mätningar

experiment bestod av spontan andning i 10 minuter följt av tre intervall av guidad högfrekvent andning (Fig. 1, gröna skuggade områden) med 4 minuters spontan andning mellan var och en. Det första guidade andningsintervallet var vid 90% av RHR (startade vid cirka 600 s), det andra intervallet (starttiden är cirka 1000 s) motsvarade en andningsfrekvens lika med RHR och det tredje intervallet (cirka 1400 s) krävde andning vid 120% av RHR. Animationen vägledande andning sprang i 100 kompletta andningscykler. Det totala antalet guidade intervaller för de 22 frivilliga som beaktas i detta arbete är 66.

momentan andningsfrekvens (blå) och hjärtfrekvens (röd) visas från data för volontär 11. Regioner med guidad andning är skuggade. Markörerna ’x’ och ’ + ’ motsvarar maxima i respiratorisk signal respektive R-toppar i EKG-signal. Inte alla 10-minuters viloperiod i början visas, eftersom dessa data inte uttryckligen analyseras i den här artikeln.

samtidiga inspelningar av EKG och respiratoriska signaler utfördes. Enligt databehandlingsproceduren som beskrivs i avsnittet metoder härleddes både andning och hjärtfrekvens i Hertz; för illustrativa ändamål i detta dokument presenteras dock hastigheterna i slag per minut (BPM). Hjärt-och andningsfrekvenserna ritades ihop i Fig. 1 ge en tydlig bild av den experimentella designen, med intervall av ökade andningshastigheter, som stiger kraftigt till en hastighet nära RHR. Hjärtfrekvensen visar ett svar på en stegförändring i andningsfrekvensen; dessa stegsvar kommer att diskuteras nedan.andningsfrekvens som drivkraft

på grund av experimentets utformning var andningsfrekvensen under guidade intervaller avsedd att vara konstant. Experiment visade emellertid att individer inte kunde följa metronomens hastighet exakt, så det var en variation i momentan andningsfrekvens. Dessutom observerades sväljning eller hosta i några få fall. De genomsnittliga andningsfrekvenserna matchade emellertid de styrda värdena som ställts in av metronomen. Figur 2 belyser hur nära frivilliga följde metronomen: i förhållande till det normaliserade intervallet 2 (100% RHR) ligger medelhastigheterna för intervall 1 och 3 mycket nära värdena 0,9 (90% RHR) och 1,2 (120% RHR), enligt det experimentella förfarandet. För denna volontär (Fig. 2) är avvikelsen från medelvärdet för varje intervall mindre än 4%. Medel-och standardavvikelsen för andningsfrekvensen för alla intervaller och frivilliga visas i tabell SI1 i stödjande Information (SI). För de flesta intervaller är standardavvikelsen mindre än 10%. Standardavvikelsen för andningsfrekvensen definierar minsta möjliga steg steg mellan guidade andningsfrekvenser. Värdena för standardavvikelsen för andningsfrekvenser som erhållits för vår kohort bekräftar att de valda 10% och 20% inkrementella förändringarna med avseende på RHR garanterar en statistiskt signifikant förändring av medelvärdet av andningsfrekvensen mellan intervall av guidad andning.

momentana andningshastigheter, normaliserade med medelandningshastigheten för intervall 2, visas med markören ’x’. De streckade svarta linjerna representerar standardavvikelsen för hastigheten, medan den solida svarta linjen är den genomsnittliga andningsfrekvensen för det intervallet. Förutsatt att en volontär följer metronomen väl, intervallet mellan standardavvikelse linjer kommer att vara liten. Normaliseringen visar den proportionella andningshastigheten i förhållande till RHR. Uppgifter från volontär 11.

