măsurători

experimentele au constat în respirație spontană timp de 10 minute urmată de trei intervale de respirație ghidată de mare viteză (Fig. 1, zone umbrite verde) cu 4 minute de respirație spontană între fiecare. Primul interval de respirație ghidată a fost la 90% din RHR (început la aproximativ 600 s), al doilea interval (timpul de pornire este de aproximativ 1000 s) a corespuns unei rate de respirație egală cu RHR, iar al treilea interval (aproximativ 1400 s) a necesitat respirație la 120% din RHR. Animația care ghidează respirația a durat 100 de cicluri complete de respirație. Numărul total de intervale ghidate pentru cei 22 de voluntari luați în considerare în această lucrare este de 66.

rata de respirație instantanee (albastru) și ritmul cardiac (roșu) sunt prezentate din datele pentru voluntarul 11. Regiunile de respirație ghidată sunt umbrite. Markerii ‘x’ și ‘ + ‘ corespund maximelor semnalului respirator și, respectiv, vârfurilor R în semnalul ECG. Nu este prezentat întregul interval de repaus de 10 minute la început, deoarece aceste date nu sunt analizate în mod explicit în acest articol.

au fost efectuate înregistrări simultane ale semnalelor ECG și respiratorii. Conform procedurii de prelucrare a datelor descrise în secțiunea Metode, atât respirația, cât și ritmul cardiac au fost derivate în Hertz; cu toate acestea, în scopuri ilustrative în această lucrare, ratele sunt prezentate în bătăi pe minut (BPM). Ritmul cardiac și respirația sunt reprezentate grafic în Fig. 1 oferiți o imagine clară a designului experimental, cu intervale de rate de respirație crescute, care cresc brusc la o rată apropiată de RHR. Ritmul cardiac demonstrează un răspuns la o schimbare pas în ratele de respirație; aceste răspunsuri pas vor fi discutate mai jos.

rata de respirație ca forță motrice

datorită proiectării experimentului, rata de respirație în timpul intervalelor ghidate a fost destinată să fie constantă. Cu toate acestea, experimentele au demonstrat că indivizii nu au putut urmări exact rata metronomului, deci a existat o variabilitate a ratei de respirație instantanee. În plus, înghițirea sau tusea au fost observate în câteva cazuri. Cu toate acestea, ratele medii de respirație se potriveau cu valorile ghidate stabilite de metronom. Figura 2 evidențiază cât de îndeaproape au urmărit voluntarii metronomul: în raport cu intervalul normalizat 2 (100% RHR), ratele medii pentru intervalul 1 și 3 sunt foarte apropiate de valorile de 0,9 (90% RHR) și 1,2 (120% RHR), așa cum se intenționează prin procedura experimentală. Pentru acest voluntar (Fig. 2), abaterea de la medie pentru fiecare interval este mai mică de 4%. Abaterea medie și standard a ratei de respirație pentru toate intervalele și voluntarii sunt prezentate în tabelul SI1 din informații justificative (SI). Pentru majoritatea intervalelor, abaterea standard este mai mică de 10%. Abaterea standard a ratei de respirație definește creșterile minime posibile ale pasului între ratele de respirație ghidate. Valorile pentru abaterea standard a ratelor de respirație obținute pentru cohorta noastră confirmă faptul că modificările incrementale selectate de 10% și 20% în raport cu RHR garantează o modificare semnificativă statistic a valorii medii a ratei de respirație între intervalele de respirație ghidată.

ratele de respirație instantanee, normalizate prin viteza medie de respirație a intervalului 2, sunt prezentate prin markerul ‘x’. Liniile negre punctate reprezintă abaterea standard a ratei, în timp ce linia neagră solidă este rata medie de respirație pentru acel interval. Presupunând că un voluntar urmează bine metronomul, intervalul dintre liniile de abatere standard va fi mic. Normalizarea demonstrează rata proporțională de respirație în raport cu RHR. Date de la voluntari 11.

testul de normalitate Shapiro-Wilk a arătat că pentru 33 din 66 de intervale ghidate, rata de respirație este distribuită în mod normal. Abaterile de la normalitate sunt asociate în principal cu tuse și/sau înghițire. Testul Kwiatkowski-Phillips-Schmidt-Shin (KPSS) a demonstrat că aproape toate intervalele (63 din 66) sunt trend-staționare. Astfel, componenta stocastică în rata de respirație ghidată poate fi reprezentată ca un proces aleatoriu Gaussian, iar semnalul de respirație în sine corespunde oscilațiilor cvasi-armonice stocastice cu o amplitudine constantă și o frecvență variabilă (vezi Fig. SI1 în SI).

