Desenvolvimento, validação e aplicabilidade clínica da plataforma sênior saúde móvel para análise da variabilidade de frequência cardíaca em idosos

dc.contributor.advisorMaciel, Álvaro Campos Cavalcanti
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/9441132413428495pt_BR
dc.contributor.authorSilva, Eujessika Katielly Rodrigues
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0001-5742-6270pt_BR
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/5200792709177864pt_BR
dc.contributor.referees1Mendonça, Karla Morganna Pereira Pinto de
dc.contributor.referees1IDhttps://orcid.org/0000-0001-5734-3707pt_BR
dc.contributor.referees1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1736384836028397pt_BR
dc.contributor.referees2Ferezini, Joceline Cassia
dc.contributor.referees3Dantas, Kezia de Vasconcelos Oliveira
dc.contributor.referees4Souto, Sabrina de Figueiredo
dc.date.accessioned2023-09-25T21:15:27Z
dc.date.available2023-09-25T21:15:27Z
dc.date.issued2023-06-30
dc.description.abstractINTRODUCTION: Heart Rate Variability (HRV) has been the subject of study within the field of gerontology in recent years, considering that several studies suggest an intimate relationship between changes in HRV, age, and cardiovascular risk. Studies indicate the need to monitor individuals for prolonged periods, highlighting that the identification of cardiovascular risk is dependent on the measurement time. However, several studies use only short-term records and measurements for HRV analysis due to the difficulties encountered in submitting the individual to the use of devices for 24 hours, such as electrocardiogram and Holter. On the other hand, these short records are often unable to identify risks and adverse health outcomes. In this context, wearable devices, such as smartwatches, have been incorporated as a tool within the perspective of remote, continuous, and longitudinal monitoring, and can be used as a new form of data acquisition for HRV analysis. However, as they use photoplethysmography sensors to obtain heart rate (HR) data, the time series obtained by the sensor may present failures, and missing data are often observed, requiring the development of intelligent models to create HRV indices. OBJECTIVES: #Paper 01: To present the strategies adopted for the development of a software solution, entitled Senior Mobile Health (SMH), for HRV analysis, based on a photoplethysmography sensor embedded in a commercial smartwatch. #Paper 02: To validate the Senior Mobile Health software for HRV analysis through a study with 231 participants. In addition, the paper aims to present the architecture and main functionalities of the Senior Mobile Health platform. #Paper 03: To establish HRV reference values in community-dwelling Brazilian elderly through a solution developed using a smartwatch. METHODS: #Paper 01: Seeking to develop a software solution for HRV analysis for a smartwatch, the following techniques were mainly used: (1) interpolation to fill in the missing data in the time series; (2) modeling of the HRV algorithm, to approximate the data obtained by smartwatches with the data obtained by the gold standard (Polar H10) through several smart models; (3) methods for removing artifacts and inconsistencies from the series; (4) statistical tests to analyze the difference between the HRV values obtained by the solution created in this research and the values obtained by the gold standard. #Paper 02: The second paper presents the validation process of the software solution developed in paper 01. For this, 231 individuals over 60 years of age were recruited and asked to use a smartwatch on their non-dominant arm for 24 hours. The time series extracted from the smartwatch was analyzed using the software solution (SMH0 developed and presented in paper 01 and using the Kubios® software. The values obtained through the two tools were compared and through the Wilcoxon test, it was observed the existence or not of statistically significant differences, between the SSM and Kubios, for each of the HRV indices, establishing the significance level of α 0,05. Then, Bland-Altman graphs were constructed to calculate the limits of agreement between the two methods (SSM and Kubios®). Finally, to evaluate the HRV metrics resulting from the SSM and measure how far the predicted values were from the reference value, that is, those generated by Kubios, we calculated the MSE, defined as the mean squared difference between actual values and the estimated values. #Paper 03: It has a study with 220 community-dwelling seniors who used a smartwatch for 24 hours. The time series was extracted and the HRV algorithm developed in this thesis was applied to propose HRV reference values in individuals over 60 years old, divided into age groups, using a