kontrol af hjertefrekvens gennem guidet højfrekvent vejrtrækning
målinger
eksperimenter bestod af spontan vejrtrækning i 10 minutter efterfulgt af tre intervaller med guidet højfrekvent vejrtrækning (Fig. 1, grønne skyggefulde områder) med 4 minutters spontan vejrtrækning mellem hver. Det første styrede åndedrætsinterval var ved 90% af RHR (startet omkring 600 s), det andet interval (starttid er omkring 1000 s) svarede til en vejrtrækningshastighed svarende til RHR, og det tredje interval (omkring 1400 s) krævede vejrtrækning ved 120% af RHR. Animationen vejledende vejrtrækning løb i 100 komplette åndedrætscyklusser. Det samlede antal guidede intervaller for de 22 frivillige, der overvejes i dette arbejde, er 66.
øjeblikkelig vejrtrækning (blå) og puls (rød) er vist fra data for frivillige 11. Regioner med guidet vejrtrækning er skyggefulde. Markørerne ‘ k ‘ og ‘ + ‘ svarer til Maksima i respirationssignalet og R-toppe i EKG-signalet. Ikke alle 10-minutters hvileintervaller i begyndelsen vises, da disse data ikke eksplicit analyseres i denne artikel.
samtidige optagelser af EKG og respiratoriske signaler blev udført. I henhold til den databehandlingsprocedure, der er beskrevet i afsnittet metoder, blev både vejrtrækning og puls afledt i Herts; til illustrative formål i dette papir præsenteres satserne dog i beats-per-minute (BPM). Hjertet og vejrtrækning satser plottet sammen i Fig. 1 Giv et klart billede af det eksperimentelle design med intervaller med øgede vejrtrækningshastigheder, der stiger kraftigt til en hastighed tæt på RHR. Hjertefrekvensen viser et svar på en trinændring i vejrtrækningshastigheder; disse trinresponser vil blive diskuteret nedenfor.
åndedrætsfrekvens som drivkraft
på grund af eksperimentets design var åndedrætsfrekvensen under styrede intervaller beregnet til at være konstant. Eksperimenter viste imidlertid, at individer ikke var i stand til at følge metronomens hastighed nøjagtigt, så der var en variation i øjeblikkelig vejrtrækningshastighed. Derudover blev der observeret indtagelse eller hoste i nogle få tilfælde. Imidlertid matchede de gennemsnitlige vejrtrækningshastigheder de guidede værdier, der blev indstillet af metronomen. Figur 2 fremhæver, hvor tæt frivillige fulgte metronomen: i forhold til det normaliserede interval 2 (100% RHR) er gennemsnitsraterne for interval 1 og 3 meget tæt på værdier på 0,9 (90% RHR) og 1,2 (120% RHR) som beregnet ved den eksperimentelle procedure. For denne frivillige (Fig. 2) er afvigelsen fra gennemsnittet for hvert interval mindre end 4%. Middel-og standardafvigelsen for respirationshastigheden for alle intervaller og frivillige er vist i tabel SI1 med understøttende Information (SI). For de fleste intervaller er standardafvigelsen mindre end 10%. Standardafvigelsen for vejrtrækningshastigheden definerer de minimale mulige trinforøgelser mellem guidede vejrtrækningshastigheder. Værdierne for standardafvigelsen for vejrtrækningshastigheder opnået for vores kohorte bekræfter, at de valgte trinvise ændringer på 10% og 20% med hensyn til RHR garanterer en statistisk signifikant ændring i gennemsnitsværdien af åndedrætsfrekvensen mellem intervaller af guidet vejrtrækning.
øjeblikkelige vejrtrækningshastigheder, normaliseret ved den gennemsnitlige vejrtrækningshastighed i interval 2, vises med markør ‘h’. De stiplede sorte linjer repræsenterer standardafvigelsen for hastigheden, mens den solide sorte linje er den gennemsnitlige vejrtrækningshastighed for dette interval. Forudsat at en frivillig følger metronomen godt, vil intervallet mellem standardafvigelseslinjer være lille. Normaliseringen viser den forholdsmæssige vejrtrækningshastighed i forhold til RHR. Data fra frivillige 11.