Shapiro-Wilk normalitetstest visade att för 33 av 66 guidade intervaller fördelas andningsfrekvensen normalt. Avvikelserna från normalitet är huvudsakligen förknippade med hosta och/eller sväljning. Kwiatkowski–Phillips–Schmidt-Shin (KPSS) – testet visade att nästan alla (63 av 66) intervaller är trendstationära. Således kan den stokastiska komponenten i styrd andningshastighet representeras som en Gaussisk slumpmässig process, och själva andningssignalen motsvarar stokastiska kvasi-harmoniska svängningar med en konstant amplitud och en variabel frekvens (se Fig. SI1 i SI).

pulssvar på stegförändringen i andningsfrekvens

medelvärdet och standardavvikelsen för hjärtfrekvensen för alla intervaller och frivilliga visas i tabell SI2 av SI. Variationen i dessa data är betydligt starkare än för andningsfrekvensdata. Detta kan förklaras av den icke-stationära dynamiken i hjärtfrekvensen. Omvänt till den guidade andningsfrekvensen visade KPSS-testet att för 63 av 66 högfrekventa andningsintervaller är momentan hjärtfrekvens icke-stationär. Dessutom visade Shapiro-Wilk-testet att 49 av 66 hjärtfrekvensintervall normalt inte distribueras. Observera att intervallen med en andningsfrekvens på 120%, som var intervallen som förväntades visa synkronisering, inte korrelerade direkt med intervallen vars hjärtfrekvens normalt fördelades.

den observerade icke-stationariteten är kopplad till övergående anpassningsperioder som observerades för de flesta guidade intervaller, med hjärtfrekvensen som stiger till nivåer som är oproportionerliga mot den föreskrivna andningsfrekvensen och bildar ett ramprespons. Anpassning var särskilt synlig under det första intervallet av högfrekvent andning (Fig. 1). Oavsett, förutsatt att en volontär slappna av och fortsatte att följa andningsmetronomen, justerades deras hjärtfrekvens i enlighet därmed. Denna övergående period är mindre uttalad i efterföljande andra och tredje intervall.

för att analysera det övergående svaret beräknades en långsam trend av hjärtfrekvensen via en glidande medelteknik som beskrivs i avsnittet metoder. En mängd olika trendmönster observerades (Fig. SI2 i SI) och för vissa intervaller var det ingen trend. I exemplet som presenteras i Fig. 3, visar det första intervallet ett överskridande svar med en initial hjärtfrekvensökning följt av ett förfall; detta beteende var typiskt för vår kohort (exempel på dessa tomter finns för alla volontärer i Fig. SI2 i SI). Mönstren för det andra och tredje intervallet var mer komplexa, men majoriteten inkluderade en övergående ökning av hastigheten. Grova uppskattningar visade att varaktigheten av denna övergående ökning av hjärtfrekvensen varade mellan 10 och 100 sekunder. Denna observation ifrågasätter några resultat19, 20, 21 där hela intervallet av guidad andning var cirka 30 sekunder. För vissa intervaller verkade hjärtfrekvensen börja tendera till ett steady state-värde efter den första anpassningen. Det fanns emellertid inget klart steady state observerat och i de flesta fall fortsatte hjärtfrekvensen att diffundera. Faktum är att sådan vandrande dynamik är ett inslag i hjärtfrekvensen22 och bör beaktas vid analys av synkronisering.

trender i hjärtfrekvens under intervallen av guidad andning. Svarta kurvor motsvarar trenderna. Röda linjer anger medelvärdet (fast linje) och standardavvikelse (streckade linjer) för andningsfrekvensen för varje intervall. Alla data normaliseras med den genomsnittliga andningsfrekvensen för intervall 2. Det avsedda hjärtfrekvenssvaret bör innebära att den svarta kurvan faller inom de röda streckade linjerna för så mycket av intervallet som möjligt. Uppgifter från volontär 11.

synkronisering

ett exempel på ett synkrogram6 som omfattar alla guidade andningsintervaller och spontana viloperioder visas i Fig. 4, där megapixlar representerar den relativa fasen (se avsnittet metoder) av luftvägssignalen. En episod av fassynkronisering med förhållandet 1:1 är synlig som en platålinje mellan 1400 s och 1450 s under det tredje intervallet av guidad andning, där hastigheten är inställd på 120% av RHR. Under denna episod är vandring av hjärtfrekvensen begränsad och hjärtfrekvensen fluktuerar runt ett visst värde (Fig. 3 c)). Före och efter detta avsnitt visar hjärtfrekvensen ett diffusivt beteende.

