SYKEVARIAATIOTUTKIMUS MENETELMÄNÄ JA KÄYTÄNNÖN TYÖKALUNA Erikoislääkäri, Dosentti, LT Arja Uusitalo, HUS Kuvantaminen, HY
Sisältö Mitä on syke(väli)vaihtelu (HRV)? Analyysimenetelmiä Ominaisuuksia Diagnostinen työkalu?, Osviittaa antava apukeino?, Ennusteellinen markkeri?
HRV Kh4,työ1:klo 13:10-21:05 900 850 800 750 700 650 Sy kev älidata 600 Tarkkailu Huono data 550 22:35:42 22:45:42 22:55:42 23:05:42 23:15:42 23:25:42 23:35:42 1) Korkeataajuinen sykevaihtelu yli 9/minute 2) Matalataajuinen sykevaihtelu 2.4-9/minute Kellonaika mittauksen alusta HH:MM:SS klo 13:10-21:05 140 Sy ke 130 120 110 100 90 80 70 60 50 18:35:42 18:45:42 18:55:42 19:05:42 19:15:42 19:25:42 19:35:42 19:45:42 19:55:42 20:05:42 20:15:42 20:25:42 20:35:42 20:45:42 20:55:42 21:05:42 21:15:42 21:25:42 21:35:42 21:45:42 21:55:42 22:05:42 22:15:42 22:25:42 22:35:42 22:45:42 22:55:42 23:05:42 23:15:42 23:25:42 23:35:42 23:45:42 23:55:42 00:05:42 00:15:42 00:25:42 00:35:42 00:45:42 00:55:42 01:05:42 01:15:42 01:25:42 01:35:42 01:45:42 01:55:42 02:05:42 02:15:42 02:25:42 Kellonaika mittauksen alusta HH:MM:SS
R-R välien muutos - interventiot
Uupunut naisurheilija Makuulla, säädelty hengitys (0.20 Hz) 5 min At the normal well-trained situation, HR 48 bpm, SD of RRI 82 ms In overtraining condition, HR 47 bpm, SD of RRI 12 ms Uusitalo 2000, Suomen Lääkärilehti
Mistä sykevaihtelu saa alkunsa? Hengityksen säätelemä sykevaihtelu parasympattinen säätely = korkeataajuinen vaihtelu HF n. 0.2 Hz (0.15-0.40-1Hz) Sentraalisesti säädelty inspiratorinen vagaalisten neuronien inhibitio (ja sympaattisten neuronien exitaatio) Hengitys perifeeriset hemodynaamiset refleksit ja rintakehän venytysrespetorit Taajuus, syvyys, tilavuus
Hengityksen vaikutus
Hengityksen vaikutus - hypobaric hypoxia Controls Yoga trainees Bernardi et al. (J Hypertens 19: 947-58, 2001) n=10 yoga trained, 9 controls, middle-aged
Mistä sykevaihtelu saa alkunsa? Valtimopaine ja perifeerinen verisuonten vastus vaihtelevat ja sitä säätelee sympaattinen hermojärjestelmä - barorefleksi loop = matalataajuinen vaihtelu (LF) n. 0.1 Hz (0.04-0.15 Hz) Lämmön säätely, reniini-angiotensiini-aldosteroni-järjestelmä (RAAS) = VLF alle 0.04 Hz
Barorefleksi kaari Timmers H J L M et al. J Physiol 2003;553:3-11 2003 by The Physiological Society
Sykevaihtelu 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 40 79 117 158 195 222 248 272 296 318 340 360 381 402 422 442 462 482 501 521 541 561 582 601 621 640 seconds seconds Uusitalo et al. 1998 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 21 41 61 81 102 124 146 168 191 213 237 260 284 307 331 354 378 402 427 451 475 499 523 547 572 596 seconds seconds Atropinization 0,01 mg/kg -blockade (propranolol)
Stolarz et al. Host and enviromental determinants of heart rate and heart rate variability in four European populations. J Hypertens 21: 525-35, 2003. N=1208 Vahvimmin määrittävät tekijät ovat ikä, sukupuoli, kehon asento, hengitystaajuus, verenpaine
Analyysitapoja 1) Aikasarjan muuttujat mm. keskihajonta, RMSSD, SDSD, pnn50 + toistattavimpia - tavallisimpia RMSSD(x)= (1/(n-1) (x(i)-x(i+1)) 2 ), 1:n-1 = perättäisten N-N välien erotuksen toisen potenssin summan neliöjuuri, pnn50 on sellaisten välien osuus prosentteina, jotka ovat suurempia kuin 50 ms R P Q T R-R interval, ms S
