Solunum ile kalp hızı değişkenliği ilişkisinin deneysel ve model bazlı incelenmesi ve pc-tabanlı gerçek-zamanlı sistem tasarımı
Experimental and model based study of the interacton between respiration and heart rate variability and pcbased real-time system design
Yazar: METİN YILDIZ
Danışman: Y.DOÇ.DR. YÜKSEL ÖZBAY
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
ÖZETDoktora TeziSOLUNUM İLE KALP HIZI DEĞİŞKENLİĞİ İLİŞKİSİNİNDENEYSEL VE MODEL BAZLI İNCELENMESİ VEPC-TABANLI GERÇEK-ZAMANLI SİSTEM TASARIMIMetin YILDIZSelçuk ÜniversitesiFen Bilimleri EnstitüsüElektrik- Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı1. Danışman : Yrd. Doç. Dr. Yüksel ÖZBAY2. Danışman : Prof. Dr. Yusuf Ziya İDER2006, 158 SayfaJüri : Prof. Dr. Yusuf Ziya İDERProf. Dr. Saadetdin HERDEMYrd. Doç. Dr. Yüksel ÖZBAYYrd. Doç. Dr. Salih GÜNEŞYrd. Doç. Dr. Mehmet YAZICISolunumun, Kalp Hızı Değişkenliğinin (KHD) güç spektral yoğunluğundaki(GSY) HF bileşeninin oluşumunda ana etken olduğu konusunda bir konsensüsbulunmasına rağmen, son zamanlarda yapılan bazı deneysel çalışmalar LF bileşeninede etkileri olduğunu göstermiştir. Bu tez çalışmasında, solunumun KHD GSY'siüzerindeki etkisi, Ursino ve Magosso tarafından geliştirilmiş, kapsamlı bir solunum-kardiovasküler sistem etkileşimi matematiksel modeli kullanılarak araştırılmıştır.EKG ile eş zamanlı kaydedilen göğüs ve abdomen çevresi genişleyip daralmasinyalleri modele giriş olarak verilip, elde edilen KHD sinyalleri ile EKG'den eldeedilen gerçek KHD sinyalleri karşılaştırılmıştır. Modelden elde edilen KHD'ningerçekteki ile zaman ve frekans düzleminde büyük benzerlik göstermesi ve modelKHD'sinin güç spektrumunda gerçek KHD'dekine benzer LF bileşenleri ortayaçıkması üzerine, bu duruma solunumun LF bölgesindeki gücünün sebep olabileceğihipotezi oluşturulmuştur.Bu hipotezi doğrulamak üzere, kardivasküler kontrol sisteminin LF bölgesiiçerisinde (0.1 Hz civarında) bir rezonans bölgesi olduğu simülasyonlarlagösterilmiştir. Hipotezin deneysel olarak doğrulanması için, 9 denekten spontansoluma ve LF bölgesindeki gücü nispeten büyük olacağı öngörülen nispeten düzensizsoluma durumlarında kayıtlar alınmıştır. Deneyler, solunumun LF bölgesindekigücünün artışına bağlı olarak, gerçek ve model KHD'lerinin LF güçlerinin arttığınıgöstermiştir. Böylece solunumun, KHD`nin güç spektrumundaki yalnızca HFbölgesinin oluşumunda değil, LF bölgesinin oluşumunda da önemli rol oynadığıgösterilmiştir. Bu durumda LF/HF oranının sempato-vagal dengenin göstergesiolarak kullanılamayacağına ve KHD analizlerinde solunumun durumunun da gözönüne alınması gerektiği sonucuna varılmıştır.Bu tez çalışmasının sonuçlarına dayanarak, solunum ve KHD sinyallerinin gerçekve eş zamanlı olarak analizine imkan veren kişisel bilgisayar tabanlı bir sistemgeliştirilmiştir. Bu sistem, göğüs kafesi çevresi sinyalleri veya akciğer hacmideğişimleri ile birlikte EKG sinyalini kaydedebilmekte, bir kullanıcı arayüzüvasıtasıyla, solunum ve KHD sinyallerinin, gerçek zamanlı olarak zaman ve frekansdüzlemi analizlerini yapabilmektedir.Anahtar Kelimeler: Kalp Hızı Değişkenliği, kardiovasküler sistem modeli,solunum KHD ilişkisi, PC tabanlı sistem tasarımı

Abstract:
ABSTRACTPhD ThesisEXPERIMENTAL AND MODEL BASED STUDY OF THE INTERACTONBETWEEN RESPIRATION AND HEART RATE VARIABILITY AND PC-BASED REAL-TIME SYSTEM DESIGNMetin YILDIZSelcuk UniversityGraduate School of Natural and Applied SciencesDepartment of Electrical & Electronics EngineeringSupervisor : Assist. Prof. Dr. Yüksel ÖZBAYCo Supervisor : Prof. Dr. Yusuf Ziya İDER2006, 158 PagesJury : Prof. Dr. Yusuf Ziya İDERProf. Dr. Saadetdin HERDEMAssist. Prof. Dr. Yüksel ÖZBAYAssist. Prof. Dr. Salih GÜNEŞAssist. Prof. Dr. Mehmet YAZICIIn general there is consensus on the idea that respiration is the main contributorto the generation of the HF (high frequency) peak of Heart Rate Variability (HRV)Power Spectral Density (PSD). On the other hand some studies indicate thatrespiratory parameters can also affect the LF (low frequency) peak of HRV PSD. Inthis study, Ursino and Magosso?s cardiovascular system (CVS) model, which alsoincludes mechanisms of respiration-CVS interactions, is used to investigate effects ofrespiration on the power spectrum of HRV. This respiration-CVS model is a verycomprehensive differential equation based, non-linear model. In this study chest andabdomen circumference signals are recorded simultaneously with ECG and areincorporated into the Ursino and Magosso model. The predictions of the modelregarding HRV are compared with the actual HRV calculated from the ECG. Basedon both the time domain and the frequency domain similarities, in the LF region,between Real and Model HRV, it is hypothesised that the more low frequency (LF)power there is in the respiratory signal, the more LF power there is in both the modelpredicted HRV and the actual HRV.To verify this hypothesis, it is shown by simulations that the baroreflex feedbacksystem has its maximum gain at its natural frequency at about 0.1 Hz (which is in theLF region). Experiments on nine volunteers are also performed for spontaneousbreathing, and also for slightly irregular breathing for which the respiratory signalshave relatively more LF power. It is observed that the more LF power there is in therespiratory signals, the more LF power there is in both the model and the real -HRVs. It is concluded in general that respiration not only is the major contributor tothe genesis of the HF peak in HRV power spectrum, but it also plays an importantrole in the genesis of its LF peak. Thus the LF/HF ratio, which is used to assesssympathovagal balance, cannot be correctly utilized in the absence of simultaneousmonitoring of respiration during an HRV test.Based on conclusions of this study, a personal computer based, real timerespiration and HRV monitoring and analysis system is developed. This systemrecords chest circumference or lung volume signals together with ECG and has auser interface for real time display of the time and frequency domain parameters ofboth respiration and HRV.Key Words: Heart Rate Variability (HRV), cardiovascular system model,respiration-HRV interaction, PC based system design