metingen

experimenten bestonden uit spontane ademhaling gedurende 10 minuten gevolgd door drie intervallen geleide ademhaling met hoge snelheid (Fig. 1, groene schaduwrijke gebieden) met 4 minuten spontane ademhaling tussen elk. Het eerste geleide ademinterval was bij 90% van de RHR (gestart bij ongeveer 600 s), het tweede interval (starttijd is ongeveer 1000 s) kwam overeen met een ademhalingssnelheid gelijk aan de RHR, en het derde interval (ongeveer 1400 s) vereiste ademhaling bij 120% van de RHR. De animatie die de ademhaling begeleidde liep voor 100 volledige ademcycli. Het totale aantal begeleide intervallen voor de 22 vrijwilligers in aanmerking genomen in dit werk is 66.

onmiddellijke ademhaling (blauw) en hartslag (rood) worden getoond uit gegevens voor vrijwilliger 11. Gebieden van geleide ademhaling zijn schaduwrijk. Markers ‘x’ en ‘ + ‘ komen overeen met maxima in respiratoir signaal en R-pieken in ECG signaal respectievelijk. Niet het gehele rustinterval van 10 minuten aan het begin wordt weergegeven, aangezien deze gegevens in dit artikel niet expliciet worden geanalyseerd.

gelijktijdige opnames van ECG-en respiratoire signalen werden uitgevoerd. Volgens de gegevensverwerking beschreven in de sectie methoden, werden zowel de ademhaling als de hartslag afgeleid in Hertz; echter, ter illustratie in dit artikel, de tarieven worden gepresenteerd in beats-per-minute (BPM). Het hart en de ademhaling worden in Fig. 1 Geef een duidelijk beeld van het experimentele ontwerp, met intervallen van verhoogde ademhalingssnelheden, die sterk stijgen tot een snelheid dicht bij de RHR. De hartslag toont een reactie op een stap verandering in de ademhaling snelheid; deze stap reacties zullen hieronder worden besproken.

ademhalingssnelheid als drijvende kracht

vanwege de opzet van het experiment was het de bedoeling dat de ademhalingssnelheid tijdens geleide intervallen constant zou zijn. Nochtans, toonden de experimenten aan dat de individuen niet in staat waren om het tarief van de metronoom precies te volgen, zodat was er een veranderlijkheid in onmiddellijke ademhaling tarief. Bovendien werden in enkele gevallen slikken of hoesten waargenomen. De gemiddelde ademhalingssnelheden kwamen echter overeen met de geleide waarden die door de metronoom worden ingesteld. Figuur 2 laat zien hoe nauw vrijwilligers het metronoom volgden: ten opzichte van het genormaliseerde interval 2 (100% RHR) liggen de gemiddelde percentages voor interval 1 en 3 zeer dicht bij waarden van 0,9 (90% RHR) en 1,2 (120% RHR), zoals bedoeld in de experimentele procedure. Voor deze vrijwilliger (Fig. 2), is de afwijking van het gemiddelde voor elk interval minder dan 4%. De gemiddelde en standaardafwijking van de ademhalingssnelheid voor alle intervallen en vrijwilligers zijn weergegeven in Tabel SI1 van ondersteunende informatie (SI). Voor de meeste intervallen is de standaardafwijking minder dan 10%. De standaardafwijking van de ademhalingssnelheid definieert de minimaal mogelijke stapstappen tussen geleide ademhalingssnelheden. De waarden voor de standaardafwijking van de ademhalingssnelheden verkregen voor onze cohort bevestigen dat de gekozen 10% en 20% incrementele veranderingen ten opzichte van de RHR een statistisch significante verandering in de gemiddelde waarde van de ademhalingssnelheid tussen intervallen van geleide ademhaling garanderen.

momentane ademhalingssnelheden, genormaliseerd door de gemiddelde ademhalingssnelheid van interval 2, worden weergegeven door marker ‘x’. De gestippelde zwarte lijnen vertegenwoordigen de standaardafwijking van de snelheid, terwijl de effen zwarte lijn de gemiddelde ademhalingssnelheid voor dat interval is. Ervan uitgaande dat een vrijwilliger de metronoom goed volgt, zal het bereik tussen standaard deviatie lijnen klein zijn. De normalisatie toont de proportionele snelheid van de ademhaling ten opzichte van RHR. Gegevens van vrijwilliger 11.

