Beregning av hjertefrekvensvariasjon fra EKG-data fra ungdom med cerebral parese under aktive video spilløkter
Summary
Denne protokollen beskriver en metode for å beregne hjertefrekvensvariasjon fra elektro (EKG) bølgeformer. Bølgeformer fra kontinuerlig hjertefrekvens (HR) innspillinger under aktive videospill (AVG) økter ble brukt til å måle aerob ytelse av ungdom med cerebral parese (CP).
Abstract
Målet med denne studien var å generere en metode for beregning av hjertefrekvensvariasjon fra elektro (EKG) bølgeformer. Bølgeformene ble registrert av en HR-skjerm som deltakere (ungdom med cerebral parese (CP)) hadde på seg under aktiv videospill (AVG) økter. AVG-øktene ble utformet for å fremme fysisk aktivitet og kondisjon (aerob ytelse) hos deltakerne. Målet var å evaluere muligheten for AVGs som en fysisk terapi (PT) intervensjon strategi. Den maksimale HR (mHR) ble bestemt for hver deltaker og målet hjertefrekvenssone (THRZ) ble beregnet for hver av tre øvelsen faser i 20 min AVG Session: (oppvarming på 40-60% mHR, condition på 60-80% mHR, og kjøle ned på 40-60% mHR). Hver deltaker spilte 3 20 min spill under AVG økten. Alle spill ble spilt mens du sitter på en benk fordi mange unge med CP ikke kan stå i lengre perioder. Hvert spill tilstand skilte med deltakerne ved hjelp av hånd ikoner bare, hånd og føtter ikoner sammen eller føtter ikoner bare å samleobjekter. Målet med spillet (kalt KOLLECT) er å samleobjekter for å få poeng og unngå farer for ikke å miste poeng. Farene ble brukt i oppvarmings-og kjøle fasene bare for å fremme langsommere, kontrollert bevegelse for å opprettholde HR i pulssonen (THRZ). Det var ingen farer i condition-fasen for å fremme høyere nivåer og mer intens fysisk aktivitet. Analytiske metoder ble brukt til å generere PULSVARIASJON (valgte tids domene-og frekvens domene mål) fra EKG-data for å undersøke aerob arbeidsmengde. Nylige anvendelser av PULSVARIASJON indikerer at kortsiktige målinger (5 min kamper) er hensiktsmessige og at puls variasjons biofeedback kan bidra til å forbedre symptomer og livskvalitet i en rekke helsemessige forhold. Selv om HR er et godt akseptert klinisk tiltak for å undersøke aerob ytelse og intensitet i PT-intervensjoner, kan puls variasjons gi informasjon om det autonome System funksjoner, gjenoppretting og tilpasning under AVG-sesjoner.
Introduction
Cerebral parese (CP) er den vanligste fysiske funksjonshemming av barndommen1. CP er forårsaket av en nevrologiske fornærmelse mot å utvikle hjernen og er forbundet med motoriske nedskrivninger som muskelsvakhet, spastisitet, deconditioning, og redusert motor kontroll og balanse2,3. CP er en ikke-progressiv tilstand, men med alderen, barn blir mindre fysisk aktiv og mer stillesittende i forhold til sine jevnaldrende med typisk utvikling (TD) mest på grunn av økt krav til vekst på sine kompromittert nevromuskulær og muskel-og skjelett systemer4.
Ungdom med CP får vanligvis fysioterapi (PT) tjenester for å forbedre funksjonell mobilitet og fremme fysisk aktivitet og egnethet (f. eks aerob og muskuløs utholdenhet)2. Ofte er det begrenset tilgang til PT tjenester og ressurser i samfunnet for å oppnå og opprettholde disse PT mål5,6. Aktive videospill (AVGs) kan være en mulig strategi i aktivitet-baserte PT intervensjoner i klinikk, hjem eller samfunn innstillinger7,8. Kommersiell AVGs har begrenset fleksibilitet til å tilpasse spillet og møte de spesifikke behov og PT mål for ungdom med CP9. Men tilpassede AVGs gi fleksible spill parametre for å utfordre ungdom med CP mens fremme fysisk aktivitet og fitness10.
