Top Banner
UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl) UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y. (2013). Computer models in bedside physiology. General rights It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Disclaimer/Complaints regulations If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible. Download date: 30 Mar 2020
130

UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Mar 23, 2020

Download

Documents

dariahiddleston
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl)

UvA-DARE (Digital Academic Repository)

Computer models in bedside physiology

Zhang, Y.

Link to publication

Citation for published version (APA):Zhang, Y. (2013). Computer models in bedside physiology.

General rightsIt is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s),other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Disclaimer/Complaints regulationsIf you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, statingyour reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Askthe Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam,The Netherlands. You will be contacted as soon as possible.

Download date: 30 Mar 2020

Page 2: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.
Page 3: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

COMPUTER MODELS IN BEDSIDE PHYSIOLOGY

ACADEMISCH PROEFSCHRIFT

ter verkrijging van de graad van doctor

aan de Universiteit van Amsterdam

op gezag van de Rector Magnificus

prof. dr. D.C. van den Boom

ten overstaan van een door het college voor promoties ingestelde

commissie, in het openbaar te verdedigen in de Agnietenkapel

op vrijdag 20 september 2013, te 12:00 uur

door

Yanru Zhang

geboren te Nei Mongol, China

Page 4: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Promotor: Prof.dr. J.H.R. Ravesloot

Copromotor: Dr. J.M. Karemaker

Overige leden: Prof.dr. E.T. van Bavel

Prof.dr.ir. C. Ince

Dr. R.W. Koster

Prof.dr. J.J. van Lieshout

Prof.dr. R.J.G. Peters

Faculteit der Geneeskunde

This thesis has been prepared in the department of Anatomy, Embryology and Physiology

of the Academic Medical Center, Amsterdam, The Netherlands

Page 5: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

3

Table of contents

Chapter 1    General Introduction; aims of the thesis ................................................ 5 

Chapter 2    Optimal Cardiopulmonary Resuscitation as Identified by Computer 

Modeling ............................................................................................ 11 

Chapter 3    Abdominal counter pressure in CPR: What about the lungs?    An in 

silico study .......................................................................................... 33 

Chapter 4    Search for HRV‐parameters that detect a sympathetic shift in heart 

failure patients on ß‐blocker treatment .............................................. 51 

Chapter 5    A subgroup of Brugada patients shows low orthostatic blood pressures 

as a sign of decreased sympathetic outflow ........................................ 75 

Chapter 6    Dynamics of Pulse Pressure Variability and the Difficulty of Predicting 

Fluid Responsiveness. ......................................................................... 91 

Chapter 7    Summary and general conclusions ..................................................... 121 

Nederlandse samenvatting ...............................................................125 

Curriculum Vitae .................................................................................................. 127 

Acknowledgements and colophon ........................................................................ 128 

Page 6: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.
Page 7: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter1 GeneralIntroduction;aimsofthethesis

I have been trained in Biomedical Engineering (BME), a field that is, broadly speaking, geared 

to putting engineering methods to the assistance of clinical diagnosis and therapy. Biomedical 

engineering methods cover a wide range – from chemical engineering (tissue engineering and 

biomaterials) to electrical and mechanical engineering, as in the development of medical 

devices (12). In this thesis I apply bioelectrical (BME‐) methods to solve several medical 

problems.   

The thesis consists of two parts: the first part is about cardiovascular modeling and 

simulation; the second about analysis of beat‐to‐beat heart rate and blood pressure 

variability. 

1. Modelingandsimulationofthehumancardiovascularsystem

Models of the circulation are constructed to help understand physiological problems or to 

simulate interventions which are difficult or impossible to perform in real life. In this thesis 

we have reduced a number of aspects of the human cardiovascular model to a computer 

program. A good model can accurately describe (some of) the behavior of a particular system; 

use of the computer model may reduce experiment time and cost, avoid unnecessary injuries 

and ethical controversies. 

Since the first two‐element Windkessel (arteries) model was developed in 1899 by Otto Frank 

(11), until the overall circulation regulation model developed in 1972 by A. C. Guyton(5), the 

cardiovascular models went from very simple to very complex. Today circulation models are 

developed simple or complex according to the research requirements. In the following two 

sections the medical background of our specific cardiovascular model is introduced. Modeling 

or simulation can never replace real experiments, but it can always make real experiments 

better, or smarter. 

a. CardiopulmonaryResuscitationsimulation

Cardiopulmonary arrest (CPA, also called cardiac arrest, CA) is a condition in which the heart 

suddenly and unexpectedly stops beating. Data from the Sudden Cardiac Arrest Association 

(www.suddencardiacarrest.org) show that in the U.S.A more than 300,000 people suffer a 

CPA each year, only 8% of whom survive. When CPA occurs, cardiopulmonary resuscitation 

(CPR) is an emergency procedure to preserve brain function (and that of other vital organs) 

until further measures are taken to restore spontaneous circulation and breathing. No matter 

Page 8: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 1

6

where CPA occurs: on the street or in a hospital, in‐time and proper CPR and advanced life 

support can dramatically improve the survival rate to 50%! The International Liaison 

Committee on Resuscitation (www.ilcor.org ) holds consensus meetings and publishes 

updated CPR guidelines every five years since the first in 2000. There are also free training 

courses (in hospitals, on websites, and in TV programs).   

In Chapter 2 the question to be answered is: which CPR technique is the best one to improve 

cardiac output and organ perfusion? We compared five different CPR techniques, from 

conventional to innovative methods, by way of a cardiovascular circulation model. 

In Chapter 3 the question to be answered is: if we apply all those efforts described in chapter 

2 to improve cardiac output and organ perfusion, is that really the best we can do for the 

patient? When we pushed this CPR optimization we found that with high pressures of thorax 

and abdomen compression and large venous returns, we had to consider the lungs as well. 

With improved mechanical techniques, ‘faster and harder’ compressions are not difficult to 

obtain (in‐hospital that is, with bare hands it is still difficult); the question is: can the lungs 

take it? 

b. PulsePressureVariationsimulation

Cardio‐pulmonary interaction is in the spotlight again. Over the last 20 years pulse pressure 

variation (PPV) has proven itself as an accurate predictor of volume responsiveness (1, 2, 4, 7, 

9, 10): lower PPV implies that the volume status has pushed cardiac filling to the plateau of 

the Frank‐Starling curve to a saturation state(9). PPV is in clinical use to steer volume infusion 

for instance during surgery. However PPV does not work in situations like low tidal volume or 

spontaneous respiration(9). The question when PPV may reliably be used as indicator of 

volume responsive is still in discussion. 

In Chapter 6 we use a cardiovascular circulation model, with respiration and ANS control to 

simulate how PPV changes with changes in circulating volume, whether PPV can predict 

volume responsiveness in different situations. We compare these results to recordings in 

healthy test subjects who received a large intravenous saline infusion. 

2. Analysisofbeat‐to‐beatheartrateandbloodpressurevariability

Before going into heart rate variability (HRV) and blood pressure variability (BPV), we have to 

talk about the autonomic nervous system (ANS) first. The autonomic nervous system is 

predominantly an efferent system transmitting impulses from the Central Nervous System 

(CNS) to peripheral organ systems. Its effects include control of heart rate and force of 

Page 9: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Introduction; aims of the thesis

7

contraction, constriction and dilatation of blood vessels, contraction and relaxation of 

smooth muscle in various organs, visual accommodation, pupillary size and secretions from 

exocrine and endocrine glands. 

The ANS consists of two separate divisions: the parasympathetic and sympathetic systems, 

distinguished on the basis of anatomical and functional differences. The sympathetic nervous 

system aids in the control of most of the body's internal organs. Stress—as in the 

flight‐or‐fight response—is thought to counteract the parasympathetic system, which 

generally works to promote maintenance of the body at rest. 

Disturbances of the autonomic nervous system can be the cause of serious health problems. 

Autonomic nervous system disorders can occur alone or as the result of another disease, 

such as Parkinson's disease, alcoholism and diabetes. Therefore evaluation of the condition 

of the autonomic nervous system can be of diagnostic or predictive value. 

a. Heartratevariability(HRV)inCHFpatients

Heart rate variability (HRV) has emerged as a simple, noninvasive method to evaluate ANS 

activity. Reduced heart rate variability (HRV) is a powerful and independent predictor of an 

adverse prognosis in patients with heart disease and in the general population. 

In Chapter 4 we test which analysis method for HRV discriminates Chronic Heart Failure (CHF) 

patients on beta‐blocker treatment from healthy control subjects; next we test which of 

these parameter(s) detects the situation where such a patient would ‘slip into’ a more 

sympathetic condition.   

b. Challenge:ActivestandingupinBrugadapatients

When we stand up blood tends to shift towards the lower part of the body, sympathetic 

activity will raise heart rate, peripheral resistance, cardiac performance etc. to maintain 

blood pressure, at the same time parasympathetic activity will withdraw. 

Active standing‐up from supine or sitting is clinically used to test ANS function in control of 

blood pressure and heart rate (3, 6, 8, 13). 

In Chapter 5 we compare the change of beat‐to‐beat parameters like heart rate, blood 

pressure from supine to upright position in healthy control subjects and Brugada patients. 

The Brugada syndrome (BrS) is a genetic disease that is characterized by abnormal 

ECG‐findings and an increased risk of sudden cardiac death. The stand test is used to test the 

Page 10: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 1

8

function of the ANS in Brugada patients and, ultimately, to find predictors for the risk of 

sudden cardiac death. 

3. Chapteroverview

In all there are seven chapters, as follows:   

1. General introduction and aims of the thesis;   

2. Optimal cardiopulmonary resuscitation as tested by computer modeling;   

3. Abdominal counter pressure in CPR: What about the lungs? An in silico study;   

4. Search for HRV‐parameters that detect a sympathetic shift in heart failure patients on 

β‐blocker treatment 

5. A subgroup of Brugada patients shows low orthostatic blood pressures as a sign of 

decreased sympathetic outflow 

6. Dynamics of pulse pressure variability and the difficulty of predicting fluid 

responsiveness;   

7. Summary and general conclusions 

See the flowchart in Figure 1. 

 

References

1. Bendjelid K, Suter PM, and Romand JA. The respiratory change in preejection period: a 

new method to predict fluid responsiveness. J Appl Physiol 96: 337‐342, 2004. 

2. Coyle J, Teplick R, Long M, and Davison J. Respiratory variations in systemic arterial 

pressure as an indicator of volume status. Anesthesiology 59: A53, 1983. 

Page 11: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Introduction; aims of the thesis

9

3. Den Heijer JC, Bollen WL, Reulen JP, van Dijk JG, Kramer CG, Roos RA, and Buruma OJ. 

Autonomic nervous function in Huntington's disease. Arch Neurol 45: 309, 1988. 

4. Freitas F, Bafi A, Nascente A, Assunção M, Mazza B, Azevedo L, and Machado F. Predictive 

value of pulse pressure variation for fluid responsiveness in septic patients using 

lung‐protective ventilation strategies. Br J Anaesth 110: 402‐408, 2013. 

5. Guyton AC, Coleman TG, and Granger HJ. Circulation: overall regulation. Annu Rev Physiol 

34: 13‐46, 1972. 

6. Hägglund H, Uusitalo A, Peltonen JE, Koponen AS, Aho J, Tiinanen S, Seppänen T, Tulppo 

M, and Tikkanen HO. Cardiovascular autonomic nervous system function and aerobic 

capacity in type 1 diabetes. Front Physiol 3, 2012. 

7. Kramer A, Zygun D, Hawes H, Easton P, and Ferland A. Pulse pressure variation predicts 

fluid responsiveness following coronary artery bypass surgery. Chest 126: 1563‐1568, 

2004. 

8. Martinmäki K, Rusko H, Saalasti S, and Kettunen J. Ability of short‐time Fourier transform 

method to detect transient changes in vagal effects on hearts: a pharmacological 

blocking study. Am J Physiol‐Heart C 290: H2582‐H2589, 2006. 

9. Michard F. Changes in arterial pressure during mechanical ventilation. Anesthesiology 

103: 419‐428, 2005. 

10. Michard F, Boussat S, Chemlad D, Anguel N, Mercat A, Lecarpentier Y, Richard C, Pinsky 

MR, and Teboul J‐L. Relation between respiratory changes in arterial pulse pressure and 

fluid responsiveness in septic patients with acute circulatory failure. Am J Resp Crit Care 

162: 134‐138, 2000. 

11. Sagawa K, Lie RK, and Schaefer J. Translation of Otto Frank's paper "Die Grundform des 

Arteriellen Pulses" Zeitschrift fur Biologie 37: 483‐526 (1899). J Mol cell cardiol 22: 

253‐254, 1990. 

12. Wikipedia. Biomedical engineering. Last updated :2013 31 May, [cited 2013 15 June]; 

Available from: http://en.wikipedia.org/wiki/Biomedical_engineering. 

13. Ziemssen T and Reichmann H. Cardiovascular autonomic dysfunction in Parkinson's 

disease. J Neurol Sci 289: 74‐80, 2010. 

Page 12: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.
Page 13: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

11

Chapter2 OptimalCardiopulmonaryResuscitationasIdentifiedbyComputerModeling

Yanru Zhang, Xiaoming Wu, Hengxin Yuan, Lin Xu and John M.Karemaker   

Most of the work in this chapter has been the subject of 2 congress papers (2009 and 2010) on 

one of which Ms. Zhang was co‐author; moreover a full paper was published: 

Xu, L, Wu, X, Zhang, Y and Yuan, H.: The Optimization Study on Time Sequence of Enhanced 

External Counter‐Pulsation in AEI‐CPR. J. Computers 4; 1243‐1248 (2009) 

 

In view of this publication history and the fact that chapter 3 originated from the study reported 

here (as a warning not to ‘overdo’ the combination of abdominal and chest compression) an 

extensive discussion of the findings has been deferred to chapter 3. 

The appendix of chapter 2 (modeling details) applies to both the chapters 2 and 3. 

