kontrola tętna za pomocą oddychania z dużą szybkością
pomiary
eksperymenty polegały na spontanicznym oddychaniu przez 10 minut, a następnie na trzech interwałach oddychania z dużą szybkością (rys. 1, Zielone zacienione obszary) z 4 minutami spontanicznego oddychania między nimi. Pierwszy prowadzony interwał oddechowy wynosił 90% RHR (zaczynał się około 600 s), drugi interwał (czas rozpoczęcia wynosi około 1000 s) odpowiadał szybkości oddychania równej RHR, a trzeci interwał (około 1400 s) wymagał oddychania przy 120% RHR. Animacja prowadząca do oddychania przebiegała przez 100 pełnych cykli oddechowych. Całkowita liczba interwałów z przewodnikiem dla 22 ochotników biorących udział w tej pracy wynosi 66.
chwilowe tempo oddychania (niebieskie) i tętno (czerwone) są pokazane na podstawie danych dla ochotnika 11. Obszary oddechu kierowanego są zacienione. Markery ” x ” i ” + ” odpowiadają maksymom odpowiednio w sygnale oddechowym i pikom R w sygnale EKG. Nie wszystkie 10-minutowe przerwy odpoczynku na początku są pokazane, ponieważ dane te nie są wyraźnie analizowane w tym artykule.
przeprowadzono jednoczesną rejestrację sygnałów EKG i oddechowych. Zgodnie z procedurą przetwarzania danych opisaną w sekcji Metody, zarówno oddech, jak i tętno zostały określone w hercach; jednak dla celów ilustracyjnych w niniejszym artykule stopy są przedstawione w uderzeniach na minutę (BPM). Tętno i częstość oddechu przedstawione na Fig. 1 zapewnij wyraźny obraz projektu eksperymentalnego, z przerwami zwiększonego oddechu, które gwałtownie rosną do szybkości zbliżonej do RHR. Częstość akcji serca wskazuje na reakcję na stopniową zmianę częstości oddechu; te reakcje krokowe zostaną omówione poniżej.
szybkość oddychania jako siła napędowa
dzięki projektowi eksperymentu, szybkość oddychania w interwałach kierowanych miała być stała. Jednak eksperymenty wykazały, że osoby nie były w stanie dokładnie śledzić tempa metronomu, więc istniała zmienność chwilowego tempa oddychania. Dodatkowo w kilku przypadkach obserwowano połykanie lub kaszel. Jednak średnie tempo oddychania odpowiadało wartościom kierowanym ustalonym przez metronom. Rysunek 2 pokazuje, jak dokładnie ochotnicy śledzili metronom: w stosunku do znormalizowanego interwału 2 (100% RHR), średnie wskaźniki dla interwału 1 i 3 są bardzo zbliżone do wartości 0,9 (90% RHR) i 1,2 (120% RHR), zgodnie z założeniami procedury eksperymentalnej. Dla tego ochotnika (rys. 2), odchylenie od średniej dla każdego przedziału jest mniejsze niż 4%. Średnie i standardowe odchylenie częstości oddechu dla wszystkich interwałów i ochotników przedstawiono w tabeli SI1 informacji uzupełniających (SI). Dla większości odstępów odchylenie standardowe jest mniejsze niż 10%. Odchylenie standardowe szybkości oddychania określa minimalne możliwe przyrosty krokowe między sterowanymi szybkościami oddychania. Wartości odchylenia standardowego częstości oddychania uzyskane dla naszej kohorty potwierdzają, że wybrane 10% i 20% przyrostowe zmiany w odniesieniu do RHR gwarantują statystycznie istotną zmianę średniej wartości szybkości oddychania między przerwami oddechu kierowanego.
chwilowe tempo oddychania, znormalizowane przez średnią szybkość oddychania interwału 2, są pokazane za pomocą znacznika „x”. Przerywane czarne linie reprezentują standardowe odchylenie szybkości, podczas gdy stała czarna linia jest średnią szybkością oddychania dla tego przedziału. Zakładając, że ochotnik podąża dobrze za metronomem, zakres między liniami odchylenia standardowego będzie niewielki. Normalizacja pokazuje proporcjonalną szybkość oddychania w stosunku do RHR. Dane wolontariusza 11.