Vårt team har utviklet en tilpasset AVG (kalt KOLLECT) for å undersøke ungdom utøve respons (for eksempel fysisk aktivitet og aerobic fitness). Spillet bruker en bevegelsessensor til å spore ungdom bevegelse under spilling. Målet med spillet er å “samle” så mange gjenstander som mulig for en høy poengsum og for å unngå farer for å unngå å miste poeng. Objekter kan samles med hånden og/eller føtter ikoner som bestemmes av terapeuten i det fleksible spillet parametere.
Designing aktivitetsbasert PT intervensjoner som dose fysisk aktivitet intensitet for å fremme aerobic fitness er kritisk for ungdom med CP11. Custom AVGs kan være en effektiv strategi for å dose intensitet og engasjere ungdom i fysisk aktivitet for å fremme fitness10. Pulsmålere brukes ofte i klinisk PT-praksis for å bestemme aerob ytelse og aktivitets intensitet. Derfor vil HR-skjermer bidra til å bestemme muligheten for AVGs i dosering fysisk aktivitet intensitet for å fremme aerobic fitness9. EKG-data som er generert fra en pulsmåler, kan brukes til å beregne hjertefrekvensvariasjon. Analytiske metoder ble brukt til å generere PULSVARIASJON fra EKG-data for å undersøke aerob arbeidsmengde. Nylige anvendelser av pulsvariasjon indikerer at kortsiktige målinger (5 min kamper) er hensiktsmessige og at puls variasjons biofeedback kan bidra til å forbedre symptomer og livskvalitet i en rekke helsetilstander32,33,34 . Anvendelsen av kortsiktige puls variasjons tiltak er en hensiktsmessig måte å vurdere kardiovaskulær funksjon på i løpet av AVG-øktene. Gitt at PULSVARIASJON er avledet fra R-R-intervallet til et EKG, brukte vi valgte tids domene-og frekvens domene mål. Tids domene måling av PULSVARIASJON kvantifisere mengden av variablility i interbeat intervallene som representerer tiden mellom etterfølgende hjerteslag. Vi brukte AVNN (gjennomsnittlig NN intervall), RMSSD (root Mean Square av suksessive forskjeller), SDNN (standardavvik av NN intervall), NN50 (antall NN intervaller > 50 MS) og PNN50 (prosent av NN intervaller). Frekvens domene tiltak anslår at distributionof absolutte eller relative strøm til muligens fire frekvensbånd, vi spesielt adressert på to band, lav frekvens (LF) kraft og høy frekvens (HF) kraft sammen med LF/HF ratio. Selv om HR er et godt akseptert klinisk tiltak, kan PULSVARIASJON være nyttig fordi det gir informasjon om autonom systemfunksjon, gjenoppretting, tilpasning, og gir et anslag over aerob arbeidsmengde under en AVG-økt28.
Hensikten med denne studien var å undersøke muligheten for å bruke AVG strategier for å fremme fysisk aktivitet og egnethet. En annen hensikt var å presentere AVG datainnsamlings protokoll og metodikken for å beregne PULSVARIASJON fra EKG-data innhentet via en HR-Monitor. Disse tiltakene og denne protokollen kan vise seg å være relevante for klinikere for å overvåke og dose PT intervensjon økter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ti ungdom med CP deltok i denne studien (gjennomsnittlig + SD) [alder (år) = 15,53 ± 3,57; høyde (cm) 154,8 ± 12,6; vekt (kg) 50,69 ± 11,1; Body Mass Index (BMI) 50,46 ± 29,2; mHR 9 BPM) = 186,8 ± 12,4]. Se tabell 5 for demografi for pasienter.
