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Objective: Several different measures of heart rate variability, and particularly of respiratory sinus arrhythmia, are widely used in research and clinical applications. For many purposes it is important to know which features of heart rate variability are directly related to respiration and which are caused by other aspects of cardiac dynamics. Approach: Inspired by ideas from the theory of coupled oscillators, we use simultaneous measurements of respiratory and cardiac activity to perform a nonlinear disentanglement of the heart rate variability into the respiratory-related component and the rest. Main results: The theoretical consideration is illustrated by the analysis of 25 data sets from healthy subjects. In all cases we show how the disentanglement is manifested in the different measures of heart rate variability. Significance: The suggested technique can be exploited as a universal preprocessing tool, both for the analysis of respiratory influence on the heart rate and in cases when effects of other factors on the heart rate variability are in focus.
Objective: Several different measures of heart rate variability, and particularly of respiratory sinus arrhythmia, are widely used in research and clinical applications. For many purposes it is important to know which features of heart rate variability are directly related to respiration and which are caused by other aspects of cardiac dynamics. Approach: Inspired by ideas from the theory of coupled oscillators, we use simultaneous measurements of respiratory and cardiac activity to perform a nonlinear disentanglement of the heart rate variability into the respiratory-related component and the rest. Main results: The theoretical consideration is illustrated by the analysis of 25 data sets from healthy subjects. In all cases we show how the disentanglement is manifested in the different measures of heart rate variability. Significance: The suggested technique can be exploited as a universal preprocessing tool, both for the analysis of respiratory influence on the heart rate and in cases when effects of other factors on the heart rate variability are in focus.
We develop a technique for the multivariate data analysis of perturbed self-sustained oscillators. The approach is based on the reconstruction of the phase dynamics model from observations and on a subsequent exploration of this model. For the system, driven by several inputs, we suggest a dynamical disentanglement procedure, allowing us to reconstruct the variability of the system's output that is due to a particular observed input, or, alternatively, to reconstruct the variability which is caused by all the inputs except for the observed one. We focus on the application of the method to the vagal component of the heart rate variability caused by a respiratory influence. We develop an algorithm that extracts purely respiratory-related variability, using a respiratory trace and times of R-peaks in the electrocardiogram. The algorithm can be applied to other systems where the observed bivariate data can be represented as a point process and a slow continuous signal, e.g. for the analysis of neuronal spiking. This article is part of the theme issue 'Coupling functions: dynamical interaction mechanisms in the physical, biological and social sciences'.
In der vorliegenden Dissertation wird eine Beschreibung der Phasendynamik irregulärer Oszillationen und deren Wechselwirkungen vorgestellt. Hierbei werden chaotische und stochastische Oszillationen autonomer dissipativer Systeme betrachtet. Für eine Phasenbeschreibung stochastischer Oszillationen müssen zum einen unterschiedliche Werte der Phase zueinander in Beziehung gesetzt werden, um ihre Dynamik unabhängig von der gewählten Parametrisierung der Oszillation beschreiben zu können. Zum anderen müssen für stochastische und chaotische Oszillationen diejenigen Systemzustände identifiziert werden, die sich in der gleichen Phase befinden. Im Rahmen dieser Dissertation werden die Werte der Phase über eine gemittelte Phasengeschwindigkeitsfunktion miteinander in Beziehung gesetzt. Für stochastische Oszillationen sind jedoch verschiedene Definitionen der mittleren Geschwindigkeit möglich. Um die Unterschiede der Geschwindigkeitsdefinitionen besser zu verstehen, werden auf ihrer Basis effektive deterministische Modelle der Oszillationen konstruiert. Hierbei zeigt sich, dass die Modelle unterschiedliche Oszillationseigenschaften, wie z. B. die mittlere Frequenz oder die invariante Wahrscheinlichkeitsverteilung, nachahmen. Je nach Anwendung stellt die effektive Phasengeschwindigkeitsfunktion eines speziellen Modells eine zweckmäßige Phasenbeziehung her. Wie anhand einfacher Beispiele erklärt wird, kann so die Theorie der effektiven Phasendynamik auch kontinuierlich und pulsartig wechselwirkende stochastische Oszillationen beschreiben. Weiterhin wird ein Kriterium für die invariante Identifikation von Zuständen gleicher Phase irregulärer Oszillationen zu sogenannten generalisierten Isophasen beschrieben: Die Zustände einer solchen Isophase sollen in ihrer dynamischen Entwicklung ununterscheidbar werden. Für stochastische Oszillationen wird dieses Kriterium in einem mittleren Sinne interpretiert. Wie anhand von Beispielen demonstriert wird, lassen sich so verschiedene Typen stochastischer Oszillationen in einheitlicher Weise auf eine stochastische Phasendynamik reduzieren. Mit Hilfe eines numerischen Algorithmus zur Schätzung der Isophasen aus Daten wird die Anwendbarkeit der Theorie anhand eines Signals regelmäßiger Atmung gezeigt. Weiterhin zeigt sich, dass das Kriterium der Phasenidentifikation für chaotische Oszillationen nur approximativ erfüllt werden kann. Anhand des Rössleroszillators wird der tiefgreifende Zusammenhang zwischen approximativen Isophasen, chaotischer Phasendiffusion und instabilen periodischen Orbits dargelegt. Gemeinsam ermöglichen die Theorien der effektiven Phasendynamik und der generalisierten Isophasen eine umfassende und einheitliche Phasenbeschreibung irregulärer Oszillationen.