Controllo della frequenza cardiaca attraverso respirazione guidata ad alta frequenza
Misurazioni
Gli esperimenti consistevano in respirazione spontanea per 10 minuti seguita da tre intervalli di respirazione guidata ad alta frequenza (Fig. 1, aree ombreggiate verdi) con 4 minuti di respirazione spontanea tra ciascuno. Il primo intervallo di respirazione guidata era al 90% del RHR (iniziato a circa 600 s), il secondo intervallo (l’ora di inizio è di circa 1000 s) corrispondeva a una frequenza respiratoria uguale al RHR, e il terzo intervallo (circa 1400 s) richiedeva la respirazione al 120% del RHR. L’animazione che guida la respirazione ha funzionato per 100 cicli di respiro completi. Il numero totale di intervalli guidati per i volontari 22 considerati in questo lavoro è 66.
La frequenza respiratoria istantanea (blu) e la frequenza cardiaca (rossa) sono mostrate dai dati per il volontario 11. Le regioni della respirazione guidata sono ombreggiate. I marcatori ‘x’ e’ + ‘ corrispondono rispettivamente ai massimi nel segnale respiratorio e ai picchi R nel segnale ECG. Non viene mostrato tutto l’intervallo di riposo di 10 minuti all’inizio, poiché questi dati non vengono analizzati esplicitamente in questo articolo.
Sono state eseguite registrazioni simultanee di ECG e segnali respiratori. Secondo la procedura di elaborazione dei dati descritta nella sezione Metodi, sia la respirazione che le frequenze cardiache sono state derivate in Hertz; tuttavia, a scopo illustrativo in questo articolo, le frequenze sono presentate in battiti al minuto (BPM). I tassi di cuore e di respirazione tracciati insieme in Fig. 1 fornire un quadro chiaro del progetto sperimentale, con intervalli di aumento dei tassi di respirazione, che aumentano bruscamente a un tasso vicino al RHR. La frequenza cardiaca dimostra una risposta a un cambiamento di passo nei tassi di respirazione; queste risposte passo saranno discussi di seguito.
Frequenza respiratoria come forza motrice
A causa della progettazione dell’esperimento, la frequenza respiratoria durante gli intervalli guidati doveva essere costante. Tuttavia, gli esperimenti hanno dimostrato che gli individui non erano in grado di seguire esattamente la frequenza del metronomo, quindi c’era una variabilità nella frequenza respiratoria istantanea. Inoltre, in alcuni casi sono stati osservati deglutizione o tosse. Tuttavia, i tassi medi di respirazione corrispondevano ai valori guidati impostati dal metronomo. La figura 2 evidenzia come i volontari abbiano seguito da vicino il metronomo: rispetto all’intervallo normalizzato 2 (100% RHR), i tassi medi per l’intervallo 1 e 3 sono molto vicini ai valori di 0,9 (90% RHR) e 1,2 (120% RHR), come previsto dalla procedura sperimentale. Per questo volontario (Fig. 2), la deviazione dalla media per ogni intervallo è inferiore al 4%. La media e la deviazione standard della frequenza respiratoria per tutti gli intervalli e i volontari sono riportate nella Tabella SI1 delle Informazioni di supporto (SI). Per la maggior parte degli intervalli, la deviazione standard è inferiore al 10%. La deviazione standard della velocità di respirazione definisce gli incrementi minimi possibili tra le velocità di respirazione guidate. I valori per la deviazione standard dei tassi di respirazione ottenuti per la nostra coorte confermano che le variazioni incrementali selezionate del 10% e del 20% rispetto alla RHR garantiscono una variazione statisticamente significativa del valore medio della frequenza respiratoria tra intervalli di respirazione guidata.
I tassi di respirazione istantanei, normalizzati dalla frequenza respiratoria media dell’intervallo 2, sono mostrati dal marcatore “x”. Le linee nere tratteggiate rappresentano la deviazione standard della velocità, mentre la linea nera continua è la frequenza media di respirazione per quell’intervallo. Supponendo che un volontario segua bene il metronomo, l’intervallo tra le linee di deviazione standard sarà piccolo. La normalizzazione dimostra il tasso proporzionale di respirazione rispetto alla RHR. Dati da volontario 11.
