Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11422/25837

Type: Tese
Title: Analysis of cardiac rhythms using a dynamics perspective: nonlinearities, randomnesses and chaos
Author(s)/Inventor(s): Melo, Augusto Luiz Cheffer de
Advisor: Savi, Marcelo Amorim
Abstract: Os ritmos biológicos são fundamentais para a compreensão do funcionamento fisiológico dos organismos, sendo úteis na prevenção e tratamento de doenças. O ritmo cardíaco é um exemplo notável de biorritmos, sendo tratado neste trabalho pela avaliação da atividade elétrica do coração, registrada pelo eletrocardiograma (ECG). Um modelo matemático composto por três osciladores não lineares acoplados com defasagem temporal é empregado para a descrição do sistema cardíaco. Simulações numéricas fornecem ECGs sintéticos, que reproduzem uma grande variedade de respostas cardíacas, incluindo comportamentos normais e patológicos. Nesse sentido, a modelagem matemática pode ser útil para destacar tipos distintos de comportamentos, o que pode ser interessante para aplicações clínicas. Ainda, as simulações numéricas são comparadas com ECGs experimentais. Além disso, situações determinísticas e não determinísticas são tratadas mostrando a possibilidade da combinação de aspectos não lineares e aleatórios para definir a complexidade dos ritmos cardíacos. Aspectos não determinísticos são incorporados considerando conexões aleatórias entre osciladores. Duas abordagens estocásticas são aplicadas: paramétrica, considerando acoplamentos descritos por variáveis aleatórias; e não paramétrica, por meio da teoria da matrizes aleatórias. Diferentes ferramentas, incluindo mapas de Poincaré, diagramas de bifurcação, histogramas RR e expoentes de Lyapunov são empregados para mostrar possibilidades úteis em eventuais aplicações na identificação, monitoramento e controle de ritmos cardíacos.
Abstract: Biological rhythms are fundamental for the comprehension of the physiological functioning of organisms, being useful in disease prevention and treatments. Cardiac rhythm is a remarkable example of bio-rhythms and is treated in this work by evaluating the electrical activity of the heart based on ECG observations. A mathematical model composed by three nonlinear oscillators coupled by time-delayed connections is employed for cardiac system description. Numerical simulations provide synthetic ECGs and a great variety of cardiac responses, including normal and pathological behaviors, is reproduced. In this regard, mathematical modeling can be useful to highlight distinct kinds of behavior, being interesting for clinical purposes. Also, numerical simulations are compared with experimental ECGs. Besides, deterministic and non-deterministic situations are treated showing the possibility of the combination of nonlinear and random aspects to define the rhythmic complexity. Nondeterministic aspects are incorporated by considering random connections between oscillators. Two stochastic approaches are investigated: parametric, considering couplings described by random variables; and nonparametric, by means of random matrix theory. Different tools including Poincaré maps, bifurcation diagrams, RR histograms and Lyapunov exponents are employed in order to show interesting possibilities that can help in identification, monitoring and controlling cardiac rhythms.
Keywords: Dinâmica não linear
Frequência cardíaca
Processos estocásticos
Modelos matemáticos
Heart rate
Mathematical models
Stochastic processes
Subject CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Production unit: Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: Oct-2021
Publisher country: Brasil
Language: eng
Right access: Acesso Aberto
Citation: MELO, Augusto Luiz Cheffer de. Analysis of cardiac rhythms using a dynamics perspective: nonlinearities, randomnesses and chaos. 2021. 82 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2021.
Appears in Collections:Engenharia Mecânica

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