DETECÇÃO OBJETIVA DE RESPOSTA CARDÍACA NO DOMÍNIO DA FREQUÊNCIA AO ESTIMULO LOCOMOTOR DURANTE A CORRIDA

Transcrição

1 XXIV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica CBEB 014 DETECÇÃO OBJETIVA DE RESPOSTA CARDÍACA NO DOMÍNIO DA FREQUÊNCIA AO ESTIMULO LOCOMOTOR DURANTE A CORRIDA L.S. Cerqueira*, A. L. D Affonsêca Netto*, R. G. T. Mello*, ** e J. Nadal* *Programa de Engenharia Biomédica/COPPE-UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil **Deartamento de Educação Física e Esortes (DEFE), Escola Naval, Rio de Janeiro, Brasil cerqueira@eb.ufrj.br Resumo: O objetivo do resente estudo foi determinar se a frequência cardíaca é afetada or estímulos oriundos do ritmo locomotor, com acolamento. Dez sujeitos realizaram uma corrida em esteira com a frequência de 15 assos/min controlada or metrônomo, com a frequência cardíaca mantida or 5 mim em torno de 10 e 15 bm. Trechos reresentativos de cada etaa foram selecionados utilizando-se sincrogramas e analisados or dois métodos: (1) diagramas de fase; e () técnica de medida de sincronismo de comonentes. Em 80% dos casos, os métodos indicaram a ocorrência de sincronismo em trechos de 60 a 40 s aenas na segunda etaa, não ermitindo determinar se houve acolamento fisiológico ou coincidências forçadas elo rotocolo. Em aenas um dos casos estudados houve alteração révia da frequência cardíaca no sentido da cadência de corrida, sugerindo a efetiva interação. Palavras-chave: Acolamento cardiolocomotor, sincronismo de comonentes, ritmo induzido. Abstract: This study aimed at determining whether heart rate is affected by stimulation of locomotor rhythm. Ten subjects ran on a treadmill at the rate of 15 stes er min controlled by a metronome, with the heart rate maintained at 10 and 15 bm, during 5 min each. Reresentative eochs of each condition were selected by synchrograms and analyzed by two methods: (1) hase diagrams; and () the comonent synchronism measure. In 80% of cases, both methods suggested the occurrence of synchronism only in segments ranging from 60 to 40 s of the second condition. This does not allow determining if occurred real hysiological coulings or just coincidences of rhythms induced by the rotocol. Just one of the studied subjects showed early heart rate change towards to the running cadence, suggesting an effective entrainment. Keywords: Cardio-locomotor couling, entrainment, synchrony measure, induced rhythm. Introdução Alguns estudos sugerem que os reetidos estímulos do ritmo locomotor durante o exercício físico causam imortantes mudanças nas funções do miocárdio, rincialmente or comandos aferentes [1-]. Entre as variáveis mais afetadas estariam o intervalo entre batimentos cardíacos, a ré-carga e o volume sistólico [3] nos diferentes instantes do ciclo cardíaco [4-5]. Este fenômeno tem sido denominado acolamento cardiolocomotor [1]. O sincronismo entre as flutuações esontâneas dos ciclos cardíacos e ciclos locomotores ode ossuir informações ainda não elucidadas da regulação desses mecanismos e, ortanto, ainda é uma ergunta em aberto. Também não é conhecido se a sincronização entre os diferentes sinais biológicos ocorre como consequência de algum acolamento funcional ou de forma acidental []. A alicação de técnicas de detecção objetiva de resosta no domínio da frequência tem sido reconizada ara identificar a resença de resosta com base em testes estatísticos em sinais de eletroencefalografia. Entretanto, técnicas que usam informações da medida de sincronismo de comonentes (CSM - Comonent Synchrony Measure) [6-7] ainda não foram emregadas no estudo do acolamento cardiolocomotor, sendo sua alicação mais difundida na detecção de resostas corticais a estímulos [6-8]. A CSM mede o grau de sincronismo da fase entre os comonentes esectrais. Considerando um sinal dividido em M trechos, o cálculo da CSM baseia-se na variância da fase dos comonentes esectrais [7]. Dentro deste contexto, a identificação de interações entre os intervalos dos batimentos cardíacos e os das assadas se torna relevante ara a comreensão do quanto efetivamente um ritmo fisiológico ode influenciar o outro, e mesmo se realmente existe um acolamento. Dessa maneira, objetivo do resente estudo foi determinar se os batimentos cardíacos são afetados or estímulos do ritmo locomotor usando análise no domínio da frequência. Materiais e métodos Conforme o rotocolo submetido ao CONEP, dez homens saudáveis, Asirantes da Escola Naval ( ± anos, 84,7 ± 18,0 kg e 1,75 ± 0,03 m) realizaram um aquecimento durante 5 min, seguido de 15 min de reouso e 0 min de corrida na esteira com cadência fixa em 15 assos/min controlada com metrônomo [1]. Os sujeitos correram em uma frequência cardíaca (FC) alvo de 10 batimentos or minutos (bm) durante os rimeiros 5 min. Em seguida, (5-10 min) a velocidade da esteira foi aumentada gradualmente até os sujeitos alcançarem a FC alvo de 15 bm, a qual foi mantida 1878