Shapiro-vilk-normalitetstesten viste, at for 33 ud af 66 styrede intervaller fordeles vejrtrækningen normalt. Afvigelserne fra normalitet er hovedsageligt forbundet med hoste og/eller indtagelse. Testen viste, at næsten alle (63 ud af 66) intervaller er trend-stationære. Således kan den stokastiske komponent i styret vejrtrækningshastighed repræsenteres som en gaussisk tilfældig proces, og selve åndedrætssignalet svarer til stokastiske kvasi-harmoniske svingninger med en konstant amplitude og en variabel frekvens (se Fig. SI1 i SI).
pulsrespons på trinændringen i vejrtrækningshastighed
middel-og standardafvigelsen for hjertefrekvensen for alle intervaller og frivillige er vist i tabel SI2 for SI. Variabiliteten af disse data er signifikant stærkere end for åndedrætshastighedsdataene. Dette kan forklares ved den ikke-stationære dynamik i hjertefrekvensen. Omvendt til den styrede vejrtrækningshastighed viste KPSS-testen, at for 63 ud af 66 højfrekvente åndedrætsintervaller er øjeblikkelig puls ikke-stationær. Desuden viste Shapiro-vilk-testen, at 49 ud af 66 pulsintervaller ikke er normalt fordelt. Bemærk, at intervallerne med en 120% vejrtrækningshastighed, som var de intervaller, der forventes at vise synkronisering, ikke korrelerede direkte med de intervaller, hvis puls normalt blev fordelt.
den bemærkede ikke-stationaritet er knyttet til forbigående tilpasningsperioder, der blev observeret for de fleste styrede intervaller, hvor hjertefrekvensen steg til niveauer, der var uforholdsmæssige i forhold til den ordinerede vejrtrækningshastighed, hvilket dannede en ramperespons. Tilpasning var særlig synlig i det første interval med høj vejrtrækning (Fig. 1). Uanset at antage, at en frivillig slappede af og fortsatte med at følge åndedrætsmetronomen, justerede deres puls i overensstemmelse hermed. Denne forbigående periode er mindre udtalt i det efterfølgende andet og tredje interval.
for at analysere det forbigående respons blev en langsom tendens i hjertefrekvensen beregnet ved hjælp af en glidende gennemsnitsteknik beskrevet i afsnittet metoder. En række trendmønstre blev observeret (Fig. SI2 i SI) og i nogle intervaller var der ingen tendens. I eksemplet præsenteret i Fig. 3, viser det første interval et overskydningsrespons med en indledende hjertefrekvensforøgelse efterfulgt af et henfald; denne adfærd var typisk for vores kohorte (eksempler på disse plot kan findes for alle frivillige i Fig. SI2 i SI). Mønstrene for andet og tredje interval var mere komplekse, men flertallet omfattede en forbigående stigning i satsen. Grove skøn viste, at varigheden af denne forbigående stigning i hjertefrekvensen varede mellem 10 og 100 sekunder. Denne observation sætter spørgsmålstegn ved nogle resultater19, 20, 21 hvor hele intervallet af guidet vejrtrækning var omkring 30 sekunder. I nogle intervaller syntes hjertefrekvensen at begynde at have en stabil tilstandsværdi efter den første tilpasning. Der blev dog ikke observeret nogen klar steady state, og i de fleste tilfælde fortsatte hjertefrekvensen med at diffundere. Faktisk er sådan vandrende dynamik et træk ved hjertefrekvens22 og bør overvejes, når man analyserer synkronisering.
tendenser i hjertefrekvens under intervallerne af guidet vejrtrækning. Sorte kurver svarer til tendenser. Røde linjer angiver middelværdien (fast linje) og standardafvigelsen (stiplede linjer) for vejrtrækningshastigheden for hvert interval. Alle data normaliseret ved den gennemsnitlige vejrtrækningshastighed for interval 2. Den tilsigtede hjertefrekvensrespons skal betyde, at den sorte kurve falder inden for de røde stiplede linjer i så meget af intervallet som muligt. Data fra frivillige 11.
synkronisering
et eksempel på et synkrogram6, der omfatter alle styrede respirationsintervaller og spontane hvileperioder, er vist i Fig. 4, Hvor KRP repræsenterer den relative fase (se afsnittet metoder) af respirationssignalet. En episode af fasesynkronisering med forholdet 1:1 er synlig som en plateaued linje mellem 1400 s og 1450 s i det tredje interval af guidet vejrtrækning, hvor hastigheden er indstillet til 120% af RHR. I løbet af denne episode er vandring af hjertefrekvensen begrænset, og hjertefrekvensen svinger omkring en bestemt værdi (Fig. 3 (c)). Før og efter denne episode viser hjertefrekvensen en diffusiv adfærd.
