mittaukset

kokeet koostuivat spontaanista hengityksestä 10 minuutin ajan, jota seurasi kolme intervallia ohjattua suurnopeushengitystä (Kuva. 1, Vihreä tummennetut alueet)4 minuutin spontaani hengitys välillä. Ensimmäinen ohjattu hengitysväli oli 90% RHR: stä (alkoi noin 600 s: n kohdalla), toinen väli (alkamisaika noin 1000 s) vastasi RHR: ää vastaavaa hengitysnopeutta ja kolmas väli (noin 1400 s) vaati hengitystä 120%: lla RHR: stä. Hengitystä ohjaava animaatio kesti 100 täydellistä hengitysjaksoa. Ohjattuja intervalleja tässä työssä huomioon otetuille 22 vapaaehtoiselle on yhteensä 66.

hetkellinen hengitysnopeus (sininen) ja syke (punainen) on esitetty vapaaehtoisen 11. Ohjatun hengityksen alueet varjostetaan. Merkkiaineet ” x ” ja ” + ” vastaavat hengityssignaalin maksimeja ja EKG-signaalin R-huippuja. Kaikkia alussa olevia 10 minuutin lepoaikoja ei ole esitetty, sillä näitä tietoja ei ole tässä artikkelissa erikseen analysoitu.

tehtiin samanaikaisia EKG-ja hengityssignaalien tallennuksia. Methods-osiossa kuvatun tietojenkäsittelymenetelmän mukaan sekä hengitys-että syketaajuudet määritettiin hertseinä, mutta tässä asiakirjassa havainnollistamiseksi nopeudet esitetään lyönteinä minuutissa (BPM). Sydän ja hengitysnopeudet piirretään yhteen kuviossa. 1 Anna selkeä kuva kokeellinen suunnittelu, intervallit lisääntynyt hengitysnopeudet, jotka nousevat jyrkästi nopeus lähellä RHR. Syke osoittaa vasteen askelmuutokseen hengitysnopeudessa; näitä askelvasteita käsitellään jäljempänä.

hengitysnopeus käyttövoimana

koska koe suunniteltiin niin, että hengitysnopeus ohjattujen intervallien aikana pyrittiin olemaan vakio. Kokeet kuitenkin osoittivat, että yksilöt eivät pystyneet seuraamaan metronomin nopeutta tarkasti,joten hetkellinen hengitysnopeus vaihteli. Lisäksi muutamissa tapauksissa havaittiin nielemistä tai yskää. Keskimääräiset hengitysnopeudet vastasivat kuitenkin metronomin asettamia ohjattuja arvoja. Kuviossa 2 korostetaan, kuinka tarkasti vapaaehtoiset noudattivat metronomia: suhteutettuna normalisoituun aikaväliin 2 (100% RHR), välien 1 ja 3 keskiarvot ovat hyvin lähellä arvoja 0, 9 (90% RHR) ja 1, 2 (120% RHR), kuten kokeellisessa menetelmässä on tarkoitettu. Tälle vapaaehtoiselle (Kuva. 2), poikkeama kunkin jakson keskiarvosta on alle 4%. Kaikkien intervallien ja vapaaehtoisten hengitysnopeuden keskiarvo ja keskihajonta on esitetty tukitietojen (SI) taulukossa SI1. Useimmiten keskihajonta on alle 10%. Hengitysnopeuden keskihajonta määrittää ohjattujen hengitysnopeuksien väliset mahdollisimman pienet askelkerrat. Kohorttimme hengitysnopeuden keskihajonnan arvot vahvistavat, että valitut 10%: n ja 20%: n inkrementaaliset muutokset suhteessa RHR: ään takaavat tilastollisesti merkittävän muutoksen hengitysnopeuden keskiarvossa ohjatun hengityksen intervallien välillä.

hetkelliset hengitysnopeudet, jotka on normalisoitu intervallin 2 keskimääräisellä hengitysnopeudella, on merkitty merkkiaineella ”x”. Katkoutuneet mustat viivat edustavat nopeuden keskihajontaa, kun taas kiinteä musta viiva on tuon ajan keskimääräinen hengitysnopeus. Olettaen vapaaehtoinen seuraa metronomin hyvin, välillä keskihajonta linjat on pieni. Normalisointi osoittaa hengitysnopeuden suhteessa RHR: ään. Vapaaehtoisen tiedot 11.

