Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2018-03-09T21:40:22Z No. of bitstreams: 1 2017_LuisaSantiagoContreirasBritodaSilva.pdf: 4732963 bytes, checksum: ed2a7969fde70fe3b2349be5930d780e (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-03-13T19:47:49Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_LuisaSantiagoContreirasBritodaSilva.pdf: 4732963 bytes, checksum: ed2a7969fde70fe3b2349be5930d780e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-13T19:47:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_LuisaSantiagoContreirasBritodaSilva.pdf: 4732963 bytes, checksum: ed2a7969fde70fe3b2349be5930d780e (MD5) Previous issue date: 2018-03-13 / Fundação de Apoio à Pesquisa do Distrito Federal (FAP-DF). / A dinâmica entre a PA e a FC é de malha fechada, na qual a PA influencia a FC através do baroreflexo e a FC influencia a PA através da dinâmica circulatória. A respiração exerce uma influência direta sobre a FC que é mediada pelo SNA, chamada de acoplamento cardiorrespiratório (ACR), e também um efeito mecânico indireto mediado pelo baroreflexo. Enquanto análises espectrais univariáveis e bivariáveis podem ser usadas para avaliar esses mecanismos, são técnicas de malha aberta que são incapazes de diferenciar efeitos de retroalimentação dos efeitos de alimentação direta e também de separar o ACR das influências indiretas da respiração na FC. Para lidar com essas limitações, uma abordagem de identificação de sistemas foi aplicada. O CRSIDLab implementa três modelos: o modelo AR com entradas exógenas (ARX), o modelo de funções de base de Laguerre (FBL) e o modelo de funções de base de Meixner (FBM). As respostas ao impulso, que caracterizam a dinâmica entre cada par de variáveis, são calculadas a partir do modelo estimado. Esses modelos são capazes de isolar o ACR ao considerar ambos VPI e PAS como entradas e conseguem abrir a malha do baroreflexo computacionalmente pela imposição de atrasos entre a PAS e o IRR, caracterizando a resposta ao impulso do baroreflexo arterial (BRA). A partir dessas análises, não só o ganho em cada banda de frequência é fornecido através da transformada de Fourier da resposta ao impulso, mas também informações temporais como o atraso entre duas variáveis. Os resultados mostram que ficar de pé é acompanhado por uma supressão vagal e tom vascular simpático aumentado. Análises de correlação mostraram que as estimativas de ASR e SBR baseadas em análises espectrais não apresentam a mesma informação que as estimativas baseadas no modelo de ACR e BRA. As diferenças encontradas sugerem que as análises baseadas em modelo são efetivas em representar o ACR como uma medida dos efeitos diretos da respiração na FC e o BRA como expressão do baroreflexo independente da dinâmica circulatória. Assim, o CRSIDLab é uma ferramenta poderosa para a determinação não-invasiva de diferentes indicadores quantitativos do SNA. Os resultados mostram que os indicadores estimados refletem a fisiologia subjacente, pois ficar de pé é um estímulo simpático que deveria levar a supressão vagal, conforme observado. Os resultados obtidos também mostram que a abordagem de modelagem de sistemas multivariáveis pode fornecer importantes informações adicionais àquelas encontradas pelas abordagens espectrais mais tradicionais, podendo levar a indicadores quantitativos mais específicos do SNA. / The autonomic nervous system (ANS) controls the involuntary functions of the body and its imbalance has been linked to increased risk of cardiac mortality. Heart rate variability (HRV) analysis is usually employed as a non-invasive method for assessing ANS modulation. Traditional measures of HRV are based on the analysis of the beat-to-beat oscillations in heart rate (or its reciprocal, the interval between consecutive R waves on the electrocardiogram - RRI), since heart rate (HR) rhythm is a consequence of sympathetic and parasympathetic activity on the sinoatrial node of the heart. However, these oscillations in beat-to-beat HR are also influenced by mechanisms, such as baroreflex and respiratory sinus arrhythmia (RSA), that affect HRV. Therefore, in this work, a multivariate analysis of the cardiorespiratory system is used. This study consists of two parts: the development of the cardiorespiratory system identification lab (CRSIDLab), a Matlab graphical user interface that provides quantitative indicators of ANS activity from a multivariate system model analysis of cardiorespiratory data, followed by its application on data obtained from subjects in supine and standing postures, illustrating its capabilities. Electrocardiogram (ECG), continuous blood pressure (BP) and airflow were recorded from 23 subjects in supine and standing postures for 10 min and preprocessed on CRSIDLab. In this work the classical HRV and BP variability (BPV) analyses were performed though power spectral density (PSD) analysis of the RRI