Berechnung der Herzfrequenzvariabilität aus EKG-Daten von Jugendlichen mit Zerebralparese während aktiver Videospielsitzungen
Summary
Dieses Protokoll beschreibt eine Methode zur Berechnung der Herzfrequenzvariabilität (HRV) aus Elektrokardiogramm-Wellenformen (EKG). Wellenformen von kontinuierlichen Herzfrequenzaufnahmen (HR) während aktiver Videospielsitzungen (AVG) wurden verwendet, um die aerobe Leistung von Jugendlichen mit Zerebralparese (CP) zu messen.
Abstract
Ziel dieser Studie war es, eine Methode zur Berechnung der Herzfrequenzvariabilität (HRV) aus Elektrokardiogramm-Wellenformen (EKG) zu generieren. Die Wellenformen wurden von einem HR-Monitor aufgezeichnet, den Teilnehmer (Jugendliche mit Zerebralparese (CP)) während aktiver Videospielsitzungen (AVG) trugen. Die AVG-Sitzungen wurden entwickelt, um körperliche Aktivität und Fitness (aerobe Leistung) bei den Teilnehmern zu fördern. Ziel war es, die Machbarkeit von AVGs als Interventionsstrategie für physikalische Therapie (PT) zu bewerten. Die maximale HR (mHR) wurde für jeden Teilnehmer ermittelt und die Zielherzfrequenzzone (THRZ) wurde für jede der drei Übungsphasen in der 20 min AVG-Sitzung berechnet: (Aufwärmen bei 40-60% mHR, Konditionierung bei 60-80% mHR und Abkühlung bei 40-60% mHR). Jeder Teilnehmer spielte drei 20-Min-Spiele während der AVG-Session. Alle Spiele wurden auf einer Bank gespielt, weil viele Jugendliche mit CP nicht für längere Zeit stehen können. Jede Spielbedingung unterschied sich mit Teilnehmern, die nur Handsymbole, Hand- und Fußsymbole zusammen oder Fußsymbole nur zum Sammeln von Objekten verwenden. Das Ziel des Spiels (genannt KOLLECT) ist es, Objekte zu sammeln, um Punkte zu sammeln und Gefahren zu vermeiden, um keine Punkte zu verlieren. Gefahren wurden in den Aufwärm- und Abkühlphasen nur verwendet, um eine langsamere, kontrollierte Bewegung zu fördern, um die HR in der Zielherzfrequenzzone (THRZ) aufrechtzuerhalten. Es gab keine Gefahren in der Konditionierungsphase, um höhere Niveaus und intensivere körperliche Aktivität zu fördern. Analytische Methoden wurden verwendet, um HRV (ausgewählte Zeit-Domain- und Frequenz-Domain-Maßnahmen) aus EKG-Daten zu generieren, um aerobe Arbeitsbelastung zu untersuchen. Jüngste Anwendungen von HRV deuten darauf hin, dass kurzfristige Messungen (5 min Bouts) angemessen sind und dass HRV-Biofeedback dazu beitragen kann, die Symptome und die Lebensqualität in einer Vielzahl von gesundheitlichen Bedingungen zu verbessern. Obwohl HR eine gut akzeptierte klinische Maßnahme zur Untersuchung der aeroben Leistung und Intensität von PT-Interventionen ist, kann HRV Während aVG-Sitzungen Informationen über die Funktionen des autonomen Systems, die Erholung und Anpassung liefern.
Introduction
Zerebralparese (CP) ist die häufigste körperliche Behinderung der Kindheit1. CP wird durch eine neurologische Beleidigung des sich entwickelnden Gehirns verursacht und ist mit motorischen Beeinträchtigungen wie Muskelschwäche, Spastik, Dekonditionierung und verminderter Motorkontrolle und Balanceverbunden 2,3. CP ist eine nicht-progressive Erkrankung, aber mit dem Alter werden Kinder weniger körperlich aktiv und sitzender im Vergleich zu ihren Altersgenossen mit typischer Entwicklung (TD) vor allem wegen der erhöhten Anforderungen an Wachstum an ihre kompromittierte neuromuskuläre und Muskel-Skelett-Systeme4.
Jugendliche mit CP erhalten in der Regel Physiotherapie (PT) Dienstleistungen zur Verbesserung der funktionellen Beweglichkeit und Förderung der körperlichen Aktivität und Fitness (z.B. Aerobe und Muskelausdauer)2. Oftmals gibt es nur begrenzten Zugriff auf PT-Dienste und Community-Ressourcen, um diese PT-Ziele zu erreichen und zu erhalten5,6. Aktive Videospiele (AVGs) können eine praktikable Strategie bei aktivitätsbasierten PT-Interventionen in Klinik-, Heim- oder Gemeinschaftseinstellungen7,8sein. Kommerzielle AVGs haben begrenzte Flexibilität, um das Spiel anzupassen und die spezifischen Bedürfnisse und PT-Ziele für Jugendliche mit CP9zu erfüllen. Allerdings bieten maßgeschneiderte AVGs flexible Spielparameter, um Jugendliche mit CP herauszufordern und gleichzeitig körperliche Aktivität und Fitness zu fördern10.
Unser Team hat ein maßgeschneidertes AVG (kollECT) entwickelt, um die Reaktionen von Jugendlichen auf Bewegung (z. B. körperliche Aktivität und aerobe Fitness) zu untersuchen. Das Spiel verwendet einen Bewegungssensor, um Jugendbewegungen während des Spiels zu verfolgen. Das Ziel des Spiels ist es, so viele Objekte wie möglich für eine hohe Punktzahl zu “sammeln” und die Gefahren zu vermeiden, um Punkte zu verlieren. Objekte können mit Hand- und/oder Fußsymbolen gesammelt werden, wie vom Therapeuten in den flexiblen Spielparametern festgelegt.