2 XXIV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica CBEB 014 até o final do teste. A velocidade da esteira foi mantida em uma faixa de m/min e a inclinação em 0%. Aquisição Os sinais de eletromiografia (EMG) e eletrocardiografia (ECG) foram coletados or meio de um sistema de aquisição de dados (EMG System, Brasil), com razão de modo comum de 110 db, imedância de entrada de 10 MΩ e ganho 000. Um filtro analógico assa-banda com frequências de corte de 0 e 500 Hz foi utilizado ara evitar artefatos de movimento e aliasing. Os sinais foram amostrados a khz or um conversor analógico-digital com resolução de 16 bits e faixa dinâmica ± 10 V. Os sujeitos foram rearados ara a colocação dos eletrodos de suerfície de Ag/AgCl no músculo gastrocnêmico lateral direito. Eletrodos ara eletromiografia foram colocados de acordo com as recomendações do SENIAM [9], com distância intereletrodos de 35 mm, e o eletrodo de referência na sétima vértebra cervical. Um canal do eletromiógrafo foi utilizado ara a aquisição do ECG na derivação DII, or aresentar maior amlitude da onda R. Pré-rocessamento Os sinais de EMG foram ré-rocessados ara delimitar a banda de frequências de interesse do sinal, bem como ara atenuar os ruídos da rede elétrica. Para tal, foram alicados dois filtros digitais Butterworth, assa-altas de ª ordem com frequência de corte igual a 0 Hz e assa baixas de 8ª ordem com frequência de corte igual a 400 Hz [10]. Além disso, devido à contaminação do sinal or ruídos da rede elétrica, seis filtros notch foram alicados ara remoção de 60 Hz e seus harmônicos até 360 Hz. Estes filtros foram alicados nos sentidos direto e reverso. Posteriormente, os valores absolutos destes sinais foram submetidos a um filtro Butterworth assa baixas de a ordem (frequência de corte 0 Hz), de forma a obter o seu enveloe linear. Os filtros foram alicados nos sentidos direto e reverso ara evitar distorções de fase. O ECG foi filtrado or um filtro assa-baixas de a ordem com frequência de corte 40 Hz, nos sentidos direto e reverso, ara atenuação dos ruídos de EMG. Em seguida, foi detectada a série dos icos das ondas R, usando um algoritmo baseado em limiar fixo estabelecido em 50% do máximo do ECG. Todos os batimentos ectóicos foram descartados e substituídos ela média dos três batimentos anteriores e osteriores. A série de intervalos RR (irr) foi interolada ara 1 khz usando a interolação sline cúbica. Processamento O rocedimento de análise roosto foi alicado a dois trechos distintos dos sinais de cada sujeito, com duração de 4 min ara cada trecho. A escolha dos trechos foi baseada na ferramenta sincrograma (descrita a seguir), or meio da qual se rocurou identificar um trecho claramente sem sincronismo e outro com aarente acolamento, segundo os critérios dessa técnica (Figura 1). Sincrograma A técnica consiste em delimitar os ciclos locomotores de um dos membros inferiores e, a artir de seus inícios determinar os instantes de ocorrência dos batimentos cardíacos situados dentro do ciclo, os quais são exibidos consecutivamente em um diagrama. Neste trabalho, o início do ciclo foi definido como o início da ativação mioelétrica do gastrocnêmio lateral direito. O eríodo (t r) em que a k-ésima onda R do ECG ocorreu em um ciclo foi medido a artir do início do ciclo locomotor (T l). A fase relativa (φ r,l ) do k - ésimo batimento cardíaco no ciclo da marcha foi calculada como [1]: φ r,l = t r T l (1) onde r e l são inteiros. Os valores de fase relativa foram analisados graficamente exibindo-se em cada linha vertical consecutiva as fases relacionadas ao mesmo ciclo locomotor. A sincronização de fase é caracterizada ela formação de linhas