Synkprogram för volontär 11. Skuggade regioner motsvarar regionerna med guidad andning. Fas ASIC visas i radianer.

För 18 av de 22 frivilliga inträffade CRS inom det tredje intervallet, när den guidade andningsfrekvensen var högre än RHR. För fyra volontärer (nummer 2, 10, 20 och 21) observerades synkroniseringsepisoder för det andra intervallet när andningsfrekvensen var avsedd att vara lika med RHR. En ytterligare analys av hjärtfrekvensen under 10-minuters viloperiod före guidad andning tyder på att RHR-värdet beräknat för dessa var potentiellt för högt, vilket för detta andra intervall var andningsfrekvensen över den faktiska RHR. Således observerades för alla frivilliga CRS när andningsfrekvensen var högre än RHR. I många fall observerades mer än en episod av CRS inom samma tidsintervall. Dessa episoder identifierades automatiskt av synkroniseringsindexet 6 ozi och den avgränsade fasskillnaden som beskrivs i avsnittet metoder. Den längsta episoden utpekades och den totala varaktigheten för alla episoder i det givna intervallet beräknades. Alla resultat sammanfattas i Tabell 1 med tider som ges till närmaste sekund. CRS-varaktigheterna beräknade med de två metoderna gav nära värden. För de flesta volontärer förlängdes den längsta episoden, med varaktigheter som varierade från 20 till 80 sekunder, vilket motsvarade 30% till 98% av hela intervallet av guidad andning.

0.7).

en volontär (nummer 3) hade mycket korta CRS-episoder. Dynamiken i fasskillnaden och priserna för det tredje intervallet för denna volontär och volontär 2 visas i Fig. 5 (liknande jämförelse tomter kan hittas för alla volontärer i Fig. SI3 i SI). Tolkning av dessa tomter möjliggör visualisering av de varaktigheter som anges i Tabell 1. Den övre panelen (tomt (a) och (e) i Fig. 5) visar fasskillnaden mellan hjärtfrekvens och andningsfrekvens. En svängning av fasskillnaden i ett begränsat intervall mindre än 2 kg, eller fasskillnaden nära ett konstant värde under en längre period indikerar fassynkronisering mellan de två signalerna. Varaktigheten av synkroniseringsepisoder för olika volontärer visas i Tabell 1. Den andra panelen (plot (b) och (f)) visar tidsberoende av synkroniseringsindexet. Ett värde på indexet nära ett representerar 1: 1 synkronisering mellan två oscillerande signaler. Förlängda episoder ovanför det experimentellt motiverade tröskelvärdet på 0,7 bestämmer värdet av Kubi i Tabell 1. Den tredje panelen (tomter (c) och (g)) visar synkroniseringsprogrammet för hela intervallet med hög andningsfrekvens. Under fasen synkroniseringspunkter på synkprogram visar en platå. Sådana platåer representerar en signalfas som inte förändras med mer än en hel period i förhållande till fasen för den andra signalen. Den slutliga panelen (tomter (d) och (h)) är en representation av hjärt-och andningsfrekvenserna för en jämförelse av momentana hastigheter under episoder av synkronisering med fasdynamik. De streckade röda linjerna representerar den höga variationen i andningsfrekvensen även för kontrollerad andning – ju större detta intervall desto mer varierande andningsfrekvens och därmed desto sämre behöll en volontär en konstant hastighet. Den fasta röda linjen är den genomsnittliga andningsfrekvensen, och den blå linjen visar dynamiken i den momentana andningsfrekvensen under hela intervallet. Den svarta linjen i tomter (d) och (h) motsvarar hjärtfrekvensen med borttagna högfrekventa svängningar via tillämpning av glidande medeltekniker. Under episoder av fassynkronisering förväntas den svarta linjen falla helt mellan de streckade röda linjerna, vilket representerar det faktum att hjärtfrekvensvariationen finns inom andningsfrekvensens variation.