Synchrogram for frivillige 11. Skyggefulde regioner svarer til regionerne med guidet vejrtrækning. Fase-kur er vist i radianer.
for 18 af de 22 frivillige forekom CRS inden for det tredje interval, når den guidede vejrtrækningshastighed var højere end RHR. For fire frivillige (nummer 2, 10, 20 og 21) blev episoder med synkronisering observeret for det andet interval, når vejrtrækningshastigheden var beregnet til at være lig med RHR. En yderligere analyse af hjertefrekvensen i 10-minutters hvileintervallet før guidet vejrtrækning antyder, at RHR-værdien beregnet for disse var potentielt for høj, således for dette andet interval var vejrtrækningshastigheden over den faktiske RHR. Således for alle frivillige CRS blev observeret, når vejrtrækning var højere end RHR. I mange tilfælde blev der observeret mere end en episode af CRS inden for samme tidsinterval. Disse episoder blev automatisk identificeret ved synkroniseringsindekset6-og den afgrænsede faseforskel-som beskrevet i afsnittet metoder. Den længste episode blev udpeget, og den samlede varighed af alle episoder i det givne interval blev beregnet. Alle resultater er opsummeret i tabel 1 med gange givet til nærmeste sekund. CRS-varigheden beregnet ved de to metoder frembragte tætte værdier. For de fleste frivillige blev den længste episode forlænget med varigheder, der varierede fra 20 til 80 sekunder, svarende til 30% til 98% af hele intervallet med guidet vejrtrækning.
0.7).
en frivillig (nummer 3) havde meget korte CRS-episoder. Dynamikken i faseforskellen og satserne for det tredje interval for denne frivillige og frivillige 2 er vist i Fig. 5 (lignende sammenligningsplotter kan findes for alle frivillige i Fig. SI3 i SI). Fortolkning af disse plot giver mulighed for visualisering af de varigheder, der er specificeret i tabel 1. Det øverste panel (plot (A) og (e) i Fig. 5) viser faseforskellen mellem puls og vejrtrækning. En svingning af faseforskellen i et begrænset område mindre end 2 liter, eller faseforskellen tæt på en konstant værdi i en længere periode er tegn på fasesynkronisering mellem de to signaler. Varigheden af synkroniseringsepisoder for forskellige frivillige er vist i tabel 1. Det andet panel (plot (b) og (f)) Viser tidsafhængighed af synkroniseringsindekset. En værdi af indekset tæt på en repræsenterer 1:1 synkronisering mellem to oscillerende signaler. Udvidede episoder over den eksperimentelt begrundede tærskel på 0,7 bestemmer værdien af Krust i tabel 1. Det tredje panel (plots (c) og (g)) viser synkrogrammet for hele intervallet med høj vejrtrækning. Under fasen synkronisering punkter på synchrogram demonstrere et plateau. Sådanne plateauer repræsenterer et signals fase, der ikke ændrer sig med mere end en hel periode i forhold til fasen af det andet signal. Det endelige panel (plot (d) og (h)) er en repræsentation af hjerte-og åndedrætsfrekvenser til sammenligning af øjeblikkelige hastigheder under episoder med synkronisering med fasedynamik. De stiplede røde linjer repræsenterer den høje variation i vejrtrækningshastighed, selv for kontrolleret vejrtrækning – jo større dette interval er, jo mere variabel er vejrtrækningshastigheden, og jo værre opretholdt en frivillig en konstant hastighed. Den faste røde linje er den gennemsnitlige vejrtrækningshastighed, og den blå linje demonstrerer dynamikken i den øjeblikkelige vejrtrækningshastighed gennem hele intervallet. Den sorte linje i plots (d) og (h) svarer til puls med fjernede højfrekvente svingninger via anvendelse af glidende gennemsnitsteknikker. Under episoder med fasesynkronisering forventes den sorte linje at falde helt mellem de stiplede røde linjer, hvilket repræsenterer det faktum, at variationen i hjerterytmen er indeholdt i variationen i åndedrætsfrekvensen.