Shapiro-Wilkin normaalitesti osoitti, että 33: lla 66: sta ohjatusta intervallista hengitysnopeus on normaalisti jakautunut. Poikkeamat normaalista liittyvät lähinnä yskimiseen ja / tai nielemiseen. Kwiatkowski–Phillips–Schmidt-Shin (KPSS) – testi osoitti, että lähes kaikki (63/66) intervallit ovat trend-stationaarisia. Siten stokastinen komponentti ohjatussa hengitysnopeudessa voidaan esittää Gaussin satunnaisprosessina, ja itse hengityssignaali vastaa stokastisia kvasiharmonisia värähtelyjä, joiden amplitudi on vakio ja taajuus vaihteleva (KS. SI1 in SI).

Sykevaste hengityksen askelmuutokseen

sykkeen keskiarvo ja keskihajonta kaikilla intervalleilla ja vapaaehtoisilla on esitetty si: n taulukossa SI2. Näiden tietojen vaihtelu on huomattavasti voimakkaampaa kuin hengitystaajuustietojen. Tämä selittyy sykkeen nonstationaarisella dynamiikalla. Päinvastoin kuin ohjattu hengitysnopeus, KPSS-testi osoitti, että 63: lla 66: sta tiheästä hengitysvälistä hetkellinen syke ei ole paikallaan. Lisäksi Shapiro-Wilkin testi osoitti, että 49 sykettä 66: sta ei jakaudu normaalisti. Huomaa, että intervallit, joilla oli 120% hengitysnopeus, jotka olivat intervalleja, joiden odotettiin näyttävän synkronoinnin, eivät korreloineet suoraan intervalleihin, joiden syke normaalisti jakautui.

havaittu ei-stationaarisuus liittyy ohimeneviin sopeutumisjaksoihin, joita havaittiin useimpien ohjattujen intervallien aikana, jolloin syke nousi tasolle, joka oli suhteeton määrättyyn hengitysnopeuteen nähden, muodostaen ramppivasteen. Sopeutuminen näkyi erityisesti kovatahtisen hengityksen ensimmäisenä intervallina (Kuva. 1). Riippumatta siitä, olettaen vapaaehtoisen rentoutuneen ja jatkaneen hengitys metronomin jälkeen, heidän sykkeensä mukautui vastaavasti. Tämä ohimenevä ajanjakso on vähäisempi toisen ja kolmannen intervallin aikana.

ohimenevän vasteen analysoimiseksi laskettiin sydämen sykkeen hidas suuntaus käyttäen liukuvaa keskiarvoa, joka on kuvattu kohdassa menetelmät. Erilaisia trendikuvioita havaittiin (Kuva. SI2 in SI) ja joinain väliajoin ei ollut trendiä. Kuvassa esitetyssä esimerkissä. 3, Ensimmäinen väli osoittaa ylitysvasteen ensimmäisellä sykkeen nousulla, jota seuraa hajoaminen; tämä käyttäytyminen oli tyypillistä kohortillemme (esimerkkejä näistä tonteista löytyy kaikille vapaaehtoisille Fig: ssä. SI2 in SI). Toisen ja kolmannen intervallin kuviot olivat monimutkaisempia, mutta valtaosaan sisältyi ohimenevä korotus. Karkeat arviot osoittivat, että tämä ohimenevä sykkeen nousu kesti 10-100 sekuntia. Tämä havainto kyseenalaistaa joitakin tuloksia19, 20,21, joissa ohjatun hengityksen koko aikaväli oli noin 30 sekuntia. Joinain väliajoin syke näytti alkavan taipua tasaiseen arvoon alkukantaisen sopeutumisen jälkeen. Selvää tasapainotilaa ei kuitenkaan havaittu, ja useimmissa tapauksissa syke jatkoi diffuusiota. Itse asiassa tällainen vaeltava dynamiikka on sydämen rata22: n ominaisuus ja se on otettava huomioon synkronointia analysoitaessa.