Il test di normalità Shapiro-Wilk ha mostrato che per 33 intervalli guidati su 66, la frequenza respiratoria è normalmente distribuita. Le deviazioni dalla normalità sono principalmente associate a tosse e / o deglutizione. Il test Kwiatkowski-Phillips-Schmidt-Shin (KPSS) ha dimostrato che quasi tutti gli intervalli (63 su 66) sono stazionari. Pertanto, la componente stocastica nella frequenza respiratoria guidata può essere rappresentata come un processo casuale gaussiano e il segnale respiratorio stesso corrisponde a oscillazioni quasi armoniche stocastiche con un’ampiezza costante e una frequenza variabile (vedi Fig. SI1 in SI).
Risposta della frequenza cardiaca alla variazione graduale della frequenza respiratoria
La media e la deviazione standard della frequenza cardiaca per tutti gli intervalli e i volontari sono riportate nella Tabella SI2 di SI. La variabilità di questi dati è significativamente più forte di quella dei dati della frequenza respiratoria. Ciò può essere spiegato dalla dinamica non stazionaria della frequenza cardiaca. Al contrario della frequenza respiratoria guidata, il test KPSS ha dimostrato che per 63 su 66 intervalli di respirazione ad alta frequenza, la frequenza cardiaca istantanea non è stazionaria. Inoltre, il test Shapiro-Wilk ha dimostrato che 49 intervalli di frequenza cardiaca su 66 non sono normalmente distribuiti. Si noti che gli intervalli con una frequenza respiratoria del 120%, che erano gli intervalli previsti per visualizzare la sincronizzazione, non erano correlati direttamente agli intervalli la cui frequenza cardiaca era normalmente distribuita.
La notata non stazionarietà è legata a periodi di adattamento transitori che sono stati osservati per la maggior parte degli intervalli guidati, con la frequenza cardiaca che sale a livelli sproporzionati rispetto alla frequenza respiratoria prescritta, formando una risposta a rampa. L’adattamento era particolarmente visibile durante il primo intervallo di respirazione ad alta velocità (Fig. 1). Indipendentemente da ciò, assumendo un volontario rilassato e ha continuato a seguire il metronomo respirazione, la loro frequenza cardiaca regolata di conseguenza. Questo periodo transitorio è meno pronunciato nel secondo e terzo intervallo successivo.
Per analizzare la risposta transitoria, è stato calcolato un andamento lento della frequenza cardiaca tramite una tecnica di media mobile descritta nella sezione Metodi. È stata osservata una varietà di modelli di tendenza (Fig. SI2 in SI) e per alcuni intervalli non c’era alcuna tendenza. Nell’esempio presentato in Fig. 3, il primo intervallo dimostra una risposta di overshooting con un aumento iniziale della frequenza cardiaca seguito da un decadimento; questo comportamento era tipico per la nostra coorte (esempi di questi grafici possono essere trovati per tutti i volontari in Fig. SI2 in SI). I modelli per il secondo e il terzo intervallo erano più complessi, ma la maggior parte includeva un aumento transitorio del tasso. Stime approssimative hanno mostrato che la durata di questo aumento transitorio della frequenza cardiaca è durata tra 10 e 100 secondi. Questa osservazione mette in discussione alcuni risultati19, 20, 21 in cui l’intero intervallo di respirazione guidata era di circa 30 secondi. Per alcuni intervalli, la frequenza cardiaca sembrava iniziare a tendere a un valore di stato stazionario dopo l’adattamento iniziale. Tuttavia, non è stato osservato un chiaro stato stazionario e nella maggior parte dei casi la frequenza cardiaca ha continuato a diffondersi. In effetti, tali dinamiche vaganti sono una caratteristica della frequenza cardiaca22 e dovrebbero essere considerate quando si analizza la sincronizzazione.
Tendenze della frequenza cardiaca durante gli intervalli di respirazione guidata. Le curve nere corrispondono alle tendenze. Le linee rosse specificano il valore medio (linea continua) e la deviazione standard (linee tratteggiate) della frequenza di respirazione per ciascun intervallo. Tutti i dati normalizzati dalla frequenza respiratoria media dell’intervallo 2. La risposta della frequenza cardiaca prevista dovrebbe significare che la curva nera rientra nelle linee tratteggiate rosse per la maggior parte dell’intervallo possibile. Dati da volontario 11.