Synkroniseringsforanstaltninger for frivillige 2 (venstre) og frivillige 3 (højre). Tallene (A,e) viser faseforskellen, tallene (b,f) Viser synkroniseringsindekset, tallene (c,g) viser synkroniseringsprogrammet, og tallene (d,h) viser glattet hjerte (sort linje) og respiratoriske (blå linje) satser. I figurerne (d,h) angiver røde linjer middelværdien (fast linje) og standardafvigelsen (stiplede linjer) for vejrtrækningshastigheden for hvert interval.
i Fig. 5, i begge tilfælde hjertefrekvensen (Fig. 5 (d,h)) er visuelt tæt på vejrtrækningshastighederne for hele intervallet, men fasedynamikken (Fig. 5 (a, e)) er bemærkelsesværdigt forskellige. Faseforskellen (fig. 5 (A)) er begrænset og næsten konstant for frivillige 2, hvorimod det øges monotont for frivillige 3 (Fig. 5 (e)). Denne signifikante forskel mellem fase-og hastighedsdynamik understreger vigtigheden af brugen af kvalitative tilgange såsom fasebeskrivelse til analyse af synkronisering for signaler med stokastiske og/eller ikke-stationære komponenter.
som nævnt blev CRS-episoder observeret i det andet interval (hastighed beregnet til at svare til RHR) for fire frivillige. Derfor svarede deres tredje interval til en vejrtrækningshastighed, der var signifikant højere end RHR. Tidsudvikling af faseforskellen kur for alle tre intervaller er vist i Fig. 6 for en af disse frivillige. Faseforskellen kurr øges monotont med tiden i løbet af det første interval, da hjerteoscillationerne er hurtigere end vejrtrækning. Begrænset og næsten konstant faseforskel i det andet interval demonstrerer manifestationen af synkroniseringseffekt. For det tredje interval er situationen det modsatte, og faseforskellen falder monotont. Bemærk, at for alle andre frivillige svarede Det tredje interval til synkroniseringsintervallet og dermed en begrænset faseforskel.
figur6Faseforskelle i tre guidede vejrtrækningsintervaller vises for frivillige 2. Blå, røde og grønne kurver svarer til henholdsvis de første (90% RHR), anden (100% RHR) og tredje (120% RHR) intervaller. Faseforskelle normaliseres med 2 liter.
Der er en klar forskel i varigheden af synkroniseringsepisoder mellem resultaterne for atleter (fremhævet med en stjerne) og ikke-atleter (tabel 1). Det skal bemærkes, at de fleste af atleterne havde signifikant lavere RHR, omkring 50 BPM (tabel SI1 i SI), sammenlignet med andre frivillige, og dermed ville trække vejret med lavere hastigheder i intervaller med guidet vejrtrækning. Dette fører til et forspændingsproblem inden for eksperimentets design – jo montør et individ, og jo lavere deres RHR, jo langsommere havde de brug for at trække vejret, på trods af at de sandsynligvis var mere i stand til at opretholde højere vejrtrækningshastigheder end ikke-atleter. Alle atleter havde lange synkroniseringsepisoder. Ikke-atleteres resultater er mindre konsistente; den længste episode af synkronisering i kohorten blev imidlertid observeret for en ikke-atlet (frivillig 2).
da 9 af de 10 atleter i undersøgelsen er mænd, er en samlet sammenligning af synkroniseringsepisoder mellem mandlige og kvindelige deltagere ikke nødvendigvis repræsentativ for en jævnt fordelt befolkning og ville være iboende partisk af forskellen mellem atleter og ikke-atleter diskuteret ovenfor. Når man overvejer ikke-atleter, er der dog 5 mænd og 7 kvinder. Fra tabel 1 kan det ses, at der ikke findes nogen forskel mellem mandlige og kvindelige resultater for de 12 ikke-atleter. Episoder med synkronisering og samlede varigheder er af sammenlignelig længde. Tilfældigvis var både de længste og korteste episoder af synkronisering kvinder (henholdsvis frivillig 2 og 3) med klare forskelle mellem disse resultater demonstreret i Fig. 5.
