medições

as experiências consistiram em respiração espontânea durante 10 minutos, seguida de três intervalos de respiração guiada de alta frequência (Fig. 1, áreas sombreadas verdes) com 4 minutos de respiração espontânea entre cada. O primeiro intervalo de respiração guiada foi de 90% do RHR (iniciado em cerca de 600 s), o segundo intervalo (tempo de início é de cerca de 1000 s) correspondia a uma taxa de respiração igual ao RHR, e o terceiro intervalo (cerca de 1400 s) necessitava de respiração a 120% do RHR. A animação guiando a respiração durou 100 ciclos de respiração completos. O número total de intervalos guiados para os 22 voluntários considerados neste trabalho é de 66.

Instantânea, taxa de respiração (azul) e frequência cardíaca (vermelho) são mostradas a partir de dados de voluntários 11. Regiões de respiração guiada são sombreadas. Os marcadores ” x ” e ” + ” correspondem aos máximos do sinal respiratório e dos picos R do sinal ECG, respectivamente. Nem todo o intervalo de descanso de 10 minutos no início é mostrado, uma vez que estes dados não são explicitamente analisados neste artigo.

gravações Simultâneas de ECG e sinais respiratórios foram realizadas. De acordo com o procedimento de processamento de dados descrito na seção de Métodos, tanto a respiração e os batimentos cardíacos foram derivadas em Hertz; no entanto, para fins ilustrativos neste documento, as taxas são apresentadas em batimentos por minuto (BPM). O coração e a respiração batem juntos na figura. 1 fornecer uma imagem clara do design experimental, com intervalos de aumento das taxas de respiração, que aumentam acentuadamente para uma taxa próxima do RHR. A frequência cardíaca demonstra uma resposta a uma mudança de passo nas taxas de respiração; estas respostas de passo serão discutidas abaixo.devido à concepção da experiência, a frequência respiratória durante os intervalos guiados pretendia ser constante. No entanto, experimentos demonstraram que os indivíduos eram incapazes de seguir a taxa do metrônomo exatamente, então havia uma variabilidade na taxa de respiração instantânea. Adicionalmente, em alguns casos foi observada deglutição ou tosse. No entanto, as taxas de respiração médias corresponderam aos valores guiados definidos pelo metrônomo. A figura 2 destaca como os voluntários seguiram de perto o metrônomo: em relação ao intervalo normalizado 2 (100% RHR), as taxas médias para os intervalos 1 e 3 estão muito próximas dos valores de 0, 9 (90% RHR) e 1,2 (120% RHR), como previsto pelo procedimento experimental. Para este voluntário (Fig. 2), o desvio da média para cada intervalo é inferior a 4%. A média e o desvio padrão da taxa de respiração para todos os intervalos e voluntários são mostrados no quadro SI1 da Informação de apoio (SI). Para a maioria dos intervalos, o desvio padrão é inferior a 10%. O desvio padrão da taxa de respiração define os incrementos mínimos possíveis entre as taxas de respiração guiadas. Os valores para o desvio padrão das taxas de respiração obtidos para a nossa coorte confirmam que as alterações incrementais selecionadas de 10% e 20% em relação à RH garantem uma alteração estatisticamente significativa no valor médio da taxa de respiração entre intervalos de respiração guiada.

Instantânea taxas de respiração, normalizados pela média da taxa de respiração do intervalo 2, são mostrados pelo marcador de ‘x’. As linhas negras tracejadas representam o desvio padrão da taxa, enquanto a linha preta sólida é a taxa média de respiração para esse intervalo. Assumindo que um voluntário segue o poço do metrónomo, o intervalo entre as linhas de desvio padrão será pequeno. A normalização demonstra a taxa proporcional de respiração em relação ao RHR. Dados do voluntário 11.