test normalności Shapiro-Wilka wykazał, że dla 33 z 66 interwałów kierowanych częstotliwość oddechu jest normalnie rozłożona. Odchylenia od normalności są głównie związane z kaszlem i / lub przełykaniem. Test Kwiatkowskiego-Phillipsa-Schmidta-Shina (KPSS) wykazał, że prawie wszystkie (63 Z 66) interwały są stacjonarne. Tak więc składowa stochastyczna w kierowanej częstotliwości oddychania może być reprezentowana jako losowy proces Gaussa, a sam sygnał oddechowy odpowiada stochastycznym quasi-harmonicznym oscylacjom o stałej amplitudzie i zmiennej częstotliwości(patrz Rys. SI1 w SI).
częstość akcji serca odpowiedź na stopniową zmianę częstości oddechu
średnie i standardowe odchylenie częstości akcji serca dla wszystkich przedziałów i ochotników przedstawiono w tabeli SI2 SI. Zmienność tych danych jest znacznie większa niż w przypadku danych dotyczących szybkości oddychania. Można to wytłumaczyć niestacjonarną dynamiką tętna. Odwrotnie do kierowanej częstości oddechu, badanie KPSS wykazało, że dla 63 Z 66 częstych przedziałów oddechowych chwilowe tętno nie jest stacjonarne. Ponadto badanie Shapiro-Wilka wykazało, że 49 Z 66 przedziałów częstości akcji serca nie jest normalnie rozłożonych. Należy zauważyć, że interwały o 120% częstości oddechu, które były interwałami, które miały wyświetlać synchronizację, nie korelowały bezpośrednio z interwałami, których tętno było normalnie rozłożone.
zauważona niestacjonarność związana jest z przemijającymi okresami adaptacji, które obserwowano w większości prowadzonych odstępach czasu, przy czym częstość akcji serca wzrasta do poziomów nieproporcjonalnych do zalecanej częstości oddechu, tworząc reakcję rampową. Adaptacja była szczególnie widoczna podczas pierwszej przerwy oddychania z dużą szybkością (rys. 1). Niezależnie od tego, zakładając, że ochotnik zrelaksował się i kontynuował po oddychaniu metronomem, ich tętno odpowiednio się dostosowało. Ten okres przejściowy jest mniej wyraźny w kolejnych interwałach drugim i trzecim.
aby przeanalizować przemijającą odpowiedź, obliczono powolny trend częstości akcji serca za pomocą techniki średniej ruchomej opisanej w sekcji Metody. Zaobserwowano różne wzorce trendów (rys. SI2 W SI) i w niektórych odstępach czasu nie było tendencji. W przykładzie przedstawionym na Rys. 3, pierwszy interwał pokazuje przekroczenie odpowiedzi z początkowym wzrostem częstości akcji serca, a następnie rozpadem; to zachowanie było typowe dla naszej kohorty (przykłady tych wykresów można znaleźć dla wszystkich ochotników na Fig. SI2 W SI). Wzory dla drugiego i trzeciego interwału były bardziej złożone, ale większość obejmowała przejściowy wzrost wskaźnika. Przybliżone szacunki wykazały, że czas trwania tego przejściowego wzrostu częstości akcji serca wynosił od 10 do 100 sekund. Ta obserwacja kwestionuje niektóre wyniki19,20, 21, gdzie cały odstęp oddechu z przewodnikiem wynosił około 30 sekund. W niektórych odstępach czasu wydawało się, że częstość akcji serca zaczyna zmierzać do wartości stacjonarnej po początkowej adaptacji. Nie obserwowano jednak wyraźnego stanu stacjonarnego i w większości przypadków częstość akcji serca nadal ulegała rozproszeniu. W rzeczywistości taka wędrująca dynamika jest cechą tętna22 i powinna być brana pod uwagę przy analizowaniu synchronizacji.
Trendy częstości akcji serca w odstępach oddechowych. Czarne krzywe odpowiadają trendom. Czerwone linie określają średnią wartość (linia ciągła) i odchylenie standardowe (linie przerywane) szybkości oddychania dla każdego interwału. Wszystkie dane znormalizowane przez średnią częstość oddechu w przedziale 2. Zamierzona reakcja na tętno powinna oznaczać, że czarna krzywa mieści się w czerwonych liniach przerywanych przez jak największą część odstępu. Dane wolontariusza 11.
Synchronizacja
na Fig. 4, Gdzie Ψ oznacza fazę względną (patrz sekcja Metody) sygnału oddechowego. Epizod synchronizacji fazowej o stosunku 1:1 jest widoczny jako plateaued line między 1400 s i 1450 s podczas trzeciego interwału oddechu kierowanego, gdzie szybkość jest ustawiona na 120% RHR. Podczas tego epizodu wędrowanie tętna jest ograniczone, a tętno oscyluje wokół określonej wartości (rys. 3 c)). Przed i po tym epizodzie tętno wykazuje dyfuzję.