smartwatch. RESULTS: #Paper 01: To fill in the missing data of the time series, several techniques were applied, and it was possible to observe that Piecewise Cubic Hermite Interpolating Polynomial (PCHIP) presented a lower error measured by the Root Mean Square Error (RMSE) when compared to the other selected techniques. For the process of modeling the HRV algorithm with the objective of generating the approximation of the data obtained by Fitbit with the data of the gold standard (Polar H10), several intelligent models were applied. The intelligent model that presented the lowest RMSE was the Long Short-Term Memory (LSTM) neural network, showing good long-term learning ability. To remove artifacts and inconsistencies from the created time series, the Kamath method was applied, since this method provided the results most similar to those of Kubios®. Each step of the workflow was validated individually. And, finally, the evaluation of the process was carried out using the paired Student's t-test to determine whether the paired observations (software developed and data obtained by the Kubios® software) are significantly different from each other. As a result, it was possible to observe that there is no statistically significant difference between the HRV indices generated by the solution developed in the research and the indices generated by Kubios®. #Paper 02: The results of the Wilcoxon test showed that there was no statistically significant difference between the data obtained by the SSM software developed in this research and the data generated by the Kubios® software for all HRV indices (SDNN: p = 0.08; RMSSD: p = 0.59; pNN50: p = 0.53). The graphic results of the Bland Altman test, for the three HRV indices, showed the means of the differences close to zero and the narrow limits, thus resulting that the data evaluated by the two methods are essentially equivalent. Finalizing the validation process, we applied the MSE to evaluate the differences between the values predicted by the algorithm and the real values generated by Kubios®. The obtained MSE was 0.256 for SDNN, 0.211 for RMSSD, and 0.191 for pNN50. A small MSE value indicates that our model adequately fits the gold standard data. In short, the results found suggest that there is no significant difference between the SMH platform compared to Kubios®. #Paper 03: The reference values of mean and standard deviation observed for men were: SDNN 127(15), RMSSD 24(7.7), and pNN50 4.1(3.5), while the following values were observed for women: SDNN 111(36.6), RMSSD 19(6.8) and pNN50.4(2.9). In this paper, statistically significant differences were observed in the HRV indices between men and women, with men presenting higher HRV indices when compared to women. Regarding the change in HRV over age, women showed a significant increase in parasympathetic indices in the age group of 70 to 79 years. Through correlation analyses, it was possible to observe a strong correlation between heart rate at rest and all HRV indices in men and women. When observing the correlation between mean heart rate and HRV indices, only women maintain strong correlations. Regarding the physical activity variables, a strong and positive correlation was found between the number of steps and the SDNN among men and a moderate and positive correlation for women. CONCLUSIONS: We conclude that: #Paper 01: The software solution developed for HRV, through the techniques and methods adopted, did not present statistically significant differences with the Polar H10, adopted here as the gold standard and real value to be achieved. Thus, the values predicted by our solution showed a good fit with the target values. #Paper 02: The SSM platform can provide reliable results associated with HRV metrics and therefore healthcare professionals can incorporate this platform during the remote monitoring process of their patients for HRV follow-up. #Paper 03: An increase in HRV values in parasympathetic indices was observed mainly among women aged 70 to 79 years, indicating that, in this period, among females, there is an increase in vagal activity, a cardioprotective mechanism against cardiovascular problems. We also highlight the strong correlation found between HRV and HRV in both men and women, however, when observing the correlation between average HR and HRV, the correlation becomes weak in the men's group, however, it remains strong in the women's group.pt_BR