Sincronizzazione
Un esempio di synchrogram6 che comprende tutti gli intervalli di respirazione guidata e periodi di riposo spontaneo è mostrato in Fig. 4, dove Ψ rappresenta la fase relativa (vedi sezione Metodi) del segnale respiratorio. Un episodio di sincronizzazione di fase con il rapporto 1:1 è visibile come una linea piatta tra 1400 s e 1450 s durante il terzo intervallo di respirazione guidata, dove la velocità è impostata su 120% del RHR. Durante questo episodio, il vagare della frequenza cardiaca è limitato e la frequenza cardiaca oscilla attorno a un particolare valore (Fig. 3, lettera c)). Prima e dopo questo episodio la frequenza cardiaca mostra un comportamento diffusivo.
Synchrogram for volunteer 11. Le regioni ombreggiate corrispondono alle regioni della respirazione guidata. La fase Ψ è mostrata in radianti.
Per 18 dei 22 volontari, la CRS si è verificata entro il terzo intervallo, quando la frequenza respiratoria guidata era superiore alla RHR. Per quattro volontari (numero 2, 10, 20 e 21), sono stati osservati episodi di sincronizzazione per il secondo intervallo quando la frequenza respiratoria era destinata ad essere uguale alla RHR. Un’ulteriore analisi della frequenza cardiaca durante l’intervallo di riposo di 10 minuti prima della respirazione guidata suggerisce che il valore RHR calcolato per questi era potenzialmente troppo alto, quindi per questo secondo intervallo la frequenza respiratoria era superiore all’RHR effettivo. Pertanto, per tutti i volontari è stata osservata la CRS quando la frequenza respiratoria era superiore alla RHR. In molti casi, più di un episodio di CRS è stato osservato nello stesso intervallo di tempo. Questi episodi sono stati identificati automaticamente dall’indice di sincronizzazione6 λ e dalla differenza di fase delimitata φ come descritto nella sezione Metodi. L’episodio più lungo è stato individuato e la durata totale di tutti gli episodi nell’intervallo dato è stata calcolata. Tutti i risultati sono riassunti nella Tabella 1 con i tempi indicati al secondo più vicino. Le durate del CRS calcolate con i due metodi hanno prodotto valori vicini. Per la maggior parte dei volontari, l’episodio più lungo è stato esteso, con durate variabili da 20 a 80 secondi, corrispondenti al 30% al 98% dell’intero intervallo di respirazione guidata.
Un volontario (numero 3) ha avuto episodi CRS molto brevi. La dinamica della differenza di fase e le tariffe per il terzo intervallo per questo volontario e volontario 2 sono mostrati in Fig. 5 (grafici di confronto simili possono essere trovati per tutti i volontari in Fig. SI3 in SI). L’interpretazione di questi grafici consente la visualizzazione delle durate specificate nella Tabella 1. Il pannello superiore (trama (a) e (e) in Fig. 5) dimostra la differenza di fase tra la frequenza cardiaca e la frequenza respiratoria. Un’oscillazione della differenza di fase in un intervallo limitato inferiore a 2 π, o la differenza di fase vicina a un valore costante per un periodo prolungato è indicativa della sincronizzazione di fase tra i due segnali. La durata degli episodi di sincronizzazione per diversi volontari è riportata nella Tabella 1. Il secondo pannello (plot (b) e (f)) mostra la dipendenza temporale dell’indice di sincronizzazione. Un valore dell’indice vicino a uno rappresenta la sincronizzazione 1:1 tra due segnali oscillanti. Gli episodi estesi al di sopra della soglia sperimentalmente giustificata di 0,7 determinano il valore di λ nella Tabella 1. Il terzo pannello (grafici (c) e (g)) mostra il synchrogram per l’intero intervallo di respirazione ad alta velocità. Durante la fase i punti di sincronizzazione su synchrogram dimostrano un plateau. Tali altipiani rappresentano la fase di un segnale che non cambia di più di un intero periodo rispetto alla fase del secondo segnale. Il pannello finale (diagrammi (d) e (h)) sono una rappresentazione delle frequenze cardiache e respiratorie per un confronto delle frequenze istantanee durante gli episodi di sincronizzazione con la dinamica delle fasi. Le linee rosse tratteggiate rappresentano l’elevata variabilità della frequenza respiratoria anche per la respirazione controllata – maggiore è questa gamma, più variabile è la frequenza respiratoria e quindi peggiore è il fatto che un volontario mantenga una frequenza costante. La linea rossa continua è la frequenza respiratoria media e la linea blu mostra la dinamica della frequenza respiratoria istantanea durante l’intervallo. La linea nera nei grafici (d) e (h) corrisponde alla frequenza cardiaca con oscillazioni ad alta frequenza rimosse tramite l’applicazione di tecniche di media mobile. Durante gli episodi di sincronizzazione di fase, la linea nera dovrebbe cadere interamente tra le linee rosse tratteggiate, rappresentando il fatto che la variabilità della frequenza cardiaca è contenuta all’interno della variabilità della frequenza respiratoria.