Zacienione obszary odpowiadają obszarom kierowanego oddychania. Faza Ψ jest pokazana w radianach.
u 18 z 22 ochotników CRS wystąpił w trzecim odstępie czasu, gdy kierowana częstość oddechu była wyższa niż RHR. W przypadku czterech ochotników (numer 2, 10, 20 i 21) obserwowano epizody synchronizacji w drugim przedziale, kiedy częstość oddechu miała być równa RHR. Dodatkowa analiza częstości akcji serca podczas 10-minutowego odstępu odpoczynku przed prowadzonym oddychaniem sugeruje, że obliczona dla nich wartość RHR była potencjalnie zbyt wysoka, dlatego dla tego drugiego interwału częstość oddechu była wyższa niż rzeczywista RHR. Tak więc, u wszystkich ochotników CRS obserwowano, gdy częstość oddechu była wyższa niż RHR. W wielu przypadkach więcej niż jeden epizod CRS obserwowano w tym samym przedziale czasowym. Epizody te zostały automatycznie zidentyfikowane przez indeks synchronizacji 6 λ i ograniczoną różnicę faz φ, jak opisano w sekcji Metody. Wyodrębniono najdłuższy odcinek i obliczono całkowity czas trwania wszystkich odcinków w danym przedziale. Wszystkie wyniki są podsumowane w tabeli 1, A czasy podane są z dokładnością do najbliższej sekundy. Czas trwania CRS obliczony za pomocą dwóch metod wytworzył bliskie wartości. U większości ochotników najdłuższy Epizod został wydłużony, z czasem trwania wahającym się od 20 do 80 sekund, co odpowiada 30% do 98% całego odstępu oddechu kierowanego.
jeden ochotnik (numer 3) miał bardzo krótkie epizody CRS. Dynamika różnicy faz i współczynników dla trzeciego interwału dla tego ochotnika i ochotnika 2 pokazano na Fig. 5 (podobne wykresy porównawcze można znaleźć dla wszystkich ochotników na Rys. SI3 w SI). Interpretacja tych wykresów pozwala na wizualizację czasu trwania określonego w tabeli 1. Górny panel (Wykres (a) i (e)na Rys. 5) pokazuje różnicę faz między tętnem a oddychaniem. Oscylacja różnicy faz w ograniczonym zakresie mniejszym niż 2 π lub różnica faz bliska stałej wartości przez dłuższy okres wskazuje na synchronizację fazową między dwoma sygnałami. Czas trwania epizodów synchronizacji dla różnych ochotników przedstawiono w tabeli 1. Drugi panel (Wykres (b) I (f)) pokazuje zależność czasową indeksu synchronizacji. Wartość indeksu blisko jednego oznacza synchronizację 1: 1 między dwoma sygnałami oscylacyjnymi. Wydłużone odcinki powyżej doświadczalnie uzasadnionego progu 0,7 określają wartość λ w tabeli 1. Trzeci panel (wykresy (c) i (g)) pokazuje synchrogram dla całego interwału oddychania z dużą szybkością. Podczas fazy synchronizacji punkty na synchrogramie wykazują plateau. Płyty takie reprezentują fazę jednego sygnału nie zmieniającą się o więcej niż cały okres w stosunku do fazy drugiego sygnału. Panel końcowy (wykresy (d) I (h)) stanowią reprezentację częstości serca i oddechu w celu porównania chwilowych częstości podczas epizodów synchronizacji z dynamiką faz. Przerywane czerwone linie reprezentują dużą zmienność szybkości oddychania nawet w przypadku kontrolowanego oddychania – im większy ten zakres, tym bardziej zmienna szybkość oddychania, a tym samym gorszy ochotnik utrzymywał stałą szybkość. Stała czerwona linia to średnia szybkość oddychania, a niebieska linia pokazuje dynamikę chwilowego szybkości oddychania w całym przedziale. Czarna linia na wykresach (d) I (h) odpowiada częstości akcji serca z usuniętymi oscylacjami wysokiej częstotliwości poprzez zastosowanie technik średniej ruchomej. Podczas epizodów synchronizacji fazowej, czarna linia powinna całkowicie spaść między przerywanymi czerwonymi liniami, reprezentując fakt, że zmienność tętna jest zawarta w zmienności częstotliwości oddychania.