Synkroniseringsåtgärder för volontär 2 (vänster) och volontär 3 (höger). Figurerna (A,e) visar fasskillnaden, figurerna (b,f) visar synkroniseringsindexet, figurerna (c,g) visar synkroniseringsprogrammet och figurerna (d, h) visar utjämnat hjärta (svart linje) och andningsfrekvens (blå linje). I siffror (d, h) anger röda linjer medelvärdet (fast linje) och standardavvikelse (streckade linjer) för andningsfrekvensen för varje intervall.

i Fig. 5, för båda fallen hjärtfrekvensen (Fig. 5 (d,h)) är visuellt nära andningsfrekvensen för hela intervallet, men fasdynamiken (Fig. 5 (a, e)) är anmärkningsvärt olika. Fasskillnaden Bisexuell (Fig. 5 (a)) är begränsad och nästan konstant för volontär 2, medan det ökar monotont för volontär 3 (Fig. 5 e)). Denna signifikanta skillnad mellan fas-och hastighetsdynamik betonar vikten av användningen av kvalitativa metoder såsom fasbeskrivning för analys av synkronisering för signaler med stokastiska och/eller icke-stationära komponenter.

som nämnts observerades CRS-episoder i det andra intervallet (hastighet avsedd att motsvara RHR) för fyra frivilliga. Därför motsvarade deras tredje intervall en andningsfrekvens betydligt högre än RHR. Tidsutveckling av fasskillnaden ASIC för alla tre intervallen visas i Fig. 6 för en av dessa volontärer. Fasskillnaden ökar monotont med tiden under det första intervallet, eftersom hjärtoscillationerna är snabbare än andning. Begränsad och nästan konstant fasskillnad under det andra intervallet visar manifestationen av synkroniseringseffekt. För det tredje intervallet är situationen motsatt och fasskillnaden minskar monotont. Observera att för alla andra volontärer motsvarade det tredje intervallet synkroniseringsintervallet och därmed en begränsad fasskillnad.

fasskillnader i tre guidade andningsintervall visas för volontär 2. Blå, röda och gröna kurvor motsvarar de första (90% RHR), andra (100% RHR) respektive tredje (120% RHR) intervallen. Fasskillnader normaliseras med 2 kg.

det finns en tydlig skillnad i varaktighet för synkroniseringsepisoder mellan resultaten för idrottare (markerad med en asterisk) och icke-idrottare (Tabell 1). Det bör noteras att de flesta idrottare hade signifikant lägre RHR, cirka 50 slag per minut (tabell SI1 i SI), jämfört med andra volontärer, och därmed skulle andas i lägre takt under intervaller med guidad andning. Detta leder till ett förspänningsproblem inom experimentets utformning – den montör en individ, och ju lägre deras RHR, desto långsammare behövde de andas, trots att de troligen var mer kapabla att upprätthålla högre andningsfrekvenser än icke-idrottare. Alla idrottare hade långa synkroniseringsepisoder. Icke-idrottares resultat är mindre konsekventa; emellertid observerades den längsta episoden av synkronisering i kohorten för en icke-idrottsman (volontär 2).

eftersom 9 av de 10 idrottarna inom studien är män, är en övergripande jämförelse av synkroniseringsepisoder mellan manliga och kvinnliga deltagare inte nödvändigtvis representativ för en jämnt fördelad befolkning och skulle i sig vara partisk av skillnaden mellan idrottare och icke-idrottare som diskuterats ovan. När man överväger icke-idrottare finns det dock 5 män och 7 kvinnor. Från Tabell 1 kan man se att det inte finns någon skillnad mellan manliga och kvinnliga resultat för de 12 icke-idrottare. Episoder av synkronisering och totala varaktigheter är av jämförbar längd. Tillfälligt var både de längsta och kortaste episoderna av synkronisering kvinnor (volontär 2 respektive 3), med tydliga skillnader mellan dessa resultat visade i Fig. 5.