De Shapiro-Wilk normaliteitstest toonde aan dat Voor 33 van de 66 geleide intervallen de ademhalingssnelheid normaal verdeeld is. De afwijkingen van de normaliteit worden voornamelijk geassocieerd met hoesten en/of slikken. De Kwiatkowski-Phillips-Schmidt-Shin (KPSS) test toonde aan dat bijna alle (63 van de 66) intervallen trendstationair zijn. Zo kan de stochastische component in geleide ademhaling worden weergegeven als een Gaussiaans willekeurig proces, en het ademhalingssignaal zelf correspondeert met stochastische quasi-harmonische oscillaties met een constante amplitude en een variabele frequentie (zie Fig. SI1 in SI).

hartslagrespons op de stapsgewijze verandering in ademhalingsfrequentie

De gemiddelde en standaardafwijking van de hartslag voor alle intervallen en vrijwilligers worden weergegeven in Tabel SI2 van SI. De variabiliteit van deze gegevens is beduidend sterker dan die van de gegevens van de ademhalingssnelheid. Dit kan worden verklaard door de niet-stationaire dynamiek van de hartslag. Omgekeerd aan de geleide ademhaling, toonde de KPSS-test aan dat Voor 63 van de 66 hoge ademintervallen, de onmiddellijke hartslag niet-statisch is. Bovendien bleek uit de Shapiro-Wilk-test dat 49 van de 66 hartslagintervallen normaal gesproken niet verdeeld zijn. Merk op dat de intervallen met een 120% ademhalingssnelheid, die de intervallen waren die naar verwachting synchronisatie Weergeven, niet direct correleerden met de intervallen waarvan de hartslag normaal was verdeeld.

de waargenomen non-stationariteit is gekoppeld aan voorbijgaande aanpassingsperioden die werden waargenomen voor de meeste geleide intervallen, waarbij de hartslag stijgt tot niveaus die niet in verhouding staan tot de voorgeschreven ademhalingsfrequentie, waardoor een ramprespons ontstaat. Aanpassing was vooral zichtbaar tijdens het eerste interval van hoge ademhaling (Fig. 1). Ongeacht, ervan uitgaande dat een vrijwilliger ontspannen en bleef volgen de ademhaling metronoom, hun hartslag aangepast dienovereenkomstig. Deze voorbijgaande periode is minder uitgesproken in de daaropvolgende tweede en derde intervallen.

om de transiënte respons te analyseren, werd een langzame trend van de hartslag berekend met behulp van een voortschrijdend gemiddelde techniek beschreven in de sectie methoden. Er werden verschillende trendpatronen waargenomen (Fig. SI2 in SI) en voor sommige intervallen was er geen trend. In het voorbeeld in Fig. 3, het eerste interval toont een overshooting respons met een initiële hartslag stijging gevolgd door een verval; dit gedrag was typisch voor onze cohort (voorbeelden van deze plots zijn te vinden voor alle vrijwilligers in Fig. SI2 in SI). De patronen voor de tweede en derde intervallen waren complexer, maar de meerderheid omvatte een voorbijgaande verhoging van de snelheid. Ruwe schattingen toonden aan dat de duur van deze tijdelijke verhoging van de hartslag tussen 10 en 100 seconden duurde. Deze observatie stelt enkele resultaten19,20,21 in vraag waar het hele interval van geleide ademhaling ongeveer 30 seconden was. Voor sommige intervallen leek de hartslag na de eerste aanpassing te neigen naar een steady state waarde. Er werd echter geen duidelijke steady state waargenomen en in de meeste gevallen bleef de hartslag diffunderen. In feite zijn dergelijke dwalende dynamica een kenmerk van hart rate22 en moet worden overwogen bij het analyseren van synchronisatie.

Trends in de hartslag tijdens de intervallen van geleide ademhaling. Zwarte curven komen overeen met de trends. Rode lijnen geven de gemiddelde waarde (vaste lijn) en standaardafwijking (gestippelde lijnen) van de ademhalingssnelheid voor elk interval. Alle gegevens genormaliseerd door de gemiddelde ademhalingssnelheid van interval 2. De beoogde hartslagrespons moet betekenen dat de zwarte curve binnen de rode streepjes valt voor een zo groot mogelijk interval. Gegevens van vrijwilliger 11.

synchronisatie

in Fig. 4, waar Ψ de relatieve fase (zie Methodesgedeelte) van het ademhalingssignaal vertegenwoordigt. Een episode van fasesynchronisatie met de ratio 1:1 is zichtbaar als een plateaued lijn tussen 1400 s en 1450 s tijdens het derde interval van geleide ademhaling, waarbij de snelheid is ingesteld op 120% van de RHR. Tijdens deze episode, dwalen van de hartslag is beperkt en de hartslag schommelt rond een bepaalde waarde (Fig. 3, onder c)). Voor en na deze episode vertoont de hartslag een diffuus gedrag.