aroximadamente horizontais ao longo do exercício (Figura 1B), enquanto a ausência de sincronismo caracteriza-se or uma distribuição uniforme da fase dos batimentos cardíacos (Figura 1A). Densidade esectral do enveloe do EMG (PSD RMS-EMG) A densidade esectral do ritmo locomotor foi estimada elo método autorregressivo de 1ª ordem (Yule-Walker), aós a remoção do offset. A sequência de dados de saída foi modelada or [11]: y[ n] () k1 a y[ n k] x[ n] k onde x[n] é a saída dos dados observados, e y[n] é a entrada do sistema. A estimativa do esectro de energia ode ser calculada como: ˆ AR y Pxx ( f ) (3) jfk 1 aˆ ( k) e onde ˆ y r xx (0) k 1 k 1 [1 aˆ (4) k ( k) Medida de sincronismo de comonentes Conforme o desenvolvimento roosto em [6-7], ara a análise da CSM foi utilizada a análise esectral ela soma de eriodogramas, dados ela transformada de Fourier, e estimada a coerência or: ρ (f) = [ 1 M cosθ M i=1 i (f) ] + [ 1 M senθ M i=1 i (f) ] (5) sendo θ i (f) a fase da i-ésima observação da comonente esectral f e M é o número de éocas (9-3 éocas). A hiótese nula (H 0) de ausência de resosta é determinada artindo-se do ressuosto de que a fase esteja uniformemente distribuída entre 0 e π. Assim, as funções cos θ i e sen θ i aresentam média nula e variância ½ ara um número elevado de trechos [6-7]. A distribuição de CSM ara H 0 é descrita or [6]: ρ (f)~ χ M ] (6) 1879

3 XXIV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica CBEB 014 onde χ é uma distribuição qui-quadrada com graus de liberdade. O valor crítico ara um nível de significância de α e M trechos é, então, obtido or: ρ crit,α (f) = ln(1/α) (7) M Assim, a resença de uma resosta na frequência f é eserada quando ρ (f) > ρ crit,α [7]. O nível de significância considerado foi 0,05. Resultados A observação dos sincrogramas mostrou redominância da razão de dois batimentos cardíacos or ciclo locomotor, com oucos eisódios de razão 3:1. Foi observado que a maioria dos batimentos cardíacos ocorreu em momentos distintos dos ciclos locomotores (Figura 1A), exceto nos trechos com formação de estruturas horizontais no sincrograma (Figura 1B), observadas na última fase do exercício e com durações variáveis de 60 a 40 s. Somente um sujeito exibiu as linhas horizontais em todo o exerimento (Figura ). A duração das contrações musculares, a frequência cardíaca, a frequência de assadas, o sincronismo de comonentes e o ico da PSD RMS-EMG são aresentados na Tabela 1. Tabela 1: Duração da contração muscular (dcm), frequência cardíaca (FC), frequência de assadas (FP), sincronismo de comonentes (CSM) e frequência do ico da PSD RMS-EMG (Fico) Variável Não Sincronizado Sincronizado dcm (ms) 75,89±116,58 49,71±93,40 FC (bm) 145 ± ± 11 FP (assos/min) 78 ± 79 ± CSM (Hz) 1,300 ± 0,043 1,305 ± 0,06 Fico (Hz) 1,300 ± 0,077 1,313 ± 0,036 Os histogramas de fase, normalmente com distribuição aroximadamente uniforme (Figura 1C) assaram a aresentar estruturas bimodais nos trechos de aarente acolamento (Figuras 1D). Para todos os sujeitos, a PSD RMS-EMG aresentou um ico corresondente à cadência de assadas (~1,3 Hz) e nos harmônicos sueriores (Figuras 1E e 1F). Quando observados, os casos significativos de CSM ocorreram aenas no rimeiro harmônico (Figura 1G). Figura 1: Caso com diferentes adrões no sincrograma ara FC de 10 bm (A) e 15 bm (B). C e D - histogramas das fases relativas. E e F - esectros PSD RMS-EM. G e H - CSM com o valor crítico. Figura Caso com sincrogramas similares ara FC de 10 bm (A) e 15 bm (B). C e D - histogramas das fases relativas. E e F - esectros PSD RMS-EM. G e H - CSM com o valor crítico. 1880

4 XXIV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica CBEB 014 Medida de sincronismo de comonentes A CSM mostrou sincronismo de comonentes do irr com o ritmo locomotor na banda de frequências da PSD RMS - EMG ara todos os sujeitos. Dos 10 sujeitos estudados, oito aresentaram CSM significativa aenas nos trechos com sincrograma indicativo de acolamento. Entretanto, um sujeito aresentou o contrário, com CSM significativa aenas na condição não sincronizada (Figura 1). O décimo sujeito (Figura ) mostrou sincronismo nas duas etaas. Discussão Este é o rimeiro estudo que emregou a técnica de medida de sincronismo CSM no estudo do acolamento cardiolocomotor. O rotocolo adotado foi