Changes of of cardiac electromechanical function in extreme environments: insights from a winter stay at Concordia Station, Antarctica

The Antarctic Concordia Station, located at the South Pole, offers an isolated and monotonous environment similar to space, with extreme characteristics such as an altitude of 3200 meters (equivalent to 3800m at the equator), temperatures reaching - 80°C, and geographical isolation. The winter crew members are exposed to a combination of factors that lead to alterations in circadian rhythms and that can induce severe periodic breathing, with consequences on sleep quality, increased fatigue, and decreased performance. The aim of this work was to investigate the changes in cardiac electromechanical activity during one year, from December 2021 to November 2022, of permanence at the station casue by the effects of such environmental stressors. Monthly overnight electrocardiography (ECG) and seismocardiography (SCG) recordings were performed on 11 subjects. ECG and SCG signals were processed to identify beat-by-beat fiducial points on both signals, such as R peaks on the ECG and isovolumic movement (IM), aortic valve opening (AO), and closure (AC) on the SCG. Parameters including the RR interval, adjusted pre-ejection period (PEPi), and left-ventricle ejection time (LVETi) were measured, along with the IM-AO amplitude and slope. Statistical analysis assessed parameter changes throughout the stay (Friedman, p<0.05, Wilcoxon Signed Rank with Hochberg correction), with the first two months as baseline. Results showed that systolic markers on the SCG were identified with 60% feasibility, decreasing to 32% when diastole was included. The RR interval remained stable initially but increased by the end of the stay, while PEPi and LVETi decreased. The slope of IM-AO declined progressively, and a similar trend was seen in the IM-AO amplitude. These changes suggest cardiovascular changes over time, with significant modifications observed in the later months, indicating decreased heart rate, decreased cardiac contractility, and lower stroke volume due to sustained environmental conditions. This study underscores the potential of ECG-SCG monitoring as a flexible tool for assessing cardiovascular changes in mildly hypobaric hypoxic environments.

La Stazione Concordia in Antartide, situata al Polo Sud, offre un ambiente isolato, e monotono simile a quello spaziale, con caratteristiche estreme come un’altitudine di 3200 metri (equivalente a 3800 m all'equatore), temperature fino a -80°C e isolamento geografico. I membri dell'equipaggio invernale sono esposti a una combinazione di fattori che alterano i ritmi circadiani e possono indurre respirazione periodica grave, con conseguenze sulla qualità del sonno, l’aumento della fatica e una riduzione delle prestazioni. L’obiettivo di questo lavoro è stato investigare le variazioni dell’attività elettromeccanica cardiaca durante un anno di permanenza nella stazione, da dicembre 2021 a novembre 2022, per effetto di tali stressori ambientali. Su 11 soggetti sono state effettuate registrazioni mensili notturne di elettrocardiografia (ECG) e sismocardiografia (SCG). I segnali ECG e SCG sono stati processati per identificare i punti caratteristici su base battito-per-battito, come i picchi R sull’ECG e i punti di movimento isovolumico (IM), apertura della valvola aortica (AO) e chiusura (AC) sull’SCG. Sono stati misurati parametri come l’intervallo RR, il periodo di pre-eiezione corretto (PEPi) e il tempo di eiezione ventricolare sinistro (LVETi), insieme all’ampiezza e alla pendenza tra IM e AO. L’analisi statistica ha valutato i cambiamenti dei parametri nel corso della permanenza (test di Friedman, p<0,05, Wilcoxon Signed Rank con correzione di Hochberg), prendendo come baseline i primi due mesi. I risultati hanno mostrato che i marker sistolici sull'SCG sono identificabili con una fattibilità del 60%, che scende al 32% includendo parametri di diastole. L’intervallo RR è rimasto stabile all’inizio, per poi aumentare verso la fine della permanenza, mentre PEPi e LVETi sono diminuiti. La pendenza tra IM e AO è diminuita progressivamente, e un trend simile, sebbene non significativo, è stato osservato nell’ampiezza IM-AO. Questi cambiamenti suggeriscono un cambiamento cardiovascolare nel tempo, indicando una diminuzione della frequenza cardiaca, una diminuzione della contrattilità cardiaca e un volume di eiezione inferiore, dovuti a condizioni ambientali prolungate. Questo studio evidenzia il potenziale del monitoraggio ECG-SCG come strumento versatile per valutare i cambiamenti cardiovascolari in ambienti ipossici e lievemente ipobarici.