and the systolic BP (SBP), respectively. CRSIDLab implements three methods for spectral analysis: the Fourier transform, Welch method and AR model. All methods were used to calculate the power of the low frequency (LF: 0.04-0.15 Hz) and high frequency (HF: 0.15-0.4 Hz) bands, as the areas under the PSD curve. For the HRV, the LF/HF ratio was also calculated. Traditional baroreflex sensitivity (BRS) estimates were calculated from the relation between HRV and BPV in the LF and HF regions. Spectral transfer functions were estimated between SBP and RRI, characterizing baroreflex, and between instantaneous lung volume (ILV, derived from the airflow record) and RRI, characterizing RSA, or the effects of respiration on HR, for the determination of the LF and HF gains. BRS was estimated from the gains of the transfer function between SBP and RRI.The dynamics between BP and HR are closed-loop, where BP influences HR through baroreflex and HR influences BP through circulatory dynamics. Respiration has a direct influence on HR that is mediated through the ANS, called the respiratory-cardiac coupling (RCC), and also a mechanical indirect effect mediated through baroreflex. While univariate and bivariate spectral analyses can be used to assess these effects, they are open-loop techniques that are unable to differentiate feedforward from feedback effects and also to separate RCC from the indirect effects of respiration on HR. To address these limitations a system model identification approach was applied. CRSIDLab implements three types of models: the autoregressive with exogenous inputs (ARX) model, the Laguerre basis function (LBF) model, and the Meixner basis function (MBF) model. The impulse responses, which characterize the dynamics between each pair of variables, are calculated from the estimated model. These multivariate models are able to isolate RCC by considering both SBP and ILV as system inputs and are able to computationally open the baroreflex loop through the imposition of time delays between SBP and RRI, characterizing the arterial baroreflex (ABR) impulse response. From this analysis not only the gain for each frequency band is provided from the Fourier transform of the impulse response, but also temporal information such as delays between variables. The results show that standing is accompanied by significant vagal withdrawal and increased sympathetic vascular tone. Correlation analyses showed that the spectral-based RSA and BRS estimates do not present the same information as the model-based RCC and ABR estimates. The differences found suggest the model-based analyses are effective in representing RCC as a measure of the direct effects of respiration on HR and ABR as an expression of baroreflex that is independent from circulatory dynamics. Thus, CRSIDLab is a powerful tool for the non-invasive determination of different quantitative indicators of the ANS. The results show that all estimated indicators reflect the underlying physiology, in the sense that standing is a sympathetic stimulus that should lead to vagal withdrawal, as observed. The results obtained also show that the multivariate system modeling approach can provide important additional information to those found by the more traditional spectral analyses approaches, which could potentially lead to more specific quantitative indicators of the ANS.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2017. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2017-02-20T16:10:41Z No. of bitstreams: 1 2017_VictorHugoCostaDias_Parcial.pdf: 4640559 bytes, checksum: 94f94f271a6163a032cbec50486e3e7d (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2017-04-06T21:04:24Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_VictorHugoCostaDias_Parcial.pdf: 4640559 bytes, checksum: 94f94f271a6163a032cbec50486e3e7d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-06T21:04:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_VictorHugoCostaDias_Parcial.pdf: 4640559 bytes, checksum: 94f94f271a6163a032cbec50486e3e7d (MD5) / Medições das oscilações espontâneas nos sinais fisiológicos relativos ao sistema cardiorrespiratório foram utilizadas neste trabalho para a obtenção de índices que refletem a condição de funcionamento e adaptação do sistema nervoso autônomo (SNA), permitindo sua avaliação de forma não-invasiva. Foram calculados índices de variabilidade da frequência cardíaca (VFC), sensibilidade do barorreflexo (BRS) e acoplamento cardiorrespiratório (ACR) por meio do processamento de sinais de eletrocardiograma, pressão arterial e respiração. Medidas espectrais da VFC foram determinadas com base na densidade espectral de potência (PSD) do sinal de intervalos R-R (RRI) nas regiões de alta (HF) e baixa (LF) frequência, assim como foi calculado o índice temporal dado pelo quadrado médio de diferenças sucessivas do sinal RRI, denominado RMSSD. Índices