Las frecuencias respiratorias instantáneas, normalizadas por la frecuencia respiratoria media del intervalo 2, se muestran mediante el marcador «x». Las líneas negras discontinuas representan la desviación estándar de la frecuencia, mientras que la línea negra sólida es la frecuencia respiratoria media para ese intervalo. Suponiendo que un voluntario sigue bien el metrónomo, el rango entre las líneas de desviación estándar será pequeño. La normalización demuestra la tasa proporcional de respiración en relación con la RHR. Datos del voluntario 11.

La prueba de normalidad de Shapiro-Wilk mostró que en 33 de los 66 intervalos guiados, la frecuencia respiratoria se distribuye normalmente. Las desviaciones de la normalidad se asocian principalmente con tos y / o deglución. La prueba Kwiatkowski–Phillips–Schmidt–Shin (KPSS) demostró que casi todos los intervalos (63 de 66) son de tendencia estacionaria. Por lo tanto, el componente estocástico en la frecuencia respiratoria guiada puede representarse como un proceso aleatorio gaussiano, y la señal de respiración en sí corresponde a oscilaciones cuasi armónicas estocásticas con una amplitud constante y una frecuencia variable (ver Fig. SI1 en SI).

Frecuencia cardíaca respuesta al cambio escalonado de la frecuencia respiratoria

La media y la desviación estándar de la frecuencia cardíaca para todos los intervalos y voluntarios se muestran en la Tabla SI2 del SI. La variabilidad de estos datos es significativamente mayor que la de los datos de la frecuencia respiratoria. Esto puede explicarse por la dinámica no estacionaria de la frecuencia cardíaca. A la inversa de la frecuencia respiratoria guiada, la prueba KPSS demostró que en 63 de los 66 intervalos respiratorios de alta frecuencia, la frecuencia cardíaca instantánea no es estacionaria. Además, la prueba de Shapiro-Wilk mostró que 49 de los 66 intervalos de frecuencia cardíaca no se distribuyen normalmente. Nótese que los intervalos con una frecuencia respiratoria del 120%, que eran los intervalos que se esperaba que mostraran sincronización, no se correlacionaron directamente con los intervalos cuya frecuencia cardíaca se distribuía normalmente.

La falta de estacionalidad observada está relacionada con períodos de adaptación transitorios que se observaron para la mayoría de los intervalos guiados, con frecuencias cardíacas que aumentan a niveles desproporcionados a la frecuencia respiratoria prescrita, formando una respuesta de rampa. La adaptación fue particularmente visible durante el primer intervalo de respiración de alta frecuencia (Fig. 1). En cualquier caso, suponiendo que un voluntario se relajara y continuara siguiendo el metrónomo respiratorio, su frecuencia cardíaca se ajustó en consecuencia. Este período transitorio es menos pronunciado en los intervalos segundo y tercero posteriores.

Para analizar la respuesta transitoria, se calculó una tendencia lenta de la frecuencia cardíaca mediante una técnica de media móvil descrita en la sección Métodos. Se observó una variedad de patrones de tendencia (Fig. SI2 en SI) y para algunos intervalos no hubo tendencia. En el ejemplo presentado en la Fig. 3, el primer intervalo muestra una respuesta excesiva con un aumento inicial de la frecuencia cardíaca seguido de un deterioro; este comportamiento fue típico de nuestra cohorte (se pueden encontrar ejemplos de estas gráficas para todos los voluntarios en la Fig. SI2 en SI). Los patrones para el segundo y tercer intervalo fueron más complejos, pero la mayoría incluyó un aumento transitorio de la tasa. Las estimaciones aproximadas mostraron que la duración de este aumento transitorio de la frecuencia cardíaca duró entre 10 y 100 segundos. Esta observación cuestiona algunos resultados19, 20, 21 donde el intervalo total de respiración guiada fue de alrededor de 30 segundos. En algunos intervalos, la frecuencia cardíaca parecía comenzar a tender a un valor de estado estacionario después de la adaptación inicial. Sin embargo, no se observó un estado estacionario claro y, en la mayoría de los casos, la frecuencia cardíaca siguió difuminándose. De hecho, esta dinámica errante es una característica de la frecuencia cardiaca22 y debe tenerse en cuenta al analizar la sincronización.