Synchrogram voor vrijwilliger 11. Schaduwrijke gebieden komen overeen met de gebieden van geleide ademhaling. Fase Ψ wordt getoond in radialen.

bij 18 van de 22 vrijwilligers vond CRS plaats binnen het derde interval, toen de geleide ademhaling hoger was dan RHR. Bij vier vrijwilligers (nummer 2, 10, 20 en 21) werden episodes van synchronisatie waargenomen gedurende het tweede interval wanneer de ademhalingssnelheid gelijk moest zijn aan de RHR. Een aanvullende analyse van de hartslag tijdens het rustinterval van 10 minuten voorafgaand aan geleide ademhaling suggereert dat de RHR-waarde berekend voor deze mogelijk te hoog was, dus voor dit tweede interval was de ademhalingssnelheid boven de werkelijke RHR. Zo werd bij alle vrijwilligers CRS waargenomen wanneer de ademhalingssnelheid hoger was dan RHR. In veel gevallen werd meer dan één episode van CRS waargenomen binnen hetzelfde tijdsinterval. Deze episodes werden automatisch geïdentificeerd door de synchronisatie-index6 λ en het begrensde faseverschil φ zoals beschreven in de sectie methoden. De langste episode werd uitgekozen en de totale duur van alle episodes in het gegeven interval werd berekend. Alle resultaten zijn samengevat in Tabel 1, waarbij de tijden tot op de dichtstbijzijnde seconde worden gegeven. De met de twee methoden berekende CRS-duur leverde nauwe waarden op. Voor de meeste vrijwilligers werd de langste episode verlengd, met duur variërend van 20 tot 80 seconden, overeenkomend met 30% tot 98% van het hele interval van geleide ademhaling.

Eén vrijwilliger (nummer 3) had zeer korte CRS-episodes. De dynamiek van het faseverschil en de percentages voor het derde interval voor deze vrijwilliger en vrijwilliger 2 zijn weergegeven in Fig. 5 (vergelijkbare vergelijkingspercelen zijn te vinden voor alle vrijwilligers in Fig. SI3 in SI). De interpretatie van deze waarnemingspunten maakt het mogelijk de in Tabel 1 gespecificeerde duur te visualiseren. Het bovenste paneel (plot (A) en (e) in Fig. 5) toont het faseverschil tussen hartslag en ademhaling. Een trilling van het faseverschil in een beperkt bereik van minder dan 2 π, of het faseverschil dicht bij een constante waarde voor een langere periode is indicatief voor fasesynchronisatie tussen de twee signalen. De duur van de synchronisatie episodes voor verschillende vrijwilligers worden weergegeven in Tabel 1. Het tweede paneel (plot (b) en (f)) toont de tijdsafhankelijkheid van de synchronisatie-index. Een waarde van de index dicht bij één vertegenwoordigt 1: 1 synchronisatie tussen twee oscillerende signalen. Extended episodes boven de experimenteel gerechtvaardigde drempel van 0,7 bepaalt de waarde van λ in Tabel 1. Het derde paneel (plots (c) en (g)) toont het synchrogram voor het gehele interval van hoge snelheid ademhaling. Tijdens de fase vertonen synchronisatiepunten op synchrogram een plateau. Dergelijke plateaus vertegenwoordigen de fase van één signaal die niet langer dan een hele periode ten opzichte van de fase van het tweede signaal verandert. Het Laatste paneel (plots (d) en (h)) is een weergave van de hart-en ademhalingssnelheden voor een vergelijking van momentane snelheden tijdens episodes van synchronisatie met dynamica van fasen. De gestippelde rode lijnen vertegenwoordigen de hoge variabiliteit van de ademhaling snelheid, zelfs voor gecontroleerde ademhaling-hoe groter dit bereik, hoe meer variabele de ademhaling snelheid en dus hoe slechter een vrijwilliger handhaafde een constante snelheid. De vaste rode lijn is de gemiddelde ademhaling snelheid, en de blauwe lijn toont de dynamiek van de onmiddellijke ademhaling snelheid gedurende het interval. De Zwarte Lijn in de plots (d) en (h) komt overeen met de hartslag met verwijderde hoogfrequente oscillaties via het toepassen van voortschrijdend gemiddelde technieken. Tijdens episodes van fasesynchronisatie wordt verwacht dat de zwarte lijn volledig tussen de gestippelde rode lijnen valt, wat het feit vertegenwoordigt dat de variabiliteit van de hartslag binnen de variabiliteit van de ademhalingssnelheid ligt.

