Análisis de la coherencia entre la señal ECG y el flujo respiratorio en sujetos sanos

Abstract

L'anàlisi de la coherència entre senyals biomèdics és una eina molt útil en l'àmbit mèdic per entendre la interacció entre els sistemes que representen. Aquest treball se centra en l'anàlisi de coherència entre la variabilitat de ritme cardíac (HRV) extret d'electrocardiograma i el senyal de flux respiratori. La coherència representa la interacció lineal en el domini freqüencial d'aquests senyals, en aquest treball s'analitzen dues bandes freqüencials específiques de la HRV: baixa freqüència (0,04-0,15Hz) i alta freqüència (0,15-0,4Hz) , associades a el sistema nerviós autònom que controla el ritme d'aquests sistemes. Aquesta anàlisi s'aplica per 44 subjectes en dues posicions diferents: supina i asseguda. Cada subjecte presenta 4 derivacions de l'electrocardiograma (I, II, III i Chest). En primer lloc, a partir del senyal electrocardiografia s'han obtingut les sèries temporals que determinen el ritme cardíac, per analitzar la variabilitat del ritme cardíac. Seguidament s'ha calculat la coherència entre els senyals extretes de les diferents derivacions i el flux respiratori mitjançant el periodograma i s'ha realitzat una anàlisi estadística dels valors extrets. A més, els càlculs s'han realitzat amb dues variacions en els paràmetres del periodograma per observar que efecte té en els resultats. Els resultats obtinguts mostren que els màxims de coherència es troben a la banda d'alta freqüència. Els valors de coherència són generalment més alts per a la posició asseguda i per a la derivació precordial (Chest), aquesta derivació presenta diferències estadísticament significatives amb les altres. Respecte les variacions en el periodograma, amb la finestra més gran s'obtenen valors de coherència majors i diferències significatives entre les posicions.

The analysis of the coherence between biomedical signals is a very useful tool in the medical field to understand the interaction between the systems they represent. This work focuses on the coherence analysis between the heart rate variability (HRV) extracted from the electrocardiogram and the respiratory flow signal. Coherence represents the linear interaction in the frequency domain of these signals, in this work two specific frequency bands of HRV are analyzed: low frequency (0.04-0.15Hz) and high frequency (0.15-0.4Hz) , associated with the autonomic nervous system that controls the rhythm of these systems. This analysis is applied to 44 subjects in two different positions: supine and sitting. Each subject has 4 electrocardiogram leads (I, II, III and Chest). First, the time series that determine the heart rate have been obtained from the electrocardiographic signal, to analyze the heart rate variability. Subsequently, the coherence between the signals extracted from the different leads and the respiratory flow was calculated using the periodogram and a statistical analysis of the extracted values was carried out. In addition, the calculations have been made with two variations in the parameters of the periodogram to observe what effect it has on the results. The results obtained show that the maximum coherence is found in the high frequency band. The coherence values are generally higher for the sitting position and for the precordial lead (Chest), this lead shows statistically significant differences with the others. Regarding the variations in the periodogram, with the larger window higher coherence values and significant differences between the positions are obtained.

El análisis de la coherencia entre señales biomédicas es una herramienta muy útil en el ámbito médico para entender la interacción entre los sistemas que representan. Este trabajo se centra en el análisis de coherencia entre la variabilidad de ritmo cardiaco (HRV) extraído de electrocardiograma y la señal de flujo respiratorio. La coherencia representa la interacción lineal en el dominio frecuencial de estas señales, en este trabajo se analizan dos bandas frecuenciales específicas de la HRV: baja frecuencia (0,04-0,15Hz) y alta frecuencia (0,15-0,4Hz), asociadas al sistema nervioso autónomo que controla el ritmo de estos sistemas. Este análisis se aplica para 44 sujetos en dos posiciones diferentes: supina y sentada. Cada sujeto presenta 4 derivaciones del electrocardiograma (I, II, III y Chest). En primer lugar, a partir de la señal electrocardiográfica se han obtenido las series temporales que determinan el ritmo cardíaco, para analizar la variabilidad del ritmo cardíaco. Seguidamente se ha calculado la coherencia entre las señales extraídas de las diferentes derivaciones y el flujo respiratorio mediante el periodograma y se ha realizado un análisis estadístico de los valores extraídos. Además, los cálculos se han realizado con dos variaciones en los parámetros del periodograma para observar que efecto tiene en los resultados. Los resultados obtenidos muestran que los máximos de coherencia se encuentran en la banda de alta frecuencia. Los valores de coherencia son generalmente más altos para la posición sentada y para la derivación precordial (Chest), esta derivación presenta diferencias estadísticamente significativas con las demás. Respecto las variaciones en el periodograma, con la ventana más grande se obtienen valores de coherencia mayores y diferencias significativas entre las posiciones.