temporais da BRS foram obtidos pelo método da sequência. Já os índices BRS espectrais basearam-se nas relações entre as PSDs dos sinais RRI e pressão arterial sistólica (PAS), e na função de resposta em frequência (FRF) entre RRI e PAS nas regiões LF e HF, bem como na média das duas regiões (índice α). Os índices espectrais foram obtidos com e sem o uso do critério da coerência. Um modelo auto regressivo com entrada exógena (ARX) também foi aplicado para obter a resposta ao impulso entre PAS e RRI, e a sua transformada de Fourier proporcionou o ganho dinâmico na banda LF, usado como um índice BRS adicional. De forma semelhante ao realizado para os índices espectrais da BRS, foram calculados índices do ACR utilizando as PSDs, FRFs e respostas ao impulso correspondentes às relações entre os sinais de RRI e volume pulmonar instantâneo (VPI). Os dados utilizados neste trabalho são referentes a 21 pacientes portadores de cardiomiopatia hipertrófica (CMH), tanto não-obstrutiva (CMHNO = 11) quanto obstrutiva (CMHO = 10), em que obstrução se refere à obstrução da via de saída do ventrículo esquerdo (VSVE). Os dados foram cedidos pelo professor Geraldo Lorenzi-Filho, do Instituto do Coração (InCor) da Universidade de São Paulo (USP). Os pacientes foram submetidos à aplicação de terapia CPAP (do inglês, continuous positive airway pressure) sob três condições distintas de pressão: basal, sham-CPAP e CPAP a 10 mmH2O (CPAP10). Assim, os índices foram calculados para todas as condições CPAP com o objetivo de verificar as alterações provocadas por essa terapia nas funções de controle exercidas pelo SNA. Para a VFC, a análise de variância mostrou resultados significativos na tarefa de diferenciação de grupos de indivíduos (considerando condição CPAP e nível de obstrução) para os índices RMSSD e HRVHF, ambos medidas de modulação vagal. O uso agudo de CPAP10 provocou um aumento significativo na magnitude desses índices VFC de HF quando comparados à condição basal (RMSSD: p = 0,009; HRVHF: p = 0,033), mas apenas em indivíduos com CMHNO. Esse resultado indica um aumento da estimulação vagal/diminuição da atividade simpática, o que representa uma melhoria na adaptabilidade e funções de controle do SNA como resposta à aplicação aguda de CPAP. Os índices BRS calculados com o método da sequência e todos os índices BRS espectrais de LF também forneceram resultados significativos. Em relação à condição basal, o uso agudo de CPAP10 provocou um aumento significativo na magnitude desses índices BRS (BRSseq+: p = 0,03; BRSseq-: p = 0,018; BRSLF: p < 0,001; BRSLF-C: p = 0,009; BRShLF: p = 0,046; BRSdgLF: p = 0,021), novamente apenas em indivíduos com CMHNO. Isso sugere uma melhoria no sistema de controle da pressão arterial via barorreflexos e na adaptabilidade do SNA em si, como consequência do uso agudo de CPAP. Entretanto, não foi observada qualquer alteração significativa em qualquer dos índices dos indivíduos com CMHO. A utilização da coerência diminuiu o poder estatístico na diferenciação entre os grupos de obstrução/condição CPAP. Os índices ACR não produziram nenhum resultado significativo, uma vez que sinais de respiração só estavam presentes na condição CPAP10 e a única possibilidade de diferenciação seria entre os grupos de CMHNO e CMHO, o que não ocorreu. Esses resultados sugerem que a terapia CPAP, ao menos no sentido agudo, altera significativamente a função autônoma em pacientes com CMHNO, provocando a regulação do balanço simpato-vagal por meio do aumento da atividade vagal/diminuição da atividade simpática, o que representa um resultado positivo, já que esses indivíduos apresentam, devido a sua condição patológica, uma atividade simpática indesejavelmente aumentada. Para os pacientes com CMHO, entretanto, a terapia CPAP no sentido agudo não surtiu efeitos observáveis neste estudo. / Measures of spontaneous oscillations in the physiological signals related to the cardiorespiratory system were used in this work to obtain indices that reflect the functioning and adaptation of the autonomic nervous system (ANS), allowing its assessment in a noninvasive way. Indices of heart rate variability (HRV), baroreflex sensitivity (BRS) and cardiorespiratory coupling (CRC) were calculated through the processing of electrocardiogram, blood pressure and respiration signals. HRV spectral measures were determined based on the power spectral density (PSD) of the RR interval (RRI) signal in the regions of high (HF) and low (LF) frequency, as well as the temporal index given by the mean square of successive differences of the RRI signal (RMSSD). BRS temporal indices were obtained by the sequence method. Spectral BRS indices were based on the relationships between the PSDs of the RRI and systolic blood pressure (SBP) signals, and the frequency response function (FRF) between RRI and SBP in the LF and HF regions, as well as the mean of the two