o teste de normalidade Shapiro-Wilk mostrou que, em 33 dos 66 intervalos guiados, a taxa de respiração é normalmente distribuída. Os desvios da normalidade estão principalmente associados a tosse e/ou deglutição. O teste Kwiatkowski-Phillips–Schmidt-Shin (KPSS) demonstrou que quase todos os intervalos (63 em 66) são tendent-stationary. Assim, o componente estocástico na taxa de respiração guiada pode ser representado como um processo aleatório Gaussiano, e o sinal de respiração em si corresponde a oscilações estocásticas quase-harmônicas com uma amplitude constante e uma frequência variável (ver Fig. SI1 in SI).a média e o desvio padrão da frequência cardíaca para todos os intervalos e voluntários são apresentados na tabela SI2 do SI. A variabilidade destes dados é significativamente mais forte do que a dos dados da taxa de respiração. Isto pode ser explicado pela dinâmica não-estacionária do ritmo cardíaco. Inversamente à frequência de respiração guiada, o teste KPSS demonstrou que, para 63 dos 66 intervalos de respiração de alta frequência, a frequência cardíaca instantânea não está estacionária. Além disso, o teste Shapiro-Wilk mostrou que 49 em 66 intervalos cardíacos não são normalmente distribuídos. Note – se que os intervalos com uma taxa de respiração de 120%, que foram os intervalos esperados para exibir sincronização, não se correlacionam diretamente com os intervalos cuja frequência cardíaca foi normalmente distribuída.

a ausência de Estação observada está ligada a períodos de adaptação transitórios que foram observados para a maioria dos intervalos guiados, com as taxas cardíacas subindo para níveis desproporcionados à frequência respiratória prescrita, formando uma resposta na rampa. A adaptação foi particularmente visível durante o primeiro intervalo de respiração de alta frequência (Fig. 1). Independentemente disso, assumindo que um voluntário relaxou e continuou a seguir o metrónomo respiratório, a sua frequência cardíaca ajustou-se em conformidade. Este período transitório é menos pronunciado nos segundos e terceiro intervalos subsequentes.

para analisar a resposta transitória, uma tendência lenta da frequência cardíaca foi calculada através de uma técnica móvel média descrita na secção métodos. Foi observada uma variedade de padrões de tendência (Fig. SI2 em SI) e para alguns intervalos não houve tendência. No exemplo apresentado na Fig. 3, o primeiro intervalo demonstra uma resposta ofuscante com um aumento inicial da frequência cardíaca seguido de um decaimento; este comportamento era típico da nossa coorte (exemplos destas parcelas podem ser encontrados para todos os voluntários na Fig. SI2 in SI). Os padrões para o segundo e terceiro intervalos foram mais complexos, mas a maioria incluiu um aumento transitório da taxa. Estimativas aproximadas mostraram que a duração deste aumento transitório na frequência cardíaca durou entre 10 e 100 segundos. Esta observação questiona alguns resultados 19, 20, 21 onde todo o intervalo de respiração guiada foi de cerca de 30 segundos. Para alguns intervalos, a frequência cardíaca parecia começar a tender a um valor de estado estacionário após a adaptação inicial. No entanto, não se observou um estado estacionário claro e, na maioria dos casos, a frequência cardíaca continuou a difundir-se. Na verdade, essa dinâmica errante é uma característica do “heart rate22” e deve ser considerada ao analisar a sincronização.

as Tendências da frequência cardíaca durante os intervalos das visitas de respiração. Curvas pretas correspondem às tendências. As linhas vermelhas especificam o valor médio (linha sólida) e o desvio padrão (linhas tracejadas) da taxa de respiração para cada intervalo. Todos os dados normalizados pela taxa média de respiração do intervalo 2. A resposta da frequência cardíaca pretendida deve significar que a curva preta se situa dentro das linhas tracejadas a vermelho durante a maior parte do intervalo possível. Dados do voluntário 11.

sincronização

4, Em Que Ψ representa a fase relativa (ver secção de métodos) do sinal respiratório. Um episódio de sincronização de fase com a razão 1:1 é visível como uma linha plateaued entre 1400 s e 1450 s durante o terceiro intervalo de respiração guiada, onde a taxa é definida para 120% do RHR. Durante este episódio, vagando da frequência cardíaca é limitada e a frequência cardíaca flutua em torno de um valor particular(Fig. 3 c)). Antes e depois deste episódio, a frequência cardíaca mostra um comportamento difusivo.

