Menetelmiä autonomisen hermoston aktiviteetin määrittämiseen käyttäen kardiorespiratorisia signaaleja

Autonominen eli tahdosta riippumaton hermosto säätelee tarkasti kaikkien elinjärjestelmien toimintoja. Autonominen hermosto jaetaan anatomisesti parasympaattiseen ja sympaattiseen hermostoon. Autonomisen hermosto voi ajautua häiriötilaan esimerkiksi stressin, unettomuuden tai liian vähäisen liikunnan vuoksi. Diabetes, tupakointi ja alkoholi aiheuttavat myöskin autonomisen hermoston häiriötä ja vaurioitumista. Autonomisen hermoston häiriö-/vauriotilanne voi pitkittyessään aiheuttaa monia hankalia oireita kuten sydämen tykytystä, heikentynyttä rasituksen sietoa, suolisto- tai virtsaoireita, pahoinvointia, ortostaattista verenpaineen laskua, poikkeavaa hikoilua, huonontunutta lämmönsietoa sekä seksuaalitoimintojen haittoja. Lisäksi autonomisen hermoston häiriö aiheuttaa eri mekanismien kautta erityisen riskin sairastua sydän- ja verisuonisairauksiin. Sydän- ja verisuonitaudit puolestaan ovat länsimaissa ja nykyään maailmanlaajuisesti merkittävin kuolleisuuden aiheuttaja.

Tässä poikkitieteellisessä väitöstyössä kehitettiin uusia laskennallisia menetelmiä autonomisen hermoston toiminnan mittaamiseksi lyhytaikaisista (< 5min) yhtäjaksoisista sydänsähkökäyrä (EKG)-, verenpaine- ja hengitysvirtausmittauksista. Mitatuista signaaleista määritetään signaalinkäsittelyllisin menetelmin erityisiä tunnuslukuja, jotka kuvaavat autonomiseen hermoston toiminnan tilaa.

Työssä havaittiin, että hengitystaajuus saattaa vääristää saatuja tunnuslukuja ja sen vuoksi kehitettiin uusi laskennallinen menetelmä, joka korjaa hengitystaajuuden aiheuttamaa mittausvirhettä. Respiratorinen sinus arytmia (RSA) tarkoittaa fysiologista sykevälinvaihtelua hengitystaajuudella ja RSA syntyy parasympaattisen hermoston säätelystä. Kirjallisuuden mukaan pienentynyt RSA ennustaa useita sydän- ja verisuonisairauksia.

Väitöstutkimuksessa kehitettiin uusia, muuttuvan hengitystaajuuden huomioivia tapoja määrittää RSA, jotka ovat fysiologisesti luotettavampia kuin perinteisesti RSA:na käytetty korkeataajuinen (HF) komponentti. Lisäksi väitösyössä kehitettiin menetelmiä EKG:n ja verenpaineen matalataajuisten (LF) heilahtelujen tutkimista varten. Kokeellinen tutkimus tehtiin aineistolla, joka sisälsi sydän- ja verisuonitautien riskejä omaavia potilaita sekä eri sairasryhmien potilaita. Ikääntyminen pienensi matalataajuisen heilahtelun taajuutta ja sepelvaltimosairaus pienensi sitä lisää. Viimeisessä väitöstyön osiossa kehitettiin kaksi uutta hajotelmatekniikoita hyödyntävää menetelmää, joilla lasketaan EKG:stä hengitysvirtausignaali-estimaatti (EDR). EDR:llä on useita sovelluskohteita, koska pelkällä EKG:llä voidaan samalla arvioida hengitystaajuutta ja –virtausta. Kehitettyjen EDR-menetelmien suorituskyky osoittautui tilastollisesti paremmaksi kuin aikaisemmat menetelmät.

Väitöskirja tarjoaa uusia laskennallisia menetelmiä autonomisen hermoston toiminnan mittaukseen. Autonomisen hermoston häiriötilan tunnistamisella ja mittaamisella on paljon kliinisiä sovelluskohteita eri potilasryhmissä. Autonomisen hermoston häiriön tunnistamisen jälkeen tilaa voi yrittää korjata hoitamalla ja tunnistamalla syyt (riskitekijät ja siten ehkäistä potilaiden sairastavuutta. Väitöskirjan kehitettyjä menetelmiä voi myös soveltaa potilaan tilan ennustamisessa tai suuren riskin potilaan tunnistamisessa. Autonomisen hermoston mittausmenetelmät eivät laajasta tutkimus- ja kehitystyöstä huolimatta ole vielä vakiinnuttaneet paikkaansa kliinisessä potilastyössä johtuen lähinnä tulkitsemisen haasteista, viitearvojen puuttumisesta ja korreloimattomista tuloksista. Tämän väitöskirjan tuotoksia ja tuloksia voidaan lisäksi soveltaa ja hyödyntää autonomisen hermoston toimintaa mittaavissa kaupallisissa hyvinvointi-, terveys- ja urheilusovelluksissa sekä alan tutkimuksissa.