Blood Pressure Prediction Using Ensemble Rules during Isometric Sustained Weight Test.

BACKGROUND: Predicting beat-to-beat blood pressure has several clinical applications. While most machine learning models focus on accuracy, it is necessary to build models that explain the relationships of hemodynamical parameters with blood pressure without sacrificing accuracy, especially during exercise. OBJECTIVE: The aim of this study is to use the RuleFit model to measure the importance, interactions, and relationships among several parameters extracted from photoplethysmography (PPG) and electrocardiography (ECG) signals during a dynamic weight-bearing test (WBT) and to assess the accuracy and interpretability of the model results. METHODS: RuleFit was applied to hemodynamical ECG and PPG parameters during rest and WBT in six healthy young subjects. The WBT involves holding a 500 g weight in the left hand for 2 min. Blood pressure is taken in the opposite arm before and during exercise thereof. RESULTS: The root mean square error of the model residuals was 4.72 and 2.68 mmHg for systolic blood pressure and diastolic blood pressure, respectively, during rest and 4.59 and 4.01 mmHg, respectively, during the WBT. Furthermore, the blood pressure measurements appeared to be nonlinear, and interaction effects were observed. Moreover, blood pressure predictions based on PPG parameters showed a strong correlation with individual characteristics and responses to exercise. CONCLUSION: The RuleFit model is an excellent tool to study interactions among variables for predicting blood pressure. Compared to other models, the RuleFit model showed superior performance. RuleFit can be used for predicting and interpreting relationships among predictors extracted from PPG and ECG signals.

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.

Early cardiovascular sympathetic reflex activation is independent of occlusion time during reactive hyperemia / La activación temprana del reflejo simpático cardiovascular es independiente del tiempo de oclusión durante la hiperemia reactiva / A ativação precoce do reflexo simpático cardiovascular é independente do tempo de oclusão durante a hiperemia reativa

Purpose: The aim of the present study was to investigate the role of occlusion time in dynamic changes of autonomic activation during reactive hyperemia. Methods: Healthy subjects (n = 30) in the age range of 18­25 years participated in this study. Vascular reactivity was assessed by measuring the dynamic changes in finger pulse volume amplitude (PVA) and  pulse transit time relative to the RR intervals in the test (occluded arm) and control arm (contralateral non-occluded arm) during 1, 3 and 5 minute of occlusion using two separate Photoplethysmographic sensors. Heart Rate Variability was computed from a simultaneously acquired ECG signal to monitor the dynamic changes in cardiac autonomic nervous activity. Time-varying analysis of all signals were shown every 1 second in average response graphs. Results: Time-varying analysis of vascular and autonomic response during reactive hyperemia demonstrated the presence of a characteristic response pattern with an increase in the Sympathetic index and a decrease in Parasympathetic index at 8 to 10 seconds, an increase in heart rate at 20 seconds and a progressive increase in PVA during the first 60 seconds after occlusion regardless of the time spent in the procedure. Moreover, a decrease in pulse transits time relative to RR intervals,  followed by an increase regardless of the occlusion time was evidenced.  Conclusions: Early cardiovascular sympathetic activation is independent of occlusion time during reactive hyperemia, which suggests this is a vascular autonomic reflex response involved in the generation of the physiological phenomenon of reactive hyperemia.

Objetivo: El objetivo del presente estudio fue investigar el papel del tiempo de oclusión en los cambios dinámicos de la activación autónoma durante la hiperemia reactiva.Métodos: Participaron en este estudio sujetos sanos (n = 30) en el rango de edad de 18 a 25 años. La reactividad vascular se evaluó midiendo los cambios dinámicos en la amplitud del volumen del pulso del dedo (PVA) y el tiempo de tránsito del pulso en relación con los intervalos RR en la prueba (brazo ocluido) y el brazo de control (brazo contralateral no ocluido) durante 1, 3 y 5 minutos. de oclusión utilizando dos sensores fotopletismográficos separados. La variabilidad de la frecuencia cardíaca se calculó a partir de una señal de ECG adquirida simultáneamente para controlar los cambios dinámicos en la actividad nerviosa autónoma cardíaca. El análisis variable en el tiempo de todas las señales se mostró cada segundo en gráficos de respuesta promedio.Resultados: El análisis variable en el tiempo de la respuesta vascular y autonómica durante la hiperemia reactiva demostró la presencia de un patrón de respuesta característico con un aumento en el índice simpático y una disminución en el índice parasimpático a los 8 a 10 segundos, un aumento en la frecuencia cardíaca a los 20 segundos y un aumento progresivo de PVA durante los primeros 60 segundos después de la oclusión independientemente del tiempo transcurrido en el procedimiento. Además, se evidenció una disminución en el tiempo de tránsitos del pulso en relación con los intervalos RR, seguido de un aumento independientemente del tiempo de oclusión.Conclusiones: La activación simpática cardiovascular temprana es independiente del tiempo de oclusión durante la hiperemia reactiva, lo que sugiere que se trata de una respuesta refleja autonómica vascular involucrada en la generación del fenómeno fisiológico de hiperemia reactiva.

Objetivo: O objetivo do presente estudo foi investigar o papel do tempo de oclusão nas mudanças dinâmicas da ativação autonômica durante a hiperemia reativa.Métodos: Participaram deste estudo indivíduos saudáveis ​​(n = 30) na faixa etária de 18 a 25 anos. A reatividade vascular foi avaliada medindo as mudanças dinâmicas na amplitude do volume do pulso do dedo (PVA) e tempo de trânsito do pulso em relação aos intervalos RR no teste (braço ocluído) e braço controle (braço não ocluído contralateral) durante 1, 3 e 5 minutos de oclusão usando dois sensores fotopletismográficos separados. A variabilidade da frequência cardíaca foi calculada a partir de um sinal de ECG adquirido simultaneamente para monitorar as mudanças dinâmicas na atividade nervosa autonômica cardíaca. A análise variável no tempo de todos os sinais foi mostrada a cada 1 segundo em gráficos de resposta média.Resultados: A análise variável no tempo da resposta vascular e autonômica durante a hiperemia reativa demonstrou a presença de um padrão de resposta característico com um aumento no índice simpático e uma diminuição no índice parassimpático em 8 a 10 segundos, um aumento na frequência cardíaca em 20 segundos e aumento progressivo do PVA durante os primeiros 60 segundos após a oclusão, independentemente do tempo despendido no procedimento. Além disso, foi evidenciada uma diminuição no tempo de trânsito de pulso em relação aos intervalos RR, seguida de um aumento independente do tempo de oclusão.Conclusões: A ativação simpática cardiovascular precoce independe do tempo de oclusão durante a hiperemia reativa, o que sugere que se trata de uma resposta reflexa autonômica vascular envolvida na geração do fenômeno fisiológico de hiperemia reativa.

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.