Cardiac repolarization dynamics assessment : methodological analysis and study of interactions between music and neural control of cardiac activity

Cardiovascular diseases are the most common cause of death in industrialized world. Sudden Cardiac Death (SCD) is very common among post Myocardial Infarction patients. It has been proved that for these subjects, mortality can be effectively reduced by prophylactic implantation of a cardioverter-defibrillator (ICD). Since high-risk subjects individuation is one of the main goals of modern cardiology, the creation of new accurate and reliable risk indexes is a topic of main interest. It is also well known that unbalancing in the neural modulation that drives cardiac activity - an enhancement of autonomic nervous system activation most of all - is a key factor leading to the destabilization of myocardial repolarization. Since a direct estimation of the autonomic nervous system effect on cardiac activity has not been possible to date, signal related indexes are widely used in experimental studies. PRD (Periodic Repolarization Dynamics) is a recent ECG related technique to assess the sympathetic effect on repolarization and identify periodic components in the low-frequency spectral range [0.04, 0.15] Hz. The authors have proved that an activation of the sympathetic nervous system produces an enhancement of the index while a pharmacological blockade of sympathetic nervous system activity suppresses it. The first phase of this work aims to perform an analysis of PRD accuracy and robustness as a risk estimator through the creation of a simulation model to reproduce realistic Electrocardiographic signals with different sympathetic influence levels and different levels of Signal-to-Noise ratio. After the implementation of the index, the simulation protocol has been designed in order to create a dataset of surrogates ECG signals with a known content of 'sympathetic stimulation', considering it as a modulating component of the LF spectral range. The algorithm has been applied obtaining significant results in terms of relative error between the PRD of the synthetic signals and the one of an 'ideal' signal used as reference (Relative error: 0.06±0.02). Since cardiovascular dynamics are usually transient or non-stationary activities, the algorithm for the assessment of the index performs a time-frequency spectral estimation to get an accurate description of the signal frequency dynamics. A second simulation was then created, producing a dataset where a time-variant sympathetic modulation is applied with acceptable results in terms of relative errors and correlation indexes between the PRD of the synthetic tracks and the 'ideal' modulating waveform (Relative error: 0.07±0.02 ,Pearson: 0.95 ± 0.02 , Spearman: 0.89 ± 0.03 ). Being tested the accuracy and robustness of the index from a simulation stand point, potential improvements to the algorithm have been investigated. In particular, after few theoretical considerations regarding the Time-Frequency power spectrum estimation, a parametric spectral decomposition has been introduced in order to remove undesired noise from PRD calculation. Also, a correction based on stimulus intensity and duration is implemented. Finally, the improved index has been applied and compared to the original on a real dataset of ECG showing an expected signal correction without any significant loss of information content (Pearson correlation index: 0.95±0.02, Spearman correlation index: 0.89±0.03). During the last part of the project, the PRD algorithm was applied to a real dataset of ECG recordings regarding previous studies of cardiac system modulation induced by music with a different emotional valence (e.g. pleasant, unpleasant, neutral music). Emotional Valence and Arousal - positiveness or negativeness of the emotion and strength of the emotional state respectively - have been found to be the two main variables representing autonomic responses to induced emotions. The calculated index was then analyzed to identify dynamics of activation during the different musical stimuli. As most interesting outcome of this work, a significant activation has been observed during the interval preceding each stimulation (PEPI, Preceding Evaluation and Preparation Interval), when the subject is asked to rate the previous listened music and to wait for the successive one to come. The existence of this phenomenon has been tested and confirmed by a statistical comparison between the amplitude of this activation and the amplitudes of the musical stimuli responses (P-value: 6.15E − 05 ± 1.01E − 04 ).The nature of this behavior may be linked to the evaluation task the subject is asked to perform and also to the stressing condition that waiting for an unknown stimulus can create. Finally, the time-course of PRD within each condition is analyzed in order to see whether the different stimulations introduce different responses of the sympathetic activity in terms of response amplitude, dynamics and activation times and how the index is able to track this changes.