środki synchronizacji dla wolontariusza 2 (po lewej) i wolontariusza 3 (po prawej). Figury (a,e) pokazują różnicę faz, figury (b, f) pokazują indeks synchronizacji, figury (c,g) pokazują synchrogram, a figury (d,h) pokazują gładkie serca (czarna linia) i oddech (Niebieska linia) stopy. Na rysunkach (d,h) czerwone linie określają średnią wartość (linia ciągła) i odchylenie standardowe (linie przerywane) szybkości oddychania dla każdego interwału.
na Rys. 5, w obu przypadkach tętno (rys. 5 (d,h)) są wizualnie zbliżone do szybkości oddychania dla całego interwału, ale dynamika fazy (rys. 5 (A, e)) są znacząco różne. Różnica faz φ (rys. 5 (a)) jest ograniczona i prawie stała dla wolontariusza 2, podczas gdy zwiększa się monotonicznie dla wolontariusza 3 (rys. 5 e)). Ta znacząca różnica między dynamiką fazy i szybkości podkreśla znaczenie stosowania podejść jakościowych, takich jak opis fazy do analizy synchronizacji sygnałów ze składnikami stochastycznymi i/lub niestacjonarnymi.
jak wspomniano, epizody CRS obserwowano w drugim przedziale (częstość miała być równoważna RHR) u czterech ochotników. Dlatego ich trzeci interwał odpowiadał częstości oddechu znacznie wyższej niż RHR. Czas ewolucji różnicy faz φ dla wszystkich trzech przedziałów pokazano na Fig. 6 dla jednego z tych ochotników. Różnica faz φ wzrasta monotonicznie z czasem w pierwszym odstępie, ponieważ oscylacje serca są szybsze niż oddychanie. Ograniczona i prawie stała różnica faz podczas drugiego interwału pokazuje manifestację efektu synchronizacji. Dla trzeciego przedziału sytuacja jest odwrotna, a różnica faz maleje monotonicznie. Zauważ, że dla wszystkich innych ochotników trzeci interwał odpowiadał interwałowi synchronizacji, a tym samym ograniczonej różnicy faz.
różnice faz φ dla trzech przedziałów oddechowych są pokazane dla ochotnika 2. Krzywe niebieskie, czerwone i zielone odpowiadają odpowiednio pierwszym (90% RHR), drugim (100% RHR) i trzecim (120% RHR) interwałom. Różnice fazowe są znormalizowane o 2π.
istnieje wyraźna różnica w czasie trwania epizodów synchronizacji między wynikami dla sportowców (podkreślonymi gwiazdką) i nie-sportowców (Tabela 1). Należy zauważyć, że większość sportowców miała znacznie niższy RHR, około 50 uderzeń na minutę (tabela SI1 w SI), w porównaniu z innymi ochotnikami,a zatem oddychałaby z niższą częstotliwością w odstępach oddechowych. Prowadzi to do problemu tendencyjnego w projekcie eksperymentu – im bardziej sprawna jednostka i im niższy RHR, tym wolniej musiała oddychać, mimo że prawdopodobnie była bardziej zdolna do utrzymania wyższych częstotliwości oddychania niż osoby niebędące sportowcami. Wszyscy sportowcy mieli długie epizody synchronizacji. Wyniki nie-sportowców są mniej spójne; jednak najdłuższy Epizod synchronizacji w kohorcie zaobserwowano dla nie-sportowców (wolontariusz 2).
ponieważ 9 z 10 sportowców w badaniu to mężczyźni, ogólne porównanie epizodów synchronizacji między uczestnikami płci męskiej i żeńskiej niekoniecznie jest reprezentatywne dla równomiernie rozłożonej populacji i byłoby z natury stronnicze przez różnicę między sportowcami i nie-sportowcami omówioną powyżej. Jednak biorąc pod uwagę nie-sportowców, jest 5 mężczyzn i 7 kobiet. Z tabeli 1 widać, że nie ma różnicy między wynikami mężczyzn i kobiet dla 12 nie-sportowców. Odcinki synchronizacji i całkowity czas trwania są porównywalnej długości. Przypadkowo, zarówno najdłuższymi, jak i najkrótszymi epizodami synchronizacji były kobiety (odpowiednio ochotniczka 2 i 3), z wyraźnymi różnicami między tymi wynikami pokazanymi na Fig. 5.