Page 14: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 2

12

Abstract

Objective and Design: We aimed to find the optimal mode of cardiopulmonary resuscitation 

(CPR) in a computer model of the circulation. At least four variants of the simple compression 

of the heart between sternum and spine exist. For several reasons the efficacy of these 

modes is difficult to compare in clinical trials. In order to identify the optimal mode we 

conducted in silico experiments. 

Setting and Interventions: A Matlab® computer model of the circulation was developed. At 

simulated cardiac arrest the model was subjected to the various modeled CPR‐variants. The 

effects on cardiac output and perfusion of critical organs were compared. 

Measurements and Main Results: We compared Chest Only CPR (CO‐CPR), Active 

Compression‐Decompression CPR (ACD‐CPR), Interposed Abdominal Compression CPR 

(IAC‐CPR), thoracic‐abdominal compression‐decompression CPR (Lifestick‐CPR) and chest 

compression assisted with Enhanced External Counterpulsation on the legs and abdomen 

(EECP‐CPR). They were combined with the action of an Impedance Threshold Valve (ITV) to 

support venous return in the chest decompression phase. The three techniques that involve 

abdominal compression were at least twice as effective as the two that only apply force to 

the chest, independent of which parameter was used to quantify the result. Compression of 

the abdominal veins played a more important role than arterial compression in generating 

cardiac output and organ perfusion. 

Conclusions: In this in silico study Lifestick‐CPR was the most effective of the CPR techniques 

tested. 

Page 15: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Optimal cardiopulmonary resuscitation

13

Introduction

Sudden cardiac arrest is the most critical manifestation of cardiac disease, requiring 

immediate action to save the patient’s life. Outside a hospital this will mostly be done by 

cardiopulmonary resuscitation (CPR). This aims to keep the perfusion of heart, brain and 

lungs going while the heart is in arrest. Since the introduction of closed‐chest CPR several 

improvements to the classical, or Chest Only CPR (CO‐CPR) have been proposed (5, 11, 12, 

19). These have in common that they either require the availability of equipment, or the 

presence of a second person assisting the one that delivers CPR. Therefore, the application of 

improved CPR is normally limited to a medical setting such as an ambulance or emergency 

room.   

The first variant is the combination of chest compression with Interposed Abdominal 

Compression (IAC‐CPR) (11). This involves the application of abdominal pressure during the 

relaxation phase of chest compression in otherwise classical CO‐CPR. This requires the 

presence of a second rescuer or a dedicated machine. In a second variant, chest compression 

is combined with active thorax expansion by the Active Compression‐Decompression CPR 

(ACD‐CPR) (5). This variant uses a suction device to actively compress and decompress the 

chest. A third variant involves machine‐driven, phased thoracic‐abdominal 

compression–decompression CPR (Lifestick‐CPR) (17). Lifestick‐CPR combines IAC and 

ACD‐CPR by alternately compressing and decompressing the chest and the abdomen through 

adhesive pads. And finally, a G‐suit like device has been designed to ‘milk’ the venous blood 

by inflatable cuffs wrapped around legs and buttocks. This variant is knows as Enhanced 

External Counterpulsation (EECP‐CPR) (8, 21).   

An inspiratory impedance threshold valve (ITV) has been proven as a beneficial adjunct (15). 

The valve closes the airways while the chest is being decompressed, with the objective to 

improve venous return due to the enhanced subatmospheric intrathoracic pressure during 

the recoil phase of chest compression. In our modeling ITV is combined with the 

aforementioned five CPR variants (Fig. 1) mentioned. 

At present there is no decisive evidence which one of the alternative CPR‐techniques is 

superior to Chest Only CPR (10, 20). In 2010 International Consensus on Cardiopulmonary 

Resuscitation and Emergency Cardiovascular Care Science with Treatment Recommendations 

emphasizes CO‐CPR as the only accepted resuscitation method (7). Clinical evidence is lacking 

Page 16: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 2

14

since for obvious reasons, it is not feasible to compare the various CPR techniques under the 

same condition. We therefore turned to computer models of the circulation. 

Otto Frank’s computational model of cardiac function in conjunction to the Windkessel 

concept conceived in the late 19th century (13), paved the way for the current era. In our 

time, with ever increasing calculation speed, computer modeling of circulation has shaped a 

new avenue of research to investigate medical problems (6, 16). A computer model may 

avoid the major disadvantages of animal and clinical experiments such as ethical issues, high 

costs, complexity, influence of external factors and operator‐dependent effects. Furthermore, 

it overcomes time and space limitations. We argue that to conquer the difficulties inherent to 

finding ‘evidence‐based’ best practice in an emergency situation like CPR, computer modeling 

is an obvious choice. This approach can quantify and evaluate the effects of the different 

components of the various CPR‐techniques to help decide which ones are effective and which 

are of little consequence. 

In this paper a circulatory model has been used as an experimental platform to test the five 

CPR techniques. In silico experiments do not put a critically ill patient at risk, and allow 

comparison of the various CPR techniques under highly‐defined conditions. We extended the 

model developed by Charles F. Babbs (1‐3) to simulate CO‐CPR, ACD‐CPR, IAC‐CPR, Lifestick 

CPR and EECP‐CPR. In all experiments we assumed that an ITV was in place. We focused on 

their hemodynamic effects to identify the optimal CPR technique. Here we report that 

Lifestick‐CPR is the most effective of the five CPR techniques. 

Page 17: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Optimal cardiopulmonary resuscitation

15

   

Figure 1 Schematics of the five CPR techniques. See text for details. 

Page 18: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 2

16

Methods

Modeldescription

The model we adopted for this study is largely based on the work of Babbs et al. (1‐3). The 

model is an electrical equivalent circuit and has sufficient details to allow simulation of the 

five CPR techniques except for the initial blood volumes immediately after the cardiac arrest 

(CA). These blood volumes were estimated by us (Table 1). 

The model has 14 compartments, including four heart chambers, the pulmonary circulation, 

the thoracic aorta feeding an upper body and an abdominal compartment (Fig. 2). The 

structure of each lumped artery and vein compartment is the same, including a resistance 

followed by a capacitance (compliance). The peripheral circulation for each compartment is a 

simple resistance. Each ventricle has two valves. Each vein outside the trunk has one valve to 

ensure unidirectional blood flow. In view of the low blood velocity in CPR, inertial effects 

were neglected. The initial pressure of all systemic compartments in simulated CA is set to 

5 mmHg, and to 8mmHg in the pulmonary part. Finally, it was assumed that coronary 

perfusion stopped during the compression phase. 

 

Figure 2 Top: structure of the circulatory model. Details of chest pump: next page 

Page 19: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Optimal cardiopulmonary resuscitation

17

 

Figure 2. Bottom (detail): model of the chest pump including heart and pulmonary circulation. 

Relevant parameter values of the model are listed in the appendix. To help understand Fig. 2 

a list of symbols and subscripts is given in Table 1 

Table 1. Symbols and subscripts used in Fig. 2 

Symbol  Electrical  Mechanical 

C  capacitor    Compliance (i.e. compliant compartment) 

i  current  (blood) flow 

R  resistance  resistance to flow 

Subscript  Definition  Subscript  Definition 

aa  abdominal aorta    la  left atrium and central pulmonary 

ao  thoracic aorta    lv  left ventricle   

c / car  carotid arteries    mv  mitral valve 

cppa  central to peripheral pulm aa.  pa  pulmonary arteries   

cppv  peripheral to central pulm vv.  pc  pulmonary capillary 

fa  femoral arteries    ppa  peripheral pulmonary arteries   

fv  femoral veins    ppv  peripheral pulmonary veins   

h  head vasculature  pv  pulmonary valve 

ht  heart (coronary)  ra  right atrium 

iv  iliac veins  rv  right ventricle   

ivc / v  inferior vena cava  s  splanchnic 

j / jug  jugular (veins)  tv  tricuspid valve 

Page 20: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 2

18

CPRdescription

CPR chest compression theoretically has two mechanically distinct effects on the central 

circulation. In the thoracic pump mechanism compression of lungs and mediastinal organs, 

including atria and great vessels (pulmonary trunk, ‐ arteries and aorta) causes blood to flow. 

In the cardiac pump mechanism compression of the heart causes blood to flow. Which one of 

the two mechanisms prevails remains controversial (18). In our model we left the controversy 

alone. Like in Babb’s model (2) we defined a factor ftp (0 ≤ ftp ≤ 1) to allocate the relative 

contribution of both mechanisms: ftp = 0 denotes pure cardiac pump mechanism, ftp = 1 

denotes pure thoracic pump mechanism. Values between 0 and 1 denote a mixture of the 

two mechanisms. 

Every CPR technique involves chest compression. In our in silico experiments chest 

compression is modeled as described earlier (2, 4). Briefly, the resistance of the chest to 

external compression is represented by a simple spring and damper system defined by spring 

constant k and damping µ. During chest compression the force applied, F(t), leads to 

downward movement of both sternum and anterior chest wall over a distance x1 (cm). The 

reactive force due to damping depends on the speed of movement (x´1).    We can now 

define F(t) as follows 

'11)( xxktF                                                 (1) 

During the decompression phase F(t) will, initially, expand the cardiac chambers by filling 

with blood over a distance x2 (cm). The compression effects on the organs in the thorax can 

be expressed by x1 and x2 directly. For example, when V is the blood volume in a particular 

heart chamber and A its cross sectional area, then 

AVx /2                                                                   (2) 

The mechanical effects of chest compression are translated in equivalent electrical events 

and applied to our model. The equations are presented in the appendix. For example, in 

IAC‐CPR, Lifestick CPR when the abdomen is compressed, the pressure to the abdomen is 

taken as a voltage source in series with the appropriate compliances (Civc and Caa in Fig.2). In 

EECP‐CPR the lower body and abdomen are compressed ‘sequentially’.   

ITV is combined with each CPR technique. When ambient pressure is higher than airway 

pressure during the decompression phase, the ITV valve is closed or else it is open. The valve 

Page 21: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Optimal cardiopulmonary resuscitation

19

allows positive pressure ventilation but prevents inspiration caused by subatmospheric 

airway pressures.   

Following the 2010 International Consensus on CPR and ECC Science with Treatment 

Recommendations (14), the compression frequency was set to 100 times/min. As 

compression/decompression waveforms we adopted sine waves or rather half‐sine waves as 

suggested by Babbs (2005) and Noordergraaf et al. (2005) (2, 9); the pressure patterns for the 

various CPR‐techniques are shown in Fig. 3A‐E. 

The model was solved using MAT LAB/Simulink. The solver was ODE4. To make the model 

reach steady state in a convenient time frame, step size was set at 0.0001s; simulation time 

was 40 s. The model reached a steady state after 8 seconds. 

Page 22: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 2

20

 

Figure 3 Pressure waveforms: A: CO‐CPR; chest compression only; B: ACD‐CPR; chest compression and 

decompression combined; C: IAC‐CPR; chest compression and abdomen compression 

combined (abdomen: red dashed line); D: Lifestick CPR; chest compression and decompression, 

combined with abdomen compression and decompression. E: EECP‐CPR; chest compression 

and decompression, combined with abdomen and lower body compression (green line). Peak 

values for thorax (de‐)compression: +400 & ‐200 N; for abdomen (Pabd): +100 & ‐20 mmHg, for 

lower body and legs (Plb): +200 mmHg.   

Page 23: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Optimal cardiopulmonary resuscitation

21

Results

ComparisonofthefiveCPRtechniques

To compare the relative effects of CO‐CPR, ACD‐CPR, IAC‐CPR, Lifestick CPR and EECP‐CPR 

(combined with ITV), we chose to present Cardiac Output (CO), carotid artery flow (Qcar) and 

myocardial flow (Qheart). Qcar reflects global cerebral perfusion, while Qheart reflects 

coronary perfusion. The results are summarized in Fig. 4. 

 

Figure 4 Comparison of the five different CPR techniques: A: CO cardiac output (L/min). B: Qcar average 

carotid blood flow and Qheart average coronary blood flow (ml/s). These three parameters 

are considered the most important parameters for CPR. The effects of IAC‐CPR, LIFESTICK CPR 

and EECP‐CPR give great improvement over CO‐CPR and ACD‐CPR 

Compared to CO‐CPR and ACD‐CPR, the three techniques that involve abdominal and/or 

lower body compression (IAC‐CPR, LIFESTICK CPR and EECP‐CPR) produce at least a two times 

higher CO. The same holds for Qcar and Qheart which are at least doubled compared to 

CO‐CPR and ACD‐CPR. Of the three superior variants Lifestick CPR has the best efficacy in 

terms of cardiac output and cerebral perfusion. Finally, in our model, ACD‐CPR is only slightly 

better than CO‐CPR. 

The aforementioned experiments were conducted with ftp = 0.75. To test for the sensitivity 

of our results for ftp we repeated the in silico experiments with ftp = 0, which represents the 

Page 24: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 2

22

pure cardiac pump mechanism, and ftp = 1 which represents the thoracic pump mechanism. 

The results are summarized in Fig. 5. 

 

Figure 5 Comparison of CO between pure cardiac pump (Ft=0) and pure thoracic pump (Ft=1. 

Compared to CO‐CPR, IAC‐CPR, LIFESTICK CPR and EECP‐CPR give a higher CO irrespective of 

ftp. Of the three superior variants Lifestick CPR again has the best efficacy in terms of cardiac 

output regardless of ftp. Furthermore, except for EECP‐CPR, CO is higher when a cardiac 

pump mechanism is operative. Another striking result is the large difference between cardiac 

pump mechanism CO and thoracic pump mechanism CO in CO‐CPR and ACD‐CPR but not the 

other three. 

Veins/Arteries‐onlycompressioninabdomenandlimbs

IAC‐CPR, LIFESTICK CPR and EECP‐CPR have abdominal compression during chest 

decompression in common. Next, we aimed to analyze which aspect of this maneuver is more 

important, compression of the abdominal veins or compression of the abdominal arteries. 

Such an analysis, of course, is only possible in computer models of the circulation.    Venous 

compression pushes blood towards the heart, thus favoring a higher cardiac output.   

Arterial compression raises the resistance of the vessels and tends to trap blood in the 

proximal arteries. This mechanism resembles the action of a balloon pump. Arterial 

compression potentially limits the arterial pressure fall upon chest decompression in the 

phase of diastolic runoff. 

