Cardiorespiratory interactions in newborns during sleep : linear and nonlinear multiparametric analysis

Sudden Infants Death Syndrome (SIDS) is characterized by the sudden death of a healthy infant during sleep and it is one of the leading causes of infant mortality in developed countries. Because of its dramatic impact, SIDS has been studied for long, but the underlying physiologic mechanisms have not been clarified yet. Some of the most recent hypothesis about causes leading to SIDS are explained in term of lack of cardiorespiratory coupling (CRC) during sleep. Mechanisms underlying cardiorespiratory interactions in different sleep states have been deeply investigated but not fully understood yet. Signal processing approaches have focused on cardiorespiratory analysis to elucidate this co-regulation by means of noninvasive investigations. This thesis proposes to analyze Heart Rate Variability (HRV), Respiration and their interrelationship in newborns and one month infants in order to characterize cardiorespiratory interactions in different sleep states: Active Sleep (AS) vs Quiet Sleep (QS). In this study, RR interval series and Respiration have been analyzed in a population of 151 healthy full-term newborns, 33 followed up at 1 month of age. Univariate time domain, frequency domain, and entropy measures were applied. In addition, a novel bivariate entropy estimator: Transfer Entropy (TE) was considered. Regarding the bivariate phase analysis of RR series and respiration, phase locking and Directionality Index (DI) were computed. Results obtained by the analysis of univariate measures confirm many findings reported in literature. The novel bivariate estimators have proven capability in describing the cardiovascular interaction with a new insight. TE allowed to analyze the directionality of information flow between subsystems: the main direction of the information flow is from Respiration to RR series in QS, while in AS this not clearly recognizable. An age-dependent development in information flow happens only in QS. Phase locking analysis showed that the time spent in synchronization and the average length of periods of synchronization significantly increase during QS, both for newborns and one month infants. In this work, a quantification of sleep state differences has been provided by means of both linear and complexity parameters. Autonomic Nervous System (ANS) regulation acts differently in AS and QS both in term of coupling and directionality. The parameters employed in this study could be applied to quantify early markers of risk for infants, being capable of providing a complete description of the cardiorespiratory response, especially in QS.

La sindrome della morte improvvisa infantile (Sudden Infants Death Syndrome, SIDS) è descritta come la morte improvvisa di un neonato sano durante il sonno e rappresenta una delle maggiori cause di mortalità infantile nei paesi sviluppati. A causa del suo drammatico impatto, SIDS è stata studiata per lungo tempo, nonostante ciò, i meccanismi fisiologici alla base rimangono ancora da essere chiariti. Alcune fra le più recenti ipotesi riguardo le cause che conducono al verificarsi di SIDS sono interpretate in termini di assenza di accoppiamento cardiorespiratorio (cardiorespiratory coupling, CRC) durante il sonno. I meccanismi alla radice dell’interazione cardiorespiratoria e la loro relazione con i differenti stati del sonno sono diffusamente studiati ma non ancora del tutto chiariti. I metodi di analisi del segnale si sono focalizzati sullo studio della coordinazione cardiorespiratoria al fine di descrivere questa co-regolazione per mezzo di analisi non invasive. La presente tesi si propone di analizzare il segnale di variabilità cardiaca (Heart Rate Variability, HRV), il respiro (Respiration) e la loro relazione in neonati ed infanti di un mese d’età, al fine di caratterizzare l’interazione cardiorespiratoria nei differenti stati del sonno: sonno attivo (Active Sleep, AS) in contrapposizione a sonno quieto (Quiet Sleep, QS). In questo studio, la serie degli intervalli RR ed il Respiro sono stati studiati in una popolazione di 151 neonati sani ed a termine, 33 dei quali si sono sottoposti ad un follow-up ad un mese. Riguardo l’analisi dei segnali sono state impiegate misure univariate nel dominio del tempo, nel dominio delle frequenze e stime di entropia. In aggiunta a queste misure, è stato considerato un innovativo stimatore bivariato di entropia: Transfer Entropy (TE). Riguardo l’analisi bivariata delle fasi della serie RR e del Respiro sono stati calcolati il locking di fase (phase locking) e l’Indice di Direzionalità (Directionality Index, DI). Quanto emerso dall’analisi delle misure univariate ha confermato molti risultati presenti in letteratura. Gli innovativi parametri bivariati hanno dimostrato la loro capacità di descrivere l’interazione cardiorespiratoria con una nuova prospettiva. TE ha permesso di analizzare la direzionalità del trasferimento di informazione fra sottosistemi: in QS, la direzione principale è dal Respiro alla serie RR, mentre in AS nessuna direzionalità è chiaramente riconoscibile. Un confronto fra le popolazioni (neonati ed infanti di un mese di età) mostra come uno sviluppo a livello del trasferimento di informazione avvenga solo in QS. L’analisi relativa al locking di fase ha evidenziato un aumento significativo del tempo speso in sincronizzazione e della lunghezza media dei periodi di sincronizzazione in QS, in entrambe le popolazioni. In questa tesi, è stata proposta una quantificazione delle differenze correlate agli stati del sonno per mezzo di parametri lineari e di complessità. La regolazione del Sistema Nervoso Autonomo (Autonomic Nervous System, ANS) agisce secondo diverse modalità in QS ed in AS sia in termini di accoppiamento che in termini di direzionalità. Gli indici utilizzati in questa tesi potrebbero essere utilizzati per quantificare fattori di rischio neonatale, avendo dimostrato la capacità di fornire una descrizione completa della risposta cardiorespiratoria, in modo specifico in QS.