Heart Rate Variability Analysis Based on Photoplethysmographic Signals

An algorithm for extracting tachograms for Heart Rate Variability (HRV) analysis on the basis of Photoplethysmographic (PPG) signals (instead of electro cardiograms) has been proposed. The main feature of this proposal is to detect peaks from correlograms between a pattern waveform and a sliding time window in the PPG signal. Analysis was carried out with a set of two groups of patients (young and elderly).HRV variables were estimated using the publicly available Kubios HRV package. Results showed that both the sympathetic component of the autonomous nervous system (assessed by LF/HF) and the cardiovascular complexity (assessed by correlation dimension) are reduced with age. These results are supported by literature and may be taken as a support for the validity of the proposed algorithm. Since oximeters for getting PPG signals are affordable even in poor settings, this allows extending autonomic nervous system studies into remote areas of developing countries(AU)

Se propone un algoritmo para obtener tacogramas con la finalidad de realizar estudios de variabilidad de la frecuencia cardiaca, partiendo de registros de señales fotopletismográficas (PPG). La principal peculiaridad de esta propuesta lo es la detección de los picos en las ondas de la señal PPG a partir de un correlograma obtenido como una secuencia de correlaciones entre una onda patrón y una ventana deslizante de la señal PPG. Se realizó un análisis de variabilidad de frecuencia cardiaca sobre dos grupos de pacientes (jóvenes y de avanzada edad). Las variables de variabilidad de frecuencia cardiaca seleccionadas se obtuvieron a partir del programa Kubios HRV, de acceso público y gratuito. Los resultados mostraron que tanto el componente simpático del Sistema Nervioso Autónomo (evaluado a través de la variable LF/HF) como la complejidad cardiovascular (evaluada a través de la dimensión de correlación) disminuyeron con la edad. Estos resultados encuentran apoyo en datos de la literatura que apoyan así la validez del algoritmo propuesto. Por cuanto el oxímetro utilizado para obtener las señales PPG está al alcance de instituciones primarias de salud se hace posible de esta manera extender estudios del sistema nervioso autónomo hacia áreas remotas de países en desarrollo(AU)

Avaliação hemodinâmica na insuficiência cardíaca: papel do exame físico e dos métodos não invasivos / Hemodynamic assessment in heart failure: role of physical examination and noninvasive methods / Evaluación hemodinámica en la insuficiencia cardíaca: papel del examen físico y de los métodos no invasivos

Entre as doenças cardiovasculares, a insuficiência cardíaca (IC) apresenta elevada taxa de internação hospitalar, morbidade e mortalidade, consumindo grandes recursos financeiros do sistema de saúde no Brasil e em outros países. A correta determinação das pressões de enchimento do ventrículo esquerdo, por avaliação invasiva ou não invasiva, é fundamental para o adequado tratamento dos pacientes com IC crônica descompensada, considerando que a congestão é o principal fator determinante dos sintomas e da hospitalização. O exame físico tem se mostrado inadequado para prever o padrão hemodinâmico. Vários estudos sugerem que a concordância em achados de exame físico por diferentes médicos é pequena e que, por fim, as próprias alterações fisiológicas adaptativas na IC crônica mascaram importantes aspectos do exame físico. Como a avaliação clínica falha em prever a hemodinâmica e pelo fato de a utilização do cateter de Swan-Ganz de rotina não ser recomendada para esse fim em pacientes com IC, métodos de avaliação hemodinâmica não invasivos, como o BNP, o ecocardiograma e a bioimpedância cardiográfica, vêm sendo crescentemente utilizados. O presente trabalho tem por objetivo realizar, para o clínico, uma revisão da função de cada uma dessas ferramentas, na definição da condição hemodinâmica em que se encontram os pacientes com IC descompensada, visando a um tratamento mais racional e individualizado.