Synchronisatiemaatregelen voor vrijwilliger 2 (links) en vrijwilliger 3 (rechts). Figuren (a,e) tonen het faseverschil, figuren (b,f) tonen de synchronisatie-index, figuren (c,g) tonen het synchrogram, en figuren (d,h) tonen gladgestreken hart (zwarte lijn) en respiratoire (blauwe lijn) snelheden. In cijfers (d,h) geven rode lijnen de gemiddelde waarde (vaste lijn) en standaardafwijking (gestippelde lijnen) van de ademhalingssnelheid voor elk interval aan.

In Fig. 5, voor beide gevallen de hartslag (Fig. 5 (d, h)) zijn visueel dicht bij de ademhalingssnelheden voor het hele interval, maar de fasedynamiek (Fig. 5 (a, e)) zijn opmerkelijk verschillend. Het faseverschil φ (Fig. 5 (a)) is beperkt en bijna constant voor vrijwilliger 2, terwijl het eentonig toeneemt voor vrijwilliger 3 (Fig. 5, Onder e)). Dit significante verschil tussen fase-en snelheidsdynamiek benadrukt het belang van het gebruik van kwalitatieve benaderingen zoals fasebeschrijving voor de analyse van synchronisatie voor signalen met stochastische en/of niet-stationaire componenten.

zoals vermeld, werden CRS-episodes waargenomen in het tweede interval (percentage bedoeld om gelijk te zijn aan RHR) bij vier vrijwilligers. Daarom kwam hun derde interval overeen met een ademhalingssnelheid aanzienlijk hoger dan de RHR. De tijdontwikkeling van het faseverschil φ Voor alle drie de intervallen wordt weergegeven in Fig. 6 voor een van deze vrijwilligers. Het faseverschil φ neemt eentonig toe met de tijd tijdens het eerste interval, omdat de hartschommelingen sneller zijn dan de ademhaling. Het beperkte en bijna constante faseverschil tijdens het tweede interval toont de manifestatie van het synchronisatie-effect aan. Voor het derde interval is de situatie het tegenovergestelde en neemt het faseverschil eentonig af. Merk op dat Voor alle andere vrijwilligers, het derde interval overeenkwam met het synchronisatie-interval, en dus een beperkt faseverschil.

faseverschillen φ voor drie geleide ademintervallen worden getoond voor vrijwilliger 2. Blauwe, rode en groene curven komen overeen met respectievelijk de eerste (90% RHR), tweede (100% RHR) en derde (120% RHR) intervallen. Faseverschillen worden genormaliseerd door 2π.

Er is een duidelijk verschil in duur van synchronisatie episodes tussen de resultaten voor atleten (gemarkeerd met een asterisk) en niet-atleten (Tabel 1). Opgemerkt moet worden dat de meeste atleten hadden aanzienlijk lagere RHR, rond 50 BPM (tabel SI1 in SI), in vergelijking met andere vrijwilligers, en dus zou ademen op lagere tarieven tijdens intervallen van geleide ademhaling. Dit leidt tot een bevooroordeelde probleem binnen het ontwerp van het experiment – hoe fitter een individu, en hoe lager hun RHR, hoe langzamer ze nodig hadden om te ademen, ondanks het waarschijnlijk beter in staat zijn om hogere ademhalingssnelheden te handhaven dan niet-atleten. Alle atleten hadden lange synchronisatie-episodes. Niet-atleten’ resultaten zijn minder consistent; echter, de langste episode van synchronisatie in het cohort werd waargenomen voor een niet-atleet (vrijwilliger 2).

aangezien 9 van de 10 atleten in de studie Mannelijk zijn, is een algemene vergelijking van synchronisatie-episodes tussen mannelijke en vrouwelijke deelnemers niet noodzakelijk representatief voor een gelijkmatig verdeelde populatie, en zou deze inherent beïnvloed worden door het hierboven besproken verschil tussen atleten en niet-atleten. Bij niet-atleten zijn er echter 5 mannen en 7 vrouwen. Uit Tabel 1 blijkt dat er geen verschil bestaat tussen mannelijke en vrouwelijke resultaten voor de 12 niet-atleten. Episodes van synchronisatie en totale duur zijn van vergelijkbare lengte. Toevallig waren zowel de langste als Kortste episodes van synchronisatie Vrouwelijk (respectievelijk vrijwilliger 2 en 3), met duidelijke verschillen tussen deze resultaten aangetoond in Fig. 5.

