Temporal inequality of RR intervals like a new psychophysiological indicator of mental stress / Desigualdad temporal de los intervalos RR como nuevo indicador psicofisiológico de estrés mental / Desigualdade temporal de intervalos RR como um novo indicador psicofisiológico de estresse mental

Introduction: Gini coefficient (Gini index or Gini ratio) is a parameter that is normally used in economy to measure the income distribution in a country or in the whole wide world, but it can be used to measure any kind of distribution. In the present study it is exposed an innovative proposal of application of the Gini coefficient to Heart Rate Variability (HRV) like a psychophysiological indicator of mental stress. Purpose: To assess the application of the Gini coefficient as a psychophysiological indicator of mental stress. Methods: The involved participants are 13 healthy individuals (age 19 ± 1.5 years). Heart rate was continuously recorded at rest (5 minutes) and during a mental stress (5 minutes). Linear and nonlinear methods of heart rate variability were assessed, and 2 new indicators (Sequential and Non-Sequential Gini) were calculated and proposed to measure HRV differences between states. Results: When comparing rest and mental stress conditions, a sensible decrease of the traditional indicators of the HRV was founded (p<0.05), an increase of the heart rate (p=0.004) and of the Sequential Gini (p=0.004) and Non-Sequential Gini (p=0.04). Conclusions: The results suggest that temporary inequality of the RR intervals analyzed from the Gini coefficient could be an adequate indicator of sympathetic activity present during the mental stress, with great potentialities with the objective to assess the consequences of psychosomatic affections and anxiety disorders.

Introducción: El coeficiente de Gini o índice de Gini es un parámetro que normalmente se usa en economía para medir la distribución del ingreso en un país o en todo el mundo, pero puede usarse para medir cualquier tipo de distribución. En el presente estudio se expone una propuesta innovadora de aplicación del coeficiente de Gini a la Variabilidad de la Frecuencia Cardíaca (VFC) como indicador psicofisiológico del estrés mental. Objetivo: Evaluar la aplicación del coeficiente de Gini como indicador psicofisiológico de estrés mental. Métodos: Los participantes involucrados son 13 individuos sanos (edad 19 ± 1,5 años). La frecuencia cardíaca se registró continuamente en reposo (5 minutos) y durante un estrés mental (5 minutos). Se evaluaron métodos lineales y no lineales de variabilidad de la frecuencia cardíaca, y se calcularon y propusieron 2 nuevos indicadores (Gini secuencial y no secuencial) para medir las diferencias de VFC entre estados. Resultados: Al comparar las condiciones de reposo y estrés mental, se encontró una sensible disminución de los indicadores tradicionales de la VFC (p<0,05), un aumento de la frecuencia cardiaca (p=0,004) y del Gini Secuencial (p=0,004) y Gini no secuencial (p=0,04). Conclusiones: Los resultados sugieren que la desigualdad temporal de los intervalos RR analizados a partir del coeficiente de Gini podría ser un indicador adecuado de la actividad simpática presente durante el estrés mental, con grandes potencialidades en la evaluación las consecuencias de afecciones psicosomáticas y trastornos de ansiedad.

Introdução: O coeficiente de Gini ou índice de Gini é um parâmetro normalmente usado em economia para medir a distribuição de renda em um país ou no mundo, mas pode ser usado para medir qualquer tipo de distribuição. No presente estudo, apresenta-se uma proposta inovadora de aplicação do coeficiente de Gini à Variabilidade da Frequência Cardíaca (VFC) como indicador psicofisiológico de estresse mental.Objetivo: Avaliar a aplicação do coeficiente de Gini como indicador psicofisiológico de estresse mental.Métodos: Os participantes envolvidos são 13 indivíduos saudáveis ​​(idade 19 ± 1,5 anos). A frequência cardíaca foi registrada continuamente em repouso (5 minutos) e durante o estresse mental (5 minutos). Métodos lineares e não lineares de variabilidade da frequência cardíaca foram avaliados e 2 novos indicadores (gini sequencial e não sequencial) foram calculados e propostos para medir as diferenças na VFC entre os estados.Resultados: Ao comparar as condições de repouso e estresse mental, foi encontrada diminuição significativa nos indicadores tradicionais da VFC (p<0,05), aumento da frequência cardíaca (p=0,004) e do Gini Sequencial (p= 0,004) e não - Gini sequencial (p=0,04).Conclusões: Os resultados sugerem que a desigualdade temporal dos intervalos RR analisados ​​a partir do coeficiente de Gini pode ser um indicador adequado da atividade simpática presente durante o estresse mental, com grande potencial na avaliação das consequências de condições psicossomáticas e transtornos de ansiedade.

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 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 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.

Introduction of Application of Gini Coefficient to Heart Rate Variability Spectrum for Mental Stress Evaluation.

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.