Among the cardiovascular diseases, heart failure (HF) has a high rate of hospitalization, morbidity and mortality, consuming vast resources of the public health system in Brazil and other countries. The correct determination of the filling pressures of the left ventricle by noninvasive or invasive assessment is critical to the proper treatment of patients with decompensated chronic HF, considering that congestion is the main determinant of symptoms and hospitalization. Physical examination has shown to be inadequate to predict the hemodynamic pattern. Several studies have suggested that agreement on physical findings by different physicians is small and that, ultimately, adaptive physiological alterations in chronic HF mask important aspects of the physical examination. As the clinical assessment fails to predict hemodynamic aspects and because the use of Swan-Ganz catheter is not routinely recommended for this purpose in patients with HF, noninvasive hemodynamic assessment methods, such as BNP, echocardiography and cardiographic bioimpedance, are being increasingly used. The present study intends to carry out, for the clinician, a review of the role of each of these tools when defining the hemodynamic status of patients with decompensated heart failure, aiming at a more rational and individualized treatment.

Entre las enfermedades cardiovasculares, la insuficiencia cardíaca (IC) presenta una elevada tasa de ingreso hospitalario, morbilidad y mortalidad, consumiendo enormes recursos financieros del sistema de sanidad en Brasil, y de otros países. La correcta determinación de las presiones en el llenado del ventrículo izquierdo, por evaluación invasiva o no invasiva, es fundamental para el adecuado tratamiento de los pacientes con IC crónica descompensada, considerando que la congestión es el principal factor determinante de los síntomas y del ingreso. El examen físico ha sido inadecuado para prever el estándar hemodinámico. Varios estudios sugieren que la concordancia en los hallazgos del examen físico por diferentes médicos es pequeña y que, las propias alteraciones fisiológicas adaptativas en la IC crónica, disimulan los importantes aspectos del examen físico. Como la evaluación clínica falla a la hora de prevenir la hemodinámica, y también por el hecho de que la utilización del catéter de Swan-Ganz de rutina no se recomiende con ese fin en los pacientes con IC, los métodos de evaluación hemodinámica no invasivos, como el PNB, el ecocardiograma y la bioimpedancia cardiográfica, están en aumento. Este trabajo pretende realizar, a favor del médico, una revisión de la función de cada una de esas herramientas, para definir la condición hemodinámica en que están los pacientes con IC descompensada, objetivando un tratamiento más racional e individualizado.

Temas de atualização e revisão em clínica médica: impedância cardiográfica: o avanço tecnológico na tomada de decições / Themes of updating and revision in medical clinic: impedance cardiography: technological advance in taking decisions

A impedância cardiográfica é uma tecnologia baseada nas leis de Ohm, que nos permite avaliar, de forma não invasiva e com alta acurácia (1), parâmetros hemodinâmicos, através das diferentes propriedades elétricas dos tecidos, como músculo, osso, gordura e sangue. Pode ser utilizada em nível hospitalar ou ambulatorial e aplicada em diversas doenças, principalmente na hipertensão arterial resistente e insuficiência cardíaca. É capaz de identificar a causa da dispneia na sala de emergência, predizer a descompensação por insuficiência cardíaca e titular doses do tratamento medicamentoso nesta síndrome. Mais recentemente, tem sido utilizada na otimização dos marcapassos cardíacos.

The impedance cardiography (ICG) isa technology based on Ohm's laws, whick allows to assess hemodynamic parameters, in a non-invasive and with high accuracy, through the different electrical properties of tissues such as muscle, bone, fat and blood. Can be used in hospital or outpatient and applied in various diseases, especially in resistant hypertension and heart failure. Is is able to identify the cause of dyspnea in the emergency room, to predict decompensated heart failure and titration of doses of the drug in this syndrome. More recently, it has been used in optimization of cardiac pacemakers.

Estimativa não-invasiva do débito cardíaco durante o exercício a partir de impedância cardiográfica e consumo de oxigênio em idosos / Non-invasive estimate of cardiac output during exercise based on impedance cardiography and oxygen uptake in the elderly