To address this question we first determined CO, Qcar and Qheart when both the arteries 

and veins were compressed (V + A)compr. Next we determined the same three parameters if 

only the veins are compressed (Vonly) or if only the arteries are compressed (Aonly). Finally 

we took the ratio of Vonly/(V + A)compr and that of Aonly/(V + A)compr. This procedure was 

repeated for the three CPR variants with interposed abdominal and/or legs compression. The 

results of these in silico experiments are summarized in Table 2. 

Page 25: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Optimal cardiopulmonary resuscitation

23

Table 2. Ratios of veins‐ or arteries‐only compression to compression of both 

  IAC‐CPR  LIFESTICK CPR  EECP‐CPR 

  Veins‐  Arteries‐  Veins‐  Arteries‐  Veins‐  Arteries‐ 

CO    (%)  94  52  93  43  89  46 

Qcar    (%)  91  45  94  41  92  41 

Qheart (%)  71  86  76  67  57  93 

 

Regardless of the CPR technique used, CO benefits most from venous compression.    89‐94% 

of the CO is preserved when only the veins are compressed.    In contrast, CO halves (43 – 

52%) when only the arteries are compressed.    Similar observations were made for Qcar.   

Qheart, on the other hand, benefits most from arterial compression in IAC‐CPR and EECP‐CPR 

but not so much in Lifestick CPR.    This follows directly from the assumption of stopped 

coronary flow during chest compression. 

These results explain to why IAC‐CPR, Lifestick CPR and EECP‐CPR are superior to CO‐CPR with 

regard to the resulting CO. The inferior vena cava (as simple model for the abdominal venous 

pool) is the largest vein in the body and a large amount of blood can be stored here. 

Compressing this vein restores a considerable venous return, thus favoring CO. 

Discussion

In this paper CO‐CPR, ACD‐CPR, IAC‐CPR, Lifestick CPR and EECP‐CPR have been assessed 

using a computer model of the circulation. We reasoned that this model offers a uniform and 

unique platform to evaluate the different CPR techniques. We observed that abdominal and 

lower body compression in counter phase with thorax compression lead to substantially 

improved hemodynamic results and is therefore recommended. We concluded that Lifestick 

CPR gave the best effects in cardiac output, blood flow to brain and heart, EECP‐CPR 

increased mainly CO and Qcar. EECP‐CPR and Lifestick CPR produced better effects, but they 

are mechanical CPR techniques, which require the appliance at hand and trained 

professionals, which limits their use. IAC‐CPR can be performed just by hand, and the effects 

are tightly following EECP‐CPR and Lifestick CPR. If cardiac arrest happens in a public space, 

IAC‐CPR presumably is the best choice. 

Our model is restricted to the hemodynamic effects of CPR. Ventilation effects and oxygen 

saturation of the blood, important for survival, are not included. Another limitation is that the 

Page 26: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 2

24

compression pressure is set to fixed values, according to the recommendations of the 

Guidelines or clinical empirical setting. However, it is very likely that during actual 

resuscitation the compression pressure vary. Finally, our model is based on a ‘standard’ 70‐kg 

‘textbook’ human subject, this potentially limits generalizability of our results. 

References

1. Babbs CF. CPR techniques that combine chest and abdominal compression and 

decompression: hemodynamic insights from a spreadsheet model. Circulation 100: 

2146‐2152, 1999. 

2. Babbs CF. Effects of an impedance threshold valve upon hemodynamics in Standard CPR: 

studies in a refined computational model. Resuscitation 66: 335‐345, 2005. 

3. Babbs CF. Efficacy of interposed abdominal compression‐cardiopulmonary resuscitation 

(CPR), active compression and decompression‐CPR, and Lifestick CPR: Basic physiology in 

a spreadsheet model. Crit Care Med 28, 2000. 

4. Babbs CF, Weaver JC, Ralston SH, and Geddes LA. Cardiac, thoracic, and abdominal pump 

mechanisms in cardiopulmonary resuscitation: studies in an electrical model of the 

circulation. Am J Emerg Med 2: 299‐308, 1984. 

5. Cohen TJ, Tucker KJ, Lurie KG, Redberg RF, Dutton JP, Dwyer KA, Schwab TM, Chin MC, 

Gelb AM, Scheinman MM, and . Active compression‐decompression. A new method of 

cardiopulmonary resuscitation. Cardiopulmonary Resuscitation Working Group. JAMA 

267: 2916‐2923, 1992. 

6. Guyton AC, Coleman TG, and Granger HJ. Circulation: overall regulation. Annu Rev Physiol 

34:13‐46.: 13‐46, 1972. 

7. Hazinski MF, Nolan JP, Billi JE, Bottiger BW, Bossaert L, de Caen AR, Deakin CD, Drajer S, 

Eigel B, Hickey RW, Jacobs I, Kleinman ME, Kloeck W, Koster RW, Lim SH, Mancini ME, 

Montgomery WH, Morley PT, Morrison LJ, Nadkarni VM, O'Connor RE, Okada K, Perlman 

JM, Sayre MR, Shuster M, Soar J, Sunde K, Travers AH, Wyllie J, and Zideman D. Part 1: 

Executive summary: 2010 International Consensus on Cardiopulmonary Resuscitation 

and Emergency Cardiovascular Care Science With Treatment Recommendations. 

Circulation 122: S250‐275, 2010. 

8. Yuan HX, Zheng ZS, Zhong HF, Liao XX, Du ZM and Huang X. “Double Pump” 

Cardiopulmonary Resuscitation: The Hemodynamic Study of the Inflational VEST with 

External Counterpulsation (II). J of Jinan Univ (Nature Science & Medicine Edition): S1, 

1997 

9. Noordergraaf JG, Dijkema JT, Kortsmit WJPM., Schilders WHA, Scheffer GJ, and 

Noordergraaf A. Modeling in Cardiopulmonary Resuscitation: Pumping the Heart. 

Cardiovasc Eng 5: 105‐118, 2005. 

10. Panzer W, Bretthauer M, Klingler H, Bahr J, Rathgeber J, and Kettler D. ACD versus 

standard CPR in a prehospital setting. Resuscitation 33: 117‐124, 1996. 

Page 27: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Optimal cardiopulmonary resuscitation

25

11. Ralston SH, Babbs CF, and Niebauer MJ. Cardiopulmonary Resuscitation with Interposed 

Abdominal Compression in Dogs. Anesth Analg 61: 645‐651, 1982. 

12. Safar P. Closed chest cardiac massage. Anesth Analg 40: 609‐613, 1961. 

13. Sagawa K, Lie RK, and Schaefer J. Translation of Otto Frank's paper "Die Grundform des 

Arteriellen Pulses" Zeitschrift fur Biologie 37: 483‐526 (1899). J Mol Cell Cardiol 22: 

253‐277, 1990. 

14. Sayre MR, Koster RW, Botha M, Cave DM, Cudnik MT, Handley AJ, Hatanaka T, Hazinski 

MF, Jacobs I, Monsieurs K, Morley PT, Nolan JP, Travers AH, and Adult Basic Life Support 

Chapter C. Part 5: Adult basic life support: 2010 International Consensus on 

Cardiopulmonary Resuscitation and Emergency Cardiovascular Care Science With 

Treatment Recommendations. Circulation 122: S298‐324, 2010. 

15. Shuster M, Lim SH, Deakin CD, Kleinman ME, Koster RW, Morrison LJ, Nolan JP, Sayre MR, 

Techniques CPR, and Devices C. Part 7: CPR techniques and devices: 2010 International 

Consensus on Cardiopulmonary Resuscitation and Emergency Cardiovascular Care 

Science With Treatment Recommendations. Circulation 122: S338‐344, 2010. 

16. Snyder MF, Rideout VC, and Hillestad RJ. Computer modeling of the human systemic 

arterial tree. J Biomech 1: 341‐353, 1968. 

17. Tang W, Weil MH, Schock RB, Sato Y, Lucas J, Sun S, and Bisera J. Phased chest and 

abdominal compression‐decompression. A new option for cardiopulmonary resuscitation. 

Circulation 95: 1335‐1340, 1997. 

18. von Planta M and Trilló G. Closed chest compression: a review of mechanisms and 

alternatives. Resuscitation 27: 107‐115, 1994. 

19. W.B.Kouwenhoven, R.Jude J, and Knickerbocker GG. Closed‐chest cardiac massage. JAMA 

173: 1064‐1067, 1960. 

20. Ward KR. Possible reasons for the variability of human responses to IAC‐CPR. Acad Emerg 

Med 1: 482‐489, 1994. 

21. Yuan H, Zheng Z, and Jiang S. The Hemodynamic Study of The Chest Compression Assisted 

with Enhanced External Counterpulsation. Chinese J Emerg Med 4: 140‐144, 1995. 

Page 28: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 2

26

Appendix‐modelingdetails

Table 1A Definitions and values of resistances   

Definition 

R i t f S b l H /L/carotid arteries  Rc  60 

head vasculature  Rh  5520 

jugular veins  Rj  30 

tricuspid valve  Rtv  5 

pulmonic valve  Rpv  10 

path from central to peripheral pulmonary arteries  Rcppa  10 

path from peripheral to central pulmonary veins  Rcppv  5 

mitral valve  Rmv  5 

aortic valve  Rav  10 

pulmonary capillary bed  Rpc  105 

coronary vessels (heart)  Rht  15780 

aorta  Ra  25 

inferior vena cava  Rv  25 

splanchnic vasculature  Rs  1800 

iliac arteries  Ria  360 

iliac veins  Riv  180 

leg vasculature  Rl  8520 

airways to ventilation  Rairway  1.2 

Page 29: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Optimal cardiopulmonary resuscitation

27

Table 1B Definitions and values of compliances 

 

Definition 

Compliance of the ….. Symbol  L/mmHg 

Initial 

volume (L) 

Unstressed 

volume (L) 

arrested right ventricle  Crv  0.01600  0.150  0.070 

large pulmonary arteries  Cpa  0.00420  0.109  0.076 

peripheral pulmonary arteries  Cppa  0.00042  0.160  0.157 

peripheral pulmonary veins  Cppv  0.00128  0.300  0.290 

central pulmonary veins and left atrium  Cla  0.01280  0.250  0.148 

arrested left ventricle  Clv  0.00800  0.150  0.086 

carotid arteries  Ccar  0.00020  0.132  0.131 

jugular veins  Cjug  0.01200  0.216  0.156 

thoracic aorta  Cao  0.00080  0.078  0.074 

right atrium and intrathoracic great veins  Crh  0.00950  0.367  0.320 

abdominal aorta  Caa  0.00040  0.114  0.112 

inferior vena cava  Civc  0.02340  1.930  1.813 

femoral arteries  Cfa  0.00020  0.078  0.078 

femoral veins  Cfv  0.00470  0.267  0.244 

combined lung‐chest wall  Clung  0.15800  ‐  ‐ 

Initial conditions: 5 mmHg filling pressure in the systemic, 8 mmHg in the pulmonary 

circulation. Valves are supposed to be ideal, driven by pressure differences with the 

resistances as indicated, immediately closing when reverse flow would occur. Compliances 

are supposed to behave as follows: For positive pressures, volumes are increasing linearly 

above the unstressed volume as indicated by the index of compliance; for negative pressures 

volumes are supposed to be zero and the unstressed volume is emptied. For more details the 

reader is referred to: Koeken, Y, Aelen P, Noordergraaf GJ et al. The influence of nonlinear 

intra‐thoracic vascular behaviour and compression characteristics on cardiac output during 

CPR. Resuscitation 2011; 82: 538‐544. 

Page 30: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 2

28

Table 2 Miscellaneous: Abbreviations and definitions 

Abbreviation  Definition  Value 

Al  Cross section area of lung squeezed by sternal compression 100 cm2 

Ara Ala Arv Alv  Cross section area of cardiac chambers in front to back  20 cm2 

Frequency  Number of cycle per minute for chest and abdominal pressure 100/min 

Duty cycle  Fraction of cycle time for chest compression 0.5 

ftp  Thoracic pump factor 

(0.75=adult, 0.25=child, 1.0=emphysema, 0=open chest) 

0 ‐ 1.0 

Pinit  Initial equilibrium pressure of arrested circulation 5 mmHg 

Fmax_chest  Maximum external force on sternum 400 N 

X0  Effective compression threshold 2 cm 

Table 3 Blood flow Abbreviations and definitions 

Abbreviation  Definition 

ic  Blood flow in both carotid arteries

ih  Blood flow in the head vasculature

ij  Blood flow in both jugular veins

ii  The input blood flow to thoracic

io  The output blood flow from thoracic

iht  Blood flow in coronary vessels(heart)

ia  Blood flow in the aorta 

is  Blood flow in residential systemic vasculature

iv  Blood flow in the inferior vena cava

ifa  Blood flow in both femoral arteries

ifv  Blood flow in both femoral veins

i2  Blood flow in the pulmonary veins

i3  Blood flow between central and peripheral pulmonary arteries

i4  Blood flow in the pulmonary capillaries 

i5  Blood flow in between central and peripheral pulmonary veins

i6  Blood flow in the left atrium

 

Page 31: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Optimal cardiopulmonary resuscitation

29

Table 4 Volumes and pressures: Abbreviations and definitions 

Abbreviation  Definition 

Blood volume 

Vaa  Blood volume in the abdominal aorta

Vivc  Blood volume in the inferior vena cava

Via  Blood volume in both iliac arteries

Vfa  Blood volume in both femoral arteries

Vfv  Blood volume in both femoral veins

Blood pressure 

Pao  Blood pressure of thoracic aorta

Paa  Blood pressure of the abdominal aorta

Pivc  Blood pressure of the inferior vena cava

Pfa  Blood pressure of both femoral arteries

Pra  Blood pressure of the right atrium

Pfv  Blood pressure of the femoral veins

Peecp  Compression pressure to lower body

Pabd  compression pressure    to the abdomen

CPP  Coronary perfusion pressure

Page 32: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 2

30

There are 14 compartments in the model; there are 14 pairs of formulas to describe the 

relationship between pressure and volume. ‘P’ stands for pressure, ‘V’ stands for volume, and 

Subscripts indicate which compartment the formulas describe. 