Misure di sincronizzazione per volontario 2 (a sinistra) e volontario 3 (a destra). Le figure (a, e) mostrano la differenza di fase,le figure (b, f) mostrano l’indice di sincronizzazione,le figure (c, g) mostrano il sincronogramma e le figure (d,h) mostrano i tassi di cuore levigato (linea nera) e respiratorio (linea blu). Nelle figure (d,h) le linee rosse specificano il valore medio (linea continua) e la deviazione standard (linee tratteggiate) della velocità di respirazione per ciascun intervallo.
In Fig. 5, per entrambi i casi la frequenza cardiaca (Fig. 5 (d,h)) sono visivamente vicini ai tassi di respirazione per l’intero intervallo, ma la dinamica di fase (Fig. 5 (a, e)) sono notevolmente diversi. La differenza di fase φ (Fig. 5 (a)) è limitato e quasi costante per il volontario 2, mentre aumenta monotonicamente per il volontario 3 (Fig. 5, lettera e)). Questa differenza significativa tra dinamica di fase e velocità sottolinea l’importanza dell’uso di approcci qualitativi come la descrizione di fase per l’analisi della sincronizzazione per segnali con componenti stocastiche e/o non stazionarie.
Come accennato, gli episodi di CRS sono stati osservati nel secondo intervallo (tasso destinato ad essere equivalente a RHR) per quattro volontari. Pertanto, il loro terzo intervallo corrispondeva a una frequenza respiratoria significativamente superiore alla RHR. L’evoluzione temporale della differenza di fase φ per tutti e tre gli intervalli è mostrata in Fig. 6 per uno di questi volontari. La differenza di fase φ aumenta monotonicamente con il tempo durante il primo intervallo, poiché le oscillazioni del cuore sono più veloci della respirazione. La differenza di fase limitata e quasi costante durante il secondo intervallo dimostra la manifestazione dell’effetto di sincronizzazione. Per il terzo intervallo la situazione è opposta e la differenza di fase diminuisce monotonicamente. Si noti che per tutti gli altri volontari, il terzo intervallo corrispondeva all’intervallo di sincronizzazione, e quindi una differenza di fase limitata.
Le differenze di fase φ per tre intervalli di respirazione guidati sono mostrate per il volontario 2. Le curve blu, rosse e verdi corrispondono rispettivamente al primo (90% RHR), al secondo (100% RHR) e al terzo (120% RHR). Le differenze di fase sono normalizzate di 2π.
C’è una chiara differenza nella durata degli episodi di sincronizzazione tra i risultati per gli atleti (evidenziati da un asterisco) e non atleti (Tabella 1). Va notato che la maggior parte degli atleti aveva RHR significativamente inferiore, intorno a 50 BPM (Tabella SI1 in SI), rispetto ad altri volontari, e quindi respirava a tassi più bassi durante gli intervalli di respirazione guidata. Questo porta ad un problema di polarizzazione all’interno della progettazione dell’esperimento – il montatore di un individuo, e più basso il loro RHR, il più lento avevano bisogno di respirare, nonostante probabilmente essere più in grado di mantenere tassi di respirazione più elevati rispetto ai non atleti. Tutti gli atleti hanno avuto lunghi episodi di sincronizzazione. I risultati dei non atleti sono meno coerenti; tuttavia, l’episodio più lungo di sincronizzazione nella coorte è stato osservato per un non atleta (volontario 2).
Poiché 9 degli atleti 10 all’interno dello studio sono maschi, un confronto generale degli episodi di sincronizzazione tra partecipanti maschi e femmine non è necessariamente rappresentativo di una popolazione uniformemente distribuita e sarebbe intrinsecamente polarizzato dalla differenza tra atleti e non atleti discussi sopra. Quando si considerano i non atleti, tuttavia, ci sono 5 maschi e 7 femmine. Dalla Tabella 1 si può vedere che non esiste alcuna differenza tra i risultati maschili e femminili per i 12 non atleti. Episodi di sincronizzazione e durate totali sono di lunghezza paragonabile. Per coincidenza, sia gli episodi più lunghi che quelli più brevi di sincronizzazione erano femminili (volontari 2 e 3, rispettivamente), con chiare differenze tra questi risultati dimostrati in Fig. 5.