även om synkroniseringsåtgärder som beaktas i denna forskning framgångsrikt har identifierat episoder av CRS, är det viktigt att betona att dessa episoder fortfarande kan vara tillfälliga, utan någon hjärt-respiratorisk interaktion. Det har faktiskt diskuterats ovan att hjärtfrekvensen visar vandrande (diffusiv) dynamik och förändringar i ett brett spektrum. På grund av denna diffusivitet, när andning och hjärtfrekvens ligger nära varandra under en tidsperiod, är deras genomsnittliga priser nästan lika, och inga skillnader mellan räntorna skulle tydligt ses under dessa korta perioder. Detta skulle i sin tur innebära att alla åtgärder, dvs. synkroniseringsprogram, synkroniseringsindex och fasskillnad, skulle identifiera dessa tidsperioder som episoder av synkronisering även i avsaknad av en sann hjärt-respiratorisk interaktion. Därför visar vi i detta arbete dessutom att de episoder som vi observerade inte var tillfälliga genom att använda surrogatdata.

Låt oss överväga surrogatandning och hjärtfrekvens som genereras med hjälp av slumpmässiga, normalt distribuerade data och härleda synkroniseringsprogram och synkroniseringsindex för dessa data. Medelvärdena (70 BPM) och standardavvikelser (3%) av andning och hjärtfrekvens väljs för att vara lika och motsvarar två olika slumpmässiga tidsserier. Dessa hastigheter har omvandlats till momentana perioder, som beskrivs i avsnittet metoder, vilket leder till två surrogattidsserier: en av R-toppar av en EKG-signal och den andra av maxima för en andningssignal. Därefter applicerades samma signalbehandlingstekniker som på experimentella data, och fasskillnaden Eurasien beräknades tillsammans med synkroniseringsindexet (Fig. 7). Det kan ses att Fasenjung (Fig. 7A) är nästan konstant (2C 2) under ett långt tidsintervall och synkroniseringsindexet 2C (Fig. 7B) är större än tröskelvärdet (0,7) för hela intervallet. Därför observeras synkroniseringsepisoder för dessa surrogatdata tydligt. Det är viktigt att notera att för surrogatdata är det nästan konstanta värdet UCC för fas Ubic på synkroniseringsprogrammet ett slumpmässigt värde, trots alla åtgärder som visar synkroniseringsepisoder. Till exempel i Fig. 7 fasen är cirka 2 (2CC 2), men skulle ta ett annat värde för en annan uppsättning surrogatdata. Följaktligen, för synkronisering observerad av en slump, måste fördelningen av p(kub) för en uppsättning mätningar vara enhetlig eftersom tidsserien av priser är helt oberoende. Å andra sidan skulle en skillnad från en likformig fördelning p(kub) indikera närvaron av koppling mellan hjärt-och andningsorganen. I Fig. 8, fördelningen p (Kubi) härledd från våra experimentella data för alla 22 intervaller av guidad andning med synkroniseringsepisoder från alla volontärer visas. Värdena för Kubi valdes från synchrogram-plottar när Kubi > 0.9. Tröskelvärdet ökades jämfört med experimentell analys för att markera episoder med starkast interaktion (Observera att andra tröskelvärden, t.ex. 0.7, leder till en liknande form av fördelningen). Fördelningen (Fig. 8) är skev och den har det mest sannolika värdet av 4; UCC 4. Detta resultat indikerar att faslåsningen i våra experimentella data observeras för ett särskilt värde av megapixlar och därför är synkroniseringsepisoder inte tillfälliga och är resultatet av en sann hjärt-respiratorisk interaktion.

Synkprogram (a) och synkroniseringsindex (b) för surrogatdata; medelvärdet är 70 BPM och standardavvikelsen är 3%. Röda och magenta streckade linjer motsvarar 0,7 respektive 0,9.

sannolikhetstäthet p(kub) för experimentella data visas i ett stapeldiagram. Fas ASIC visas i radianer.