Tendencias en la frecuencia cardíaca durante los intervalos de guiado de la respiración. Las curvas negras corresponden a las tendencias. Las líneas rojas especifican el valor medio (línea continua) y la desviación estándar (líneas discontinuas) de la frecuencia respiratoria para cada intervalo. Todos los datos normalizados por la frecuencia respiratoria media del intervalo 2. La respuesta de la frecuencia cardíaca deseada debe significar que la curva negra cae dentro de las líneas discontinuas rojas durante la mayor parte del intervalo posible. Datos del voluntario 11.

Sincronización

En la Fig. 4, donde Ψ representa la fase relativa (ver sección Métodos) de la señal respiratoria. Un episodio de sincronización de fase con la relación 1:1 es visible como una línea plateada entre 1400 s y 1450 s durante el tercer intervalo de respiración guiada, donde la tasa se establece en el 120% de la RHR. Durante este episodio, la desviación de la frecuencia cardíaca es limitada y la frecuencia cardíaca fluctúa alrededor de un valor particular (Fig. 3 c)). Antes y después de este episodio, la frecuencia cardíaca muestra un comportamiento difuso.

Synchrogram para los voluntarios de la 11. Las regiones sombreadas corresponden a las regiones de respiración guiada. La fase Ψ se muestra en radianes.

Para 18 de los 22 voluntarios, el SRC ocurrió dentro del tercer intervalo, cuando la frecuencia respiratoria guiada fue mayor que la RRC. Para cuatro voluntarios (número 2, 10, 20 y 21), se observaron episodios de sincronización para el segundo intervalo cuando se pretendía que la frecuencia respiratoria fuera igual a la RHR. Un análisis adicional de la frecuencia cardíaca durante el intervalo de descanso de 10 minutos antes de la respiración guiada sugiere que el valor de RHR calculado para estos fue potencialmente demasiado alto, por lo que para este segundo intervalo la frecuencia respiratoria fue superior a la RHR real. Por lo tanto, para todos los voluntarios se observó CRS cuando la frecuencia respiratoria era superior a la RHR. En muchos casos, se observó más de un episodio de SLC en el mismo intervalo de tiempo. Estos episodios fueron identificados automáticamente por el índice de sincronización6 λ y la diferencia de fase acotada φ como se describe en la sección Métodos. Se seleccionó el episodio más largo y se calculó la duración total de todos los episodios en el intervalo dado. Todos los resultados se resumen en la Tabla 1 con tiempos dados al segundo más cercano. Las duraciones del SIR calculadas por los dos métodos produjeron valores cercanos. Para la mayoría de los voluntarios, el episodio más largo se prolongó, con duraciones que variaron de 20 a 80 segundos, lo que corresponde al 30 a 98% de todo el intervalo de respiración guiada.

Un voluntario (número 3) tuvo episodios de SRC muy cortos. La dinámica de la diferencia de fase y las tasas para el tercer intervalo para este voluntario y voluntario 2 se muestran en la Fig. 5 (se pueden encontrar gráficas de comparación similares para todos los voluntarios en la Fig. SI3 en SI). La interpretación de estas gráficas permite visualizar las duraciones especificadas en la Tabla 1. El panel superior (gráfico (a) y (e) de la Fig. 5) demuestra la diferencia de fase entre la frecuencia cardíaca y la frecuencia respiratoria. Una oscilación de la diferencia de fase en un rango limitado inferior a 2 π, o la diferencia de fase cercana a un valor constante durante un período prolongado es indicativa de sincronización de fase entre las dos señales. La duración de los episodios de sincronización para los diferentes voluntarios se muestra en la Tabla 1. El segundo panel (gráfico (b) y (f)) muestra la dependencia temporal del índice de sincronización. Un valor del índice cercano a uno representa la sincronización 1: 1 entre dos señales oscilantes. Los episodios extendidos por encima del umbral justificado experimentalmente de 0,7 determinan el valor de λ en la Tabla 1. El tercer panel (gráficos (c) y (g)) muestra la sincronía para todo el intervalo de respiración de alta velocidad. Durante los puntos de sincronización de fase en el programa de sincronización demuestran una meseta. Tales mesetas representan la fase de una señal que no cambia por más de un período completo en relación con la fase de la segunda señal. El panel final (gráficos (d) y (h)) es una representación de las frecuencias cardíacas y respiratorias para una comparación de las frecuencias instantáneas durante los episodios de sincronización con la dinámica de las fases. Las líneas rojas discontinuas representan la alta variabilidad de la frecuencia respiratoria incluso para la respiración controlada: cuanto mayor es este rango, más variable es la frecuencia respiratoria y, por lo tanto, peor es que un voluntario mantenga una frecuencia constante. La línea roja sólida es la frecuencia respiratoria media, y la línea azul muestra la dinámica de la frecuencia respiratoria instantánea a lo largo del intervalo. La línea negra en las gráficas (d) y (h) corresponde a la frecuencia cardíaca con oscilaciones de alta frecuencia eliminadas mediante la aplicación de técnicas de media móvil. Durante los episodios de sincronización de fase, se espera que la línea negra caiga completamente entre las líneas rojas discontinuas, lo que representa el hecho de que la variabilidad de la frecuencia cardíaca está contenida dentro de la variabilidad de la frecuencia respiratoria.