Sebbene le misure di sincronizzazione considerate in questa ricerca abbiano identificato con successo episodi di CRS, è importante sottolineare che questi episodi potrebbero ancora essere casuali, senza alcuna interazione cardio-respiratoria. In effetti, è stato discusso sopra che la frequenza cardiaca dimostra dinamiche vaganti (diffusive) e cambiamenti in una vasta gamma. A causa di questa diffusività, quando la respirazione e le frequenze cardiache sono vicine l’una all’altra per un periodo di tempo, i loro tassi medi sono quasi uguali e nessuna differenza tra i tassi sarebbe chiaramente visibile durante questi brevi periodi. Ciò, a sua volta, significherebbe che tutte le misure, cioè synchrogram, indice di sincronizzazione e differenza di fase, identificherebbero questi periodi di tempo come episodi di sincronizzazione anche in assenza di una vera interazione cardio-respiratoria. Pertanto, in questo lavoro dimostriamo inoltre che gli episodi che abbiamo osservato non sono stati casuali impiegando dati surrogati.
Consideriamo la respirazione surrogata e le frequenze cardiache generate utilizzando dati casuali, normalmente distribuiti, e derivare synchrogram e indice di sincronizzazione per questi dati. I valori medi (70 BPM) e le deviazioni standard (3%) della respirazione e della frequenza cardiaca sono selezionati per essere uguali e corrispondono a due diverse serie temporali casuali. Queste percentuali sono state convertite in periodi istantanei, come descritto nella sezione Metodi, che porta a due serie temporali surrogate: una dei picchi R di un segnale ECG e l’altra dei massimi di un segnale respiratorio. Quindi sono state applicate le stesse tecniche di elaborazione del segnale per i dati sperimentali e la differenza di fase Ψ è stata calcolata insieme all’indice di sincronizzazione λ (Fig. 7). Si può vedere che la fase Ψ (Fig. 7a) è quasi costante (≈C ≈ 2)per un lungo intervallo di tempo e l’indice di sincronizzazione λ (Fig. 7b) è maggiore del valore di soglia (0.7) per tutto l’intervallo. Pertanto, gli episodi di sincronizzazione per questi dati surrogati sono chiaramente osservati. È importante notare che per i dati surrogati, il valore quasi costante ΨC della fase phase sul synchrogram è un valore casuale, nonostante tutte le misure mostrino episodi di sincronizzazione. Ad esempio, in Fig. 7 la fase è di circa 2 (ΨC ≈ 2), ma assumerebbe un valore diverso per un altro set di dati surrogati. Di conseguenza, per la sincronizzazione osservata per caso, la distribuzione di p(Ψ) per un insieme di misurazioni deve essere uniforme poiché le serie temporali dei tassi sono completamente indipendenti. D’altra parte, una differenza da una distribuzione uniforme p(Ψ) indicherebbe la presenza di accoppiamento tra il sistema cardio e respiratorio. In Fig. 8, viene mostrata la distribuzione p(Ψ) derivata dai nostri dati sperimentali per tutti i 22 intervalli di respirazione guidata con episodi di sincronizzazione da tutti i volontari. I valori di Ψ sono stati selezionati dai grafici synchrogram quando λ > 0.9. Il valore di soglia è stato aumentato rispetto all’analisi sperimentale per evidenziare episodi di interazione più forte (si noti che altri valori di soglia, ad esempio 0.7, portare ad una forma simile della distribuzione). La distribuzione (Fig. 8) è inclinato e ha il valore più probabile di 4; ΨC ≈ 4. Questo risultato indica che il blocco di fase nei nostri dati sperimentali è osservato per un particolare valore di Ψ e quindi gli episodi di sincronizzazione non sono casuali e derivano da una vera interazione cardio-respiratoria.
Synchrogram (a) and synchronization index (b) for surrogate data; la media è di 70 BPM e la deviazione standard è del 3%. Le linee tratteggiate rosse e magenta corrispondono rispettivamente a λ = 0,7 e λ = 0,9.
densità di Probabilità p(Ψ) per i dati sperimentali è mostrato in un grafico a barre. La fase Ψ è mostrata in radianti.
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