Kopplungsanalyse transienter kardiovaskulärer Dynamik

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Niels Wessel
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 210371435

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Untersuchung kausaler Zusammenhänge in komplexen dynamischen Systemen spielt in der Wissenschaft eine immer wichtigere Rolle. Ziel dieses aktuellen, interdisziplinären Forschungsbereiches ist ein grundlegendes, tiefes Verständnis der vorherrschenden Prozesse und deren Wechselwirkungen in solchen Systemen. Anwendungen stammen dabei aus Bereichen wie Klimaforschung, globale ökonomische Systeme, dem menschlichen Herzkreislaufsystem und neurophysiologischen Prozessen im Gehirn. Die Untersuchung von Zeitreihen aus diesen Gebieten mithilfe moderner Kopplungsanalysemethoden liefert dabei Möglichkeiten zur Modellierung der betreffenden Systeme und somit bessere Vorhersagemethoden und fortgeschrittene Interpretationsmöglichkeiten der Ergebnisse. So wurden in letzter Zeit unter anderem kurzfristige kardiovaskuläre Regulationen mithilfe solcher Methoden genauer untersucht und interpretiert. Das menschliche Herz-Kreislauf-System zeichnet sich durch ein komplexes Verhalten aus, das durch viele sich überlagernde Regulierungsmechanismen bestimmt wird. Ein wichtiges Teilgebiet umfasst dabei die Interaktionen zwischen Schlag-zu-Schlag-Intervallen und dem Blutdruck, die einerseits zumindest teilweise bekannt sind, andererseits aber bis heute noch kontrovers diskutiert werden. Im Rahmen des Projektes wurden zunächst einige existierende Kopplungsmaße mittels eines ensemblebasierten Ansatzes erweitert, der eine Kopplungsanalyse mit einer sehr hohen Zeitauflösung und somit auch die Untersuchung nichtstationärer, transienter Ereignisse ermöglicht. Die verwendeten Kopplungsmaße fanden in der Vergangenheit bereits erfolgreich unter schwierigeren Bedingungen wie starkem Rauschen oder kurzen Messreihen Anwendung. Zum Vergleich werden zwei einfachere Kopplungsmaße herangezogen. Zunächst erfolgte ein ausführlicher Test der Methoden an verschiedenen theoretischen Modellen und unter verschiedenen Bedingungen. Im folgenden konnten durch die Anwendung der Ensemble Symbolischen Kopplungsspuren auf die Messdaten eines orhostatischen Tests vorherrschende Meinungen über den Ablauf verschiedener Prozesse (hormonelle Prozesse, Frank-Starling-Mechanismus, Gefäßverengungs/erweiterungsprozesse) während Anpassung an den neuen Zustand bestätigt werden und geschlechts- und altersbasierte Unterschiede aufgezeigt und erklärt werden. Bei der Analyse der Schlafdaten konnten die Entwicklung der vegetativen Arousals und deren Auswirkungen auf das kardiovaskuläre System charakterisiert werden. Zusammen mit dem kürzlich entwickelten Koordigramm war es so möglich, tiefere Einblicke in die ablaufenden Prozesse zu erlangen. Damit wurden die Anwendbarkeit der Ensembleerweiterung für Kopplungsmaße erfolgreich getestet und bekannte Ergebnisse bestätigt sowie neue entdeckt. Die Vielseitigkeit des Ansatzes erlaubt ebenfalls die Erweiterung anderer Kopplungsmaße und eröffnet so ein großes Gebiet künftiger Anwendungen. Mithilfe der Ensemble-Kopplungsspuren ist es erstmals möglich sehr kurze, nichtstationäre Prozesse in Bezug auf Kopplungsrichtungen, -stärke und -art zu untersuchen. Dies bietet insbesondere zusammen mit dem neu entwickelten Koordigramm vielversprechende Möglichkeiten zur Untersuchung, Vorhersage und letztendlich auch zur Behandlung von Schlafstörungen wie Apnoen, die Risikofaktoren für kardiovaskuläre Erkrankungen darstellen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Methoden zur Analyse kardiorespiratorischer und kardiovaskulärer Kopplungen. Somnologie - Schlafforschung und Schlafmedizin, 16(1) 24-31, 2012
  Müller A, Riedl M, Wessel N, Kurths J, Penzel T
  
• Coupling analysis of transient cardiovascular dynamics. Biomedizinische Technik. Biomedical Engineering, 58(2) 131-139, 2013
  Müller A, Riedl M, Penzel T, Bonnemeier H, Kurths J, Wessel N
  
• Practical considerations of permutation entropy. The European Physical Journal Special Topics, 222(2) 249-262, 2013
  Riedl M, Müller A, Wessel N
  
• Synchronisation and coupling analysis: applied cardiovascular physics in sleep medicine. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Conference, 6567-70, 2013
  Wessel N, Riedl M, Kraemer JF, Müller A, Penzel T, Kurths J
  
• Age-dependent changes in the manifestations of gender-related differences in the cardiovascular regulation. 8th Conference of the European Study Group on Cardiovascular Oscillations (ESGCO), 147-148. IEEE, 2014
  Müller A, Bonnemeier H, Malberg H, Kurths J, Wessel N
  
• Cardio-Respiratory Coordination Increases during Sleep Apnea. PloS one, 9(4):e93866, 2014
  Riedl M, Müller A, Kraemer JF, Penzel T, Kurths J, Wessel N
  
• Increased cardiorespiratory coordination in sleep apnoeas. 48th annual conference of the German Society for Biomedical Engineering (BMT 2014), 215, 2014
  Riedl M, Müller A, Kraemer JF, Penzel T, Kurths J, Wessel N
  
• Kardiorespiratorische Koordination und Ensemble-Kopplungsspuren zur ereignisbasierten Charakterisierung kardiovaskulärer Interaktionen während des Schlafes. Somnologie - Schlafforschung und Schlafmedizin, 18(4) 243-251, 2014
  Müller A, Riedl M, Penzel T, Kurths J, Wessel N
  
• Quantifying the causal strength of multivariate cardiovascular couplings with momentary information transfer. 8th Conference of the European Study Group on Cardiovascular Oscillations, ESGCO 2014, pages 149-150, 2014
  Runge J, Riedl M, Müller A, Stepan H, Wessel N, Kurths J
  
• Symbolic Coupling Traces during arousals. 48th annual conference of the German Society for Biomedical Engineering (BMT 2014), 214, 2014
  Müller A, Riedl M, Kraemer JF, Penzel T, Kurths J, Wessel N