2) Taajuusanalyysi: HF (>0.15 Hz), LF (0.04-0.15 Hz), VLF (< 0.04 Hz, ULF) -vähemmän toistettava, -herkkä ulkoisille ja sisäisille häiriöille +pyrkii määrittämään vaihtelun alkuperää Huom! Käytetään ns. normalisoituja yksiköitä myös: 110 90 kuvaavat suhdetta, 70 50 ei absoluuttista määrää!!! 30 HR (bpm) Power [ms²/hz] 25000 V L F Power 20000 2529 ms² 15000 L F Power 10000 557 ms² 5000 POWER SPECTRAL ANALYSIS Supine period Standing 0 100 200 300 400 500 t (s) H F Power 1349 ms² 0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 0.40 Orthostatic Heart Rate Test Supine period Standing period Power [ms²/hz] 25000 V L F power 20000 195 ms² 15000 10000 L F power 406 ms² 5000 H F power Freq [Hz] 79 ms² Freq [Hz] 0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 0.40
Eri spektrianalyysimenetelmät AR (eri malleja numeroitu 14 18) Fast Fourier Transform Coarse graining spectral analysis (Yamamoto and Hughson 1991, J Appl Physiol)
FFT normaali päivä
3) Epälineaariset metodit esim. SD1, SD2, ApEN, SampEN, DFA HR turbulenssi - vähiten tutkituja + eivät niin herkkiä ulkoisille häiriöille + erilainen informaatio mallintaa syke(väli)vaihtelua ja antaa laadullista infoa
Short-time Fourier Transform: Frekvenssianalyysi ajan funktiona R-R interval, ms R standing up T P Q S Low Frequency Power (0,04 0,15 Hz) LFP ln(ms 2 ) High Frequency Power (0,15 1,0 Hz) HFP ln(ms 2 ) Mahdollistaa jatkuvan frekvenssianalyysin muuttuvissa olosuhteissa
STFT - kaksi esimerkkiä DANIEL W. GRIFFIN AND JAE S. LIM Signal Estimation from Modified Short-Time Fourier Transform. IEEE TRANSACTIONS ON ACOUSTICS, SPEECH, AND SIGNAL PROCESSING, VOL. ASSP-32, NO. 2, APRIL 1984
Käytäntöön? Erilaiset tutkimuspaketit muutamia/useita markkereita Lepo/interventio/vertailut Neuroverkkoihin perustuvat päätelmät/ohjelmat
Mittaustapoja -Lyhyen ajan (laboratorio) mittaukset -Lepo, interventiot, hengitystaajuus? - Pitkän ajan seurannat (24 h - Holter tutkimus)
Ominaisuuksia Toistettavuus Validisuus Sensitiivisyys/Spesifisyys /negatiivinen ja positiivinen ennustearvo
The intrasubject [n = 122, 2-16 (mean 10) times in 6 months] reproducibility in the ULTRA study, the coefficient of variation (%) Whole recording (40 min) Rest (5 min) Paced breathing (5 min) Standing (5 min) Exercise (5 min) Recovery (5 min) lnmeannn 0.9 1.0 1.4 1.0 1.0 1.0 lnsdnn 5.4 7.5 9.3 6.7 9.5 7.8 lnr-mssd 8.0 11.1 12.4 11.4 12.1 11.0 lntotal power 4.8 7.7 9.6 7.2 10.7 8.0 lnlf 8.9 12.0 16.3 11.5 18.8 11.7 lnhf 11.4 14.9 14.9 15.5 19.3 14.6 ln(lf/hf-%) 7.6 11.8 16.2 10.7 15.8 11.9 Tarkiainen et al. Proceedings of 27the Progress Report Meeting of the Finnish Cardiac Society, Oulu, Finland 2001
The interobserver (n = 6) reproducibility in the ULTRA study,the coefficient of variation (%) Whole Rest Paced Standing Exercise Recovery recording breathing (40 min) (5 min) (5 min) (5 min) (5 min) (5 min) lnmeannn 0.01 0.03 0.06 0.2 0.1 0.3 lnsdnn 0.06 1.2 1.1 1.6 6.2 3.4 lnr-mssd 0.6 1.2 1.3 1.5 4.8 3.5 lntotal power 0.2 1.6 1.2 1.4 6.5 3.4 lnlf 0.8 1.5 3.5 5.7 5.5 4.7 lnhf 1.3 2.8 3.6 2.8 7.5 5.2 ln(lf/hf-%) 1.0 2.2 6.6 1.4 4.2 5.2 Tarkiainen et al. Proceedings of 27the Progress Report Meeting of the Finnish Cardiac Society, Oulu, Finland 2001