( )

[ ]

car c h

car jugao car

c h

carcar

car

V i i t

P PP Pt

R R

VP

C

(1)

( )

[ max(0, )]

jug h j

car jug jug ra

h j

jugjug

jug

V i i t

P P P Pt

R R

VP

C

(2)

When the chest is compressed, the organs in the chest pump undergo different pressure 

weights. ‘F(t)’ is the chest compression force, ‘PM’ is the pressure to the mediastinum, ‘Plung’ is 

the pressure to the lungs. ‘ftp’ is thoracic pump factor; more information in references 2, 3. 

1 1( ) 0F t kx x (3)

1 2

0

( )M

E x xP

d

(4)

1[ ]lung monthlung L

lung airway

P PdtdP x A

C R

(5)

3 4( )

[ ]

ppa

pa ppa ta tv

cppa pa

ppappa lung

ppa

V i i t

P P P Pt

R R

VP P

C

(6)

Page 33: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Optimal cardiopulmonary resuscitation

31

4 5( )

[ ]

ppv

ppa ppv ppv la

pc cppv

ppvppv lung

ppv

V i i t

P P P Pt

R R

VP P

C

(7)

10

( )

[max(0, ) ]

ao o c a ht

lv ao ao car ao car ao ra

av c a ht

paao lung tp

pa

V i i i i t

P P P P P P P Pt

R R R R

V EP P f x t

C d

(8)

2 3

10

( )

[max(0, ) ]

pa

rv pa pa ppa

pv cppa

papa lung tp

pa

V i i t

P P P Pt

R R

V EP P f x t

C d

(9)

10

( )

[max(0, ) max(0, )]

( )

ra j v ht i

jug ra ivc ra ao ra ra rv

j v ht tv

ra rara lung tp

ra ra

V i i i i t

P P P P P P P Pt

R R R R

V VEP P f x t

C d A

(10)

2

10

( )

[max(0, ) max(0, )]

( )

rv i

rv para rv

tv pv

rv rvrv lung

rv rv

V i i t

P PP Pt

R R

V VEP P x t

C d A

(11)

5 6

10

( )

[ max(0, )]

( )

la

ppv la la lv

cppv mv

la lala lung tp

la la

V i i t

P P P Pt

R R

V VEP P f x t

C d A

(12)

Page 34: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 2

32

6

10

( )

[max(0, ) max(0, )]

( )

lv o

la lv lv ao

mv av

lv lvlv lung

lv lv

V i i t

P P P Pt

R R

V VEP P x t

C d A

(13)

When the abdomen is compressed in IAC-CPR, the abdominal aorta and inferior vena

cava are directly exposed to the compression pressure.

( )

[ ]

aa a s ia

aa faao aa aa ivc

a s ia

aaaa abd

aa

V i i i t

P PP P P Pt

R R R

VP P

C

(14)

( )

[ ) max(0, )]

ivc s v fv

fv ivcaa ivc ivc ra

s v iv

ivcivc abd

ivc

V i i i t

P PP P P Pt

R R R

VP P

C

(15)

When the lower body is compressed in EECP-CPR, it undergoes the compression

pressure directly.

)],0max([)(1

][)(1

iv

ivcfv

l

fvfa

fvlfvl

fvlfv

l

fvfa

ia

faaa

fallia

falfa

R

PP

R

PP

C

tPtii

CPP

R

PP

R

PP

C

tPtii

CPP

(16)

 

Page 35: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

33

Chapter3

AbdominalcounterpressureinCPR:Whataboutthelungs?

Aninsilicostudy

 

Yanru Zhang and John M. Karemaker   

 

This chapter had been published as: 

Zhang Y and Karemaker JM. Abdominal counter pressure in CPR: What about the lungs? An in 

silico study. Resuscitation 83: 1271‐1276, 2012. 

 

The appendix of chapter 2 equally applies to the model used in this chapter. 

Page 36: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 3

34

Abstract

The external pumping action in CPR should generate sufficient flow and pressure, but the 

pump must also be ‘primed’ by ongoing venous return. Different additions to standard CPR 

are in use just for this purpose. Active decompression of the thorax (ACD‐CPR) to ‘suck in’ 

venous blood has proven successful, but, theoretically, compression of venous reservoirs in 

the abdomen should be even more effective. We compared different techniques for 

improved CPR with specific attention to the pulmonary circulation. We did our comparisons 

‘in silico’ rather than ‘in vivo’ in a well‐evaluated computer model. 

Methods: We used an adapted version of Babb’s computer model for CPR, reprogrammed in 

Matlab®. 1) We compared standard chest compression‐only CPR (CO‐CPR) and ACD‐CPR to 

CPR with interposed abdominal compression (IAC‐CPR). 2) Since the thorax/heart 

configuration differs between patients, and consequently the way blood is propelled by the 

chest compressions, we checked the influence of the ratio thoracic/cardiac pump 

effectiveness. 

Results: 1) Only IAC‐CPR leads to physiological values for mean aortic pressure and cardiac 

output. 2) However, since the whole heart is in the pressure chamber of the compressed 

thorax, pulmonary artery pressure rises to about the same level as aortic pressure. In practice, 

this might lead to pulmonary edema during and after CPR, unless 3) Intra‐abdominal 

compression pressure is strictly limited; simulations indicate that intra‐abdominal pressure 

should not exceed 30‐40 mmHg. 

Conclusions: IAC‐CPR outperforms the other techniques in achieving good aortic pressure 

and cardiac output. However, abdominal pressure should be limited. 

Page 37: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

CPR-optimisation and the lungs

35

Introduction

Mechanical adjunct devices which do more than just compressing the thorax to improve CPR 

have been proposed and tried in various studies (1‐6).Despite the initial high hopes of the 

inventors, to date these CPR techniques fail to give consistently better outcomes than 

standard CPR (S‐CPR) (7‐9). In 2010 the AHA published its updated guidelines (10) for how 

and when to perform Cardiopulmonary Resuscitation (CPR). The new guidelines devote only 

1.5 out of 330 pages to the option of more complex, possibly machine‐supported, modalities 

of CPR in view of the lack of supporting clinical evidence (10,11).One wonders why praxis is 

lagging behind, since it makes perfect sense, theoretically, to improve venous return by 

intermittent abdominal in counter phase with thoracic compressions (IAC‐CPR). 

In early 2011 the Lancet published a large randomized, multicenter trial that shows improved 

outcome of CPR when the effect of chest compressions is supported by mechanical devices 

(12), these are: A hand‐held suction cup with handle placed on the thorax to support active 

thoracic recoil in the relaxation phase (ACD‐CPR) and an impedance‐threshold valve (ITV) to 

connect to a facemask or advanced airway access that would not open until intrathoracic 

pressure would fall below – 16 cm H2O pressure. The latter was in place to promote venous 

return during the supported chest recoil phase. The Lancet study thus encourages adjuncts to 

S‐CPR. It showed that ACD‐CPR with ITV gave the same survival rate, but better neurological 

function than S‐CPR (12). The only significant adverse effect where intervention‐ and S‐CPR 

groups differed was in the prevalence of pulmonary edema: 11% in the intervention group 

(94/840) compared to 8% (62/813) in the SCPR group. This inspired us further to elaborate on 

our earlier modeling work (13), looking more specifically into the pulmonary effects of 

increased venous return during CPR. 

For the present study, we used a computer model to simulate compression‐only (CO‐CPR) 

following the new (2010) guidelines, i.e. 100 compressions per minute, no breaks for chest 

inflation; next ACD‐CPR with and without ITV and, additionally, CPR with Interposed 

abdominal compression (IAC‐CPR). The aim was to explore favorable and potentially 

unfavorable hemodynamic changes produced by augmented CPR techniques compared to 

standard manual CPR, specifically looking at the effects of improved venous return. For the 

purpose of this theoretical study, we used a well‐known mathematical model of the 

circulation and the application of CPR, which has been developed and extensively published 

by Babbs (14‐16). A computer model allows analyzing the effects of alternative CPR 

techniques on many aspects of the cardiovascular and respiratory systems at the same time. 

Page 38: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 3

36

In the experimental laboratory, this would require sacrificing many experimental animals and 

in the clinic, it would be next to impossible. In the model we checked the effects on systemic 

and pulmonary pressures, ventricular pressures, flow to vital organs and so on. Our working 

hypothesis was that the CPR techniques with supported venous return may have side effects 

which prevent them from reaching their full beneficial effect. 

Page 39: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

CPR-optimisation and the lungs

37

Methods

Modeldescription

The computer model used is essentially Babbs’ circulatory model, programmed in Matlab® as 

we used it in earlier studies; details are in (13,15). In short, the model simulates a 70‐kg adult, 

it includes four heart chambers, the pulmonary circulation, the thoracic aorta feeding an 

upper body compartment and an abdominal compartment, the latter feeds the lower body 

(legs, buttocks) compartment. CPR is modeled by the application of external forces to the 

various compartments. Figure1A gives a mechanical representation of the model, Figure1B its 

electrical analogue as used in the calculations; Table 1 in the Appendix to chapter 2 

summarizes the most important model parameters; Table 1A gives the resistances in the 

model, Table 1B the compliances, initial volumes and unstressed volumes in all 

compartments. The model supposes a constant blood volume of 4.36 liters, the subject starts 

in the condition of cardiac arrest, where blood flow has stopped and the blood volume is 

distributed over the various compartments in relation to their volume compliance. The mean 

filling pressure in the systemic circulation was chosen to be 5 mmHg (17) that of the 

pulmonary circulation 8 mmHg while supine. 

 Figure 1 A: Schematic of the circulation under CPR. ACD: Alternating Compression‐Decompression, IAC: Interposed Abdominal Compression, ITV: Impedance threshold valve, impeding inflow of air at negative intrathoracic pressures. NV: Niemann’s valve, preventing reverse venous flow from the thorax to head and neck. VV: venous valves in the legs, preventing reverse venous flow from the abdominal compartment. The (upper) arterial side is connected by lumped Starling resistors to the (lower) venous side. 

Page 40: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 3

38

 

Figure 1 B: Electrical analogue of the circulation as used in the calculations. Top: the whole circulation; Bottom: the details inside the chest pump. Symbols as explained in Appendix: Table 1. 

 

When CPR is started, chest compression simultaneously increases intrathoracic and 

mediastinal pressure, the first one working on all compartments in the chest, the second one 

leading to compression of the heart between sternum and spine. Both contribute as 

Page 41: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

CPR-optimisation and the lungs

39

‘circulatory pumps’ to the generation of flow and blood pressure. We followed Babbs’ model 

in attributing 75% of the CPR effect to the ‘thoracic pump’ and ‘25% to the ‘cardiac pump’ 

effects (15). As this choice influences the result, we also checked various other values of this 

factor. 

Abdominal compression is supposed to lead to an immediate pressure increase within the 

abdomen, compressing in particular the capacity veins feeding the right heart, but also the 

abdominal aorta, giving the effect of an aortic balloon pump, and changing diastolic runoff. 

Babbs’ original model does not include abdominal wall mechanics, which in general is much 

less of a hindrance to externally applied pressures. Therefore, we assumed a homogeneous 

pressure in the abdominal cavity, following the set time pattern not bothering about how 

much pressure was applied to the outside to generate this inside pressure. 

The model does not take displacement of the diaphragm into account, neither during 

thoracic nor abdominal compression. Computed pressures in the aorta (minus right atrial 

pressure) lead to organ flow, depending on the estimated resistances of the various organs 

(brain in particular). To get a realistic estimate of coronary flow, we suppose that no flow 

passes while the heart is being compressed.   

CPRtechniques

We simulated three different CPR techniques: first chest‐compression only CPR (CO‐CPR) as 

applied by one rescuer and Active Compression‐Decompression CPR (ACD‐CPR) with and 

without an impedance–threshold valve (ITV) as in the Lancet study (12). Furthermore, we 

implemented one technique that combines thorax ‐ with abdomen compression in the 

relaxation phase to support venous return, i.e. Interposed Abdominal Compression CPR 

(IAC‐CPR). Two rescuers together, one administering thorax compression and the other one 

compressing the abdomen in counter phase, can administer this (3,18). 

In keeping with the new guidelines, a compression frequency of 100/min is used for all 

techniques; no time is devoted to ventilation. The chest is compressed by a force of 400 N, or 

around 40 kilo’s, which clinically relates to a depth of 5.1 cm; non‐overlapping half‐sinusoids 

with 50% duty cycle are used (15,19) as external pressure waveforms. A force of 150 N 

supports active decompression of the thorax in ACD‐CPR; abdominal compression is 

supposed to result in (up to) 100 mmHg intra‐abdominal pressure in IAC‐CPR. The latter two 

are also shaped as half‐sinusoids, with 50% duty cycle in exact counter phase to the thorax 

compressions. 

Page 42: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 3

40

Results

EffectsofvariousCPRtechniques

The successive columns of Table 1 show that with increasing complexity of the applied 

technique the numbers get better: higher aortic pressures, higher CO. Indeed, by using 

IAC‐CPR almost physiological levels for mean aortic pressure and cardiac output can be 

reached. Figure 2 demonstrates how this is obtained: in the phase of abdominal compression, 

thoracic aortic pressures rise again due to increased systemic vascular resistance during 

diastolic runoff. In line with the definitions for the working heart, we have defined diastolic 

pressures as those pressures at the start of thorax compression. 

 

Figure 2: Aortic (Pao fat –red‐ line) and peripheral pulmonary venous pressures (Pppv thin –blue‐ line) during Interposed Abdominal Compression CPR (IAC‐CPR) at a compression rate of 100/min, abdominal compression pressure: 40mmHg, thoracic pump factor of 0.75.   