Synchrogram para voluntários 11. As regiões sombreadas correspondem às regiões de respiração guiada. A fase Ψ é mostrada em radianos.

para 18 dos 22 voluntários, a CRS ocorreu no terceiro intervalo, quando a taxa de respiração guiada foi superior à RHR. Para quatro voluntários (número 2, 10, 20 e 21), foram observados episódios de sincronização para o segundo intervalo, quando a taxa de respiração se destinava a ser igual à RHR. Uma análise adicional da frequência cardíaca durante o intervalo de repouso de 10 minutos antes da respiração guiada sugere que o valor de RHR calculado para estes foi potencialmente demasiado elevado, assim, para este segundo intervalo a taxa de respiração foi acima do RHR real. Assim, para todos os voluntários CRS foi observado quando a taxa de respiração era superior à RHR. Em muitos casos, mais de um episódio de SRC foi observado no mesmo intervalo de tempo. Estes episódios foram identificados automaticamente pelo Índice de sincronização 6 λ e pela diferença de fase limitada φ, como descrito na seção de métodos. O episódio mais longo foi escolhido e a duração total de todos os episódios no intervalo foi calculada. Todos os resultados estão resumidos na Tabela 1, sendo os tempos dados ao segundo mais próximo. As Durações do SRC calculadas pelos dois métodos produziram valores próximos. Para a maioria dos voluntários, o episódio mais longo foi estendido, com durações variando de 20 a 80 segundos, correspondendo a 30% a 98% de todo o intervalo de respiração guiada.

um voluntário (número 3) teve episódios CRS muito curtos. A dinâmica da diferença de fase e as taxas para o terceiro intervalo para este voluntário e voluntário 2 são mostradas na Fig. 5 (gráficos de comparação semelhantes podem ser encontrados para todos os voluntários na Fig. SI3 in SI). A interpretação destas parcelas permite visualizar as Durações especificadas no quadro 1. O painel superior (gráfico a) E e) na Fig. 5) demonstra a diferença de fase entre a frequência cardíaca e a frequência respiratória. Uma oscilação da diferença de fase em um intervalo limitado inferior a 2 π, ou a diferença de fase perto de um valor constante para um período prolongado é indicativa da sincronização de fase entre os dois sinais. A duração dos episódios de sincronização para diferentes voluntários são mostrados na Tabela 1. O segundo painel (gráfico b) E f) mostra a dependência temporal do Índice de sincronização. Um valor do Índice próximo a um representa uma sincronização de 1: 1 entre dois sinais oscilantes. Episódios alargados acima do limiar experimentalmente justificado de 0,7 determina o valor de λ No Quadro 1. O terceiro painel (Gráficos (c) E (g)) mostra o synchrogram para todo o intervalo de respiração de alta taxa. Durante os pontos de sincronização de fase no synchrogram demonstrar um patamar. Tais planaltos representam uma fase de um sinal não mudando por mais de um período inteiro em relação à fase do segundo sinal. O painel final (gráficos (d) E (h)) são uma representação das taxas cardíacas e respiratórias para uma comparação das taxas instantâneas durante os episódios de sincronização com a dinâmica das fases. As linhas vermelhas traçadas representam a alta variabilidade da taxa de respiração mesmo para a respiração controlada-quanto maior este intervalo, mais variável a taxa de respiração e, portanto, pior um voluntário manteve uma taxa constante. A linha vermelha sólida é a taxa média de respiração, e a linha azul demonstra a dinâmica da taxa de respiração instantânea ao longo do intervalo. A linha negra nas parcelas (d) E (h) corresponde à frequência cardíaca com oscilações de alta frequência removidas através da aplicação de técnicas de média móvel. Durante os episódios de sincronização de fase, espera-se que a linha preta caia totalmente entre as linhas vermelhas tracejadas, representando o fato de que a variabilidade da frequência cardíaca está contida dentro da variabilidade da frequência respiratória.

a Sincronização de medidas para o voluntário 2 (esquerda) e de voluntariado, 3 (direita). As figuras (A,e) mostram a diferença de fase, as figuras (B,f) mostram o índice de sincronização, as figuras (C,g) mostram o synchrogram, e as figuras (d,h) mostram as taxas de coração liso (linha negra) e respiratório (linha azul). Nas figuras (d, h), as linhas vermelhas especificam o valor médio (linha sólida) e o desvio-padrão (linhas tracejadas) da taxa de respiração para cada intervalo.