originalmente roosto or Nomura et al. [1] e consiste em duas etaas, sendo a rimeira a frequência cardíaca (10 bm) inferior à cadência de assos (15 assos/min) e a segunda busca igualar as duas, favorecendo um ossível acolamento (15 bm e 15 assos/min). A sua alicação resultou, em nove de dez sujeitos, em sincrograma sem adrão definido e com diagramas de fase uniforme na rimeira etaa, além de sincrogramas indicativos de acolamento (:1) e diagramas de fase bimodais em alguns trechos da segunda etaa. A alicação da técnica de CSM concordou com esses achados em oito dos nove sujeitos, mostrando resultados contraditórios aenas no caso ilustrado na Figura 1. Observando o gráfico da Figura 1G, nota-se um equeno ico em torno de 0,5 Hz, corresondente à frequência cardíaca, e outro em torno de 1,0 Hz, que oderia ser induzido elo segundo harmônico do anterior. A existência desse ico acentuado ode ter levado o ico lateral, em 1,3 Hz a um valor levemente acima do valor crítico de significância, o que or definição ode acontecer em 5% dos casos (erro tio I). O que se ode questionar é se ocorreu de fato um acolamento fisiológico na etaa final do exercício, ou se os trechos de acolamento são frutos da coincidência de ritmos forçada elo rotocolo. Nesse caso, é interessante examinar melhor o caso do sujeito cujos resultados estão na Figura. A evolução das frequências cardíacas e das assadas ao longo de todo o exercício (Figura 3) é ilustrativa do que se deveria eserar de um acolamento fisiológico de fato. O simles fato de aroximar os dois ritmos roiciaria o acolamento de fase (no caso de dois batimentos or assada ou um batimento or asso), reservado or um longo temo em uma extensa faixa de variação de cadência. Segundo esta interretação, o sincronismo de fato teria sido observado em aenas um dos dez sujeitos analisados. Figura 3: Evolução temoral da frequência cardíaca (FC) e da frequência de assadas (FP) (x) do caso aresentado na Figura. Assim, o emrego da técnica de CSM reresenta um avanço no estudo de sincronismo cardiolocomotor, ao ossibilitar a análise estatística em frequência. Entretanto, novos métodos devem ser investigados com vistas a descartar a detecção indevida de coincidências forçadas elo rotocolo exerimental. Agradecimentos Este trabalho foi financiado elo CNPq e ela CAPES. O rimeiro autor agradece ela bolsa de doutorado do CNPq. Referências [1] Nomura K, Takei Y, and Yanagida Y. Analysing entrainment of cardiac and locomotor rhythms in humans using the surrogate data technique. Eur J Al Physiol. 001; 84: [] Niizeki K, Intramuscular ressure-induced inhibition of cardiac contraction: imlications for cardiac-locomotor synchronization. Am J Physiol Regul Integr Com Physiol. 005; 88:R [3] Nomura K, Takei Y, Yoshida M, Yanagida Y. Phase-deendent chronotroic resonse of the heart during running in humans. Eur J Al Physiol. 006; 97:40 7. [4] Nomura K, Takei Y, Yanagida Y, Comarison of cardio-locomotor synchronization during running and cycling, Eur J Al Physiol. 003; 89:1 9. [5] Niizeki K, Kawahara K, Miyamoto Y, Interaction among cardiac, resiratory, and locomotor rhythms during cardiolocomotor synchronization. J Al Physiol. 1993; 75: [6] Melges DB, Miranda de Sá AMFL, Infantosi ACF. Frequency-domain objective resonse detection techniques alied to evoked otentials: a review. Alied Biological Engineering: Princiles and Practice. 01 InTech. [7] Miranda de Sá AMFL, Ferreira DD, Dias EW, Mendes EMAM, Felix LB. Coherence estimate between a random and a eriodic signal: bias, variance, analytical critical values, and normalizing transforms. J Franklin Inst. 009; 346:

5 XXIV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica CBEB 014 [8] Simson DM, Tierra-Criollo CJ, Leite RT, Zayen EJ, Infantosi ACF. Objective resonse detection in an electroencehalogram during somatosensory stimulation. Ann Biomed Eng. 000; 8: [9] Hermens HJ, Freriks B, Disselhorst-Klug C, Rau G. Develoment of recommendations for SEMG sensors and sensor lacement rocedures. J Electromyogr Kinesiol. 000; 10: [10]Mello RG, Oliveira LF, Nadal J, Digital Butterworth filter for subtracting noise from low magnitude surface electromyogram. Comut Methods Programs Biomed. 007; 87:8 35. [11] Shiavi R. Introduction to Alied Statistical Signal Analysis. San Diego: Academic Press;