Sincronización de medidas para los voluntarios de la 2 (izquierda) y de voluntariado 3 (derecha). Las figuras (a,e) muestran la diferencia de fase, las figuras (b,f) muestran el índice de sincronización, las figuras (c,g) muestran el sincrograma, y las figuras (d,h) muestran las tasas de corazón suavizado (línea negra) y respiratorio (línea azul). En las figuras (d,h), las líneas rojas especifican el valor medio (línea continua) y la desviación estándar (líneas discontinuas) de la frecuencia respiratoria para cada intervalo.

En la Fig. 5, para ambos casos la frecuencia cardíaca (Fig. 5 (d, h)) están visualmente cerca de las tasas de respiración para todo el intervalo, pero la dinámica de fase (Fig. 5 (a,e)) son notablemente diferentes. La diferencia de fase φ (Fig. 5 (a)) es limitado y casi constante para el voluntario 2, mientras que aumenta monótonamente para el voluntario 3 (Fig. 5 e)). Esta diferencia significativa entre la dinámica de fase y la dinámica de velocidad enfatiza la importancia del uso de enfoques cualitativos como la descripción de fase para el análisis de sincronización de señales con componentes estocásticos y/o no estacionarios.

Como se mencionó, se observaron episodios de SLC en el segundo intervalo (tasa que se pretende que sea equivalente a la RHR) para cuatro voluntarios. Por lo tanto, su tercer intervalo correspondió a una frecuencia respiratoria significativamente mayor que la RHR. La evolución temporal de la diferencia de fase φ para los tres intervalos se muestra en la Fig. 6 para uno de estos voluntarios. La diferencia de fase φ aumenta monótonamente con el tiempo durante el primer intervalo, ya que las oscilaciones cardíacas son más rápidas que la respiración. La diferencia de fase limitada y casi constante durante el segundo intervalo demuestra la manifestación del efecto de sincronización. Para el tercer intervalo, la situación es la opuesta y la diferencia de fase disminuye monótonamente. Tenga en cuenta que para todos los demás voluntarios, el tercer intervalo correspondió al intervalo de sincronización, y por lo tanto una diferencia de fase limitada.

las diferencias de Fase φ para tres guiada respiración intervalos se muestran para los voluntarios de la 2. Las curvas azul, roja y verde corresponden a los intervalos primero (90% RHR), segundo (100% RHR) y tercero (120% RHR) respectivamente. Las diferencias de fase se normalizan por 2π.

Hay una clara diferencia en la duración de los episodios de sincronización entre los resultados para atletas (resaltados con un asterisco) y no atletas (Tabla 1). Cabe señalar que la mayoría de los atletas tenían una RHR significativamente más baja, alrededor de 50 LPM (Tabla SI1 en SI), en comparación con otros voluntarios, y por lo tanto respirarían a tasas más bajas durante los intervalos de respiración guiada. Esto conduce a un problema de sesgo dentro del diseño del experimento: cuanto más en forma un individuo y cuanto más bajo sea su RHR, más lento necesitará respirar, a pesar de que probablemente sea más capaz de mantener tasas de respiración más altas que los no atletas. Todos los atletas tuvieron largos episodios de sincronización. Los resultados de los no atletas son menos consistentes; sin embargo, el episodio más largo de sincronización en la cohorte se observó para un no atleta (voluntario 2).

Como 9 de los 10 atletas dentro del estudio son hombres, una comparación general de episodios de sincronización entre participantes masculinos y femeninos no es necesariamente representativa de una población distribuida uniformemente, y estaría inherentemente sesgada por la diferencia entre atletas y no atletas discutida anteriormente. Sin embargo, al considerar a los no atletas, hay 5 hombres y 7 mujeres. De la Tabla 1 se puede ver que no existe diferencia entre los resultados masculinos y femeninos para los 12 no atletas. Los episodios de sincronización y las duraciones totales son de duración comparable. Coincidentemente, los episodios de sincronización más largos y más cortos fueron del sexo femenino (voluntario 2 y 3, respectivamente), con claras diferencias entre estos resultados demostradas en la Fig. 5.

