Binary symbolic dynamics analysis to detect stress-associated changes of nonstationary heart rate variability

Abstract

Psychological stress may have harmful physiological effects and result in deteriorating health. Acute psychological stress acts also on cardiac autonomic regulation and may lead to nonstationarities in the interbeat interval series. We address the requirement of stationary RR interval series to calculate frequency domain parameters of heart rate variability (HRV) and use binary symbolic dynamics derived from RR interval differences to overcome this obstacle. 24 healthy subjects (12 female, 20–35 years) completed the following procedure: waiting period, Trier Social Stress Test to induce acute psychological stress, recovery period. An electrocardiogram was recorded throughout the procedure and HRV parameters were calculated for nine 5-min periods. Nonstationarities in RR interval series were present in all periods. During acute stress the average RR interval and SDNN decreased compared to rest before and after the stress test. Neither low frequency oscillations (LF), high frequency oscillations (HF) nor LF/HF could unambiguously reflect changes during acute stress in comparison to rest. Pattern categories derived from binary symbolic dynamics clearly identified acute stress and accompanying alterations of cardiac autonomic regulation. Methods based on RR interval differences like binary symbolic dynamics should be preferred to overcome issues related to nonstationarities.

StressNet: Detecting Stress in Thermal Videos

“…To evaluate the predictive validity of the ISTI signal, we compare it to heart rate (HR) and heart rate variability (HRV) by entering these alternative signals into our model. We compare ISTI with HR and HRV because these measures are considered to be reliable indices of stress [41] and have been used in many stress classification studies [5,30]. Here, we compute them from the ground truth ECG signal.…”

Measurement of stress response in laboratory settings – a review of studies using stress induction protocols

“…W badaniach z wykorzystaniem TSST najczęściej wykorzystywano ocenę stężenia kortyzolu [27-42, 44, 46, 48,49] i zmiany sercowo-naczyniowe [28,31,33,41,43,44,46,[50][51][52][53][54][55][56][57]. Wykorzystywano także reakcję skórno-galwaniczną [43,50], analizę rozszerzania się źrenicy [49], aktywność elektryczną mózgu [52] oraz aktywność czynnościową mózgu mierzoną za pomocą fMRI po sytuacji stresu [34,58], a także miary subiektywne [27,28,33,41,42,46,49,[54][55][56].…”

“…Wykazano, że podczas TSST średni odstęp RR i SDNN skróciły się w porównaniu z odpoczynkiem przed TSST i po nim, co wskazuje na wzbudzony stres. Stres spowodował niestabilne zmiany w odcinkach RR w cyklu pracy serca, co według badaczy wynika ze zmieniających się wymagań podczas wykonywania TSST i ze zmiennej częstotliwości oddechów [51].…”

“…Ponadto zaobserwowano, że podanie oksytocyny przed badaniem osobom, które używają konopi indyjskich, wzmacnia doświadczanie emocji negatywnych i obniża -pozytywnych pod wpływem TSST w grupie kobiet [54]. Wyniki tych badań wskazują, że TSST powoduje wzrost HR [50,53,54] i ciśnienia tętniczego [54], nasila reakcje skórno-galwaniczne [50] oraz łączy się z mniejszą zmiennością rytmu serca [51,53].…”

“…W wielu badaniach wykazano jednak, że TSST skutecznie wzbudza stres oraz powoduje zmiany na poziomie mózgowym [52,58], w aktywności serca i reakcji skórno-galwanicznej [50][51][52][53][54].…”