dc.description.resumoINTRODUÇÃO: A variabilidade da frequência cardíaca (VFC) tem sido objeto de estudo dentro do campo da gerontologia nos últimos anos, tendo em vista que, diversas pesquisas sugerem a relação íntima entre alterações de VFC, idade e risco cardiovascular. Estudos apontam a necessidade do acompanhamento dos indivíduos por períodos prolongados, destacando que a identificação de risco cardiovascular é dependente do tempo de mensuração. Entretanto, diversos estudos utilizam apenas registros e mensurações de curto prazo para análise da VFC devido as dificuldades encontradas em submeter o indivíduo ao uso de aparelhos por 24 horas, tais como eletrocardiograma e o Holter. Por outro lado, esses curtos registros, muitas vezes, são incapazes de identificar riscos e desfechos adversos à saúde. Nesse contexto, dispositivos vestíveis, no formato de relógios inteligentes (smartwatch), têm sido incorporados como uma ferramenta dentro da perspectiva do monitoramento remoto, contínuo e longitudinal, podendo ser empregados como uma nova forma de aquisição de dados para análise da VCF. Porém, por utilizarem sensores de fotopletismografia para obtenção do dado de frequência cardíaca (FC), a série temporal obtida pelo sensor pode apresentar falhas e dados faltantes são frequentemente observados, sendo necessário o desenvolvimento de modelos inteligentes para criação dos índices de VFC. OBJETIVOS: #Artigo 01: Apresentar as estratégias adotadas para o desenvolvimento de uma solução de software, intitulada Sênior Saúde Móvel (SSM), para análise da VFC, com base em um sensor de fotopletismografia embarcado em um smartwatch comercial. #Artigo 02: Validar o software Sênior Saúde Móvel para análise da VFC através de um estudo realizado com 231 participantes. Além disso, o artigo tem como objetivo apresentar a arquitetura e principais funcionalidades da Sênior Saúde Móvel. #Artigo 03: Estabelecer os valores de referência de VFC em idosos brasileiros comunitários por meio da solução desenvolvida através de um smartwatch. MÉTODOS: #Artigo 01: Buscando desenvolver uma solução de software para análise da VFC para smartwatch, foram empregados, principalmente, as seguintes técnicas: (1) interpolação para o preenchimento do dado faltante na série temporal; (2) modelagem do algoritmo de VFC, para gerar a aproximação do dado obtido pelos relógios inteligentes com o dado obtido pelo padrão ouro (Polar H10) por meio de diversos modelos inteligentes; (3) métodos para remoção de artefatos e inconsistências da série; (4) testes estatísticos para análise da diferença entre os valores de VFC obtidos pela solução criada na presente pesquisa e os valores obtidos pelo padrão ouro. #Artigo 02: O segundo artigo apresenta o processo de validação da solução de software desenvolvida no artigo 1. Para isso, foram recrutados 231 indivíduos acima de 60 anos e solicitado que fizessem o uso de um smartwatch no braço não dominante durante 24h. A série temporal extraída do smartwatch foi analisada por meio da solução de software (SSM) desenvolvida e apresentada no artigo 01 e, também, pelo software Kubios®. Foram comparados os valores obtidos por meio das duas ferramentas e através do teste Wilcoxon observou-se a existência ou não de diferenças estatisticamente significativas, entre os SSM e Kubios, para cada um dos índices de VFC, estabelecendo o nível de significância de α 0,05. Em seguida, foram construídos gráficos de Bland-Altman para cálculo dos limites de concordância entre os dois métodos (SSM e o Kubios®). Por fim, para avaliar as métricas de VFC resultantes da SSM e medir o quão longe os valores previstos estavam do valor de referência, ou seja, aqueles gerados pelo Kubios, calculamos o MSE, definido como a média do quadrado da diferença entre valores reais e estimados. #Artigo 03: Estudo com 220 idosos comunitários que utilizaram um smartwatch durante 24h. A série temporal foi extraída e aplicado o algoritmo de VFC desenvolvido na presente tese para proposição de valores de referência de VFC em indivíduos acima de 60 anos, divididos em faixas etárias, por meio de um smartwatch. RESULTADOS: #Artigo 01: Para o preenchimento dos dados faltantes da série temporal foram aplicadas diversas técnicas e foi possível observar que Piecewise Cubic Hermite Interpolating Polynomial (PCHIP) apresentou menor erro mensurado pelo Root Mean Square Error (RMSE) quando comparado as outras diversas técnicas empregadas. Para o processo de modelagem do algoritmo de VFC com o objetivo de gerar a aproximação dos dados obtidos pela Fitbit com o dado do padrão ouro (Polar H10) foram aplicados diversos modelos inteligentes. O modelo inteligente que apresentou o menor RMSE foi a rede neural do tipo Long Short-Term Memory (LSTM), mostrando uma boa capacidade de aprendizagem em longo prazo. Para a remoção dos artefatos e inconsistências da série temporal criada foi aplicado o método Kamath, uma vez que este método forneceu os resultados mais semelhantes aos do Kubios®. Cada etapa do fluxo de trabalho foi validade de forma individual. E, por fim, a avaliação do processo como todo foi realizada através do teste t de Student pareado