răspunsul ritmului cardiac la modificarea treptată a ritmului respirator

abaterea medie și standard a ritmului cardiac pentru toate intervalele și voluntarii sunt prezentate în tabelul SI2 din SI. Variabilitatea acestor date este semnificativ mai puternică decât cea a datelor privind rata de respirație. Acest lucru poate fi explicat prin dinamica nestationara a ritmului cardiac. În schimb față de rata de respirație ghidată, testul KPSS a demonstrat că pentru 63 din 66 de intervale de respirație cu ritm ridicat, ritmul cardiac instantaneu nu este staționar. Mai mult, testul Shapiro-Wilk a arătat că 49 din 66 de intervale de ritm cardiac nu sunt distribuite în mod normal. Rețineți că intervalele cu o rată de respirație de 120%, care au fost intervalele așteptate să afișeze sincronizarea, nu s-au corelat direct cu intervalele a căror frecvență cardiacă a fost distribuită în mod normal.

non-staționaritatea observată este legată de perioadele tranzitorii de adaptare care au fost observate pentru majoritatea intervalelor ghidate, frecvența cardiacă crescând la niveluri disproporționate față de rata de respirație prescrisă, formând un răspuns la rampă. Adaptarea a fost vizibilă în special în timpul primului interval de respirație cu viteză mare (Fig. 1). Indiferent, presupunând că un voluntar s-a relaxat și a continuat să urmeze metronomul respirator, ritmul cardiac s-a ajustat în consecință. Această perioadă tranzitorie este mai puțin pronunțată în intervalele a doua și a treia ulterioare.

pentru a analiza răspunsul tranzitoriu, s-a calculat o tendință lentă a ritmului cardiac printr-o tehnică a mediei mobile descrisă în secțiunea Metode. A fost observată o varietate de modele de tendințe (Fig. SI2 în SI) și pentru unele intervale nu a existat o tendință. În exemplul prezentat în Fig. 3, primul interval demonstrează un răspuns de depășire cu o creștere inițială a ritmului cardiac urmată de o descompunere; acest comportament a fost tipic pentru cohorta noastră (exemple ale acestor parcele pot fi găsite pentru toți voluntarii din Fig. SI2 în SI). Modelele pentru al doilea și al treilea interval au fost mai complexe, dar majoritatea au inclus o creștere tranzitorie a ratei. Estimările brute au arătat că durata acestei creșteri tranzitorii a frecvenței cardiace a durat între 10 și 100 de secunde. Această observație pune la îndoială câteva rezultate19, 20, 21 unde întregul interval de respirație ghidată a fost de aproximativ 30 de secunde. Pentru unele intervale, ritmul cardiac părea să înceapă să tindă la o valoare la starea de echilibru după adaptarea inițială. Cu toate acestea, nu s-a observat o stare de echilibru clară și, în majoritatea cazurilor, frecvența cardiacă a continuat să difuze. De fapt, astfel de dinamici rătăcitoare sunt o caracteristică a ritmului cardiac22 și ar trebui luate în considerare la analizarea sincronizării.

tendințe ale ritmului cardiac în intervalele de respirație ghidată. Curbele negre corespund tendințelor. Liniile roșii specifică valoarea medie (linie solidă) și deviația standard (linii punctate) a ratei de respirație pentru fiecare interval. Toate datele s-au normalizat prin viteza medie de respirație a intervalului 2. Răspunsul dorit al ritmului cardiac ar trebui să însemne că curba neagră se încadrează în liniile punctate roșii pentru cât mai mult din interval. Date de la voluntari 11.

sincronizare

Un exemplu de sincrogram6 care cuprinde toate intervalele de respirație ghidate și perioadele de repaus spontan este prezentat în Fig. 4, În cazul în care XLC reprezintă faza relativă (vezi secțiunea Metode) a semnalului respirator. Un episod de sincronizare de fază cu raportul 1:1 este vizibil ca o linie platată între 1400 s și 1450 s în timpul celui de-al treilea interval de respirație ghidată, unde rata este setată la 120% din RHR. În timpul acestui episod, rătăcirea ritmului cardiac este limitată, iar ritmul cardiac fluctuează în jurul unei anumite valori (Fig. 3(c)). Înainte și după acest episod, ritmul cardiac prezintă un comportament difuziv.