OBJETIVO: O presente estudo analisou a concordância entre as estimativas do débito cardíaco (Q) geradas por dois métodos indiretos e sua aplicabilidade em 54 homens e 77 mulheres (60-90 anos). MÉTODOS: Os indivíduos realizaram um teste cardiopulmonar de exercício progressivo máximo em ciclo-ergômetro. O Q foi estimado a partir do consumo de oxigênio e da impedância cardiográfica a 50 por cento e 100 por cento da carga máxima alcançada no teste (Wmáx). Os limites de concordância e as diferenças médias (vieses) foram avaliados segundo a metodologia proposta por Bland e Altman, enquanto a relação entre os métodos foi analisada por regressão linear e correlação intraclasse (ICC). RESULTADOS: Na carga equivalente a 50 por cento Wmáx, a diferença entre as médias dos métodos foi de -0,58 Lòmin-1 (6,3 por cento menor para a medida da impedância), e o limite de concordância de ± 2,54 Lòmin-1 (24,7 por cento). Em 100 por cento Wmáx, a diferença foi de 1,03 Lòmin-1 (8,5 por cento maior para a medida da impedância), com um limite de concordância de ± 3,35 Lòmin-1 (27,6 por cento). Os valores de ICC e as curvas de regressão obtidas entre os métodos foram: Qimp=1,82+0,75Q VO2 (r²=0,765, p<0,001; ICC=0,727, p<0,01) para 50 por cento Wmáx; Qimp=0,93+1,00Q VO2 (r²=0,755, p<0,001; ICC=0,796, p<0,01) para 100 por cento Wmáx. CONCLUSÃO: Os resultados sugerem uma boa concordância na estimativa do Q no exercício em idosos pelos dois métodos, o que se revela compatível com os achados de estudos similares com indivíduos jovens.

OBJECTIVE: This study assessed the agreement between cardiac output (Q) measurements generated by two indirect methods and their applicability in 54 men e 77 women (aged 60-90). METHODS: The subjects performed a cardiopulmonary test with incremental to maximal exercise on a cycle-ergometer. "Q" was estimated based on oxygen uptake and on impedance cardiography at 50 percent and 100 percent of the maximal workload (Wmax) reached during the test. The limits of agreement and mean differences (biases) were estimated using the methodology proposed by Bland-Altman, whereas the relationship between the methods was analyzed by linear regression and intra-class correlation (ICC). RESULTS: For the load equivalent do 50 percent of Wmax, the bias between the means of the two methods was -0.58 Lòmin-1 (6.3 percent smaller for the impedance measurement) and the limit of agreement was ± 2.54 Lòmin-1 (24.7 percent). At 100 percent of Wmax, the bias was 1.03 Lòmin-1 (8.5 percent greater for the impedance measurement) with a limit of agreement of ± 3.35 Lòmin-1 (27.6 percent). ICC values and the regression curves obtained between the methods were: Qimp=1.82+0.75Q VO2 (r²=0.765, p<0.001; ICC=0.727, p<0.01) at 50 percent Wmax; and Qimp=0.93+1.00Q VO2 (r²=0.755, p<0.001; ICC=0.796, p<0.01) at 100 percent Wmax. CONCLUSION: These results suggest that there is a good agreement between the two methods for the measurement of Q during exercise in the elderly, which is compatible with the findings of similar studies with young subjects.

Cardiografia por bioimpedância transtorácica: uma nova abordagem no manuseio de pacientes com insuficiência cardíaca / Transthoracic impedance cardiography: a new method for the management of heart failure patients

A cardiografia por bioimpedancia transtorácica é uma forma de pletismografia que utiliza mudanças na impedância elétrica torácica para estimar mudanças no volume sanguíneo no interior da aorta e mudanças no volume de fluído do tórax. Assim, podem-se estimar parâmetros hemodinâmicos e o status volêmico. Os trabalhos publicados com a nova geração de aparelhos mostram que esse método é útil para detectar precocemente o risco de uma descompensação e para manusear o paciente hospitalizado com insuficiência cardíaca, auxiliando na escolha da classe medicamentosa e na titulação das doses de medicações intravenosas, assim como auxiliando no prognósticio.

Transthoracic impedance cardiography is a form of plethysmography that utilizes changes in thoracic impedance to estimate changes in blood volume in the aorta and changes in fluid volume in the thorax, thus determining hemodynamic parameters and fluidstatus. The studies carried out with these new generation devices have shown that this method is useful in the early identification of patients at risk fora decompensation as well as for managing in-hospital patients with heart failure. Furthermore, they aid in the choice of pharmacotherapy options as well as the up titration of intravenous medications and function as a prognostic tool.

New method of electrode placement for determination of cardiac output using impedance cardiography.

