Comparison of heart rate variability parameters derived from ballistocardiography and electrocardiography signals

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-03-16
Department
Major/Subject
Biosensing and bioelectronics
Mcode
ELEC3045
Degree programme
LST - Master's Programme in Life Science Technologies (TS2013)
Language
en
Pages
72+15
Series
Abstract
This thesis was performed as a pilot study to evaluate the suitability of the ballistocardiography for the professional use in demanding hospital environment to determine if the method could be exploited in an examination of subjects who are likely to have some sort of disease. The reliability of the ballistocardiography based method for the heart rate variability analysis was assessed by comparing the heart rate variability analysis results computed from ballistocardiography signals to the measures calculated from the concurrently acquired electrocardiography signals. The used input data consisted of six sleep recordings that had been conducted to acute stroke patients. The heart rate variability parameters were derived from the ballistocardiography signals by a custom-made executable heart rate variability analysis script, whereas the analysis of the reference electocardiography signals were carried out using Kubios HRV (Kubios Oy, Finland) software. The agreement between the measurement methods for heart rate variability assessment was evaluated using Bland-Altman analysis technique. The ballistocardiography based measurement method was found to perform well in deriving the root mean square of successive differences (RMSSD) of heartbeats in the patient position “unknown” as well as in defining the normalized low- and high-frequency component powers (LFnu and HFnu) of heart rate variability in the patient positions left and right. In all other combinations of an investigated heart rate variability parameter and a specific patient position or a recording data set, a major systematic error was observed to be present, and the ballistocardiography based method was shown to either significantly under- or over-estimate the values compared to the reference electrocardiography method. The obtained study results indicate that the ballistocardiography based method has a potential to be used for heart rate variability analysis in hospital environment, but further research and validation of the method using a larger and more diverse study population is needed.

Tämä opinnäytetyö tehtiin pilottitutkimuksena ballistokardiografian soveltuvuuden arvioimiseksi ammattikäyttöön sykevaihteluanalyysiin vaativassa sairaalaympäristössä. Tutkimuksella oli tarkoitus selvittää, voitaisiinko menetelmää käyttää myös niiden potilaiden tutkimiseen, joilla on todennäköisesti jonkinlainen sairaus. Ballistokardiografiapohjaisen menetelmän luotettavuutta sykevaihteluanalyysiin arvioitiin vertaamalla ballistokardiografiasignaaleista laskettuja sykevaihteluanalyysin tuloksia samanaikaisesti rekisteröidyistä elektrokardiografiasignaaleista laskettuihin arvoihin. Analysoitu lähdeaineisto koostui kuuden akuutin aivoinfarktipotilaan unitutkimuksesta. Sykevaihteluparametrit johdettiin ballistokardiografiasignaaleista tarkoitukseen kustomoidulla suoritettavalla sykevaihteluanalyysikoodilla, kun taas referenssinä käytettävät elektrokardiografiasignaalit analysoitiin Kubios HRV (Kubios Oy, Finland) ohjelmistolla. Mittausmenetelmien vastaavuutta sykevaihtelun arvioinnissa tutkittiin käyttämällä Bland-Altman -analyysimenetelmää. Ballistokardiografiaan pohjautuvan mittausmenetelmän havaittiin toimivan hyvin keskimääräisen sykevälivaihtelun (RMSSD) määrittämisessä potilaan ollessa asennossa ”tuntematon” sekä normalisoitujen matalan ja korkean taajuusaluekomponenttien (LFnu ja HFnu) johtamisessa potilasasennoissa vasen ja oikea. Kaikkien muiden tutkittujen sykevaihteluparametrien määritys potilaan eri asennoissa kuten myös tutkituissa lähdeaineistoissa rekisteröinneittäin havaittiin olevan merkittävä systemaattinen virhe, ja ballistokardiografiaan pohjautuva menetelmä osoittautui joko merkittävästi aliarvioivan tai yliarvioivan arvot verrattuna elektrokardiografiaan perustuvaan menetelmään. Saadut tutkimustulokset osoittavat, että ballistokardiografiapohjaisella menetelmällä on potentiaalia käytettäväksi sykevaihteluanalyysiin sairaalaympäristössä, mutta tarvitaan kuitenkin lisätutkimuksia ja menetelmien validointia käyttäen suurempaa ja monimuotoisempaa tutkimusjoukkoa.
Description
Supervisor
Laakso, Ilkka
Thesis advisor
Holm, Anu
Keywords
agreement analysis, ballistocardiography, Bland-Altman, heart rate variability, method comparison
Other note
Citation