hoewel de in dit onderzoek overwogen synchronisatiematen met succes episodes van CRS hebben geïdentificeerd, is het belangrijk te benadrukken dat deze episodes nog steeds toevallig kunnen zijn, zonder enige cardio-respiratoire interactie. Inderdaad, het is hierboven besproken dat de hartslag laat zien zwervende (diffusieve) dynamiek en veranderingen in een breed scala. Als gevolg van deze diffusiviteit, wanneer ademhaling en hartslag dicht bij elkaar voor een periode van tijd, hun gemiddelde tarieven zijn bijna gelijk, en geen verschillen tussen de tarieven zou duidelijk worden gezien tijdens deze korte periodes. Dit zou op zijn beurt betekenen dat alle metingen, dat wil zeggen synchrogram, synchronisatie-index en faseverschil, deze tijdsperioden zouden identificeren als episodes van synchronisatie, zelfs bij afwezigheid van een echte cardio-respiratoire interactie. Daarom tonen we in dit werk bovendien aan dat de afleveringen die we observeerden niet toevallig waren door gebruik te maken van surrogaatgegevens.

laten we eens kijken naar surrogaatademhaling en hartslag gegenereerd met behulp van willekeurige, normaal gedistribueerde gegevens, en afleiden synchrogram en synchronisatie-index voor deze gegevens. De gemiddelde waarden (70 BPM) en standaardafwijkingen (3%) van de ademhaling en hartslag worden geselecteerd om gelijk te zijn en komen overeen met twee verschillende willekeurige tijdreeksen. Deze snelheden zijn omgezet in momentane perioden, zoals beschreven in de sectie methoden, wat leidt tot twee surrogaattijdreeksen: een van R-pieken van een ECG-signaal en de andere van maxima van een ademhalingssignaal. Vervolgens werden dezelfde signaalverwerkingstechnieken toegepast als bij de experimentele gegevens, en het faseverschil Ψ werd samen met de synchronisatie-index λ (Fig. 7). Men kan zien dat de fase Ψ (Fig. 7a) is bijna constant (ΨC ≈ 2) voor een lang tijdsinterval en de synchronisatie-index λ (Fig. 7b) groter is dan de drempelwaarde (0,7) voor het gehele interval. Daarom worden synchronisatie-episodes voor deze surrogaatgegevens duidelijk waargenomen. Het is belangrijk op te merken dat Voor de surrogaatgegevens, de bijna constante waarde ΨC van fase Ψ op het synchrogram een willekeurige waarde is, ondanks alle maatregelen die episodes van synchronisatie tonen. Bijvoorbeeld in Fig. 7 de fase is ongeveer 2 (ΨC ≈ 2), maar zou een andere waarde hebben voor een andere set surrogaatgegevens. Bijgevolg, voor synchronisatie waargenomen door toeval, moet de verdeling van p(Ψ) Voor een reeks metingen uniform zijn aangezien de tijdreeksen van snelheden volledig onafhankelijk zijn. Aan de andere kant, zou een verschil van een uniforme verdeling p(Ψ) de aanwezigheid van koppeling tussen de cardio en ademhalingssystemen aangeven. In Fig. 8, wordt de verdeling p (Ψ) afgeleid van onze experimentele gegevens voor alle 22 intervallen van geleide ademhaling met synchronisatieepisodes van alle vrijwilligers getoond. De waarden van Ψ werden geselecteerd uit synchrogramgrafieken wanneer λ > 0.9. De drempelwaarde werd verhoogd ten opzichte van experimentele analyse om episodes van sterkste interactie te benadrukken (merk op dat andere drempelwaarden, bijvoorbeeld 0.7, leiden tot een soortgelijke vorm van de verdeling). Distributie (vijg. 8) is scheef en heeft de meest waarschijnlijke waarde van 4; ΨC ≈ 4. Dit resultaat geeft aan dat de faseblokkering in onze experimentele gegevens wordt waargenomen voor een bepaalde waarde van Ψ en daarom zijn synchronisatie-episodes niet toevallig en het resultaat van een echte cardio-respiratoire interactie.

Synchrogram (A) en synchronisatie-index (b) voor surrogaatgegevens; het gemiddelde is 70 BPM en de standaardafwijking is 3%. Rode en magenta gestreepte lijnen komen overeen met λ = 0,7 en λ = 0,9 respectievelijk.

kansdichtheid P(ψ) voor experimentele gegevens wordt getoond in een staafdiagram. Fase Ψ wordt getoond in radialen.