sincronizare pentru voluntari 11. Regiunile umbrite corespund regiunilor de respirație ghidată. Faza XV este prezentată în radiani.

pentru 18 din cei 22 de voluntari, CRS a apărut în al treilea interval, când rata de respirație ghidată a fost mai mare decât RHR. Pentru patru voluntari (numărul 2, 10, 20 și 21), au fost observate episoade de sincronizare pentru al doilea interval când rata de respirație a fost destinată să fie egală cu RHR. O analiză suplimentară a ritmului cardiac în timpul intervalului de repaus de 10 minute înainte de respirația ghidată sugerează că valoarea RHR calculată pentru acestea a fost potențial prea mare, astfel pentru acest al doilea interval rata de respirație a fost peste RHR reală. Astfel, pentru toți voluntarii s-a observat CRS atunci când rata de respirație a fost mai mare decât RHR. În multe cazuri, mai mult de un episod de CRS a fost observat în același interval de timp. Aceste episoade au fost identificate automat prin indexul de sincronizare6, iar diferența de fază delimitată, conform descrierii din secțiunea Metode. Cel mai lung episod a fost evidențiat și a fost calculată durata totală a tuturor episoadelor din intervalul dat. Toate rezultatele sunt rezumate în tabelul 1 cu timpii indicați celei mai apropiate secunde. Duratele CRS calculate prin cele două metode au produs valori apropiate. Pentru majoritatea voluntarilor, cel mai lung episod a fost prelungit, cu durate variind de la 20 la 80 de secunde, corespunzând la 30% până la 98% din întregul interval de respirație ghidată.

un voluntar (numărul 3) a avut episoade CRS foarte scurte. Dinamica diferenței de fază și a ratelor pentru al treilea interval pentru acest voluntar și voluntar 2 sunt prezentate în Fig. 5 (parcele de comparație similare pot fi găsite pentru toți voluntarii din Fig. SI3 în SI). Interpretarea acestor parcele permite vizualizarea duratelor specificate în tabelul 1. Panoul superior (graficul (a) și (e) din Fig. 5) demonstrează diferența de fază dintre ritmul cardiac și ritmul de respirație. O oscilație a diferenței de fază într-un interval limitat mai mic de 2 centimetrii sau diferența de fază apropiată de o valoare constantă pentru o perioadă extinsă indică sincronizarea fazei între cele două semnale. Durata episoadelor de sincronizare pentru diferiți voluntari este prezentată în tabelul 1. Al doilea panou (plot (B) și (f)) arată dependența de timp a indicelui de sincronizare. O valoare a indicelui apropiată de una reprezintă sincronizarea 1: 1 între două semnale oscilante. Episoadele extinse deasupra pragului justificat experimental de 0,7 determină valoarea lui 0,7 în tabelul 1. Al treilea panou (parcele (c) și (g)) prezintă sincrograma pentru întregul interval de respirație cu viteză mare. În timpul punctelor de sincronizare de fază pe synchrogram demonstrează un platou. Astfel de platouri reprezintă faza unui semnal care nu se schimbă cu mai mult de o perioadă întreagă în raport cu faza celui de-al doilea semnal. Panoul final (parcelele (d) și (h)) reprezintă o reprezentare a ritmului cardiac și respirator pentru o comparație a ratelor instantanee în timpul episoadelor de sincronizare cu dinamica fazelor. Liniile roșii punctate reprezintă variabilitatea ridicată a ratei de respirație chiar și pentru respirația controlată – cu cât acest interval este mai mare, cu atât rata de respirație este mai variabilă și, astfel, cu atât un voluntar a menținut o rată constantă. Linia roșie solidă este rata medie de respirație, iar linia albastră demonstrează dinamica ratei de respirație instantanee pe tot parcursul intervalului. Linia neagră din parcele (d) și (h) corespunde ritmului cardiac cu oscilații de înaltă frecvență îndepărtate prin aplicarea tehnicilor medii mobile. În timpul episoadelor de sincronizare a fazelor, se așteaptă ca linia neagră să cadă în întregime între liniile roșii punctate, reprezentând faptul că variabilitatea ritmului cardiac este conținută în variabilitatea ritmului respirator.