selvom synkroniseringsmål, der overvejes i denne forskning, med succes har identificeret episoder af CRS, er det vigtigt at understrege, at disse episoder stadig kan være tilfældige uden kardio-respiratorisk interaktion. Faktisk er det blevet diskuteret ovenfor, at hjertefrekvensen demonstrerer vandrende (diffusiv) dynamik og ændringer i en bred vifte. På grund af denne diffusivitet, når vejrtrækning og hjertefrekvens er tæt på hinanden i en periode, er deres gennemsnitlige satser næsten ens, og ingen forskelle mellem satserne ses tydeligt i disse korte perioder. Dette vil igen betyde, at alle mål, dvs.synkrogram, synkroniseringsindeks og faseforskel, ville identificere disse tidsperioder som episoder med synkronisering, selv i fravær af en ægte cardio-respiratorisk interaktion. Derfor demonstrerer vi i dette arbejde desuden, at de episoder, vi observerede, ikke var tilfældige ved at anvende surrogatdata.
lad os overveje surrogat vejrtrækning og puls genereret ved hjælp af tilfældige, normalt distribuerede data, og udlede synchrogram og synkronisering indeks for disse data. Middelværdierne (70 BPM) og standardafvigelser (3%) af vejrtrækning og hjertefrekvens er valgt til at være ens og svarer til to forskellige tilfældige tidsserier. Disse hastigheder er blevet konverteret til øjeblikkelige perioder som beskrevet i afsnittet metoder, hvilket fører til to surrogattidsserier: en af R-toppe af et EKG-signal og den anden af maksima for et åndedrætssignal. Derefter blev de samme signalbehandlingsteknikker anvendt med hensyn til de eksperimentelle data, og faseforskellen RR blev beregnet sammen med synkroniseringsindekset RRR (Fig. 7). Det kan ses, at fasen-kursen (Fig. 7a) er næsten konstant (KR2) i et langt tidsinterval og synkroniseringsindekset kr2 (Fig. 7b) er større end tærskelværdien (0,7) for hele intervallet. Derfor observeres synkroniseringsepisoder for disse surrogatdata tydeligt. Det er vigtigt at bemærke, at for surrogatdataene er den næsten konstante værdi KURRC af fase Kurr på synkrogrammet en tilfældig værdi på trods af alle foranstaltninger, der viser episoder med synkronisering. For eksempel i Fig. 7 fasen er omkring 2 (PRISCRIPT 2), men ville tage en anden værdi for et andet sæt surrogatdata. For synkronisering, der observeres ved en tilfældighed, skal fordelingen af p(kr) for et sæt målinger derfor være ensartet, da tidsserien af hastigheder er fuldt uafhængige. På den anden side ville en forskel fra en ensartet fordeling p(Krust) indikere tilstedeværelsen af kobling mellem kardio-og åndedrætssystemerne. I Fig. 8 vises distributionen p (Kurt) afledt af vores eksperimentelle data for alle 22 intervaller med guidet vejrtrækning med synkroniseringsepisoder fra alle frivillige. Værdierne af Kris blev valgt fra synchrogram plots, når Kris > 0.9. Tærskelværdien blev forhøjet i forhold til eksperimentel analyse for at fremhæve episoder med stærkeste interaktion (bemærk, at andre tærskelværdier, f.eks. 0.7, føre til en lignende form af fordelingen). Fordelingen (Fig. 8) er skæv, og den har den mest sandsynlige værdi på 4; kr.C. kr. 4. Dette resultat indikerer, at faselåsningen i vores eksperimentelle data observeres for en bestemt værdi af Karrus, og derfor er synkroniseringsepisoder ikke tilfældige og skyldes en ægte kardio-respiratorisk interaktion.
Synkrogram (A) og synkroniseringsindeks (b) til surrogatdata; gennemsnittet er 70 BPM, og standardafvigelsen er 3%. Røde og magenta stiplede linjer svarer til henholdsvis 0,7 og 0,9.
sandsynlighedsdensitet p(liter) for eksperimentelle data vises i et søjlediagram. Fase-kur er vist i radianer.
Leave a Reply