sykkeen trendit ohjatun hengityksen aikana. Mustat kurvit vastaavat trendejä. Punaiset viivat määrittävät hengitysnopeuden keskiarvon (solid line) ja keskihajonnan (dashed lines) kullekin aikavälille. Kaikki tiedot normalisoitu keskimääräisellä hengitysnopeudella intervallilla 2. Aiotun sykevasteen pitäisi tarkoittaa, että musta käyrä osuu punaisiin katkoviivaihin niin suuren osan ajasta kuin mahdollista. Vapaaehtoisen tiedot 11.

synkronointi

kuvassa on esimerkki synkronointiohjelmasta6, joka käsittää kaikki ohjatut hengitysvälit ja spontaanit lepojaksot. 4, jossa Ψ edustaa hengityssignaalin suhteellista vaihetta (KS.menetelmät-osio). Jakso vaihe synkronointi suhde 1:1 näkyy tasaisena viivana 1400-1450 sekunnin välillä kolmannen ohjatun hengitysvälin aikana, jolloin nopeus on 120% RHR: stä. Tämän jakson aikana sykkeen harhailu on vähäistä ja syke vaihtelee tietyn arvon ympärillä (Kuva. 3 c)). Ennen tätä episodia ja sen jälkeen syke näyttää vaihtelevaa käyttäytymistä.

Synchrogram for volunteer 11. Varjostetut alueet vastaavat ohjatun hengityksen alueita. Vaihe Ψ näkyy radiaaneina.

18: lla 22 vapaaehtoisesta CRS esiintyi kolmannen jakson aikana, jolloin ohjattu hengitysnopeus oli suurempi kuin RHR. Neljällä vapaaehtoisella (numerot 2, 10, 20 ja 21) havaittiin synkronointijaksoja toisella jaksolla, jolloin hengitysnopeuden oli tarkoitus olla sama kuin RHR. Sydämen sykkeen lisäanalyysi 10 minuutin lepojakson aikana ennen ohjattua hengitystä viittaa siihen, että näille laskettu RHR-arvo oli mahdollisesti liian korkea, joten tällä toisella jaksolla hengitysnopeus oli todellista RHR-arvoa suurempi. Näin ollen kaikkien vapaaehtoisten CRS havaittiin, kun hengitysnopeus oli suurempi kuin RHR. Monissa tapauksissa havaittiin useampi kuin yksi CRS-jakso saman ajanjakson aikana. Nämä jaksot tunnistettiin automaattisesti synkronointi-indeksin6 λ ja rajatun vaihe-eron φ avulla, kuten Menetelmäosiossa on kuvattu. Pisin jakso yksilöitiin ja kaikkien jaksojen kokonaiskesto annetulla väliajalla laskettiin. Kaikki tulokset on esitetty taulukossa 1, ja ajat on annettu lähimmälle sekunnille. Kahdella menetelmällä lasketut CRS-kestot tuottivat läheisiä arvoja. Useimmilla vapaaehtoisilla pisin jakso pidennettiin, kestot vaihtelivat 20-80 sekunnin välillä, mikä vastasi 30-98 prosenttia koko ohjatun hengityksen aikavälistä.