măsuri de sincronizare pentru voluntarul 2 (stânga) și voluntarul 3 (dreapta). Cifrele (a,E) arată diferența de fază, cifrele (b,f) arată indicele de sincronizare, cifrele (c,g) arată sincronizarea, iar cifrele (d,h) arată ratele inimii netezite (linia neagră) și respiratorii (linia albastră). În figurile (d,h) liniile roșii se specifică valoarea medie (linia solidă) și deviația standard (liniile punctate) a vitezei de respirație pentru fiecare interval.

în Fig. 5, pentru ambele cazuri frecvența cardiacă (Fig. 5 (d,h)) sunt apropiate vizual de ratele de respirație pentru întregul interval, dar dinamica fazei (Fig. 5(a, e)) sunt remarcabil de diferite. Diferența de fază (fig. 5(a)) este limitat și aproape constant pentru voluntarul 2, în timp ce crește monoton pentru voluntarul 3 (Fig. 5(e)). Această diferență semnificativă între dinamica fazei și a ratei subliniază importanța utilizării abordărilor calitative, cum ar fi descrierea fazei, pentru analiza sincronizării semnalelor cu componente stocastice și/sau nestaționare.

după cum s-a menționat, episoadele CRS au fost observate în al doilea interval (rată destinată să fie echivalentă cu RHR) pentru patru voluntari. Prin urmare, al treilea interval a corespuns unei rate de respirație semnificativ mai mari decât RHR. Evoluția în timp a diferenței de fază la toate cele trei intervale este prezentată în Fig. 6 pentru unul dintre acești voluntari. Diferența de fază crește în mod monoton cu timpul în timpul primului interval, deoarece oscilațiile inimii sunt mai rapide decât respirația. Diferența de fază limitată și aproape constantă în timpul celui de-al doilea interval demonstrează manifestarea efectului de sincronizare. Pentru al treilea interval situația este opusă și diferența de fază scade monoton. Rețineți că pentru toți ceilalți voluntari, al treilea interval a corespuns intervalului de sincronizare și, prin urmare, o diferență de fază limitată.

diferențele de fază pentru trei intervale de respirație ghidate sunt prezentate pentru voluntarul 2. Curbele albastre, roșii și verzi corespund primelor intervale (90% RHR), al doilea (100% RHR) și respectiv al treilea (120% RHR). Diferențele de fază sunt normalizate cu 2 inkt.

există o diferență clară în durata episoadelor de sincronizare între rezultatele pentru sportivi (evidențiate printr-un asterisc) și non-sportivi (Tabelul 1). Trebuie remarcat faptul că majoritatea sportivilor au avut RHR semnificativ mai mic, în jur de 50 BPM (tabelul SI1 în SI), în comparație cu alți voluntari, și astfel ar respira la rate mai mici în timpul intervalelor de respirație ghidată. Acest lucru duce la o problemă părtinitoare în proiectarea experimentului – cu cât un individ este mai potrivit și cu cât RHR-ul este mai mic, cu atât mai lent aveau nevoie să respire, în ciuda faptului că este probabil mai capabil să mențină rate de respirație mai mari decât non-sportivii. Toți sportivii au avut episoade lungi de sincronizare. Rezultatele non-sportivilor sunt mai puțin consistente; cu toate acestea, cel mai lung episod de sincronizare din cohortă a fost observat pentru un non-sportiv (voluntar 2).deoarece 9 din cei 10 sportivi din cadrul studiului sunt bărbați, o comparație generală a episoadelor de sincronizare între participanții de sex masculin și feminin nu este neapărat reprezentativă pentru o populație distribuită uniform și ar fi în mod inerent părtinitoare de diferența dintre sportivi și non-sportivi discutată mai sus. Atunci când se analizează non-sportivi cu toate acestea, există 5 bărbați și 7 femei. Din tabelul 1 se poate observa că nu există nicio diferență între rezultatele masculine și cele feminine pentru cei 12 non-sportivi. Episoadele de sincronizare și duratele totale au o lungime comparabilă. Întâmplător, atât cele mai lungi, cât și cele mai scurte episoade de sincronizare au fost de sex feminin (voluntarul 2 și, respectiv, 3), cu diferențe clare între aceste rezultate demonstrate în Fig. 5.