Det er noen hensyn for bruk av HR-skjermer og tilhørende tiltak for HR og PULSVARIASJON som er relatert til modifikasjoner og feilsøking. To problemer som er åpenbare, uavhengig av teknologien ansatt for å erverve dataene er:…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker deltakerne og deres familier for sin tid og innsats brukt for deltakelse i studien. I tillegg, forfatterne erkjenner Dr. Yichuan Liu og Dr. Hasan Ayaz for deres hjelp med timing beregning av HR overvåking og Dr. Paul Diefenbach for utvikling av KOLLECT Active video gaming programvare. Finansiering for dette arbeidet ble gitt av Coulter Foundation Grants #00006143 (O‘Neil; Diefenbach, PIs) og #00008819 (O‘Neil; Diefenbach, PIs).
Materials
| BioHarness Bluetooth Module (Electronics sensor) | Zephyr | 9800.0189 | Detects Heart Rate, Resiration Rate, Posture, and Skin Temperature. |
| BioHarness Chest Strap | Zephyr | 9600.0189, 9600.0190 | Sizes Small XS-M, Large M-XL |
| BioHarness Charge Cradle & USB Cable | Zephyr | 9600.0257 | Used to Transfer Data from the Module to a Computer for Analysis. |
| BioHarness Echo Gateway | Zephyr | 9600.0254 | Allows for Realtime Viewing of Subject's Heart Rate. |
| MATLAB R2016a | Mathworks | 1.7.0_.60 | Used for All Programming. |
References
- Winter, S., Autry, A., Boyle, C., Yeargin-Allsopp, M. Trends in the prevalence of cerebral palsy in a population-based study. Pediatrics. 110 (6), 1220-1225 (2002).
- Fowler, E., et al. Promotion of physical fitness and prevention of secondary conditions for children with cerebral palsy: Section on Pediatrics Research Summit Proceedings. Physical Therapy. 87 (11), 1495-1510 (2007).
- Rosenbaum, P., Paneth, N., Leviton, A., Goldstein, M., Bax, M. A report: The definition and classification of cerebral palsy: April 2006. Developmental Medicine & Child Neurology. 49 (s109), 8-14 (2007).
- Hanna, S., et al. Stability and decline in gross motor function among children and youth with cerebral palsy aged 2 to 21 years. Developmental Medicine & Child Neurology. 51 (4), 295-302 (2009).
- Rimmer, J., Rowland, J. Health promotion for people with disabilities: Implications for empowering the person and promoting disability-friendly environments. American Journal of Lifestyle Medicine. 2 (5), 409-420 (2008).
- Feehan, K., et al. Factors influencing physical activity in children and youth with special health care needs: A pilot study. International Journal of Pediatrics. , (2012).
- Fehlings, D., Switzer, L., Findlay, B., Knights, S. Interactive computer play as motor therapy for individuals with cerebral palsy. Seminars in Pediatric Neurology. 20 (2), 127-138 (2013).
- Sandlund, M., Dock, K., Hager, C., Waterworth, E. Motion interactive video games in home training for children with cerebral palsy: parents’ perceptions. Disability & Rehabilitation. 34 (11), 925-933 (2012).
- Howcroft, J., et al. Active video game play in children with cerebral palsy: Potential for physical activity promotion and rehabilitation therapies. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 93 (8), 1448-1456 (2012).
- Bilde, P., Kliim-Due, M., Rasmussen, B., Petersen, L., Petersen, T., Nielsen, J. Individualized, home-based interactive training of cerebral palsy children delivered through the Internet. BMC Neurology. 11, 32 (2011).
- Kolobe, T., et al. Research Summitt III proceedings on dosing in children with an injured brain or cerebral palsy. Physical Therapy. 94 (7), 907-920 (2014).
- Schipke, J., Pelzer, M., Arnold, G. Effect of respiration rate on short-term heart rate variability. Journal of Clinical and Basic Cardiology. 2 (1), 92-95 (1999).
- Ernst, G. Heart rate variability. Heart Rate Variability. , 1-336 (2014).
- Francis, J., et al. Association between symptoms of depression and anxiety with heart rate variability in patients with implantable cardioverter defibrillators. Psychosomatic Medicine. 71 (8), 821-827 (2009).