yhdellä vapaaehtoisella (numero 3) oli hyvin lyhyitä TPJ-jaksoja. Tämän vapaaehtoisen ja vapaaehtoisen 2: n vaihe-eron dynamiikka ja kolmannen intervallin nopeudet on esitetty kuvassa. 5 (samanlaisia vertailu tontteja löytyy kaikille vapaaehtoisille Fig. SI3 in SI). Näiden kuvioiden tulkinta mahdollistaa taulukossa 1 määriteltyjen kestojen visualisoinnin. Yläpaneeli (kuvaaja (A) ja (e) Kuvassa. 5) osoittaa sykkeen ja hengitysnopeuden vaihe-eron. Vaihe-eron värähtely rajatulla alueella, joka on alle 2 π, tai vaihe-ero, joka on lähellä vakioarvoa pitkän ajan ajan, on osoitus näiden kahden signaalin vaihe-synkronoinnista. Eri vapaaehtoisten synkronointijaksojen kesto on esitetty taulukossa 1. Toinen paneeli (juoni (B) ja (f)) näyttää synkronointi-indeksin aikariippuvuuden. Indeksin arvo lähellä yhtä edustaa 1: 1 synkronointia kahden värähtelevän signaalin välillä. Kokeellisesti perustellun kynnysarvon 0,7 ylittävät pidennetyt jaksot määrittävät λ: n arvon taulukossa 1. Kolmas paneeli (käyrät (C) ja (g)) näyttää synkronoinnin koko tiheän hengityksen ajaksi. Vaiheen aikana synkronointipisteet synkronointiohjelmassa osoittavat tasannetta. Tällaiset tasanteet edustavat yhden signaalin vaihetta, joka ei muutu enempää kuin kokonaisen jakson verran suhteessa toisen signaalin vaiheeseen. Lopullinen paneeli (käyrät (D) ja (h)) ovat esitys sydämen ja hengitysteiden nopeuksista, joiden avulla voidaan verrata hetkellisiä nopeuksia jaksojen synkronoinnin ja vaiheiden dynamiikan aikana. Katkonaiset punaiset viivat kuvaavat hengitysnopeuden suurta vaihtelua jopa kontrolloidulle hengitykselle-mitä suurempi tämä alue, sitä vaihtelevampi hengitysnopeus ja siten sitä huonommin vapaaehtoisella säilyi Tasainen nopeus. Kiinteä punainen viiva on keskimääräinen hengitysnopeus, ja sininen viiva osoittaa hetkellisen hengitysnopeuden dynamiikkaa koko väliajan. Musta viiva tonteissa (d) ja (h) vastaa sykettä poistetuilla korkeataajuisilla värähtelyillä käyttämällä liukuvan keskiarvon tekniikoita. Vaihesynkronoinnin jaksoissa mustan viivan odotetaan putoavan kokonaan katkonaisten punaisten viivojen väliin, mikä edustaa sitä, että sykkeen vaihtelu sisältyy hengitysnopeuden vaihteluun.

Synkronointitoimet vapaaehtoisille 2 (vasemmalla) ja vapaaehtoisille 3 (oikealla). Luvut (A, e) osoittavat vaihe-eron, luvut (B,f) synkronointi-indeksin, luvut (c,g) synkronointiohjelman ja luvut (d, h) osoittavat tasoitetut sydämen (musta viiva) ja hengitysteiden (sininen viiva) nopeudet. Kuvioina (d,h) punaiset viivat määrittävät hengitysnopeuden keskiarvon (kiinteä viiva) ja keskihajonnan (katkoviivat) kullekin aikavälille.

viikuna. 5, molemmissa tapauksissa syke (Kuva. 5 (d, h)) ovat visuaalisesti lähellä hengitysnopeuksia koko väli, mutta vaiheen dynamiikka (Kuva. 5 (A, e)) ovat huomattavan erilaisia. Vaihe-ero φ (Kuva. 5 (a)) on rajoitettu ja lähes vakio vapaaehtoisille 2, kun taas se kasvaa monotonisesti vapaaehtoisille 3 (kuva. 5 (e)). Tämä merkittävä ero vaihe-ja nopeusdynamiikan välillä korostaa kvalitatiivisten lähestymistapojen, kuten vaiheen kuvauksen, käytön merkitystä stokastisten ja/tai ei-stationaaristen signaalien synkronoinnin analysoinnissa.