deși măsurile de sincronizare luate în considerare în această cercetare au identificat cu succes episoadele de CRS, este important să subliniem că aceste episoade ar putea fi în continuare întâmplătoare, fără nicio interacțiune cardio-respiratorie. Într-adevăr, sa discutat mai sus că ritmul cardiac demonstrează dinamica rătăcitoare (difuzivă) și schimbările într-o gamă largă. Datorită acestei difuzivități, atunci când respirația și ritmul cardiac sunt apropiate una de cealaltă pentru o perioadă de timp, ratele lor medii sunt aproape egale și nu s-ar vedea clar diferențe între rate în aceste perioade scurte. Aceasta, la rândul său, ar însemna că toate măsurile, adică sincrograma, indicele de sincronizare și diferența de fază, ar identifica aceste perioade de timp ca episoade de sincronizare chiar și în absența unei adevărate interacțiuni cardio-respiratorii. Prin urmare, în această lucrare demonstrăm în plus că episoadele pe care le-am observat nu au fost întâmplătoare prin utilizarea datelor surogat.

să luăm în considerare respirația surogat și ritmul cardiac generate folosind date aleatorii, distribuite în mod normal, și să derivăm sincrograma și indicele de sincronizare pentru aceste date. Valorile medii (70 BPM) și abaterile standard (3%) ale frecvenței respiratorii și cardiace sunt selectate pentru a fi egale și corespund a două serii de timp aleatorii diferite. Aceste rate au fost convertite în perioade instantanee, așa cum este descris în secțiunea Metode, ceea ce duce la două serii de timp surogat: unul dintre vârfurile R ale unui semnal ECG și celălalt al maximelor unui semnal de respirație. Apoi s-au aplicat aceleași tehnici de procesare a semnalului ca și la datele experimentale, iar diferența de fază a fost calculată împreună cu indicele de sincronizare a semnalului a fost calculată (fig. 7). Se poate observa că în faza de fază (Fig. 7a) este aproape constantă (XCTCT2 ) pentru un interval lung de timp și indicele de sincronizare al XCT (Fig. 7b) este mai mare decât valoarea pragului (0,7) pentru întregul interval. Prin urmare, episoadele de sincronizare pentru aceste date surogat sunt observate în mod clar. Este important de remarcat faptul că pentru datele surogat, valoarea aproape constantă a lui XQQC a fazei XQQ pe sincrogram este o valoare aleatorie, în ciuda tuturor măsurilor care arată Episoade de sincronizare. De exemplu, în Fig. 7 faza este în jurul valorii de 2 (CENTICT 2), dar ar lua o valoare diferită pentru un alt set de date surogat. În consecință, pentru sincronizarea observată din întâmplare, distribuția lui P (XV) pentru un set de măsurători trebuie să fie uniformă, deoarece seriile de timp ale ratelor sunt pe deplin independente. Pe de altă parte, o diferență față de o distribuție uniformă p(XV) ar indica prezența cuplării între sistemul cardio și cel respirator. În Fig. 8, este prezentată distribuția P(XV) derivată din datele noastre experimentale pentru toate cele 22 de intervale de respirație ghidată cu episoade de sincronizare de la toți voluntarii. Valorile de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea de la valoarea Valoarea pragului a fost crescută comparativ cu analiza experimentală pentru a evidenția episoadele de interacțiune mai puternică (rețineți că alte valori prag, de exemplu 0.7, conduce la o formă similară a distribuției). Distribuția (Fig. 8) este oblic și are valoarea cea mai probabilă de 4; 4. Acest rezultat indică faptul că blocarea fazelor în datele noastre experimentale este observată pentru o anumită valoare a lui XV și, prin urmare, episoadele de sincronizare nu sunt întâmplătoare și rezultă dintr-o adevărată interacțiune cardio-respiratorie.

Sincronizare (A) și index de sincronizare (b) pentru datele surogat; media este de 70 BPM, iar abaterea standard este de 3%. Liniile punctate de culoare roșie și magenta corespund valorilor 0,7 și 0,9.

densitatea probabilităților p(XV) pentru datele experimentale este prezentată într-o diagramă cu bare. Faza XV este prezentată în radiani.