Exploratory statistical study of long-term variability in echocardiographic indices (echocardiovariability) in healthy and diseased

Heart rate variability, HRV, has been well researched for some decades. The oscillations of the heart rate is studied over a time period of some minutes up to 24 hours, it is measured with electrocardiography, ECG. From this one has concluded that the heart rate signal oscillates in accordance with the respiration, the resistance in the vessels etc. The most frequently used examination method of the heart is done with ultrasound, called echocardiography. One interesting variable at a time is measured and it is measured for a single heartbeat. With inspiration ofthe HRV studies this project focuses on some of the variables measured with ultrasound but over time andsimultaneously. The variables of interest are the myocardial motion and the blood flow in the left part ofthe heart, they are measured over two minutes. To complement these variables the well known variables HRand Resp are measured with ECG and added to the analysis. The methods used for analysing the variables are first of all descriptive statistics like mean and standard deviation. Secondly spectral analysis is performed to investigate in which frequencies the variables oscillates. Through coherence this is compared with the spectrum for HR where the three peaks have known origin. Finally principal component analysis, PCA, is performed as a method to compare all variables at the same time. The analyses are performed on seven measurements from five (5) healthy persons and five measurementsfrom four (4) patients with the disease FAP (“Skelleftesjukan”). The variables are investigated and described for the healthy persons first, then the healthy persons and patients are compared. The result from the study shows that most of the echo-variables oscillate in accordance with the respirationand the heart rate. For a healthy person the oscillations are within normal values and the relative deviation isaround 10%. The patients with FAP are most affected in the variables connected to the myocardium apartfrom HR, which is known since before. The coherence between the echo-variables and HR is low in one of VLF, very low frequency, or LF, lowfrequency, region and high in the other. In HF, high frequency, region the coherence is high for all variables. Finally the PCA was conducted on measurements from all healthy persons as one data set, from one ofthe healthy persons and from one of the patients with FAP. The analysis showed that for healthy personsrespiration is the process causing most variation and all of the echo-variables have a correlation to therespiration. For a patient with FAP the respiration is not as salient. A PCA over blocks of data at different time points however show that the signals are not oscillating in the same way multivariately over the wholetime series.Hjärtfrekvensvariabilitet, HRV, är ett väl utforskat område sedan några årtionden tillbaka. Svängningarna i hjärtfrekvensen studeras över tidsperioder av några minuter upp till 24 timmar och mäts med elektrokardiografi, EKG. Från det har man kunnat sluta sig till att signalen för hjärtfrekvensen oscillerar enligt signalen för andningen, kärlresistans etc. Den mest använda undersökningsmetoden på hjärtat utförs med ultraljud, ekokardiografi. De intressanta variablerna mäts en i taget och för ett hjärtslag åt gången. Med inspiration från studierna av HRV fokuserar det här projektet på några av variablerna som mäts med ultraljud, men som tidsserier och simultant mätta. De intressanta variablerna är tagna från hjärtmuskeln och blodflödet i den vänstra delen av hjärtat. Mätningarna görs över två minuter. För att komplettera dessa variabler mäts de välkända variablerna HR och Resp med EKG och läggs till analysen. Metoderna för att analysera datat är först av allt beskrivande statistik, såsom medelvärde och standardavvikelse. I ett andra steg görs en spektralanalys för att undersöka inom vilka frekvenser signalerna oscillerar. Genom koherens jämförs detta med spektrum för HR där de tre topparna har känt ursprung. Slutligen utförsen principalkomponentanalys, PCA, som en metod för att jämföra alla variabler samtidigt. Analyserna utförs på sju mätninger från fem (5) friska personer och fem mätningar från fyra (4) patienter med FAP (“Skelleftesjukan”). Variablerna undersöks och beskrivs först för de friska personerna, sedan jämförs de friska och sjuka personerna. Resultatet av studien visar att största delen av eko-variablerna oscillerar i enighet med andningen och hjärtfrekvensen. För en frisk person är svängningarna inom normala värden och den relativa avvikelsen är ungefär 10%. För patienterna med FAP påverkas framförallt variablerna kopplade till hjärtmuskeln förutom HR som man visste sedan tidigare. Koherensen mellan eko-variablerna och HR är låg i antingen VLF-, very low frequency, eller LF-, low frequency, området och hög i den andra. I HF-, high frequency, området är koherensen hög för alla variabler. Slutligen görs PCA på mätningarna från alla friska personer som ett dataset, på en av de friska personerna och på en av patienterna med FAP. Analysen visar att för friska personer är andningen den process som orsakar mest variation och alla eko-variabler har en korrelation till andningen. För en patient med FAP är andningen inte lika framträdande. En PCA av block ur datat vid olika tidpunkter i signalen visar dock att signalerna inte svänger multivariat på samma sätt genom hela tidsserien