kuten edellä mainittiin, CRS-jaksoja havaittiin toisella jaksolla (renderöinnin oli tarkoitus vastata RHR: ää) neljällä vapaaehtoisella. Siksi niiden kolmas väli vastasi huomattavasti RHR: ää korkeampaa hengitysnopeutta. Vaihe-eron φ aikakehitys kaikille kolmelle intervallille on esitetty kuviossa. 6 yhdelle näistä vapaaehtoisista. Vaihe-ero φ kasvaa monotonisesti ajan kanssa ensimmäisen intervallin aikana, koska sydämen värähtelyt ovat nopeampia kuin hengitys. Rajoitettu ja lähes vakio vaihe-ero toisen intervallin aikana osoittaa synkronointivaikutuksen ilmentymistä. Kolmannella intervallilla tilanne on päinvastainen ja vaihe-ero pienenee monotonisesti. Huomaa, että kaikkien muiden vapaaehtoisten kohdalla kolmas väli vastasi synkronointiväliä ja siten rajallista vaihe-eroa.

Vaiheerot φ kolmen ohjatun hengitysvälin osalta on esitetty vapaaehtoisille 2. Sininen, punainen ja vihreä käyrä vastaavat ensimmäistä (90% RHR), toista (100% RHR) ja kolmatta (120% RHR) intervallia. Vaihe-erot normalisoidaan 2π: llä.

urheilijoiden (tähdellä merkitty) ja ei-urheilijoiden tulosten välillä on selvä ero synkronointijaksojen kestossa (Taulukko 1). On huomattava, että suurin osa urheilijoista oli huomattavasti pienempi RHR, noin 50 BPM (taulukko SI1 in SI), verrattuna muihin vapaaehtoisiin, ja siten olisi hengittää alhaisemmalla nopeudella aikana välein ohjattu hengitys. Tämä johtaa biasing ongelma suunnittelussa kokeen-asentaja yksilön, ja pienempi niiden RHR, hitaampi he tarvitsivat hengittää, vaikka todennäköisesti pystyy ylläpitämään korkeampia hengitysnopeuksia kuin ei-urheilijoita. Kaikilla urheilijoilla oli pitkiä synkronointijaksoja. Ei-urheilijoiden tulokset eivät ole yhtä johdonmukaisia; kuitenkin pisin synkronointijakso kohortissa havaittiin ei-urheilijalla (vapaaehtoinen 2).

koska 9 tutkimuksen 10 urheilijasta on miehiä, miesten ja naisten välisten synkronointijaksojen vertailu ei välttämättä edusta tasaisesti jakautunutta väestöä, ja se olisi luonnostaan puolueellista urheilijoiden ja ei-urheilijoiden välisen eron vuoksi. Kun otetaan huomioon ei-urheilijat, miehiä on 5 ja naisia 7. Taulukosta 1 voidaan nähdä, että miesten ja naisten tuloksissa ei ole eroa 12 ei-urheilijan osalta. Jaksot synkronointi ja yhteensä kestot ovat vertailukelpoisia pituus. Sattumalta, sekä pisin ja lyhin jaksot synkronoinnin olivat naisten (vapaaehtoinen 2 ja 3, vastaavasti), selvät erot näiden tulosten osoitti Fig. 5.

vaikka tässä tutkimuksessa tarkastelluilla synkronointimittareilla on onnistuneesti tunnistettu CRS-episodeja, on tärkeää korostaa, että nämä episodit voivat silti olla yhteensattumia, ilman sydän-ja hengityselimistön välistä vuorovaikutusta. Itse asiassa on keskusteltu edellä, että syke osoittaa harhailua (diffusive) dynamiikkaa ja muutoksia laajalla alueella. Tämän diffuusiviteetin vuoksi, kun hengitys-ja syketaajuudet ovat jonkin aikaa lähellä toisiaan, niiden keskimääräiset nopeudet ovat lähes yhtä suuret, eikä nopeuksien välisiä eroja näkyisi selvästi näiden lyhyiden ajanjaksojen aikana. Tämä puolestaan tarkoittaisi, että kaikki toimenpiteet, eli synkronointi-ohjelma, synkronointi-indeksi ja vaihe-ero, tunnistaisivat nämä ajanjaksot synkronoinnin jaksoiksi, vaikka todellista sydän-hengitys-vuorovaikutusta ei olisikaan. Siksi tässä työssä osoitamme lisäksi, että havaitsemamme episodit eivät olleet sattumaa käyttämällä korviketietoja.