Na Fig. 5, para ambos os casos a frequência cardíaca (Fig. 5 (d, h)) estão visualmente perto das taxas de respiração para todo o intervalo, mas a dinâmica de fase (Fig. 5 (a, e)) são notavelmente diferentes. A diferença de Fase φ (Fig. 5 (A)) é limitada e quase constante para o voluntário 2, enquanto aumenta monotonicamente para o voluntário 3 (Fig. 5 e)). Esta diferença significativa entre a dinâmica de fase e de taxa sublinha a importância da utilização de abordagens qualitativas, tais como a descrição de fase para a análise da sincronização de Sinais com componentes estocásticos e/ou não estacionários.como mencionado, foram observados episódios de CRS no segundo intervalo (taxa que se pretende ser equivalente a RHR) para quatro voluntários. Portanto, o seu terceiro intervalo correspondia a uma taxa de respiração significativamente superior ao RHR. A evolução temporal da diferença de Fase φ Para todos os três intervalos é mostrada na Fig. 6 para um destes voluntários. A diferença de Fase φ aumenta monotonicamente com o tempo durante o primeiro intervalo, uma vez que as oscilações cardíacas são mais rápidas do que a respiração. A diferença de fase limitada e quase constante durante o segundo intervalo demonstra a manifestação do efeito de sincronização. Para o terceiro intervalo a situação é o oposto e a diferença de fase diminui monotonicamente. Note que para todos os outros voluntários, o terceiro intervalo correspondeu ao intervalo de sincronização, e assim uma diferença de fase limitada.

diferenças de Fase φ para três visitas a respiração intervalos são mostradas para o voluntário 2. As curvas azul, vermelho e verde correspondem aos primeiros intervalos (90% RHR), segundo (100% RHR) e terceiro (120% RHR), respectivamente. As diferenças de fase são normalizadas por 2π.

existe uma diferença clara na duração dos episódios de sincronização entre os resultados para atletas (realçados por um asterisco) e não-atletas (Tabela 1). Deve-se notar que a maioria dos atletas teve RHR significativamente mais baixa, em torno de 50 BPM (tabela SI1 em SI), quando comparado com outros voluntários, e, assim, estaria respirando em taxas mais baixas durante intervalos de respiração guiada. Isso leva a um problema de provocação dentro do projeto do experimento – o instalador um indivíduo, e quanto mais baixo seu RHR, mais lento eles precisavam para respirar, apesar de provavelmente ser mais capaz de manter taxas de respiração mais altas do que não-atletas. Todos os atletas tiveram longos episódios de sincronização. Os resultados dos não-atletas são menos consistentes; no entanto, o episódio mais longo de sincronização na coorte foi observado para um não-atleta (voluntário 2).como 9 dos 10 atletas dentro do estudo são do sexo masculino, uma comparação geral de episódios de sincronização entre participantes do sexo masculino e feminino não é necessariamente representativa de uma população uniformemente distribuída, e seria inerentemente tendenciosa pela diferença entre atletas e não-atletas discutidos acima. Ao considerar não-atletas, no entanto, há 5 homens e 7 mulheres. A partir da Tabela 1 pode ser visto que não existe diferença entre os resultados masculinos e femininos para os 12 não-atletas. Episódios de sincronização e durações totais são de duração comparável. Coincidentemente, ambos os episódios mais longos e mais curtos de sincronização foram do sexo feminino (voluntários 2 e 3, respectivamente), com diferenças claras entre estes resultados demonstrados na Fig. 5.embora as medidas de sincronização consideradas nesta investigação tenham identificado com sucesso episódios de SRC, é importante salientar que estes episódios ainda podem ser coincidentes, sem qualquer interacção cardio-respiratória. Na verdade, foi discutido acima que a frequência cardíaca demonstra dinâmica errante (difusiva) e mudanças em uma ampla gama. Devido a esta difusividade, quando a respiração e os batimentos cardíacos estão próximos um do outro por um período de tempo, suas taxas médias são quase iguais, e nenhuma diferença entre as taxas seria claramente vista durante estes curtos períodos. Isto, por sua vez, significaria que todas as medidas, isto é, synchrogram, Índice de sincronização, e diferença de fase, identificariam esses períodos de tempo como episódios de sincronização, mesmo na ausência de uma verdadeira interação cardio-respiratória. Portanto, neste trabalho, adicionalmente demonstramos que os episódios que observamos não foram coincidentes com a utilização de dados substitutos.

