Comparing the spectral components of laser Doppler flowmetry and photoplethysmography signals for the assessment of the vascular response to hyperoxia

Abstract

Biomedical and Biopharmaceutical Research J o r n a l d e I n v e s t i g a ç ã o B i o m é d i c a e B i o f a r m a c ê u t i c aComparing the spectral components of laser Doppler flowmetry and photoplethysmography signals for the assessment of the vascular response to hyperoxia AbstractThe skin is an ideal organ to record complex vascular signals, with laser Doppler flowmetry (LDF) and photoplethysmography (PPG) being commonly used quantification techniques. Hyperoxia is a common provocation stimulus, although many questions remain unanswered regarding its effect on microcirculation. In recent years much attention has been given to the mathematical modelling of physiological signals, with component analysis being a common approach. We aimed to characterize the LDF and PPG spectral profiles using wavelet transform (WT) to evaluate their components' response to a 100% oxygen provocation on skin microcirculation. We recorded LDF and PPG signals from the toes of 10 healthy subjects (20.5 ± 3.1 years old, after giving informed consent) before, during and after breathing an atmosphere of 100% oxygen. Signals were decomposed in their main components with the WT. Six components were identified in both signals (cardiac, respiratory, myogenic, sympathetic, endothelial NOdependent and endothelial NO-independent) in identical spectral positions. The cardiac, respiratory and myogenic activities increased during hyperoxia in both signals, while endothelial activities gave different responses. These discrepancies suggest that these techniques measure different phenomena and, therefore, may not be entirely interchangeable. These results reinforce the usefulness of WT in decomposing complex physiological signals.Keywords: component analysis, wavelet transform, physiological signal, LDF, PPG. ResumoA pele é um órgão ideal para gravar sinais vasculares complexos, sendo a fluxometria por laser Doppler (FLD) e a fotopletismografia (FPG) técnicas de quantificação vulgarmente utilizadas. A hiperóxia é um estímulo de provocação comumente utilizado, embora muitas questões permaneçam sem resposta quanto ao seu efeito sobre a microcirculação. Nos últimos anos muita atenção tem sido dada à modelação matemática de sinais fisiológicos, sendo a análise de componentes uma abordagem comum. O nosso objetivo foi o de caracterizar os perfis espectrais de FDL e FPG usando a transformada de wavelet (TW) para avaliar a resposta dos seus componentes a uma provocação de oxigénio a 100% sobre a microcirculação da pele. Foram registados sinais de FLD e FPG nos dedos dos pés de 10 indivíduos saudáveis (20,5 ± 3,1 anos), após terem dado o seu consentimento informado, antes, durante e após a respiração de uma atmosfera de oxigénio a 100%. Os sinais foram decompostos nas suas componentes principais com a TW. Seis componentes foram identificadas em ambos os sinais (cardíaca, respiratória, miogénica, simpática, endotelial dependente de NO e endotelial independente de NO) em posições espectrais idênticas. As atividades cardíaca, respiratória e miogénica aum...

Comparing the effects of human hind limb massage by analysis of Laser Doppler Flowmetry and Photoplethysmography signal components using the wavelet transform

“…These have been extensively applied in human studies, with different purposes 2, 4, 6 . However, these technologies provide complex pulsatile signals, difficult to analyze, due to the contribution of different organs and systems 4,7,8 . The need to obtain a deeper analysis of such types of biological signals motivated the development of other mathematical strategies for signal processing, from which the Morlet Wavelet Transform emerged 9 .…”

“…The need to obtain a deeper analysis of such types of biological signals motivated the development of other mathematical strategies for signal processing, from which the Morlet Wavelet Transform emerged 9 . This wavelet transform (WT) has been considered a suitable method for signal decomposition in relation to more classic approaches as the fast Fourier transform (FFT), which has a low resolution and thus reduced capabilities for low frequency analysis 8,10 . The WT provides a higher resolution and preserves the time/frequency relationship 9 which is essential when dealing with phenomena that vary in very low frequencies and over time, as in the case of most of the biological signals, such as perfusion pulses.…”

“…The human LDF components are identified as cardiac, respiratory, myogenic (vascular wall), sympathetic, endothelial NO-dependent activity and endothelial NO-independent, which typically correspond to spectral bands between 0.05 and 2 Hz 13 . More recently, this analysis was extended to PPG obtained with modern, more stable, systems, providing further analysis of these signals 14,8 . The present study takes further our focus on the effects of massage over peripheral circulation in human 7,15 , to better characterize and understand this procedure, used in human health and also as a therapeutic tool.…”

“…A fluxometria por laser Doppler (FLD) e a fotopletismografia (FPG) estão entre as tecnologias mais populares, compartilhando os mesmos princípios biofisicos, embora com diferentes frequências e exigências de operação 3,5 . Estas tecnologias têm sido extensivamente usadas em humanos, com diferentes finalidades 2,4,6 , contudo, fornecem em ambos os casos, sinais pulsáteis complexos, difíceis de analisar, devido à influência de diferentes órgãos e sistemas sobre a sua aquisição e registo 4,7,8 . A necessidade de se obter uma análise mais profunda de tais sinais biológicos, motivou o desenvolvimento de outras estratégias matemáticas para o processamento de sinais, a partir das quais a Transformada de Ondeleta de Morlet emergiu 9 .…”

“…A necessidade de se obter uma análise mais profunda de tais sinais biológicos, motivou o desenvolvimento de outras estratégias matemáticas para o processamento de sinais, a partir das quais a Transformada de Ondeleta de Morlet emergiu 9 . Esta transformada de ondeleta (TO) tem sido considerada um método adequado para decomposição de sinais em relação às abordagens mais clássicas, como a transformada rápida de Fourier (TRF), que possui baixa resolução, sendo menos capaz para a análise de baixa frequência 8,10 . Assim, a TO fornece uma resolução maior e preserva a relação tempo/frequência 9 que é essencial face a fenômenos que variam em frequências muito baixas e ao longo do tempo, como na maioria dos sinais biológicos, e como nos pulsos de perfusão.…”