady. Tyto sazby byly převedeny na okamžitý období, jak je popsáno v Metodách části, která vede ke dvěma náhradní časové řady: R-vrcholy EKG signálu a další maxima dýchání signál. Poté byly použity stejné techniky zpracování signálu jako u experimentálních dat a fázový rozdíl Ψ byl vypočítán společně se synchronizačním indexem λ (obr. 7). Je vidět, že fáze Ψ (obr. 7a) je téměř konstantní (ΨC ≈ 2) pro dlouhý časový interval a synchronizační index λ (obr. 7b) je větší než prahová hodnota (0,7) pro celý interval. Proto jsou jasně pozorovány synchronizační epizody pro tato náhradní data. Je důležité si uvědomit, že pro náhradní údaje, téměř konstantní hodnotu ΨC fáze Ψ na synchrogram je náhodná hodnota, i přes všechna opatření ukazuje epizody synchronizace. Například na obr. 7 fáze je kolem 2 (ΨC 2 2), ale bude mít jinou hodnotu pro jinou sadu náhradních dat. V důsledku toho, pro synchronizaci pozorovanou náhodou, musí být rozdělení p (Ψ) pro sadu měření jednotné, protože časová řada rychlostí je zcela nezávislá. Na druhé straně by rozdíl od rovnoměrného rozdělení p (Ψ) naznačoval přítomnost vazby mezi kardio a respiračním systémem. Na Obr. 8 je ukázána distribuce p(Ψ) odvozená z našich experimentálních dat pro všech 22 intervalů řízeného dýchání se synchronizačními epizodami od všech dobrovolníků. Hodnoty Ψ byly vybrány ze synchrogramových grafů, když λ > 0.9. Prahová hodnota byla zvýšena oproti experimentální analýza upozornit epizody nejsilnější interakce (všimněte si, že jiné prahové hodnoty, např. 0.7, vést k podobnému tvaru distribuce). Distribuce (obr. 8) je zkosený a má nejpravděpodobnější hodnotu 4; ΨC 4 4. Tento výsledek naznačuje, že fázové blokování v našich experimentálních datech je pozorováno pro určitou hodnotu Ψ, a proto synchronizační epizody nejsou náhodné a jsou výsledkem skutečné kardio-respirační interakce.

Synchrogram (a) a synchronizace indexu (b) pro náhradní údaje; průměr je 70 tepů za minutu a směrodatná odchylka je 3%. Červené a purpurové přerušované čáry odpovídají λ = 0,7 a λ = 0,9.

hustoty Pravděpodobnosti p(Ψ) pro experimentální data je zobrazen ve sloupcovém grafu. Fáze Ψ je zobrazena v radiánech.