 

Table 1 also shows that ACD‐CPR, indeed, gives better results than CO‐CPR, only slightly 

improved by the addition of an ITV. However, none of these 3 techniques gives very 

satisfactory pressures or cardiac output, while the 4th technique IAC‐CPR, can easily overdo it: 

at increasing abdominal pressures the forced venous return leads to overly increased values 

Page 43: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

CPR-optimisation and the lungs

41

for ventricular end‐diastolic and pulmonary artery pressures. All numbers indicate that 

pulmonary capillary pressures will be above normal plasma colloid osmotic pressures (around 

25‐30 mmHg (20)), which may cause acute pulmonary edema. However, one may well ask to 

what extent these results are due to choices made in the modeling process, in particular the 

division between cardiac pump and thoracic pump. In the computations for Table 1 a thoracic 

pump factor of 0.75 was used. 

Table 1. Blood pressures and flows for the tested CPR‐techniques. Thoracic pump factor is 0.75 

Ventilation/ITV  CO‐CPR‐  ACD‐CPR 

No ITV 

ACD‐CPR 

With ITV 

IAC‐CPR 

No ITV 

IAC‐CPR 

No ITV 

IAC‐CPR 

No ITV 

AC‐CPR   

No ITV 

Chest comp/decomp 

(force in N) 400/‐  400/150  400/150  400/‐  400/‐  400/‐  400/‐ 

Abdominal 

compression ‐  ‐  ‐  40  80  100  Continuo

us 40 

Pao (sys/dia; mean)  47/22; 30  52/27; 35  55/28; 37  61/34; 46  75/45; 62  83/52; 71  66/41; 49 

Plv (sys/end‐dia)  48/7  53/8  56/10  62/26  76/44  84/53  67/27 

CO (l/min)  1.3  1.5  1.7  2.0  2.8  3.2  1.4 

Ppa (sys/dia; mean)  41/7; 18  41/7; 17  42/6; 18  62/27; 39  82/47; 58  92/57; 68  62/27; 39 

Prv (sys/end‐dia)  42/4  41/4  43/1  63/25  83/47  93/57  62/22 

Pppv (sys/dia; mean)  33/7; 16  31/7; 14  34/5; 15  53/26; 35  72/44; 53  81/53; 62  53/27; 36 

Qheart (ml/s)  0.8  0.9  1.0  1.0  1.2  1.4  0.8 

Qhead (ml/s)  5.3  6.0  6.6  8.5  11.8  13.6  6.1 

All pressures are in mmHg. Pao: aortic pressure; Plv: left ventricular pressure; Ppa: pulmonary arterial pressure; Prv: right ventricular pressure; Pppv: peripheral pulmonary veins; sys: systolic pressure; dia: diastolic pressure; end‐dia: end‐diastolic pressure. CO: cardiac output; Qheart: coronary blood flow; Qhead: blood flow to neck and head; AC‐CPR: abdominal compression CPR (the pressure is no longer interposed, but continuous). 

Page 44: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 3

42

Cardiacvsthoracicpump

The ‘cardiac pump’ theory supposes that forward blood flow is caused by direct compression 

of the heart under the sternum (with blood flow similar to an intact circulation); while the 

‘thoracic pump’ theory supposes that blood flow is secondary to changes in intrathoracic 

pressure (21). The exact contribution of either pump mechanism in a specific case is unknown 

(21‐24),and may depend on thorax‐heart configuration: a deep thorax translating 

CPR‐pressure more into a thoracic pump effect, a flat (or child’s‐) thorax more into a cardiac 

pump effect. Therefore, we tested how the alternative attribution of ‘thoracic pump’ or 

‘cardiac pump’ might influence the results. In the model a thoracic pump factor 0 implies a 

pure cardiac pump, 1 a pure thoracic pump.   

Figure 3 Top: Effects of thoracic pump factor in CO‐CPR (cardiac pump factor + thoracic pump factor = 1); a higher thoracic pump fraction leads to lower aortic pressures and higher pulmonary pressures. A thoracic pump factor = 0 is comparable to direct cardiac massage. Chest compression force: 400 N.   

Bottom: Effects of thoracic pump factor in IAC‐CPR; a higher thoracic pump factor has little effect on aortic pressures and leads to higher pulmonary pressures. Chest compression Force: 400 N; abdominal compression pressure: 100 mmHg. 

Page 45: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

CPR-optimisation and the lungs

43

Figure 3 top shows the hemodynamic effects on CO‐CPR when the thoracic pump factor 

changes from 0 to 1: diastolic and mean aortic pressures (left panel) decrease and all 

pulmonary pressures (right panel) increase. Figure 3 bottom shows the same for IAC‐CPR, (in 

the computations a peak abdominal pressure of 100 mmHg was assumed). Here the effects 

on aortic pressures are less outspoken, much more those on peripheral pulmonary venous 

pressures. Even at a pure cardiac pump effect (thoracic pump factor = 0) the pressure in the 

pulmonary capillaries will be too high at this abdominal pressure. Therefore we chose to look 

for an optimal abdominal pressure that would prevent acute pulmonary edema. 

OptimizationofIAC‐CPR

If mean pulmonary capillary pressure exceeds plasma colloid osmotic pressure (around 

25‐30 mmHg), pulmonary edema may be expected to occur. To prevent this, we tried a range 

of abdominal pressures, from 0 to 100 mmHg, at a thoracic pump factor of 0.75. Figure 4 

shows that Pppv (the model’s approximation of pulmonary capillary pressure) exceeds a 

value of 30 mmHg when abdominal compression pressure is higher than 30 mmHg; at this 

point CO is 1.8 L/min and mean aortic pressure around 43 mmHg. 

 Figure 4 Effects of abdominal compression pressure in IAC‐CPR. Thoracic pump factor is set to 0.75; chest compression force: 400 N; abdominal compression pressure: 0‐100 mmHg. The point of 30 mmHg (mean) peripheral pulmonary venous pressure is shown as upper limit above which pulmonary edema due to hydrostatic pressure may occur. At that level mean aortic pressure is ca. 43 mmHg and cardiac output 1.8 L/min. 

Page 46: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 3

44

Discussion

This study shows that CO‐CPR may be improved upon: better systemic pressures and cardiac 

output can be reached by improving venous return and increasing lower body vascular 

resistance as in IAC‐CPR. However, these improvements come at a price: the lungs are at risk. 

In the early papers where IAC‐CPR was applied, the authors looked specifically for damage to 

abdominal organs (4, 25). They took great care in how and how much pressure was applied, 

and thereby they were able to prevent abdominal trauma. We have shown that peripheral 

pulmonary venous pressures may run very high during IAC‐CPR (Figure 3) with the inherent 

risk of pulmonary edema, which may prevent successful resuscitation or lead to protracted 

problems after return of spontaneous circulation. In an experimental study in dogs Kern et al 

(26) showed that IAC‐CPR led to 3/10 cases of pulmonary edema vs. 1/10 in 2 alternative 

–chest compression only ‐ CPR techniques. In a critical review of the clinical use of IAC‐CPR 

Ward (9) ascribed the variability in its outcome to its inconsistency to improve coronary 

perfusion pressure (CPP) compared to S‐CPR. Although he did not mention pulmonary edema, 

he did notice that at various ways to exert abdominal compression the induced abdominal 

pressures rise above 100 mmHg, even up to 150 mmHg. The resulting increase in right atrial 

pressure was supposed to be the cause of decreased CPP. In our study we did not find a 

diminution of CPP under IAC‐CPR compared to CO‐CPR, even while accounting for the aortic 

to right atrial pressure drop and setting cardiac perfusion to zero in the phase of thorax 

compression. 

As to the damage of the lungs that is hypothesized in our study: what is lacking to make our 

case, are systematic data from thorax X‐ray after successful CPR and/or autopsy data on 

lungs after unsuccessful attempts. In the early years of CPR a few reports have been devoted 

to the problem of pulmonary edema (27, 28). Probably more data are available in many 

clinics where the more intense machine‐supported CPR is in use for unshockable cardiac 

arrest, but except for a few publications (29, 30)it seems that detailed analysis and reporting 

of pulmonary pathology is not part of standard CPR follow‐up. 

In this study, we have shown that increased venous return by active decompression of the 

thorax, but even more by abdominal compression leads to better organ flow in the absence 

of a spontaneous rhythm. However, there seem to be limits to ‘better pressures and better 

venous return’: the wall of the right ventricle might be endangered when venous return is 

increased too much with ensuing increased diastolic pressures in the ventricle. Moreover, the 

high pressures in the pulmonary circulation may lead to acute pulmonary edema, shifting the 

Page 47: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

CPR-optimisation and the lungs

45

cause of death from cardiac arrest to suffocation. Of course, this prospect may not 

discourage rescuers from starting CPR in the best possible way; pulmonary edema can be 

resolved over time, after return of spontaneous circulation. This complication that might be 

present immediately after successful CPR should be recognized and properly treated. 

In view of the two competing mechanisms that explain the effects of CPR: the thoracic pump 

and the cardiac pump, one might argue that active abdominal compression in fact adds a 

third pump, in series with the thoracic and cardiac pump (31). As is the case with two 

locomotives that combine forces to pull a heavy train, one should take care that not one 

locomotive is doing all the pulling or pushing, including the other one. In the case of the two 

CPR‐pumps together, our modeling points to the lungs as being ‘caught in the middle’ This 

might call for a new look at CPR, for instance applying the compression/suction cup to the 

abdomen and reversing the ITV, so as to block outflow of air up to a certain pressure. That 

might prevent many of the known dangers of present‐day CPR, like broken ribs, cardiac 

contusion and pulmonary edema. Alternatively a G‐suit‐like device may be applied to the 

abdomen and legs. In many ambulances these are available as inflatable supports to stabilize 

broken legs or to support the circulation after extensive loss of blood. Rubal et al. (32) 

studied the effects of constant G‐suit inflation in healthy subjects by left and right heart 

catheterization. They showed that inflation pressures >40 mmHg can significantly increase 

both cardiac and pulmonary pressures. In a swine model of CPR Lottes et al. ( 33) tested the 

effect of a constantly inflated G‐suit. They applied G‐suit pressures up to 200 mmHg which 

resulted in improvements like those obtained by vasopressor drugs. In our model a 

continuous intra‐abdominal pressure of around 40 mmHg (Table 1, last column) gives about 

the same pressures, systemic and pulmonary, as IAC‐CPR at the same abdominal value. 

However, flows are considerably less: these are comparable to CO‐CPR. 

A short survey of available human and animal experimental data shows a consistent lack of 

measurements on the low‐pressure side of the circulation. We consider our study to be 

successful when in follow‐up experimental CPR‐studies more often a Swan‐Ganz catheter is 

used. 

Studylimitations:This computer model is based on anatomy and physiology, combined with experimental data 

when these were available. Elaborate studies, implementing other options to improve CPR, 

have been published by Babbs (16,34,35). In animal experiments higher aortic pressures than 

in our simulations have sometimes been observed (36). However, those were acute 

Page 48: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 3

46

experiments in animals with healthy hearts (and lungs), probably not comparable to the 

‘average’ human heart suddenly going into cardiac arrest due to a build‐up of underlying 

cardiac pathology. What is not modeled is the effect of abdominal compression on 

displacement of the diaphragm and thereby compression of the thoracic contents (lungs and 

heart). 

No attempts have been made here to incorporate the effects of oxygenation by 

mouth‐to‐mouth breathing or otherwise. However limited, a model is just as good as the 

assumptions that were input to it. In particular the supposed linearity of many anatomical 

and physiological systems is a simplification to keep models practical. Since this particular 

model covers a large range of pressure‐ and volume changes, differences between model and 

outcome in praxis must exist. 

Conclusions:This study shows that there is room for improvement of CPR by proper choice of parameters 

for thorax and/or abdominal compression. However, this has its limits: more is not always 

better. Too much venous return, combined with effective thorax and heart compression may 

unduly increase pulmonary pressure, thereby exposing the lungs to the risk of acute edema. 

Post‐CPR checks of pulmonary damage by X‐ray or autopsy should be a standard follow‐up on 

CPR, be it successful or unsuccessful. 

References1. Cohen TJ, Tucker KJ, Lurie KG, et al. Active compression‐decompression. A new method 

of cardiopulmonary resuscitation. Cardiopulmonary Resuscitation Working Group. JAMA 

1992; 267: 2916‐23. 

2. Lurie KG, Shultz JJ, Callaham ML, et al. Evaluation of active compression‐decompression 

CPR in victims of out‐of‐hospital cardiac arrest. JAMA 1994; 271: 1405‐11. 

3. Ralston SH, Babbs CF, Niebauer MJ. Cardiopulmonary resuscitation with interposed 

abdominal compression in dogs. Anesth Analg 1982; 61: 645‐51. 

4. Sack JB, Kesselbrenner MB, Bregman D. Survival from in‐hospital cardiac arrest with 

interposed abdominal counterpulsation during cardiopulmonary resuscitation. JAMA 

1992; 267: 379‐85. 

5. Tang W, Weil MH, Schock RB, et al. Phased chest and abdominal 

compression‐decompression. A new option for cardiopulmonary resuscitation. 

Circulation 1997; 95: 1335‐40. 

6. Yuan H, Jiang L, Xu W, Yuan S, He G. Hemodynamics of Active 

Compression‐Decompression CPR with Enhanced External Counterpulsation and the 

Page 49: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

CPR-optimisation and the lungs

47

Inspiratory Impedance Threshold Valve. Lingnan Journal of Emergency Medicine 2007; 

12: 326‐8. 

7. Mateer JR, Stueven HA, Thompson BM, Aprahamian C, Darin JC. Pre‐hospital IAC‐CPR 

versus standard CPR: Paramedic resuscitation of cardiac arrests. Am J Emerg Med 1985; 

3: 143‐6. 

8. Stiell IG, Hebert PC, Wells GA, et al. The Ontario trial of active 

compression‐decompression cardiopulmonary resuscitation for in‐hospital and 

prehospital cardiac arrest. JAMA 1996; 275: 1417‐23. 

9. Ward KR. Possible reasons for the variability of human responses to IAC‐CPR. Acad Emerg 

Med 1994; 1: 482‐9. 

10. Hazinski MF, Nolan JP, Billi JE, et al. Part 1: executive summary: 2010 International 

Consensus on Cardiopulmonary Resuscitation and Emergency Cardiovascular Care 

Science With Treatment Recommendations. Circulation 2010; 122: S250‐S275. 

