Introduction of Application of Gini Coefficient to Heart Rate Variability Spectrum for Mental Stress Evaluation / Introdução da Aplicação do Coeficiente de Gini ao Espectro de Variabilidade da Frequência Cardíaca para Avaliação do Estresse Mental

ABSTRACT

Abstract Background: The Gini coefficient is a statistical tool generally used by economists to quantify income inequality. However, it can be applied to any kind of data with unequal distribution, including heart rate variability (HRV). Objectives: To assess the application of the Gini coefficient to measure inequality in power spectral density of RR intervals, and to use this application as a psychophysiological indicator of mental stress. Methods: Thirteen healthy subjects (19 ± 1.5 years) participated in this study, and their RR intervals were obtained by electrocardiogram during rest (five minutes) and during mental stress (arithmetic challenge; five minutes). These RR intervals were used to obtain the estimates of power spectral densities (PSD). The limits for the PSD bands were defined from 0.15 to 0.40 Hz for high frequency band (HF), from 0.04 to 0.15 Hz for low frequency band (LF), from 0.04 to 0.085 Hz for first low frequency sub-band (LF1) and from 0.085 to 0.15 Hz for second low frequency sub-band (LF2). The spectral Gini coefficient (SpG) was proposed to measure the inequality in the power distribution of the RR intervals in each of above-mentioned HRV bands. SpG from each band was compared with its respective traditional index of HRV during the conditions of rest and mental stress. All the differences were considered statistically significant for p < 0.05. Results: There was a significant decrease in HF power (p = 0.046), as well as significant increases in heart rate (p = 0.004), LF power (p = 0.033), LF2 power (p = 0.019) and LF/HF (p = 0.002) during mental stress. There was also a significant increase in SpG(LF) (p = 0.009) and SpG(LF2) (p = 0.033) during mental stress. Coefficient of variation showed SpG has more homogeneity compared to the traditional index of HRV during mental stress. Conclusions: This pilot study suggested that spectral inequality of Heart Rate Variability analyzed using the Gini coefficient seems to be an independent and homogeneous psychophysiological indicator of mental stress. Also, HR, LF/HF, SpG(LF) of HRV are possibly important, reliable and valid indicators of mental stress.

RESUMO

Resumo Fundamento O coeficiente de Gini é um instrumento estatístico geralmente usado por economistas para quantificar a desigualdade de renda. No entanto, ele pode ser aplicado a qualquer tipo de dados com distribuição desigual, incluindo a variabilidade da frequência cardíaca (VFC). Objetivos: Avaliar a aplicação do coeficiente de Gini para medir a desigualdade na densidade espectral de potência de intervalos RR, e usar esta aplicação como um indicador psicofisiológico do estresse mental. Métodos: Treze indivíduos saudáveis (19 ± 1,5 anos) participaram deste estudo, e seus intervalos RR foram obtidos por eletrocardiograma durante repouso (cinco minutos) e durante estresse mental (desafio aritmético; cinco minutos). Esses intervalos RR foram utilizados para obter as estimativas de densidades espectrais de potência (PSD). Os limites para as bandas PSD foram definidos de 0,15 a 0,40 Hz para banda de alta frequência (HF), de 0,04 a 0,15 Hz para banda de baixa frequência (LF), de 0,04 a 0,085 Hz para a primeira sub-banda de baixa frequência (LF1) e de 0,085 a 0,15 Hz para a segunda sub-banda de baixa frequência (LF2). O coeficiente de Gini espectral (SpG) foi proposto para medir a desigualdade na distribuição de potência dos intervalos RR em cada uma das bandas de VFC mencionadas acima. O SpG de cada banda foi comparado com seu respectivo índice tradicional de VFC durante as condições de repouso e de estresse mental. Todas as diferenças foram consideradas estatisticamente significativas para p < 0,05. Resultados: Houve uma diminuição significativa no poder de FC (p=0,046), bem como aumentos significativos na frequência cardíaca (p = 0,004), potência da LF (p = 0,033), potência da LF2 (p = 0,019) e LF/HF (p = 0,002) durante estresse mental. Houve também um aumento significativo de SpG(LF) (p = 0,009) e SpG(LF2) (p = 0,033) durante estresse mental. O coeficiente de variação mostrou que o SpG tem mais homogeneidade em comparação com o índice tradicional de VFC durante o estresse mental. Conclusões: Este estudo piloto sugeriu que a desigualdade espectral da VFC analisada pelo coeficiente de Gini parece ser um indicador psicofisiológico independente e homogêneo de estresse mental. Além disso, FC, LF/HF, SpG(LF) da VFC são possivelmente indicadores importantes, confiáveis e válidos de estresse mental.