Le malattie cardiovascolari sono la maggiore causa di morte nel mondo industrializzato, la Sudden Cardiac Death (morte cardiaca improvvisa) in particolare, colpisce moltissimi pazienti post-infarto miocardico. Per questi soggetti è stato dimostrato che, tramite l’utilizzo di defibrillatori cardiaci, il rischio di morte può essere efficacemente ridotto. Per questo motivo uno dei maggiori interessi della cardiologia è l’individuazione di soggetti ad alto rischio; da qui l’interesse verso la creazione di nuovi indicatori di rischio efficienti ed affidabili. E’ ben noto dalla letteratura che uno sbilanciamento dell’attività neurale che controlla l’attività cardiaca, in particolare un aumento di attività del ramo simpatico del sistema nervoso autonomo, sia un fattore principale della destabilizzazione della ripolarizzazione cardiaca e che una misura diretta di quest’ultima porterebbe a una migliore stima del rischio di alcune tipologie di morte cardiaca. Purtroppo una stima diretta dell’effetto del sistema nervoso autonomo sulla ripolarizzazione cardiaca, soprattutto la ripolarizzazione ventricolare, non è ancora stata possibile; l’unico modo di avere una stima di questa grandezza è tramite indici sperimentali. Negli ultimi anni è stato presentato il PRD (Periodic Repolarization Dynamics), un indice che ricerca componenti periodiche all’interno della banda LF [0.04, 0.15] Hz dello spettro di potenza di un segnale surrogato delle dinamiche di ripolarizzazione ventricolare. E’ stato dimostrato dagli autori che a un incremento di stimolazione simpatica corrisponde un aumento dell’indicatore e che, viceversa, a una soppressione farmacologica del sistema simpatico corrisponde una soppressione del PRD che sembrerebbe quindi essere un ottimo stimatore di rischio cardiaco. L’obiettivo della prima fase di questo lavoro è quello di studiare le performance del PRD in termini di accuratezza e robustezza al rumore, tramite la creazione di un modello per la simulazione di segnali elettrocardiografici attraverso i quali testare l’indicatore e proporre strategie per il miglioramento dello stesso. In particolare, dopo aver implementato il metodo descritto dagli autori, sono stati creati dei segnali surrogati di ECG aventi un contenuto noto in termini di ’stimolazione simpatica’, ipotizzando che questa si presenti come una componente modulatrice nella banda LF dello spettro di frequenza; a questi è stato quindi applicato l’indicatore ottenendo risultati significativi in termini di errore relativo tra il PRD dei surrogati e il PRD di un segnale ideale utilizzato come riferimento (Errore relativo: 0.06±0.02 ). Dal momento che le dinamiche cardiache vengono generalmente meglio rappresentate da metodi tempo-varianti, il PRD utilizza un approccio tempo-frequenza in modo da ottenere una migliore risoluzione temporale delle componenti spettrali del segnale. Questo ha introdotto la necessità di effettuare una seconda simulazione tramite la creazione di segnali con una componente di modulazione simpatica variabile nel tempo, ottenendo anche in questo caso valori accettabili di errore relativo e di correlazione tra il PRD dei surrogati e il PRD ideale del segnale modulante (Errore relativo: 0.07 ± 0.02 ,Pearson: 0.95 ± 0.02 , Spearman: 0.89 ± 0.03 ). In seguito alla fase di simulazione sono stati indagati eventuali approcci per apportare dei miglioramenti all’algoritmo per il calcolo dell’indice. In particolare, a partire da alcune considerazioni teoriche sulla stima spettrale Tempo-Frequenza, è stata introdotta una decomposizione parametrica dello spettro TF al fine di rimuovere dal PRD eventuali componenti indesiderate. Ciò ha permesso inoltre di introdurre una soglia di significatività basata sulla reale ampiezza e durata degli stimoli, individuando così possibili contributi non consistenti. Il nuovo algoritmo è stato poi confrontato con l’originale su un dataset di registrazioni reali confermando una correzione del segnale di PRD senza nessuna perdita in termini di contenuto informativo (indice di correlazione di Pearson: 0.84 ± 0.16 , indice di correlazione di Spearman: 0.79 ± 0.18). Come ultima analisi è stato applicato l’indicatore ad una serie di dati che sono stati registrati all’interno di studi precedenti volti ad investigare l’effetto delle emozioni indotte dall’ascolto di musica con differente valenza emozionale sulla modulazione cardiaca del sistema nervoso autonomo (es. musica piacevole, musica sgradevole, musica neutra). Questi studi hanno dimostrato che ’Emotional Valence’ e ’Arousal’, ovvero positività/negatività dell’emozione e intensità dello stato emozionale, sono le due dimensioni più rappresentative della risposta del sistema nervoso autonomo alle emozioni indotte dalla musica. All’interno di questo dataset è stato ricercato quindi un effettivo aumento dell’indice durante le varie condizioni di stimolazione. Come principale risultato di questo lavoro, è stata individuata una risposta notevole dell’indicatore durante la fase di preparazione tra uno stimolo e il successivo, durante la quale il soggetto elabora una valutazione dello stimolo appena ascoltato e attende l’arrivo del seguente (condizione identificata come PEPI, Preceding Evaluation and Preparation Interval). La presenza di questa attivazione è stata confermata dapprima dalla correzione sulla durata dello stimolo introdotta con i miglioramenti dell’algoritmo, successivamente dal risultato di un test statistico volto a confrontare l’ampiezza di questa attivazione con le attivazioni generate dalle stimolazioni musicali (P-value: 6.15E −05±1.01E −04 ). Questo fenomeno è attribuito all’impegno simpatico che l’attività di autovalutazione può generare e allo stato di ansia introdotto dall’attesa di uno stimolo sconosciuto. Come analisi secondaria, le dinamiche tempo varianti delle varie risposte sono state confrontate per individuare eventuali differenze nelle attivazioni del sistema simpatico causate dai diversi tipi di stimolo.