Das Entwerfen aktivitätsbasierter PT-Interventionen, die die Intensität der körperlichen Aktivität dosieren, um die aerobe Fitness zu fördern, ist für Jugendliche mit CP11von entscheidender Bedeutung. Benutzerdefinierte AVGs können eine effektive Strategie sein, um Intensität zu dosieren und Jugendliche in körperliche Aktivität zu engagieren, um Fitness zu fördern10. Herzfrequenz-Monitore (HR) werden häufig in der klinischen PT-Praxis verwendet, um aerobe Leistung und Aktivitätsintensität zu bestimmen. Daher werden HR-Monitore helfen, die Durchführbarkeit von AVGs bei der Dosierung der körperlichen Aktivitätsintensität zu bestimmen, um aerobe Fitness zu fördern9. EKG-Daten, die aus einem HR-Monitor generiert werden, können zur Berechnung der Herzfrequenzvariabilität (HRV) verwendet werden. Analytische Methoden wurden verwendet, um HRV aus EKG-Daten zu generieren, um aerobe Arbeitsbelastung zu untersuchen. Jüngste Anwendungen von HRV deuten darauf hin, dass kurzfristige Messungen (5 min Bouts) angemessen sind und dass HRV-Biofeedback dazu beitragen kann, die Symptome und die Lebensqualität in einer Vielzahl von gesundheitlichen Bedingungen zu verbessern32,33,34 . Die Anwendung kurzfristiger HRV-Maßnahmen ist ein geeignetes Mittel zur Beurteilung der Herz-Kreislauf-Funktion während AVG-Sitzungen. Da HRV aus dem R-R-Intervall eines EKG abgeleitet ist, haben wir ausgewählte Zeit-Domain- und Frequenz-Domain-Maßnahmen verwendet. Zeit-Domänen-Messung von HRV quantifiziert die Variablität in den Interbeat-Intervallen, die die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Herzschlägen darstellt. Wir verwendeten AVNN (durchschnittliches NN-Intervall), RMSSD (Wurzelmittelquadrat der aufeinanderfolgenden Unterschiede), SDNN (Standardabweichung des NN-Intervalls), NN50 (Anzahl der NN-Intervalle >50 ms) und PNN50 (Prozentsatz der NN-Intervalle). Frequenzbereichsmessungen schätzen die Verteilung der absoluten oder relativen Leistung in möglicherweise vier Frequenzbänder, die wir speziell auf zwei Frequenzbänder, Niederfrequenz-(LF)-Leistung und Hochfrequenzleistung (HF) zusammen mit dem LF/HF-Verhältnis angesprochen haben. Obwohl HR eine gut akzeptierte klinische Maßnahme ist, kann HRV nützlich sein, da es Informationen über autonome Systemfunktion, Wiederherstellung, Anpassung und eine Schätzung der aeroben Arbeitsbelastung während einer AVG-Sitzung28bereitstellt.
Ziel dieser Studie war es, die Durchführbarkeit der Anwendung von AVG-Strategien zur Förderung von körperlicher Aktivität und Fitness zu untersuchen. Ein zweiter Zweck bestand darin, das AVG-Datenerfassungsprotokoll und die Methodik zur Berechnung der HRV aus EKG-Daten, die über einen HR-Monitor gewonnen wurden, vorzustellen. Diese Maßnahmen und dieses Protokoll können sich für Ärzte als relevant erweisen, um PT-Interventionssitzungen zu überwachen und zu dosieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zehn Jugendliche mit CP nahmen an dieser Studie teil (Mittelwert + SD) [ Alter (Jahre) = 15,53 x 3,57 ; Höhe (cm) 154,8 x 12,6; Gewicht (kg) 50,69 x 11,1; Body-Mass-Index (BMI) 50,46 x 29,2; mHR 9 bpm) = 186,8 x 12,4]. Siehe Tabelle 5 für patienten demografie.
Es gibt einige Überlegungen für den Einsatz von HR-Monitoren und die damit verbundenen Maßnahmen von HR und HRV, die sich auf Modifikationen und Fehlerbehebung beziehen. Zwei Fragen, die offensichtlich sind, unabhä…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken den Teilnehmern und ihren Familien für ihre Zeit und Mühe, die sie für die Teilnahme an der Studie aufgewendet haben. Die Autoren würdigen dr. Yichuan Liu und Dr. Hasan Ayaz für ihre Unterstützung bei der Zeitberechnung der PERSONALüberwachung und Dr. Paul Diefenbach bei der Entwicklung der SOFTWARE KOLLECT Active Video Gaming. Die Finanzierung dieser Arbeit wurde von coulter Foundation Grants #00006143 (O‘Neil; Diefenbach, PIs) und #00008819 (O‘Neil; Diefenbach, PIs).
Materials
| BioHarness Bluetooth Module (Electronics sensor) | Zephyr | 9800.0189 | Detects Heart Rate, Resiration Rate, Posture, and Skin Temperature. |
| BioHarness Chest Strap | Zephyr | 9600.0189, 9600.0190 | Sizes Small XS-M, Large M-XL |
| BioHarness Charge Cradle & USB Cable | Zephyr | 9600.0257 | Used to Transfer Data from the Module to a Computer for Analysis. |
| BioHarness Echo Gateway | Zephyr | 9600.0254 | Allows for Realtime Viewing of Subject's Heart Rate. |
| MATLAB R2016a | Mathworks | 1.7.0_.60 | Used for All Programming. |
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