chociaż środki synchronizacji rozważane w tych badaniach z powodzeniem zidentyfikowały epizody CRS, ważne jest, aby podkreślić, że te epizody mogą być nadal przypadkowe, bez interakcji sercowo-oddechowej. Rzeczywiście, omówiono powyżej, że tętno wykazuje wędrującą (dyfuzyjną) dynamikę i zmiany w szerokim zakresie. Ze względu na tę dyfuzję, gdy oddech i tętno są blisko siebie przez pewien okres czasu, ich średnie stawki są prawie równe, a żadne różnice między stawkami nie byłyby wyraźnie widoczne w tych krótkich okresach. To z kolei oznaczałoby, że wszystkie miary, tj. synchrogram, indeks synchronizacji i różnica faz, identyfikowałyby te okresy czasu jako epizody synchronizacji nawet w przypadku braku prawdziwej interakcji sercowo-oddechowej. Dlatego w tej pracy dodatkowo demonstrujemy, że obserwowane przez nas epizody nie były przypadkowe, wykorzystując dane zastępcze.
rozważmy zastępcze oddechy i tętno generowane za pomocą losowych, normalnie rozproszonych danych i uzyskajmy synchrogram i indeks synchronizacji dla tych danych. Średnie wartości (70 uderzeń na minutę) i odchylenia standardowe (3%) częstości oddechu i tętna dobiera się tak, aby były równe i odpowiadały dwóm różnym losowym szeregom czasowym. Wskaźniki te zostały przekształcone w okresy chwilowe, jak opisano w sekcji Metody, co prowadzi do dwóch zastępczych szeregów czasowych: jednego z pików R sygnału EKG i drugiego maksimum sygnału oddechowego. Następnie zastosowano te same techniki przetwarzania sygnału, co w przypadku danych eksperymentalnych i obliczono różnicę faz Ψ wraz ze wskaźnikiem synchronizacji λ (Fig. 7). Widać, że faza Ψ (rys. 7a) jest prawie stała (ψ ≈ 2) przez długi okres czasu i wskaźnik synchronizacji λ (rys. 7b) jest większa od wartości progowej (0,7) dla całego przedziału. Dlatego też epizody synchronizacji dla tych danych zastępczych są wyraźnie obserwowane. Ważne jest, aby pamiętać, że dla danych zastępczych, prawie stała wartość ψ fazy Ψ w synchrogramie jest wartością losową, pomimo wszystkich miar pokazujących epizody synchronizacji. Na przykład na Rys. 7 Faza wynosi około 2 (ψ ≈ 2), ale przyjmuje inną wartość dla innego zestawu danych zastępczych. W związku z tym, dla synchronizacji obserwowanej przez przypadek, rozkład P(Ψ) dla zbioru pomiarów musi być jednolity, ponieważ szeregi czasowe szybkości są w pełni niezależne. Z drugiej strony, różnica w stosunku do równomiernego rozkładu P (Ψ) wskazywałaby na obecność sprzężenia między układem sercowo-oddechowym. Na Rys. 8, pokazany jest rozkład P (Ψ) pochodzący z naszych danych doświadczalnych dla wszystkich 22 interwałów oddechowych z epizodami synchronizacji u wszystkich ochotników. Wartości Ψ wybrano z Wykresów synchrogramu, gdy λ > 0.9. Wartość progowa została zwiększona w porównaniu z analizą eksperymentalną w celu podkreślenia epizodów najsilniejszych interakcji (Należy zauważyć, że inne wartości progowe, np. 0.7, doprowadzić do podobnego kształtu rozkładu). Rozkład (rys. 8) jest przekrzywiony i ma najbardziej prawdopodobną wartość 4; ψ ≈ 4. Wynik ten wskazuje, że faza blokowania w naszych danych doświadczalnych jest obserwowana dla określonej wartości Ψ i dlatego epizody synchronizacji nie są przypadkowe i wynikają z prawdziwej interakcji sercowo-oddechowej.
Synchronizacja (A) i indeks synchronizacji (B) dla danych zastępczych; średnia wynosi 70 uderzeń na minutę, a odchylenie standardowe wynosi 3%. Czerwone i purpurowe przerywane linie odpowiadają odpowiednio λ = 0,7 i λ = 0,9.
gęstość prawdopodobieństwa P(ψ) dla danych eksperymentalnych jest pokazana na wykresie słupkowym. Faza Ψ jest pokazana w radianach.
Leave a Reply