| DC Field | Value | Language |
|---|---|---|
| dc.contributor.advisor | Riemenschneider, Markus | - |
| dc.contributor.author | Kuon, Felix | - |
| dc.date.accessioned | 2026-09-30T12:50:57Z | - |
| dc.date.available | 2026-09-30T12:50:57Z | - |
| dc.date.issued | 2026-05-15 | - |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/20.500.12738/20167 | - |
| dc.description.abstract | Precise respiration assessment is crucial for heart rate variability (HRV) interpretation, as respiratory components—particularly respiratory sinus arrhythmia (RSA)— provide essential information on vagally-mediated regulation. Conventional single-lead electrocardiogram-derived respiration (EDR) methods measure the amplitude modulation of the QRS-waveform caused by respiratory chest movements. This causes a displacement of the electrical heart axis in relation to the ECG lead axis, typically within the 2D-frontal plane of the Einthoven electrode montage. Another approach is based on heartbeat acceleration and deceleration during respective inspiration and exspiration causing RR-interval modulation. However, intervall-based methods depend on the complexity of sympatho-vagal factors that affect RSA. The present feasibility study accounts for the 3D rotational movement of the electrical heart axis during the respiratory cycle and avoids non-respiratory neuromodulatory confounds. The beat-to-beat cardiac rotation was extracted from Frank-XYZ coordinates reconstructed via a four-electrode EASI device. In a pilot study with data from 19 healthy adults performing acoustically paced breathing (6–18 bpm; N = 380 segments), three surrogates (RR-IntervalEDR, R-AmplitudeEDR, HeartmovementEDR) were compared using a unified Python pipeline (3D VCG R-peak detection, multivariate Mahalanobis artifact correction, wavelet-based analysis) against a synthetic reference derived from the instructed breathing schedule. Results demonstrated significant superiority of HeartmovementEDR regarding mean signal-to-noise ratio (SNR) of 6.01 dB (vs. 4.62 dB for RR-IntervalEDR, 3.20 dB for R-AmplitudeEDR) and mean absolute error of 0.016 Hz (vs. 0.050 Hz and 0.032 Hz, respectively). Notably, HeartmovementEDR and R-AmplitudeEDR performance slightly improved at higher heart rate, benefitting from higher cardiac sampling density, whereas RR-IntervalEDR showed no significant heart-rate dependence. These results suggest that the 3D rotational approach offers substantially improved robustness across a range of paced breathing frequencies under controlled conditions. Future work should validate this method using a direct respiration measurement during spontaneous natural breathing conditions. | en |
| dc.description.abstract | Eine präzise Atembeurteilung ist für die Interpretation der Herzratenvariabilität (HRV) von entscheidender Bedeutung, da respiratorische Komponenten – insbesondere die respiratorische Sinusarrhythmie (RSA) – wesentliche Informationen zur vagal vermittelten Regulation liefern. Konventionelle Methoden zur Ableitung der Atmung aus einem Einkanal-Elektrokardiogramm (EDR, Electrocardiogram-Derived Respiration) messen die Amplitudenmodulation des QRS-Komplexes, die durch respiratorische Thoraxbewegungen verursacht wird. Diese bewirkt eine Verlagerung der elektrischen Herzachse relativ zur EKG-Ableitungsachse, typischerweise innerhalb der zweidimensionalen Frontalebene des Einthoven-Elektrodenmontage. Ein weiterer Ansatz basiert auf der atemabhängigen Beschleunigung und Verlangsamung des Herzschlags während Inspiration bzw. Exspiration, die eine RR-Intervall-Modulation verursacht. Intervallbasierte Methoden hängen jedoch von der Komplexität sympatho-vagaler Faktoren ab, die die RSA beeinflussen. Die vorliegende Machbarkeitsstudie berücksichtigt die dreidimensionale Rotationsbewegung der elektrischen Herzachse während des Atemzyklus und vermeidet nicht-respiratorische neuromodulatorische Störgrößen. Die Schlag-zu-Schlag-Herzrotation wurde aus Frank- XYZ-Koordinaten extrahiert, die mittels eines Vier-Elektroden-EASI-Geräts rekonstruiert wurden. In einer Pilotstudie mit Daten von 19 gesunden Erwachsenen, die akustisch getaktetes Atmen durchführten (6–18 bpm; N = 380 Segmente), wurden drei Surrogate (RR-IntervallEDR, R-AmplitudeEDR, HerzrotationEDR) mithilfe einer einheitlichen Python-Pipeline (3D-VCG-R-Zacken-Detektion, multivariate Mahalanobis- Artefaktkorrektur, waveletbasierte Analyse) gegen eine synthetische Referenz verglichen, die aus dem vorgegebenen Atemschema abgeleitet wurde. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Überlegenheit von HerzrotationEDR hinsichtlich des mittleren Signal- Rausch-Verhältnisses (SNR) von 6,01 dB (vs. 4,62 dB für RR-IntervallEDR, 3,20 dB für R-AmplitudeEDR) sowie des mittleren absoluten Fehlers von 0,016 Hz (vs. 0,050 Hz bzw. 0,032 Hz). Bemerkenswert ist, dass HerzrotationEDR und R-AmplitudeEDR bei höherer Herzrate leicht verbesserte Leistungen zeigten, was auf die höhere kardiale Abtastdichte zurückzuführen ist, während RR-IntervallEDR keine signifikante Herzratenabhängigkeit aufwies. Diese Ergebnisse legen nahe, dass der 3D-Rotationsansatz unter kontrollierten Bedingungen eine deutlich verbesserte Robustheit über einen Bereich getakteter Atemfrequenzen bietet. Zukünftige Arbeiten sollten diese Methode anhand einer direkten Atemmessung unter spontanen natürlichen Atembedingungen validieren. | de |
| dc.language.iso | en | en_US |
| dc.subject.ddc | 610: Medizin | en_US |
| dc.title | Beyond single-lead ECG-derived respiration analysis : vectorcardiographic methods for estimating respiratory and autonomic dynamics from mobile EASI recordings | en |
| dc.type | Thesis | en_US |
| openaire.rights | info:eu-repo/semantics/openAccess | en_US |
| thesis.grantor.department | Fakultät Life Sciences | en_US |
| thesis.grantor.universityOrInstitution | Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg | en_US |
| tuhh.contributor.referee | Lorenz, Jürgen | - |
| tuhh.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:18302-reposit-247167 | - |
| tuhh.oai.show | true | en_US |
| tuhh.publication.institute | Fakultät Life Sciences | en_US |
| tuhh.type.opus | Masterarbeit | - |
| dc.type.casrai | Supervised Student Publication | - |
| dc.type.dini | masterThesis | - |
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| dc.type.status | info:eu-repo/semantics/publishedVersion | en_US |
| dc.type.thesis | masterThesis | en_US |
| dcterms.DCMIType | Text | - |
| tuhh.dnb.status | domain | en_US |
| item.openairecristype | http://purl.org/coar/resource_type/c_46ec | - |
| item.creatorOrcid | Kuon, Felix | - |
| item.creatorGND | Kuon, Felix | - |
| item.grantfulltext | open | - |
| item.openairetype | Thesis | - |
| item.fulltext | With Fulltext | - |
| item.languageiso639-1 | en | - |
| item.cerifentitytype | Publications | - |
| item.advisorGND | Riemenschneider, Markus | - |
| Appears in Collections: | Theses | |
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