regions (α index). The spectral indices were obtained with and without the use of the coherence criterion. An autoregressive with exogenous input (ARX) model was also applied to obtain the impulse response between SBP and RRI, and its Fourier transform provided the dynamic gain in the LF band, used as an additional BRS index. Similar to that performed for BRS spectral indices, CRC indices were calculated using the PSDs, FRFs and impulse responses corresponding to the relationships between the RRI and instantaneous lung volume (ILV) signals. The data used in this study refer to 21 patients with hypertrophic cardiomyopathy (HCM), both non-obstructive (NOHCM = 11) and obstructive (OHCM = 10), with obstruction referring to left ventricular outflow tract (LVOT) obstruction. The data was provided by Professor Geraldo Lorenzi-Filho, from the Heart Institute (InCor) of the University of São Paulo (USP). The patients underwent CPAP (continuous positive airway pressure) therapy under three different pressure conditions: baseline, sham-CPAP and CPAP at 10 mmH2O (CPAP10). Thus, the indices were calculated for all CPAP conditions in order to verify the changes caused by this therapy in the control functions exercised by the ANS. For the HRV, analysis of variance showed significant results in the task of differentiating groups of individuals (considering CPAP condition and obstruction level) for the RMSSD and HRVHF indices, both measures of vagal modulation. The acute use of CPAP resulted in a significant increase in the magnitude of these HF HRV indices, when compared to baseline condition (RMSSD: p = 0,009; HRVHF: p = 0,033), but only in individuals with NOHCM. This result indicates an increase in vagal stimulation/decrease in sympathetic activity, what represents an improvement on the adaptability and control functions of the ANS as a response to the application of acute CPAP. The BRS indices calculated with the sequence method and all the spectral LF BRS indices in provided significant results. Compared to baseline condition, acute use of CPAP10 resulted in a significant increase in the magnitude of these indices (BRSseq+: p = 0,03; BRSseq-: p = 0,018; BRSLF: p < 0,001; BRSLF-C: p = 0,009; BRShLF: p = 0,046; BRSdgLF: p = 0,021), again only in individuals with NOHCM. This suggests an improvement on the blood pressure control system through the baroreflex and on the ANS adaptability itself, as a consequence of acute CPAP use. However, no significant change was observed in any of the indices calculated for individuals with OHCM. The use of coherence decreased the statistical power of the distinction between the obstruction/condition groups. The CRC indices did not produce any significant results, since breathing signals were only present in the CPAP10 condition and the only possibility of differentiation would be between the NOHCM and the OHCM groups, which did not occur. These results suggest that CPAP therapy, at least in the acute sense, significantly alters autonomic function in patients with NOHCM, provoking the regulation of the sympathovagal balance by increasing vagal activity/decreasing sympathetic activity, which represents a positive result, since these individuals show, due to their pathological condition, an undesirably increased sympathetic activity. For patients with OHCM, however, acute CPAP therapy had no observable effects in this study.

Orientador: Mara Patrícia Traina Chacon Mikahil / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Educação Física / Made available in DSpace on 2018-08-17T14:29:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leite_SabrinaToffoli_D.pdf: 1213225 bytes, checksum: 33f8186198ad441ecaa05d07518a86da (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: As adaptações autonômicas e cardiorrespiratórias decorrentes do treinamento físico aeróbio já se encontram bem sustentadas pela literatura, como por exemplo, a ocorrência da bradicardia de repouso. No entanto, outros protocolos de treinamento, como o treinamento com pesos, ainda são questionados sobre as adaptações obtidas, principalmente com relação à resposta dos sistemas nervoso autônomo e cardiorrespiratório. Ainda, em outro tipo de programa de treinamento, o concorrente (aeróbio e pesos associados) as respostas adaptativas são ainda menos esclarecidas e evidenciam-se os questionamentos quanto à carga ideal de treinamento para a aquisição de adaptações proporcionais aos protocolos de treinamento isolados. Com isso, este trabalho objetivou comparar as adaptações autonômicas cardiovasculares em resposta a diferentes protocolos de treinamento físico em homens entre 40 e 60 anos, com hábitos de vida não ativos. Os voluntários foram subdivididos em 4 grupos, sendo três de treinamento (grupos: aeróbio (GTA), com pesos (GTP) e concorrente (CTC)) e um grupo controle (GC). Antes e após 16 semanas do protocolo experimental, os