vamos considerar a respiração substituta e as taxas cardíacas geradas usando dados aleatórios, normalmente distribuídos, e derivar synchrogram e índice de sincronização para estes dados. Os valores médios (70 BPM) e os desvios-padrão (3%) da frequência respiratória e cardíaca são seleccionados como sendo iguais e correspondem a duas séries cronológicas aleatórias diferentes. Estas taxas foram convertidas em períodos instantâneos, como descrito na seção de métodos, o que leva a duas séries temporais substitutas: um dos picos R de um sinal ECG e o outro dos máximos de um sinal de respiração. Em seguida, as mesmas técnicas de processamento de sinal foram aplicadas quanto aos dados experimentais, e a diferença de Fase Ψ foi calculada juntamente com o índice de sincronização λ (Fig. 7). Pode-se ver que a fase Ψ (Fig. 7a) é quase constante (ΨC ≈ 2) por um longo intervalo de tempo e o índice de sincronização λ (Fig. 7b) é maior do que o valor limiar (0.7) para todo o intervalo. Portanto, episódios de sincronização para estes dados substitutos são claramente observados. É importante notar que para os dados substitutos, o valor quase constante ΨC da fase Ψ No sincrograma é um valor aleatório, apesar de todas as medidas mostrando episódios de sincronização. Por exemplo, na Fig. 7 a fase é em torno de 2 (ΨC ≈ 2), mas teria um valor diferente para outro conjunto de dados substitutos. Consequentemente, para a sincronização observada por acaso, a distribuição de P(Ψ) para um conjunto de medições deve ser uniforme uma vez que a série cronológica de taxas são totalmente independentes. Por outro lado, uma diferença em relação a uma distribuição uniforme P(Ψ) indicaria a presença de acoplamento entre os sistemas cardio e respiratório. Em Fig. 8, a distribuição P(Ψ) derivada de nossos dados experimentais para todos os 22 intervalos de respiração guiada com episódios de sincronização de todos os voluntários é mostrado. Os valores de Ψ foram selecionados a partir de parcelas synchrogram quando λ > 0, 9. O valor-limite foi aumentado em comparação com a análise experimental para realçar episódios de interacção mais forte (note-se que outros valores-limite, por exemplo 0.7, levar a uma forma semelhante da distribuição). A distribuição (Fig. 8) é distorcida e tem o valor mais provável de 4; ΨC ≈ 4. Este resultado indica que o bloqueio de fase em nossos dados experimentais é observado para um valor particular de Ψ e, portanto, episódios de sincronização não são coincidência e resultado de uma verdadeira interação cardio-respiratória.

Synchrogram (a) e sincronização de índice (b) para o substituto de dados; a média é de 70 BPM e o desvio padrão é de 3%. As linhas tracejadas vermelhas e magenta correspondem a λ = 0,7 e λ = 0,9, respectivamente.

de densidade de Probabilidade p(Ψ) para os dados experimentais é mostrado em um gráfico de barras. A fase Ψ é mostrada em radianos.