Toistettavuus edelleen Töyry et al. 1995 (intrasubject): n = 4, 4 consecutive days, sedentary healthy people Power spectral analysis and RMSSD CV% 18-52 % Uusitalo 1998 (intrasubject): n = 5, 5 consecutive days, athletes HR at supine and in orthostatic test CV% 4-8 %, SD of RRI CV% 12-24 %, power spectral analysis CV% 22-45 % Reproducibility of 24 hour recordings has been shown to be better than short-term recordings
1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Validisuus? 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 40 79 117 158 195 222 248 272 296 318 340 360 381 402 422 442 462 482 501 521 541 561 582 601 621 640 seconds seconds 1 21 41 61 81 102 124 146 168 191 213 237 260 284 307 354 331 378 402 427 451 475 499 523 547 572 596 SD1 during atropine seconds seconds 80 60 40 20 0 * * * n=10 rmssd ** ** * ** * 4 8 12 16 20 24 28 Atropine (µg/kg) Tulppo et al. Am J Physiol 1996 SD1 (ms)
Sykevaihtelua työkaluna? Epidemiologiset tutkimukset - OK Fysiologisten ja patofysiologisten ilmiöiden tutkiminen - OK Kliininen käyttö? ei vielä käytännössä ole -Diagnostiset testit? Autonominen neuropatia OK -Prediktiivinen markkeri? (Esim. kuolemanriski? Artymiariski?) - Seurannat: hoitovasteet? Vaikuttavuus?
Toistomittaukset-huomioitavia asioita Table 4. Factors have to take into consideration/have to be controlled when monitoring intraindividual training effects by measuring physiological markers Standardized Conditions Time of the day (56) Time of the year Testing environment; humidity, temperature, lightness Use of caffeine, alcohol, tobacco etc. substances Nutrition and previous meal Medication Actual health Menstrual cycle Training history (57) Training volume and intensity during previous days (58) Time interval to previous exercise Quality and quantity of sleep (59) Stress level (psychological, social, economical) Methodological Posture Identical collection, transportation, storage and analyze protocol Others Changes in blood volume (60) Changes in weight Uusitalo 2000, The physician and sportsmedicine
Unen eri vaiheet Villa et al. (Chest 117: 460-66, 2000) Friedman ANOVA p<0.05 7 infants 7 children
Yhteenvetoa 1 Hyvä fysiologinen markkeri vahvuuksineen ja heikkouksineen sydämen autonomisen säätelyn mittaamiseen Hallittu käyttö erilaisessa seurannassa mahdollista empiiristä ja keskitasoisesti tutkimuksellista näyttöä yhteydestä erilaisiin ilmiöihin kuten ylikuormittumiseen ja työstressiin tulkinta krittisesti osaaviin käsiin toisaalta mitä ja miten? Vaikuttavuudesta ei tietoa! Lisää tutkimusta! Erittäin potentiaalinen ikkuna kuvaamaan ihmisen terveyttä ja stressitasoa (kts. Thayer ym. Neuroscience and Behavioral Reviews 36; 2012.)
Yhteenvetoa 2 Tarvitaan uusia lähestymistapoja ja lisää tutkimusta Diagnostisena ja ennusteellisena testinä vaatii lisätutkimuksia mm. validiteetti, vaikuttavuus Autonominen neuropatia OK muiden testien ohessa kts. Esim. Karayannis ym, Expert Rev Cardiovasc Ther, 10; 2012. Review. Ennuste kts. Sanderock & Brodie Pace 9; 2006 ja nyt Huikuri & Stein Frontiers in Physiology 3; 2012
Task Force 1996 Eur Heart J 17; 1996, Circulation 93; 1996. Heart rate variability. Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use. Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology. Tarvittaisiin uusittu laitos