11. Cave DM, Gazmuri RJ, Otto CW, et al. Part 7: CPR techniques and devices: 2010 American 

Heart Association Guidelines for Cardiopulmonary Resuscitation and Emergency 

Cardiovascular Care. Circulation 2010; 122: S720‐S728. 

12. Aufderheide TP, Frascone RJ, Wayne MA, et al. Standard cardiopulmonary resuscitation 

versus active compression‐decompression cardiopulmonary resuscitation with 

augmentation of negative intrathoracic pressure for out‐of‐hospital cardiac arrest: a 

randomised trial. The Lancet 1922; 377: 301‐11. 

13. Zhang Y, Xu L, Wu X, Liu Q, Yuan H. The Hemodynamic Effects Analysis of the New CPR 

Technique‐Electro Ventilation Double Pump CPR: Studies in the Computer Model. 

Bioinformatics and Biomedical Engineering, 2008 ICBBE 2008 The 2nd International 

Conference on 2008; 1761‐4. 

14. Babbs CF, Weaver JC, Ralston SH, Geddes LA. Cardiac, thoracic, and abdominal pump 

mechanisms in cardiopulmonary resuscitation: studies in an electrical model of the 

circulation. Am J Emerg Med 1984; 2: 299‐308. 

15. Babbs CF. Effects of an impedance threshold valve upon hemodynamics in Standard CPR: 

studies in a refined computational model. Resuscitation 2005; 66: 335‐45. 

16. Babbs CF. Design of near‐optimal waveforms for chest and abdominal compression and 

decompression in CPR using computer‐simulated evolution. Resuscitation 2006; 68: 

277‐93. 

17. AC, Polozo D, Armstrong GG. Mean circulatory filling pressure measured immediately 

after cessation of heart pumping. Am J Physiol 1954; 179: 261‐7. 

18. Berryman CR, Phillips GM. Interposed abdominal compression‐CPR in human subjects. 

Annals of Emergency Medicine 1984; 13: 226‐9. 

19. Noordergraaf GJ, Dijkema TJ, Kortsmit WJPM, Schilders WHA, Scheffer GJ, Noordergraaf 

A. Modeling in Cardiopulmonary Resuscitation: Pumping the Heart. Cardiovascular 

Engineering 2005; 5: 105‐18. 

Page 50: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 3

48

20. Guyton AC, Lindsey AW. Effect of Elevated Left Atrial Pressure and Decreased Plasma 

Protein Concentration on the Development of Pulmonary Edema. Circ Res 1959; 7: 

649‐57. 

21. Houri PK, Frank LR, Menegazzi JJ, Taylor R. A randomized, controlled trial of two‐thumb 

vs two‐finger chest compression in a swine infant model of cardiac arrest. Prehosp 

Emerg Care 1997; 1: 65‐7. 

22. Knhn C, Juchems R, Frese W. Evidence for the `Cardiac Pump Theory' in cardiopulmonary 

resuscitation in man by transesophageal echocardiography. Resuscitation 1991; 22: 

275‐82. 

23. Haas T, Voelckel WG, Wenzel V, Antretter H, Dessl A, Lindner KH. Revisiting the cardiac 

versus thoracic pump mechanism during cardiopulmonary resuscitation. Resuscitation 

2003; 58: 113‐6. 

24. Paradis NA, Martin GB, Goetting MG, at al. Simultaneous aortic, jugular bulb, and right 

atrial pressures during cardiopulmonary resuscitation in humans. Insights into 

mechanisms. Circulation 1989; 80: 361‐8. 

25. Babbs CF. Interposed abdominal compression CPR: a comprehensive evidence based 

review. Resuscitation 2003; 59: 71‐82. 

26. Kern KB, Carter AB, Showen RL, Voorhees III WD, Babbs CF, Tacker WA, Ewy GA. 

CPR‐induced trauma: Comparison of three manual methods in an experimental model. 

Ann Emerg Med 1986; 15: 674‐9. 

27. Dohi S. Postcardiopulmonary resuscitation pulmonary edema. Crit Care Med 1983; 11: 

434‐7. 

28. Ornato JP, Ryschon TW, Gonzalez ER, Bredthauer JL. Rapid change in pulmonary vascular 

hemodynamics with pulmonary edema during cardiopulmonary resuscitation. Am J 

Emerg Med 1985; 3: 137‐42. 

29. Hoeper MM, Galie N, Murali S, et al. Outcome after cardiopulmonary resuscitation in 

patients with pulmonary arterial hypertension. Am J Respir Crit Care Med 2002; 165: 

341‐4. 

30. Menzebach A, Bergt S, von WP, Dinu C, Noldge‐Schomburg G, Vollmar B. A 

comprehensive study of survival, tissue damage, and neurological dysfunction in a 

murine model of cardiopulmonary resuscitation after potassium‐induced cardiac arrest. 

Shock 2010; 33: 189‐96. 

31. Aliverti A, Bovio D, Fullin I, et al. The abdominal circulatory pump. PLoS One 2009; 4: 

e5550. 

32. Rubal BJ, Geer MR, Bickell WH. Effects of pneumatic antishock garment inflation in 

normovolemic subjects. J Appl Physiol 1989; 67: 339‐45. 

33. Lottes AE, Rundell AE, Geddes LA, Kemeny AE, Otlewski MP, Babbs CF. Sustained 

abdominal compression during CPR raises coronary perfusion pressures as much as 

vasopressor drugs. Resuscitation 2007; 75: 515‐24. 

Page 51: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

CPR-optimisation and the lungs

49

34. Babbs CF. Biophysics of cardiopulmonary resuscitation with periodic z‐axis acceleration or 

abdominal compression at aortic resonant frequencies. Resuscitation 2006; 69: 455‐69. 

35. Jung E, Lenhart S, Protopopescu V, Babbs C. Optimal control applied to a 

thoraco‐abdominal CPR model. Math Med Biol 2008; 25: 157‐70. 

36. Adams CP, Martin GB, Rivers EP, Ward KR, Smithline HA, Rady MY. Hemodynamics of 

interposed abdominal compression during human cardiopulmonary resuscitation. Acad 

Emerg Med 1994; 1: 498‐502. 

 

Page 52: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.
Page 53: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

51

Chapter4

SearchforHRV‐parametersthatdetectasympatheticshiftinheart

failurepatientsonß‐blockertreatment

 

Yanru Zhang, Olav R. de Peuter, Pieter W. Kamphuisen, John M. Karemaker 

This chapter has been published as: 

Zhang Y, de Peuter OR, Kamphuisen PW, and Karemaker JM. Search for HRV‐parameters that 

detect a sympathetic shift in heart failure patients on beta‐blocker treatment. Frontiers in 

Physiol 4: 81, 2013. 

Page 54: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 4

52

Abstract

Background: A sympathetic shift in heart rate variability (HRV) from high, beat‐to‐beat, to 

lower frequencies may be an early signal of deterioration in a monitored patient. Most 

chronic heart failure (CHF) patients receive ß‐blockers. This tends to obscure HRV observation 

by increasing the fast variations. We tested which HRV parameters would still detect the 

change into a sympathetic state. 

Methods and results: ß‐blocker (Carvedilol®) treated CHF patients underwent a protocol of 

10 minutes supine rest, followed by 10 minutes active standing. CHF patients (NYHA Class 

II‐IV) n=15, 10m/5f, mean age 58.4 years (47‐72); healthy controls n=29, 18m/11f, mean age 

62.9 years (49‐78). Interbeat intervals (IBI) were extracted from the finger blood pressure 

wave (Nexfin®). Both linear and nonlinear HRV analyses were applied that (1) might be able 

to differentiate patients from healthy controls under resting conditions and (2) detect the 

change into a sympathetic state in the present short recordings. Linear: mean‐IBI, SD‐IBI, 

rMSSD (root mean square of successive differences), pIBI‐50 (the proportion of intervals that 

differs by more than 50 ms from the previous), LF, HF and LF/HF ratio. Nonlinear: SampEn 

(sample entropy), MSE (Multiscale entropy) and derived: MSV (Multiscale variance) and MSD 

(Multiscale rMSSD). 

In the supine resting situation patients differed from controls by having higher HF and, 

consequently, lower LF/HF. In addition their longer range (τ=6‐10) MSE was lower as well. 

The sympathetic shift was, in controls, detected by mean‐IBI, rMSSD, pIBI‐50 and LF/HF, all 

going down; in CHF by mean‐IBI, rMSSD, pIBI‐50 and MSD (τ=6‐10) going down. MSD6‐10 

introduced here works as a band‐pass filter favoring frequencies from 0.02‐0.1Conclusions: In 

ß‐blocker treated CHF patients, traditional time domain analysis (mean‐IBI, rMSSD, pIBI‐50) 

and MSD6‐10 provide the most useful information to detect a condition change. 

Page 55: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

HRV parameters that detect a sympathetic shift

53

Introduction

Heart rate variability (HRV) analysis has seen an increasing interest since the early work of 

B.McA. Sayers in the 1970’s (21), picking up speed since the 1980’s (1, 3, 16). However, these 

analysis techniques still have not made it to the bedside, probably due to the fact that 

equipment manufacturers do not offer standard solutions in ECG‐monitors to provide 

intricate HRV‐data. Only recently, some HRV‐analysis methods have sneaked into the clinic by 

a ‘stealth’ method, hidden in algorithms that give a generalized ‘alert value’ to a patient 

condition, based on observation of a series of vital parameters (11, 25, 29). 

In the present study we tried a clinical approach to a problem that has received little 

attention in biomedical literature. It has been fairly well established that chronic heart failure 

patients (CHF) have different heart rate variability patterns compared to matched healthy 

controls (10, 35). However, many of those patients will be on ß‐blocker therapy, which has a 

strong influence on both HR and HRV (14, 23, 30, 32). Under these circumstances HRV has 

been shown to improve towards normal (27, 30), a fact that might mask an underlying 

developing disease status. We therefore tested which HRV‐analysis technique might be able 

to give early warning when there is a ‘slipping of’ in the sympathetic direction of the 

autonomic balance. To test this we used recordings in CHF patients who went from supine to 

upright, as a simple model to reduce vagal outflow to the heart and induce generalized 

sympathetic activation. For this study we had a set of 21 recordings in CHF‐patients on 

Carvedilol® treatment that has been fully described earlier (39). In view of the practical 

applicability in situations where a diagnosis should be available after a short period of 

recording only, we were wondering if the 10 minutes in supine posture followed by 10 

minutes upright that we had were sufficient to answer two questions: 

1) Is there still a distinction health/disease when comparing the supine recordings in ß‐blocker 

treated CHF patients to those from matched, healthy controls? And 

2) Can HRV‐analysis demonstrate an intra‐individual shift towards a more sympathetic state 

when comparing the upright to the supine recording, even in this group of ß‐blocker treated 

patients? 

The first question is of importance for a quick triage of patients, the second to detect a 

deterioration of a patient’s health before a ‘normal’ alarm would sound. 

Page 56: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 4

54

We decided to test a number of obvious linear measures, from the time domain: mean‐IBI 

(interbeat interval), SD‐IBI (standard deviation), rMSSD (root mean square of successive 

differences of IBI’s), pIBI‐50 (proportion of pairs of successive IBI’s that differ by more than 

50 ms) and from the frequency domain: LF, HF and LF/HF (Low Frequency around 0.1 Hz, 

High Frequency, i.e. respiratory frequency, mostly around 0.25 Hz, and their quotient). In 

view of earlier studies where the use of short recordings for non‐linear analysis has been 

analyzed (4, 24, 26, 40), we decided to use SampEn (sample entropy (34) and MSE or 

Multi‐Scale Entropy (13)). The latter method computes entropy over progressively coarser 

grained versions of the original series. As a by‐product we considered the variances 

(Multiscale variance or MSV) and multiscale root mean square of successive differences 

(MSD) of those newly constructed series as well. 

A successful analysis method or combination of methods should be able to do the triage 

(question 1) as well as detect the sympathetic shift (question 2) within the limits of the 20 

minute recordings that were available. 

Page 57: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

HRV parameters that detect a sympathetic shift

55

Methods

Studypopulation

Patients

The patient recordings had been made in the study that has extensively been described in 

(39). In short: 21 CHF patients (NY Heart Assoc. classification II‐IV) participated in a study that 

was directed to discrimination of ß‐blocker sensitivity depending on the specific ß2‐receptor 

subtype that was present in the patient. In a double‐blind cross‐over design they received the 

non‐selective ß‐blocker Carvedilol® (Eucardic, Roche, Mijdrecht, Netherlands) or the selective 

metoprolol succinate (Selokeen ZOC, AstraZeneca, Zoetermeer, Netherlands) as ß‐blocker for 

6 weeks. Both drugs were titrated to equipotent dosages, additionally checked by resting 

heart rate. Since recordings made under Carvedilol showed fewer extrasystoles and other 

rhythm disturbances, we have restricted our study to the recordings made after 6 weeks on 

this drug. It should be mentioned here, that Carvedilol is known to also have α1‐blocking 

properties, without intrinsic sympathetic activity (17). 

Patients had given their written informed consent after study approval by the local Ethics 

committee. Due to problems with too frequent premature ventricular contractions and 

erroneous blood pressure tracings, 6 out of the original 21 patient recordings (39) under 

Carvedilol had to be rejected. This left data of 15 CHF patients for the present study, 10/5 

(male/female), age 58.4 ±6.5 (mean±SD), BMI 27.4±6.0. 

Healthycontrolsubjects

Subjects had been recruited by advertisement and selected to match the patient group by 

gender, age and ß2‐receptor subtype. They were in good health, free of cardiovascular 

disease, non‐smokers. After written, informed consent 34 subjects participated. Due to 

technical problems in the recordings and 2 cases of near‐syncope in the stand‐test, 5 out of 

the original 34 control recordings had to be rejected. This left 29 (18/11, m/f), age 62.9 ± 7.3 

BMI 26.1 ± 4.2 for analysis. There are no significant differences in age and BMI distribution 

between healthy controls and CHF patients.   