voluntários foram submetidos à avaliação dos componentes autonômicos cardiovasculares expressos pela variabilidade da frequência cardíaca (no domínio do tempo e da freqüência), obtidos e analisados por meio dos registros dos intervalos RR do eletrocardiograma coletados em repouso supino, tanto em respiração espontânea (RE) quanto em respiração controlada, através da manobra de arritmia sinusal respiratória (M-ASR). Para avaliação da aptidão cardiorrespiratória (Vo2pico e VO2LV) foi realizado um protocolo de rampa, em esteira rolante, com incrementos crescentes de velocidade até a exaustão, obtendo variáveis no limiar ventilatório e no pico do esforço. A força muscular foi avaliada através do teste de 1 repetição máxima (1-RM). Dentre os resultados obtidos, foi possível concluir que os três programas de treinamento físico propostos parecem não alteraram e não interferiram negativamente nas variáveis cardiovasculares de repouso durante a RE, tendo apenas o grupo aeróbio reduzido a frequência cardíaca de repouso (pré:69,6±6,4; pós:65,5±7,2; p<0,05). Já com relação a M-ASR, a análise no domínio da frequência mostrou um aumento (p<0,05) no componente de modulação simpática - LF, e um desbalanço simpato-vagal (razão LF/HF) para os GTA e GTC, quando comparada a RE nas condições pré e pós treinamento. Não foi possível esclarecermos os mecanismos envolvidos neste comportamento. Além disso, na avaliação cardiorrespiratória, o GTC mostrou ganhos de magnitude semelhantes aos do GTA, como melhora na velocidade de corrida tanto no LV quanto no pico do esforço. Apenas o GTA obteve melhoras significativas no Vo2pico e VO2LV. Já o componente da força muscular melhorou para todos os grupos de treinamento físico. Desta forma, o treinamento concorrente parece ser uma boa alternativa como metodologia de treinamento e ganhos associados nas várias capacidades físicas estudadas, sem gerar prejuízos a função cardiovascular. Investigações adicionais são necessárias para estabelecer o efeito dos treinamentos com pesos e concorrente nas variáveis cardiovasculares de repouso. Abstract: The autonomic and cardiorespiratory adaptations with aerobic physical training are already well supported by the literature, eg the occurrence of bradycardia at rest. However, other protocols, such as strength training, are still questioned about the adjustments, especially the adatations of the cardiovascular e cardiorespiratory systems. In another type of physical training program, the concurrent (aerobic and strength associated) the responses of adjustments are still less elucidated, included questions about the optimal training load for optimal proporcional adaptations compared with isolated protocols. Therefore, this study compares the autonomic cardiovascular and cardiorespiratory adaptations in response to different physical training protocols in middle aged men, with no active lifestyle. The volunteers were divided into four groups, three of training (groups: aerobic, strength and concurrent) and a control group. Before and after 16 weeks of the experimental protocol, the volunteers underwent assessment of autonomic components (heart rate variability), obtained and analyzed through the records of the RR intervals collected at rest, both spontaneous breathing and controlled breathing, the respiratory sinus arrhythmia. To evaluate the cardiorespiratory variables was performed a treadmill ramp protocol with speed increments until exhaustion, analyzing variables at ventilatory threshold and peak effort, and the strength was evaluated using the 1 maximal repetition test. It was concluded that the three physical training programs do not seem negatively affect the cardiovascular variables at rest, at spontaneous breathing, reducing the rest heart rate (pre: 69.6 ± 6,4; post: 65.5 ± 7.2, p <0.05) only the the aerobic group. As to the controlled breathing, the analysis in the frequency domain showed an increase (p<0.05) in sympathetic modulation component - LF, and an imbalance in sympatho-vagal ratio (LF/HF) for aerobic and concurrent groups, when compared to spontaneous breathing, both pre and post training, by unknown mechanisms. Moreover, in cardiorespiratory evaluation, concurrent training showed similar gains to those of aerobic training, as improvement in speed as in the ventilatory threshold as at peak exercise, although only the aerobic group had improved the oxygen consumption. Meanwhile, the strength components have improved for all groups of physical training. With this, concurrent training eems to be a good alternative for training and gains associated with several physical capacities that decrease physiologically with aging and would be trained in a isolated way. Further studies are needed to establish the effect of strength and concurrent training in rest cardiovascular variables. / Doutorado / Ciencia do Desporto / Doutor em Educação Física