In thirty eight young healthy adult subjects, cardiac output was determined non-invasively by using two methods of electrode placement viz. vertical (uses silver braided wires in a band shape) and horizontal (conventional stick-on type surface ECG electrodes), using the technique of Impedance Cardiography. The recordings were taken in supine position on the same day in two separate sets with 30.0 min interval between two sets. In each set of recording, five successive recordings, each at an interval of five minutes were taken. The mean values of cardiac out put by two methods were compared. For the set I, the respective values (Mean +/- SD) of cardiac output by horizontal and vertical methods for the each of the five recordings were 4.87 +/- 0.77 and 5.03 +/- 0.64 for the first, 4.87 +/- 0.71 and 4.91 +/- 0.66 for the second, 4.99 +/- 0.67 and 5.00 +/- 0.70 for the third, 4.78 +/- 0.69 and 4.98 +/- 0.61 for the fourth, 4.84 +/- 0.69 and 4.98 +/- 0.62 for the fifth recording in supine position. The respective P values for these pairs for between the group comparisons were 0.33, 0.50, 0.96, 0.17, and 0.36. In addition, to see the repeatability for each method, within the group comparison was done, the P values were 0.71 and 0.91 for the horizontal and vertical methods, respectively. The mean value of cardiac output did not differ significantly between two methods for recordings of set II in supine position. The cardiac output measurement by placing four spot electrodes horizontally, gave consistent result on repeated measurements and their values showed concordance with the cardiac output values obtained by conventional four band electrodes tied around the chest.

Cardiografía de impedancia para la determinación del volumen minuto / Impedance cardiography for determination of cardiac output and its correlation with thermodilution

Se presenta la comparación de la medición del volumen minuto con un cardiógrafo de impedancia desarrollado por los autores con los resultados del método de termodilución. Las mediciones efectuadas en sujetos sanos mostraron hasta un 30 por ciento de variación (estudio de repetitividad). Las determinaciones en pacientes mostraron que la correlación aplicando la fórmula de Kubiceck (17 casos) fue de 0,72 en basales, posinotrópicos 0,92 y posbetabloqueantes 0,94. Con la ecuación de Srameck (14 casos) la correlación fue menor. Concluímos que actualmente la aplicación clínica del método es poco precisa por la amplia variabilidad en sanos y las fuentes potenciales de error en pacientes con patología

Comparación entre el gasto cardiaco (GC) medido por los métodos de termodilución (TD) y bioimpedancia eléctrica torácica (BET) / Comparison of measurements of cardiac output (CO) by thermodilution (TD) and thoracic electrical bioimpedance(TEB)

Introducción. Los pacientes críticos requieren a menudo evaluación continua de la función cardiaca, ahora es posible hacerlo por procedimientos no invasivos. Pacientes y métodos. Hicimos un estudio prospectivo de siete pacientes en la UCI. Se les midió el gasto cardiaco simultáneamente con BET (BoMed NCCOM3-R7) y CDT. Resultados. Un total de 147 pares de gastos cardiacos simultáneos se estimaron por BET y TDC (GCtd, CObet). El COtd fue 6.18 L/min y el CObet 6.11 L/min (p=0.605). La correlación y el índice de regresión fueron: y = 4.13 + 0.32x, r = 0.48, r² = 0.23, p < 0.001. El error relativo (bias) fue 1.3 ñ 0.9 por ciento. Conclusión. La medición de CObet es satisfactoria en comparación con el COtd

Evaluación hemodinámica mediante bioimpedancia transtorácica eléctrica de dos técnicas anestésicas durante colecistectomía laparoscópica / Hemodynamic evaluation with transthoracic electric bioimpedence of two anesthetic techniques for laparoscopic cholecistectomy

Durante la colecistectomía laparoscópica, suceden modificaciones hemodinámicas asociadas al neumoperitoneo. La bioimpedancia transtorácica eléctrica (BITE), es un método no invasivo de medición del índice cardiaco, que ha mostrado correlación aceptable con los métodos invasivos. En el presente trabajo se compararon los efectos hemodinámicos del neumoperitoneo durante colecistectomía laparoscópica en pacientes ASA 1-11, mediante 2 métodos anestésicos: Grupo I (inhalatorio con enflurano predominantemente), y Grupo II (endovenoso puro a base de propofol y alfentanil). Los resultados obtenidos no mostraron diferencias estadísticamente significativas entre ambas técnicas

Modificaciones hemodinámicas durante colecistectomía laparoscópica obtenidas por bio-impedancia eléctrica transtorácica (BET) / Hemodynamic changes in patients undergoing laparoscopic cholecystectomy: measurement by transthoracic electrical bioimpedance (TEB)

