Heart Rate Variability analysis in the context of a complex Postural Control task

Postural Control (PC) is the ability to maintain the stability of the body’s centre of gravity during quite stance, movement and when exposed to external perturbations. It is a mechanism that works on a subconscious level, and that results from the interaction of visual, vestibular, proprioceptive and somatosensory systems. Any disruption in the balance of these systems and the functions performed results in postural instability, that may lead to Motion Sickness (MS). The Motion Sickness and Postural Control Lab at Reykjavik University has developed BioVRSea, an innovative multimetric system based on virtual reality and a mechanical moving platform. The aim is to study the physiological responses associated with MS and the complex PC task presented through several biosignals, namely electroencephalography (EEG), electromyography (EMG), electrocardiography (ECG), centre of pressure (CoP) movements’ recording, and electrodermal activity (EDA). Participants are given the perception of being on a small boat in the sea, thanks to both visual and motor stimulations, that change along the several phases in which the experimental paradigm is articulated. In the course of the whole experiment, they are equipped with several biosensors, each aimed at recording one of the biosignals of interest. The present master’s thesis project has the objective of describing the Heart Rate Variability (HRV) of each subject, that represents the variation over time of the period that separates consecutive heart beats, reflecting the ability of the heart to modulate its rhythm in response to changing circumstances. In the context of BioVRSea, it could serve as a way of quantitatively measuring MS, through a series of features extracted from adequately processed ECG data, in time, frequency, and non-linear domains. The above-mentioned features are targeted as possible discriminative factors between cohorts of subjects, obtained after dividing the overall population according to age, gender, the proneness to experience MS, the presence of effects compatible with a condition of MS induced by the experimental paradigm, and the existence of a pathological condition. In particular, the focus is oriented towards evaluating differences between healthy subjects and participants affected by Parkinson’s Disease, concussion, or an affective disorder. The presence of significative differences, both considering the whole ECG recording or single experimental phases of interest, could represent an indirect measure of different PC strategies in the groups under comparison.

Il controllo posturale può essere definito come la capacità di mantenere stabile il centro di gravità del corpo durante situazioni di stasi, movimento ed esposizione a perturbazioni esterne. Si tratta di un meccanismo che lavora a livello inconscio, risultato dell’interazione dei sistemi visivo, vestibolare, propriocettivo e somatosensoriale. Qualsiasi elemento in grado di alterare l’equilibrio esistente tra questi sistemi e le funzioni da essi svolte ha come risultato l’instabilità posturale, e talvolta l’essere soggetti a chinetosi. I ricercatori che lavorano presso il Motion Sickness and Postural Control Lab (Università di Reykjavik), hanno sviluppato BioVRSea, un innovativo sistema multimetrico basato sulla combinazione di realtà virtuale e di una piattaforma meccanica mobile. Lo scopo è quello di studiare le risposte fisiologiche associate alla chinetosi ed al complesso compito posturale presentato attraverso diversi biosegnali, tra cui figurano elettroencefalografia (EEG), elettromiografia (EMG), elettrocardiografia (ECG), la registrazione dei movimenti del centro di pressione (CoP) e attività elettrodermica (EDA). La realtà virtuale e i movimenti eseguiti dalla piattaforma contribuiscono a dare ai partecipanti l’impressione di trovarsi su di una piccola imbarcazione in mezzo al mare, mediante stimolazione visiva e motoria. La stimolazione cambia, consentendo di definire diverse fasi sperimentali. Nel corso dell’intero esperimento, i biosegnali di interesse sono misurati tramite sensori dedicati, debitamente posizionati. L’obiettivo della presente Tesi Magistrale è quello di descrivere la variabilità della frequenza cardiaca di ciascun soggetto. Essa rappresenta la variazione nel tempo dell’intervallo temporale intercorrente tra due battiti cardiaci consecutivi, e riflette la capacità del cuore di modulare il proprio ritmo in dipendenza dalla particolare situazione in cui l’organismo si trova. Nel contesto di BioVRSea, l’analisi della variabilità cardiaca è da intendersi come un possibile strumento volto a misurare quantitativamente la chinetosi mediante una serie di parametri estratti a partire da segnali ECG adeguatamente processati, nei domini del tempo, della frequenza e non lineare. Tali parametri vengono poi utilizzati come potenziali elementi in grado di differenziare coorti di soggetti, ottenute dalla divisione della popolazione che ha preso parte all’esperimento in base a fattori quali età, genere, la predisposizione alla chinetosi, la presenza di effetti compatibili con una condizione di chinetosi indotti dal paradigma sperimentale, e la presenza di una condizione patologica. Nello specifico, le patologie prese in considerazione sono il morbo di Parkinson, il trauma cranico, e i disturbi affettivi. La presenza di differenze significative a livello di variabilità cardiaca, misurata prendendo in considerazione l’intero tracciato ECG o singole fasi sperimentali di interesse, potrebbe rappresentare una misura indiretta di strategie di controllo posturale differenti nei gruppi confrontati.