 

Measurementsanddatapreprocessing

Continuous non‐invasive blood pressure was measured from a finger by the volume‐clamp 

technique. A Nexfin® (BMEYE, Amsterdam, Netherlands) hemodynamic monitor was used 

Page 58: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 4

56

with instantaneous display of reconstructed upper arm blood pressure, heart rate, pulse 

contour derived cardiac output and systemic vascular resistance. This enabled proper 

monitoring during the stand test. To prevent hydrostatic errors the hand was held at heart 

level in both positions by a sling around the neck. 

Patients and controls underwent a test protocol which included blood draws for clotting 

factors in the supine position as described earlier (39). Then they rested for at least 20 

minutes before actively standing up. They remained standing for another 10 minutes. From 

the Nexfin computed data we only analysed IBI values for the present study, measured to an 

accuracy of 5 ms (200 Hz sample rate of A/D conversion). 

In view of dysrhythmias like PVC’s, other rhythm disturbances and, occasionally, movement 

artefacts that were present in the IBI‐recordings, t hese had to be pre‐processed before 

analyses could be performed. We used a two‐step spike‐removal procedure. First we 

established the global mean value IBImean‐glb of the whole set (supine or upright), and 

substituted any IBIi outside the range 80‐120% of IBImean‐glb by that value. Next, a 10‐beat 

window would slide over the recording, replacing any newly added IBIj outside the 80‐120% 

range around the IBImean‐local by the value of the local mean. The first step deletes sharp 

spikes globally, making it easier for the second step which is required to preserve continuity 

of the time series. 

CalculationofHRVparameters

Linearmethods

Since we derived heart periods from blood pressure recordings rather than from an ECG, we 

cannot call them NN‐intervals (normal to normal) since, strictly spoken, we have no 

information on the origin of the heartbeat, whether it originates from the sinus node or from 

some other pacemaking site in the heart. Although all patients underwent a test‐ECG just 

prior to the present recording, where normal sinus rhythm had been established, we will use 

the more general term ‘IBI’ (interbeat interval) instead. 

After data pre‐processing as described above we calculated mean‐IBI, SD‐IBI, rMSSD (root 

mean square of successive differences), pIBI‐50 (the proportion of intervals that differs by 

more than 50 ms from the previous) following the usual methods (37). We chose a period of 

at least 5 minutes stable recording for both the supine and upright periods. Of the upright 

recording a period of 2 minutes after the standing up maneuver was skipped, to allow for the 

Page 59: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

HRV parameters that detect a sympathetic shift

57

first transient in blood pressure and heart rate to disappear. This left a period of maximally 8 

minutes upright to be included in the computations.   

For the frequency analysis we used the IBI data set without interpolation, putting the average 

interbeat interval as spacing between heart beats (15). After removal of a linear trend and 

Hanning‐windowing we applied a digital Fourier transform (Matlab®) rather than FFT. This 

method can be applied to an arbitrary number of data points without the need of 

zero‐padding until a power of two has been reached. LF, HF and LF/HF ratio were computed 

after integration of the spectral curve from 0.04‐0.15 Hz for LF and from 0.15‐0.4 Hz for HF. 

The values were reduced to normalized units by division by the total variance (37). 

Non‐linearmethods:SampEnandMSE

The calculation of Multiscale Entropy (MSE) has been fully described in (12). It is the sample 

entropy (SampEn) (34) of consecutively coarser grained time series Y constructed from the 

original time series X:{x1,…, xi,…,xN} by a scale factor of τ.   

The coarse‐graining procedure is the first step to compute MSE, as well as multiscale variance 

(MSV) and multiscale successive differences (MSD). By taking τ consecutive values together, 

the original signal is progressively ‘smoothed’ and more and more beat‐to‐beat ‘noise’ is 

averaged out. This process is visualized in Figure 1 and formalized in formula 1: 

./1,1

1)1(

)(

Njxyj

jiij

  (1) 

This describes a set of consecutively more coarse‐grained time series, {y(τ)} from the series X, 

where τ is the scale factor. Next, the SampEn (34) of each time series{y(τ)} is computed, 

resulting in MSE. SampEn is a measure of the probability that a sequence of m consecutive 

data points will not remain similar (within a given tolerance r) at the next point in the data set. 

A high SampEn value implies low regularity, i.e. few repetitions of the same pattern. Details 

on how to calculate SampEn can be found in references (13, 34, 42).   

In short, MSE aims to measure the complexity of the system. In a totally random sequence, 

SampEn will decrease to zero with increasing τ; in a sequence that has been generated by a 

system with some degree of complexity, like heart rate over time, it tends to find a stable 

non‐zero value. 

Page 60: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 4

58

Linearextension:MSV&MSD

We also computed a side‐product of the coarse‐graining process, i.e. the (multiscale) variance 

(MSV) and multiscale rMSSD (MSD) of the newly constructed series Y(τ). We reasoned that 

these might show in a simple way the variability of heart rate at medium‐scale time‐intervals. 

Statistics

All computations were done by use of SPSS®. After testing for normality, comparisons 

between groups were done by pairwise testing using Student’s t‐test or Mann‐Whitney u‐test 

where appropriate. For the change to a sympathetic state within one subject, we used the 

computed supine value to normalize the upright value. The resulting quotient upright/supine 

was then linearized by a log‐transformation before statistical testing. 

To compensate for the multiple comparisons we adapted the test magnitude alpha by 

applying the Bonferroni‐Holm correction. This will lead to a value of alpha smaller than the 

0.05 that we considered significant. The corrected alpha is mentioned in the tables along with 

the computed exact p‐value. This allows the reader to judge the significance of observed 

changes, taking into account the type I/type II error as well as the biological significance of 

the change (9, 31).   

Page 61: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

HRV parameters that detect a sympathetic shift

59

   

Figure 1 Schematic diagram of the process of coarse‐graining   

This is a representative ~ 10 minutes heart rate recording from a healthy volunteer in supine position. From top to bottom tau =1, 2, 5, 10. X‐scale: item number in the series; Y‐scale: (averaged) duration of heart periods in seconds. 

Page 62: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 4

60

Results

ComparisonCHFpatientsvs.healthycontrols

Table 1 gives an overview of the chosen 11 HRV parameters in patients and control subjects 

in the supine posture. It is remarkable that the mean supine heart rates, pIBI‐50 and rMSSD 

in the two groups are equal despite the ß‐blockade in the patients. Total variability as 

expressed by SD‐IBI is lower in CHF, although not statistically significant. HF as short term 

variability index is higher in CHF, but this may well be due to the ß‐blockade (19, 41). As a 

consequence LF/HF is significantly lower in CHF as well. 

To further analyze the internal structure of the variability we computed, first, the MSE‐curves 

for τ=1 to 10, results shown in Figure2.A. At τ=1 SampEn in CHF and controls are equal (Table 

1). For values of τ above 3 the curve of the CHF‐patients falls below that of the healthy 

controls. However, a large overlap exists. To emphasize the longer range interactions rather 

than the short‐term variability (20) we integrated the values for τ from 6 to 10, resulting in 

the MSE6‐10 number in Table 1. The variances of the coarse grained distributions for 

increasing τ are depicted by the MSV as shown in Figure2.B. Average MSV in CHF is lower 

than that in controls for all values of τ; we averaged the value for τ = 6 to 10 as MSV6‐10 in 

Table 1. Except for τ = 1 the same holds true for the rMSSD of the coarse grained distributions, 

expressed as MSD in Figure2.C and averaged to one value from τ = 6 to 10 in Table 1. Both 

MSV6‐10 and MSD6‐10 are lower in CHF than in controls, however, in view of the wide 

distribution of the numbers, taking the Bonferroni‐Holm corrected alpha and the magnitude 

of the difference into account, we do not consider these differences biologically significant. 

The same cannot be said for MSE6‐10: although the number fails to meet the 

Bonferroni‐Holm corrected alpha (p=0.05/9=0.006), yet in view of the narrow distribution 

and the exact p‐value of 0.015 we do consider this difference significant. 

Page 63: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

HRV parameters that detect a sympathetic shift

61

Table 1 Parameter comparison between control subjects and CHF patients in 10‐min supine 

posture 

Parameter (units) CONTROL CHF p value

Bonferroni-

Holm

corrected

alpha

deemed

significant

meanIBI (ms) 1002 ± 158 951 ± 120 0.281 0.02 no

SD-IBI (ms) 38.0 [21.8-87.2] 32.4 ± 15.7 0.090 0.01 no

rMSSD (ms) 25.7 [12.1-125.4] 27.8 ± 14.5 0.795 0.05 no

pIBI-50

(proportion) 0.04 [0.00-0.84] 0.03 [0.00 0.26] 0.586 0.025 no

LF (n.u.) 0.19 ± 0.07 0.13 ± 0.08 0.025 * 0.007 no

HF (n.u.) 0.25 [0.09-0.72] 0.52 ± 0.23 0.000

# 0.005 yes

LF/HF 1.06 ± 0.73 0.36 ± 0.36 0.000

# 0.005 yes

SampEn 1.51 ± 0.37 1.69 ± 0.32 0.152 0.0125 no

MSE6-10 1.57 ± 0.21 1.35 ± 0.39 0.015 * 0.006 yes

MSV6-10 (ms2) 870 [303.4-4210.4] 554 [3.0-1880.8] 0.046 * 0.008 no

MSD6-10 (ms) 24.5 [13.6-75.2] 19.6 ± 11.0 0.016 * 0.006 no

 

If data are normal distributed, the value is as mean ± std and the Student t‐test is applied; if non‐normal distributed, the value is as median [minimum‐maximum] and the Mann‐Whitney U test is applied. Before Bonferroni‐Holm correction, *p<0.05; #p<0.01; n.u. = normalized units (power in the respective bands is normalized by division by total variance). The values of MSE, MSV, and MSD are computed by averaging over the 5 highest tau values: sum(MSE(tau=6:10))/5, sum(MSV(tau=6:10))/5, sum(MSD(tau=6:10))/5. The column ‘deemed significant’ gives the interpretation of the authors, taking the p‐value, corrected alpha and the biological significance into account; cf. text. 

 

Page 64: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 4

62

 

Figure 2 MSE, MSV and MSD curves: comparison between control subjects and CHF patients in supine 

posture 

A: MSE; B: MSV; C: MSD.    Fat (blue) line: control healthy subjects; dotted (red) line: CHF patients. Tau from 1 to 10. The curves represent mean values with +/‐ 1 x standard deviation. CHF patients have lower MSE, MSV and MSD than healthy subjects for tau above 2. 

 

Page 65: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

HRV parameters that detect a sympathetic shift

63

Sympatheticshiftincontrolsubjects:uprightvs.supineposture.

We computed the 11 parameters again for the upright condition, and expressed the upright 

value as fraction of the individual supine one. For statistical testing the values have been 

log‐transformed, to obtain values which follow a normal distribution with mean=0 if the 

supine and upright values are equal. The averages and p‐values are shown in Table 2. 

As to be expected, mean‐IBI has significantly decreased, i.e. heart rate goes up on standing. 

All short‐term variability measures go down as well: rMSSD, pIBI‐50 and HF. The increase in 

LF did not reach statistical significance; LF/HF increased in line with the decreased HF. 

SampEn and the coarse grained measures, MSE6‐10, MSV6‐10 and MSD6‐10 did not change. 

SympatheticshiftinCHFpatients:uprightvs.supineposture.

Generally speaking, the sympathetic change in CHF‐patients followed the same pattern as in 

healthy control subjects, without statistically significant differences between the two groups. 

However, there were a few notable within‐group exceptions, as shown in Table 2.   

In the patients mean‐IBI decreased significantly, so did rMSSD, pIBI‐50, but none of the 

frequency analysis measures. Of the non‐linear and coarse‐grained parameters only MSD6‐10 

decreased significantly, the other ones did not change appreciably.   

AbsolutepowerresultsfromFourieranalysis

Fourier analysis of HRV may be analyzed in many ways; we chose to look at the individual 

normalized powers of LF and HF and the LF/HF quotients. However, if the underlying 

(absolute) data are very much changed by the intervention (standing up in this case) these 

numbers may be misleading. Therefore we checked the absolute powers and in addition 

those in the VLF band (very low frequency band: from the lowest observed frequency in the 

5‐10 minutes recording to 0.04Hz). The results are given in Table 3. No significant changes in 

total power or power in the various bands with standing were detectable. These might have 

invalidated the above analyses. 

Page 66: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 4

64

Table 2. Control subjects & CHF patients: Normalized parameters (=upright/supine) 

Normalized Parameter

=(upright/supine) CONTROL SUBJECTS p value CHF PATIENTS p value

Mean IBI 0.84 ±0.06 0.000 # 0.90 ±0.06 0.00003 #

SD-IBI 0.98 ±0.36 0.253 0.92 ±0.44 0.130

rMSSD 0.72 ±0.28 0.00001 # 0.69 ±0.24 0.0003 #

pIBI-50 0.36 [0.00-1.75] 0.000 # 0.15 [0.00-2.55] 0.009 #

LF 1.60 ±1.65 0.123 1.19 ±0.92 0.635

HF 0.89 ±0.55 0.019 * 1.00 ±0.71 0.279

LF/HF 2.87 ±3.36 0.008 # 2.01 ±2.91 0.723

SampEn 0.96 ±0.30 0.066 0.94 ±0.29 0.199

MSE6-10 1.02 ±0.18 0.256 0.98 [0.31, 1.63] 0.609

MSV6-10 1.39 ±1.17 0.989 1.55 ±2.42 0.540

MSD6-10 1.01 ±0.48 0.314 0.76 ±0.22 0.001 #

If data are normal distributed, the value is as mean ± sd and a one‐sample t‐test is applied; if non‐normal distributed, the value is as median [minimum‐maximum] and a Wilcoxon signed‐rank test is applied. Normalized parameters are calculated as: (value of upright)/ (value of supine) for every individual. After log‐transformation a one‐sample t‐test has been used to test the deviation from zero 

(i.e. upright value = supine value); *p<0.05; #p<0.01(within‐group differences for upright to supine) ; the values of MSE, MSV, and MSD are as in table 1: sum(MSE(tau=6:10))/5, sum(MSV(tau=6:10))/5, sum(MSD(tau=6:10))/5.   