A pesar de que las medidas de sincronización consideradas en esta investigación han identificado con éxito episodios de SRC, es importante destacar que esos episodios todavía podrían ser coincidentes, sin ninguna interacción cardiorrespiratoria. De hecho, se ha discutido anteriormente que la frecuencia cardíaca demuestra una dinámica errante (difusa) y cambios en un amplio rango. Debido a esta difusividad, cuando las frecuencias respiratorias y cardíacas están cerca una de la otra durante un período de tiempo, sus tasas promedio son casi iguales, y no se observarían diferencias entre las tasas durante estos períodos cortos. Esto, a su vez, significaría que todas las medidas, es decir, la sincronización, el índice de sincronización y la diferencia de fase, identificarían estos períodos de tiempo como episodios de sincronización, incluso en ausencia de una verdadera interacción cardiorrespiratoria. Por lo tanto, en este trabajo, además, demostramos que los episodios que observamos no fueron coincidentes mediante el empleo de datos sustitutos.

Consideremos las frecuencias cardíacas y de respiración subrogadas generadas utilizando datos aleatorios, distribuidos normalmente, y derivemos la sincronización y el índice de sincronización para estos datos. Los valores medios (70 LPM) y las desviaciones estándar (3%) de la frecuencia respiratoria y cardíaca se seleccionan para que sean iguales y correspondan a dos series temporales aleatorias diferentes. Estas tasas se han convertido en períodos instantáneos, como se describe en la sección Métodos, lo que conduce a dos series temporales sustitutivas: una de picos R de una señal de ECG y la otra de máximos de una señal de respiración. Luego se aplicaron las mismas técnicas de procesamiento de señales en cuanto a los datos experimentales, y se calculó la diferencia de fase Ψ junto con el índice de sincronización λ (Fig. 7). Se puede ver que la fase Ψ (Fig. 7a) es casi constante (ΨC ≈ 2) durante un largo intervalo de tiempo y el índice de sincronización λ (Fig. 7b) es mayor que el valor de umbral (0.7) para todo el intervalo. Por lo tanto, los episodios de sincronización para estos datos sustitutos se observan claramente. Es importante tener en cuenta que para los datos sustitutos, el valor casi constante ΨC de fase Ψ en el sincrograma es un valor aleatorio, a pesar de que todas las medidas muestran episodios de sincronización. Por ejemplo, en la Fig. 7 la fase es alrededor de 2 (ΨC ≈ 2), pero tomaría un valor diferente para otro conjunto de datos sustitutos. En consecuencia, para la sincronización observada por casualidad, la distribución de p(Ψ) para un conjunto de mediciones debe ser uniforme, ya que las series temporales de tasas son totalmente independientes. Por otro lado, una diferencia con respecto a una distribución uniforme p(Ψ) indicaría la presencia de acoplamiento entre los sistemas cardio y respiratorio. En la Fig. 8, se muestra la distribución p(Ψ) derivada de nuestros datos experimentales para los 22 intervalos de respiración guiada con episodios de sincronización de todos los voluntarios. Los valores de Ψ se seleccionaron a partir de gráficas de sincronía cuando λ > 0.9. El valor umbral se incrementó en comparación con el análisis experimental para resaltar los episodios de interacción más intensa (tenga en cuenta que otros valores umbral, por ejemplo, 0.7, conducen a una forma similar de la distribución). La distribución (Fig. 8) está sesgado y tiene el valor más probable de 4; ΨC ≈ 4. Este resultado indica que el bloqueo de fase en nuestros datos experimentales se observa para un valor particular de Ψ y, por lo tanto, los episodios de sincronización no son coincidentes y son el resultado de una verdadera interacción cardiorrespiratoria.

Synchrogram (a) y la sincronización de índice (b) para los datos sustitutos; la media es de 70 LPM y la desviación estándar es del 3%. Las líneas discontinuas rojas y magenta corresponden a λ = 0,7 y λ = 0,9 respectivamente.

de densidad de Probabilidad p(Ψ) para los datos experimentales se muestra en un gráfico de barras. La fase Ψ se muestra en radianes.