Comparison of three methods for beat-to-beat-interval extraction from continuous blood pressure and electrocardiogram with respect to heart rate variability analysis / Vergleich von drei Methoden der Schlag-zu-Schlag-Intervall-Extraktion aus kontinuierlichen Blutdruckverläufen und Elektrokardiogrammen zur Herzratenvariabilitätsanalyse
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Abstract
In recent years the analysis of heart rate variability (HRV) has become a suitable method for characterizing autonomous cardiovascular regulation. The aim of this study was to investigate the differences in HRV estimated from continuous blood pressure (BP) measurement by different methods in comparison to electrocardiogram (ECG) signals. The beat-to-beat intervals (BBI) were simultaneously extracted from the ECG and blood pressure of 9 cardiac patients (10 min, Colin system, 1000-Hz sampling frequency). For both data types, slope, peak, and correlation detection algorithms were applied. The short-term variability was calculated using concurrent 10-min BP and ECG segments. The root mean square errors in comparison to ECG slope detection were: 1.74 ms for ECG correlation detection; 5.42 ms for ECG peak detection; 5.45 ms for BP slope detection; 5.75 ms for BP correlation detection; and 11.96 ms for BP peak detection. Our results show that the variability obtained with ECG is the most reliable. Moreover, slope detection is superior to peak detection and slightly superior to correlation detection. In particular, for ECG signals with higher frequency characteristics, peak detection often exhibits more artificial variability. Besides measurement noise, respiratory modulation and pulse transit time play an important role in determining BBI. The slope detection method applied to ECG should be preferred, because it is more robust as regards morphological changes in the signals, as well as physiological properties. As the ECG is not recorded in most animal studies, distal pulse wave measurement in combination with correlation or slope detection may be considered an acceptable alternative.
Zusammenfassung
Die Variabilitätsanalyse hat sich in den letzten Jahren als eine geeignete Methodik zur Charakterisierung der autonomen kardiovaskulären Regulation in klinischen und experimentellen Studien etabliert. Das Ziel dieser methodischen Studie ist es, die Unterschiede in der Herzratenvariabilität (HRV), die auf Messungen des kontinuierlichen Blutdrucks (BP) sowie des Elektrokardiogramms (EKG) basieren, zu untersuchen. Die Schlag-zu-Schlag-Intervalle (BBI) des Herzens wurden synchron aus dem EKG und aus der Blutdruckkurve von 9 kardiologischen Patienten extrahiert (10 Minuten Aufzeichnungszeit, Colin-Blutdruckmeßsystem, 1 kHz Abtastfrequenz). Für beide Signaltypen wurden Anstiegs-, Maximalwert- und Korrelationsmethoden angewendet. Zur vergleichenden Untersuchung ist die Kurzzeit-HRV an synchronen BP- und EKG-Segmenten bestimmt worden. Die folgenden mittleren quadratischen Abweichungen der einzelnen Extraktionsmethoden im Vergleich zur Anstiegsmethode im EKG wurden ermittelt: 1,74 ms bei EKG-Korrelationsmethode; 5,42 ms bei EKG-Maximalwert-Methode; 5,45 ms für BP-Anstiegs-Methode; 5,75 ms für BP-Korrelations-Methode; und 11,96 ms für die BP-Maximalwert-Methode. Die HRV-Analyse zeigte, daß die Variabilität aus dem EKG am zuverlässigsten geschätzt werden kann. Die Anstiegsmethode zur BBI-Detektion ist sowohl der Korrelations-Methode als auch der Maximalwert-Methode überlegen. Insbesondere bei EKG-Zeitreihen mit hochfrequenten Signalanteilen wurde bei Anwendung der Maximalwert-Methode eine künstlich erhöhte Variabilität festgestellt. Neben dem Signalrauschen und Atmungseinflüssen spielt auch die Pulswellengeschwindigkeit eine bedeutende Rolle bei der Bestimmung der BBI. Aus diesen Gründen variiert die aus EKG und BP ermittelte Variabilität in speziellen Bereichen. Beim Nichtvorliegen eines EKGs, wie z.B. in Tierstudien, stellt die Extraktion der BBI aus dem Blutdruckverlauf mit Anstiegs-bzw. Korrelationsmethoden eine akzeptable Alternative dar.
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