La colecistectomía por vía laparoscopica se ha constituido en un método quirúrgico ampliamente difundido que reduce riesgos importantes y estancia hospitalaria al paciente, pero que no está exenta de producir alteraciones a diferentes niveles, principalmente las ocasiones por el pneumoperitoneo. En el presente estudio se analizan los cambios ocurridos a nivel hemodinámico durante el pneumoperitoneo en 10 pacientes ASA I y II sometidos a colecistectomía laparoscópica, en los que se midió por bioimpedancia eléctrica transtorácica (BET) la frecuencia cardíaca (FC), tensión arterial media (TAM), índice cardiaco (IC), índice de resistencias vasculares sistemicas (IRVS), precarga y la fracción de eyección (FE), antes, durante y después del pneumoperitoneo, obteniéndose cambios significativos en todos los pacientes en la mayoría de los parámetros hemodinámicos lo cual puede establecer como un factor de riesgo importante en sujetos susceptibles y deberá tomarse en cuenta para dicha intervención

Sistema para medición de gasto cardiáco mediante el análisis contínuo de la impedancia torácica / A system for measurement of cardiac output based on continuos recording of thoracic impedancee

Se describe hardware, software y resultados de la utilización de un sistema diseñado por los autores para la medición del gasto cardiáco (GC) en forma continua mediante el uso de las variaciones de la impedancia torácica (IT). La IT ha sido utilizada desde hace 20 años en la medición del GC con diversos grados de crítica en cuanto a la validez de sus resultados. En el presente trabajo se presenta un análisis del sistema de detección y las fórmulas utilizadas en el cálculo del parámetro mencionado. De acuerdo a nuestros resultados presentamos una variación de las fórmulas de Kubicek, y Sramek y se analizan las correlaciones con la termodilución en un grupo de pacientes de cuidados intensivos. Nuestros resultados mostraron correlación con termodilución de 0,93 para la fórmula de Kubicek, de 0,318 para Sramek y de 0,771 para nuestra fórmula. Concluimos que el presente sistema diseñado se puede usar en la determinación continua del GC aún con ciertas reservas en respecto a las fórmulas utilizadas las que deben ser perfeccionadas en su interpretación del volúmen torácico participante

Impedance plethysmography of thoracic region: impedance cardiography.

Impedance plethysmograms were recorded from thoracic region in 254 normal subjects, 183 patients with coronary artery disease, 391 patients with valvular heart disease and 107 patients with congenital septal disorder. The data in 18 normal subjects and 55 patients showed that basal impedance decreases markedly during exercise in patients with ischaemic heart disease. Estimation of cardiac index by this technique in a group of 99 normal subjects has been observed to be more consistent than that of the stroke volume. Estimation of systolic time index from impedance plethysmograms in 34 normal subjects has been shown to be as reliable as that from electrocardiogram, phonocardiogram and carotid pulse tracing. Changes in the shape of plethysmographic waveform produced by valvular and congenital heart diseases are briefly described and the role of this technique in screening cardiac patients has been highlighted.

Processamento de sinais de impedância elétrica do tórax / Signs of electrical impedance of the thorax

Medidas contínuas da impedância elétrica do tórax refletem o fluxo sangüíneo instantâneo nas grandes artérias intratorácicas constituindo-se em uma técnica promissora para avaliaçäo näo-invasiva da funçäo ventricular e diagnóstico precoce de doença cardiovasculares. Na COPPE/UFRJ foi desenvolvido um instrumento para mediçäo do sinal e os primeiros estudos concentraram-se na determinaçäo dos critérios mais adequados para aquisiçäo e processamento do sinal. Esta fase inclui a investigaçäo dos efeitos introduzidos pela respiraçäo e sua influência sobre o sinal de origem cardiovascular. O mapeamento do sinal de impedância na superfície anterior do tórax mostrou que a atividade cardíaca também pode ser detectada e deu subsidios para auxiliar a interpretaçäo da origem dos sinais detectados. Em pacientes com doença coronariana, a primeira derivada do sinal apresenta um padräo temporal distorcido na fase inicial da sistole, que pode ser detectado em repouso, tornando viável e atraente a aplicaçäo do método na rotina clínica