para determinar se as observações pareadas (software desenvolvido e dado obtido pelo software Kubios®) são significativamente diferentes entre si. Como resultado, foi possível observar que não existe diferença estatisticamente significativa entre os índices de VFC gerados pela solução desenvolvida na pesquisa e pelos índices gerados pelo Kubios®. #Artigo 02: Os resultados do teste de Wilcoxon mostraram que não houve diferença estatisticamente significativa entre os dados obtidos pelo software SSM desenvolvido nessa pesquisa e pelo dado gerado pelo software Kubios® para todos os índices de VFC (SDNN: p = 0.08; RMSSD: p = 0.59; pNN50: p = 0.53). Os resultados gráficos do teste de Bland Altman, para os três índices de VFC, mostraram as médias das diferenças próximas de zero e os limites estreitos, resultando assim, que os dados avaliados pelos dois métodos são essencialmente equivalentes. Finalizando o processo de validação, aplicamos o MSE para avaliarmos as diferenças entre os valores previstos pelo algoritmo e os valores reais gerados pelo Kubios®. O MSE obtido foi de 0,256 para SDNN, 0,211 para RMSSD e 0,191 para pNN50. Um pequeno valor de MSE indica que nosso modelo se ajustou adequadamente aos dados do padrão ouro. Em suma, os resultados encontrados sugerem que não há diferença significativa entre a plataforma SSM em comparação com o Kubios®. #Artigo 3: Os valores de referência de média e desvio padrão observados para os homens foram: SDNN 127(15), RMSSD 24(7.7) e pNN50 4.1(3.5); enquanto que as mulheres foram observados os seguintes valores: SDNN 111(36.6), RMSSD 19(6.8) e pNN50 .4(2.9). Nesse artigo foram observadas diferenças estatisticamente significativas nos índices de VFC entre homens e mulheres, tendo os homens apresentado maiores índices de VFC quando comparados as mulheres. Com relação a alteração da VFC ao longo da idade, as mulheres apresentaram um aumento significativo dos índices parassimpáticos na faixa etária de 70 a 79 anos. Por meio das análises de correlação, foi possível observar uma forte correlação entre frequência cardíaca de repouso e todos os índices de VFC nos homens e nas mulheres. Quando observada a correlação entre frequência cardíaca média e os índices de VFC, somente as mulheres mantem correlações fortes. Com relação as variáveis de atividade física, uma correlação forte e positiva foi encontrada entre números de passos e o SDNN entre os homens e uma correlação moderada e positiva para as mulheres. CONCLUSÕES: Conclui-se que: #Artigo1: A solução de software desenvolvida para VFC, através das técnicas e métodos adotados, não apresentou diferenças estatisticamente significativas com o Polar H10, aqui adotado como padrão ouro e valor real a ser alcançado. Assim, os valores previstos pela nossa solução apresentaram um bom ajuste com os valores alvos. #Artigo 2: A plataforma SSM pode fornecer resultados confiáveis associados às métricas de VFC e, portanto, os profissionais de saúde podem incorporar esta plataforma durante o processo de monitoramento remoto de seus pacientes para o acompanhamento da VFC. #Artigo 3: Foi observado o aumento dos valores de VFC nos índices parassimpáticos principalmente entre as mulheres na faixa etária de 70 a 79 anos, indicando que, nesse período, entre o gênero feminino, existe um aumento da atividade vagal, mecanismo cardioprotetor contra desfechos cardiovasculares. Destacamos também a forte correlação encontrada entre FCR e VFC tanto no homens como nas mulheres, porém, ao observar correlação entre FC média e VFC, a correlação torna-se fraca no grupo dos homens, entretanto, permanece forte no grupo das mulheres.pt_BR
dc.identifier.citationSILVA, Eujessika Katielly Rodrigues. Desenvolvimento, validação e aplicabilidade clínica da plataforma sênior saúde móvel para análise da variabilidade de frequência cardíaca em idosos. Orientador: Álvaro Campos Cavalcanti Maciel. 2023. 119f. Tese (Doutorado em Fisioterapia) - Centro de Ciências da Saúde, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2023.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/54899
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FISIOTERAPIApt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectIdosospt_BR
dc.subjectEnvelhecimentopt_BR
dc.subjectDispositivos eletrônicos vestíveispt_BR
dc.subjectTelemonitoramentopt_BR
dc.subjectInovação tecnológicapt_BR
dc.subjectVariabilidade de frequência cardíacapt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::CIENCIAS DA SAUDE::FISIOTERAPIA E TERAPIA OCUPACIONALpt_BR
dc.titleDesenvolvimento, validação e aplicabilidade clínica da plataforma sênior saúde móvel para análise da variabilidade de frequência cardíaca em idosospt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR

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