Tarkastellaanpa satunnaisella, normaalisti jakautuneella datalla tuotettua korvaavaa hengitystä ja sykettä ja johdetaan tälle datalle synkronointi-ja synkronointaindeksi. Hengityksen ja sydämen lyöntitiheyden keskiarvot (70 BPM) ja keskihajonnat (3%) valitaan samansuuruisiksi ja ne vastaavat kahta eri satunnaista aikasarjaa. Nämä nopeudet on muunnettu methods-osiossa kuvatuiksi hetkellisiksi jaksoiksi, mikä johtaa kahteen korvaavaan aikasarjaan: toinen EKG-signaalin R-piikeistä ja toinen hengityssignaalin maksimeista. Silloin käytettiin samoja signaalinkäsittelytekniikoita kuin kokeellisessa datassa, ja vaihe-ero Ψ laskettiin yhdessä synkronointiindeksin λ (Fig. 7). Voidaan nähdä, että vaihe Ψ (Kuva. 7a) on lähes vakio (ΨC ≈ 2) pitkän ajan välein ja synkronointiindeksi λ (Fig. 7b) on suurempi kuin kynnysarvo (0,7) koko aikavälille. Siksi synkronointijaksot näille korvaaville tiedoille ovat selvästi havaittavissa. On tärkeää huomata, että sijadatalle synkronointiohjelman vaiheen ψc lähes vakioarvo ΨC on satunnainen arvo, vaikka kaikki toimenpiteet osoittavat synkronointijaksoja. Esimerkiksi Fig. 7 vaihe on noin 2 (ΨC ≈ 2), mutta vaatisi eri arvon toiselle sijadatan joukolle. Näin ollen sattumalta havaitun synkronoinnin vuoksi mittajoukolle p(Ψ): n jakauman on oltava yhtenäinen, koska nopeuksien aikasarjat ovat täysin riippumattomia. Toisaalta ero tasajakaumasta p (Ψ) osoittaisi sydän-ja hengityselinten välisen kytkennän. Kuvassa. 8, Jakelu p (Ψ) johdettu meidän kokeellisia tietoja kaikkien 22 intervallit ohjatun hengityksen synkronointi jaksot kaikista vapaaehtoisista on esitetty. Ψ: n arvot valittiin synkronoiduista tonteista, kun λ > 0,9. Raja-arvoa nostettiin kokeelliseen analyysiin verrattuna voimakkaimman vuorovaikutuksen jaksojen korostamiseksi (huomaa, että muut raja-arvot, esim.0.7, johtaa samanlaiseen muotoon jakauma). Jakauma (Kuva. 8) on vinossa ja sen todennäköisin arvo on 4; ΨC ≈ 4. Tämä tulos osoittaa, että vaihe lukitus meidän kokeellisen datan havaitaan tietyn arvon Ψ ja siksi synkronointi jaksot eivät ole sattumaa ja seurausta todellinen sydän-hengitys vuorovaikutus.

synchrogram (A) and synchronization index (b) for surrogate data; keskiarvo on 70 BPM ja keskihajonta 3%. Punainen ja magenta dashed linjat vastaavat λ = 0.7 ja λ = 0.9 vastaavasti.

kokeellisen datan todennäköisyystiheys p(ψ) esitetään viivakaaviossa. Vaihe Ψ näkyy radiaaneina.