- Mendes, R., et al. Is applying the same exercise-based inpatient program to normal and reduced left ventricular function patients the best strategy after coronary surgery? A focus on autonomic cardiac response. Disability and Rehabilitation: An International Multidisciplinary Journal. 36 (2), 155-162 (2014).
- Muralikrishnan, K., Balakrishnan, B., Balasubramanian, K., Visnegarawla, F. Measurement of the effect of Isha Yoga on cardiac autonomic nervous system using short-term heart rate variability. Journal of Ayurveda and Integrative Medicine. 33 (2), 279-283 (2012).
- Yadav, R. K., Gupta, R., Deepak, K. K. A pilot study on short term heart rate variability & its correlation with disease activity in Indian patients with rheumatoid arthritis. Indian Journal of Medical Research. 136 (4), 593-598 (2012).
- Thuraisingham, R. A. Preprocessing RR interval time series for heart rate variability analysis and estimates of standard deviation of RR intervals. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 83 (1), 78-82 (2006).
- Alamili, M., Rosenberg, J., Gögenur, I. Day-night variation in heart rate variability changes induced by endotoxaemia in healthy volunteers. Acta Anaesthesiologica Scandinavica. 59 (4), 457-464 (2015).
- Pal, G., et al. Preference for salt contributes to sympathovagal imbalance in the genesis of prehypertension. European Journal of Clinical Nutrition. 67 (6), 586-591 (2013).
- Telles, S., Raghavendra, B. R., Naveen, K. V., Manjunath, N. K., Kumar, S., Subramanya, P. Changes in autonomic variables following two meditative states described in yoga texts. Journal of Alternative and Complementary Medicine. 19 (1), 35-42 (2013).
- Kičmerová, D. . Methods for Detection and Classification in ECG Analysis. Doctoral thesis. , (2009).
- Murai, K., Hayashi, Y. Evaluation of mental workload for ship handling using physiological indices. , 604-608 (2009).
- Taelman, J., Vandeput, S., Spaepen, A., Van Huffel, S. Influence of mental stress on heart rate and heart rate variability. Heart. 29 (1), 1366-1369 (2009).
- Durantin, G., Gagnon, J. F., Tremblay, S., Dehais, F. Using near infrared spectroscopy and heart rate variability to detect mental overload. Behavioural Brain Research. 259, 16-23 (2014).
- Buchheit, M. Monitoring training status with HR measures: Do all roads lead to Rome?. Frontiers in Physiology. 5, (2014).
- Achten, J., Jeukendrup, A. Heart rate monitoring: Applications and limitations. Sports Medicine. 33 (8), 517-538 (2012).
- Amichai, T., Katz-Leurer, M. Heart rate variability with cerebral palsy: Review of literature and meta-analysis. NeuroRehabilitation. 35, 113-122 (2014).
- Billman, G., Haikuri, H., Sacha, J., Trimmel, K. An introduction to heart rate variability: Methodological considerations and clinical applications. Frontiers in Physiology. 6, (2015).
- Beffara, B., Bret, A., Vermeulen, N., Mermillod, M. Resting high frequency heart rate variability selectively predicts cooperative behavior. Physiology & Behavior. 164, 417-428 (2016).
- Fogt, D., Cooper, P., Freeman, C., Kalns, J., Cooke, W. Heart rate variability to assess combat readiness. Military Medicine. 174, 491-495 (2009).
- Kerppers, I. L., Arisawa, E. A. L., Oliveira, L. V. F., Sarmpaio, L. M. M., Oliverira, C. S. Heart rate variability in individual with cerebral palsy. Archives of Medical Science. 5, 45-50 (2009).
- Giggins, O. M., Persson, U. M., Caulfield, B. Biofeedback in Rehabilitation. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation. 10, (2013).
- Shaffer, F., Ginsberg, J. P. An overview of heart rate variability metrics and norms. Frontiers in Public Health. 5, 258 (2017).
- Shaffer, F., McCarty, R., Zeir, C. L. A healthy heart is not a metronome: an integrative review of the heart’s anatomy and heart rate variability. Frontiers in Psychology. 5, 1040 (2014).