Table 3. Total power and power in the various bands: VLF, LF, HF; supine values compared to upright. 

Parameter

(ms2)

Control subjects (median [min-max]) CHF patients

Supine Upright Supine Upright

Total 1445 [474-7602] 1437 [226-9627] 1162 [44-2974] 677 [59-2823]

VLF 770 [271-4477] 934 [133-5147] 265 [1-2106] 322 [0-2086]

LF 243 [34-1804] 235 [43-3185] 116 [6-646] 75 [2-537]

HF 344 [44-4902] 189 [49-1295] 464 [27-1561] 238 [57-1036]

In view of the non‐normal distributions of absolute powers the medians and ranges are given. No within‐group significant changes from supine to upright can be demonstrated due to the large variability. 

Page 67: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

HRV parameters that detect a sympathetic shift

65

Discussion

The present computer‐based post‐hoc study tried to establish the numbers that could aid in 

fast diagnosis of a ß‐blocker treated patient’s ‘slipping off’ into a more sympathetic state. We 

chose a stand‐test as model for this condition; no one can stand very well for 10 minutes 

without sympathetic system involvement in view of the induced drop in blood pressure at the 

level of the carotid sinuses and the relative hypovolemia that is observed by pressure 

sensitive receptors in the low‐pressure area (atria, lungs) (6, 38). 

We reasoned that patients on a ß‐blocker, when remotely monitored or admitted to an 

intensive care unit for acute exacerbation of symptoms, might pose additional challenges to a 

monitoring system that would incorporate HRV‐measures in an intelligent alarm. 

Beta‐blockers have a tendency to increase short term HRV as well as total background 

variability as it may be observed in the low to very low frequency ranges (2, 8, 19). Moreover, 

the additional α1‐blocking properties of Carvedilol may lead to less apparent blood pressure 

waves when sympathetic arousal takes place. This property has been pointed out as 

instrumental in not lowering HR as much as do other ß‐blockers (36), as compensation for the 

decreased systemic resistance that it provokes (18). 

In line with our initial suppositions we found that in the supine resting state the CHF‐patients 

differed from the healthy control subjects by showing equal HR with almost equal SD‐IBI, but 

significantly higher HF variability, therefore lower LF/HF ratio. Furthermore the patients had 

slightly lower values for MSE6‐10, MSV6‐10 and MSD6‐10. In our view this is mirroring the 

increased beat to beat variability due to the ß‐blocker together with a slightly increased 

sympathetic activation. When going to the upright posture the control subjects displayed 

most of the expected changes: increased HR, decreased rMSSD, pIBI‐50, HF, increased LF/HF, 

but not an increased LF, probably due to the large variance in this measure. MSE6‐10, 

MSD6‐10 or MSV6‐10 did not record a change. When it came to the CHF‐patients in upright 

posture the parameters that did show up as useful were HR (increased), rMSSD, pIBI‐50 and 

MSD6‐10 (decreased). None of the other parameters would indicate a shift into a 

sympathetic state. Our results in the healthy control group tally well with those of 

Turianikova et al. (40) who recently published a comparable orthostasis study. Exception is 

our lack of results for MSE6‐10; in comparison we would have expected a definite increase. 

However, we studied subjects around 63 years of age, the earlier study had subjects around 

20 years of age. 

Page 68: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 4

66

A few notes should be made; the most important one being that almost all HRV is vagally 

mediated: both the fast beat‐to‐beat changes and the slower waves that may be riding on 

underlying blood pressure variations. As long as heart rate is in the vagal range, for humans 

below (120 – 0.6 * age) (22), most variations in HR will, as first guess, mainly come from 

changes in vagal activity. That is not to say that the sympathetics play no role in HRV, their 

contribution can be found both in the underlying blood pressure variability and the 

longer‐range variations in heart rate. These slower variations, to be observed over the course 

of minutes to hours, may influence both HR and BP at the same time, via central and 

peripheral mechanisms. In analysis techniques that aim at this ‘system complexity’ it has 

become established that stable estimates may only be found when thousands of heart beats 

are incorporated, an order of magnitude requiring at least some 4 hours observation. This is a 

requirement that is impractical for straightforward clinical monitoring. Although 4 hours of 

data may become available in any patient on the monitor, a deterioration of condition should 

be signaled earlier than after 4 hours. 

In recent years the literature on HRV analysis methods has been reviewed for various areas of 

application. Rajendra et al. (33) gave a more or less complete overview of methodologies that 

are applied, from time domain to frequency domain t to non‐linear analysis methods. 

Generally speaking, the main disadvantages of the latter are the large number of data 

required and the sensitivity to baseline shift and noise of some of the methods. In 2007 

Maestri et al. (28) reviewed the use of non‐linear indices of HRV for CHF patients. Many were 

highly correlated to classical linear indices; only two (families of) analysis methods gave 

independent prognostic information, i.e. empirical mode decomposition and symbolic 

dynamics. We considered these not practical for our purpose. Again in 2009 Buccelletti et al. 

(7) noted that techniques like power law (fractal) analysis or detrended fluctuation analysis 

were less practical in the prognosis of myocardial infarction patients than entropy directed 

methods in view of the number of required heart beats. In the present study we have, 

therefore, restricted our analysis to SampEn and MSE, being the most promising ones for our 

application. We looked at scale factors 6‐10 for MSE, supported by a recent study by Ho et al. 

(20) who had noticed that in CHF patients on ß‐blockade values of τ=6 and up were 

insensitive to this therapy when used as predictors of mortality. 

In short, the most reliable HRV parameters to early detect a patient’s ‘slipping off’ into a 

sympathetic state are those that indicate so‐called vagal withdrawal, i.e. the disappearance 

of short‐term variability and the loss of longer term ‘jumpiness’ as shown by the decreased 

Page 69: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

HRV parameters that detect a sympathetic shift

67

MSD6‐10. These changes will occur even before heart rate goes up into a definite 

sympathetic region, where all vagal efferent traffic is silenced. The newer parameters like 

SampEn or MSE have no use here, at least not in the present group of patients who use 

ß‐blockers. A study by Batchinsky et al. (4) has shown that SampEn can make a difference for 

triage in emergency care, even when only short recordings are available. Interestingly, the 

newly introduced parameter MSD6‐10 seems to do a good job as well, detecting both the 

sympathetic shift and the difference between healthy controls and CHF‐patients. This 

computes the ‘jumpiness’ or rMSSD of coarse grained averages over 6 to 10 adjacent beats. 

This is not a non‐linear parameter like MSE or SampEn, but one that is derived from the 

intermediate coarse grained series constructed for the computation of MSE. In that same 

vein we computed the variances of these series, which showed some promise in the 

controls‐CHF comparison of Table 1, but failed to show a sympathetic shift (in Table 2). 

rMSSD has peculiar properties, acting as a high‐pass filter to the original heart rate signal. It 

has been proven (5) that ‘classical’ rMSSD captures the same frequency range as the HF band 

in frequency analysis does, roughly between 0.2 and 0.45 Hz. However, it is biased by the 

prevailing heart rate and is sensitive to lower frequencies as well. By extending the algorithm 

to progressively more coarse grained series of heart periods we have, with MSD6‐10, 

constructed a combination of a low‐pass filter (the coarse‐graining process, cf. Figure1) 

followed by a high‐pass filter. Building on the earlier study into the rMSSD filter properties 

one may extrapolate that the number represented by MSD6‐10 will favour frequencies 

between 0.02 and 0.07 Hz (i.e. 0.2/10 and 0.45/6 as 3dB points), thus mainly spanning the 

LF‐band and slightly lower, as illustrated in Figure3, the result of a simulation like in the 

Berntson study. It should be noted that these filter characteristics are dependent on the 

prevailing heart rate. In the present simulation, as in our study, we assumed an average heart 

rate of 60/min, 1 second intervals. This problem of scaling by heart rate is one that is 

omnipresent in MSE‐studies, although very seldom mentioned. 

Inconclusion:

For patients on ß‐blockers only the gradual disappearance of short‐term variability, as 

measured by traditional methods rMSSD and pIBI‐50, proved a reliable indicator of a shift to 

a sympathetic state. The newly introduced MSD6‐10 – jumpiness in coarse grained beat 

series – shows some promise here as well. HRV analysis cannot work in clinical monitoring 

without taking HR‐active medication into account; without ß‐blockade more parameters 

might be useful, notably SampEn and frequency analysis may carry useful information for the 

Page 70: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 4

68

clinician. The best application for these measures is probably their use in intelligent 

monitoring, where the clinician is not bothered with the numbers and their intricacies, but 

just with the condition changes that are shown by analysis of HRV along with other vital 

parameters. 

 

Figure 3 Band‐pass filter characteristics of MSD6‐10.   

The algorithm has been applied to model‐generated beat‐series with additional noise. A simplified 

model of baroreflex control has been used as in DeBoer et al., 1987 to generate the intervals. Average 

heart period around 1000 ms. A modulating ‘respiratory’ frequency was forced with periods from 3 to 

120 seconds. The values for MDS6‐10 have been normalized to the peak‐peak amplitudes of the forced 

oscillations (Berntson et al., 2005). 

 

Page 71: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

HRV parameters that detect a sympathetic shift

69

Limitations

This study was conducted in a small number of relatively healthy CHF‐patients: they had been 

stable on their medication before entering the study. The circumstances for patients 

admitted to the ICU for an acute cardiac condition may be quite different. Therefore this 

study should be extended to real‐life ICU‐recordings and to larger groups of patients before 

definite conclusions about the usefulness of the present HRV‐measures may be reached. 

In a standard ICU‐setting one would turn to the ECG‐monitor for more accurate heart period 

detection than was possible here. The use of a 200 Hz sampled BP‐recording limits the 

accuracy to ~ 5 ms, whereas normally at least 1 ms should be obtainable. Therefore some 

measures that came out as rather insensitive now, like SampEn or MSE for low values of τ 

might perform better then. For ‘classical’ MSE the present recordings were too short anyway, 

reason why we limited the τ (coarse graining parameter) to 10 rather than going to 20. At 

τ=10 we have in a 10 minutes recording about 60 points for the coarse grained series. Since 

our τ‐MSE curves reached stable levels for the data sets that we used, we considered this 

choice appropriate. 

Disclosures

None of the authors has any relevant disclosures to make. Ms. Zhang, PhD is the recipient of 

a post‐doc training grant from the Dept. of Physiology. 

Page 72: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 4

70

References

1. Akselrod S, Gordon D, Ubel FA, Shannon DC, Berger AC, and Cohen RJ. Power spectrum 

analysis of heart rate fluctuation: a quantitative probe of beat‐to‐beat cardiovascular 

control. Science 213: 220‐222, 1981. 

2. Aronson D and Burger AJ. Effect of beta‐blockade on heart rate variability in 

decompensated heart failure. Int J Cardiol 79: 31‐39, 2001. 

3. Baselli G, Cerutti S, Civardi S, Lombardi F, Malliani A, Merri M, Pagani M, and Rizzo G. 

Heart rate variability signal processing: A quantitative approach as an aid to diagnosis in 

cardiovascular pathologies. Int J Biomed Comput 20: 51‐70, 1987. 

4. Batchinsky AI, Salinas J, Kuusela T, Necsoiu C, Jones J, and Cancio LC. Rapid Prediction of 

Trauma Patient Survival By Analysis of Heart Rate Complexity: Impact of Reducing Data 

Set Size. Shock 32: 565‐571, 2009. 

5. Berntson GG, Lozano DL, and Chen Y. Filter properties of root mean square successive 

difference (RMSSD) for heart rate. Psychophysiology 42: 246‐252, 2005. 

6. Borst C, Wieling W, van Brederode JF, Hond A, de Rijk LG, and Dunning AJ. Mechanisms of 

initial heart rate response to postural change. Am J Physiol‐Heart C 243: H676‐H681, 

1982. 

7. Buccelletti E, Gilardi EMAN, Scaini E, Galiuto LEON, Persiani ROBE, Biondi ALBE, Basile 

FLOR, and Silveri NG. Heart rate variability and myocardial infarction: systematic 

literature review and metanalysis. Eur Rev Med Pharmacol Sci 13: 299‐307, 2009. 

8. Bullinga JR, Alharethi R, Schram MS, Bristow MR, and Gilbert EM. Changes in Heart Rate 

Variability Are Correlated to Hemodynamic Improvement With Chronic CARVEDILOL 

Therapy in Heart Failure. J Card Fail 11: 693‐699, 2005. 

9. Cabin RJ and Mitchell RJ. To Bonferroni or not to Bonferroni: when and how are the 

questions. Bull Ecol Soc Am 81: 246‐248, 2000. 

10. Casolo G, Balli E, Taddei T, Amuhasi J, and Gori C. Decreased spontaneous heart rate 

variability in congestive heart failure. Am J Cardiol 64: 1162‐1167, 1989. 

11. Clark MT, Rusin CG, Hudson JL, Lee H, Delos JB, Guin LE, Vergales BD, Paget‐Brown A, 

Kattwinkel J, Lake DE, and Moorman JR. Breath‐by‐breath analysis of cardiorespiratory 

interaction for quantifying developmental maturity in premature infants. J Appl Physiol 

112: 859‐867, 2012. 

12. Costa M, Goldberger AL, and Peng CK. Multiscale entropy analysis of biological signals. 

Phys Rev E 71: 021906, 2005. 

13. Costa M, Goldberger AL, and Peng CK. Multiscale Entropy Analysis of Complex Physiologic 

Time Series. Phys Rev Lett 89: 068102, 2002. 

14. Coumel P, Hermida JS, Wennerblöm B, Leenhardt A, Maison‐Blanche P, and Cauchemez B. 

Heart rate variability in left ventricular hypertrophy and heart failure, and the effects of 

Page 73: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

HRV parameters that detect a sympathetic shift

71

beta‐blockade A non‐spectral analysis of heart rate variability in the frequency domain 

and in the time domain. Eur Heart J 12: 412‐422, 1991. 

15. deBoer RW, Karemaker JM, and Strackee J. Comparing Spectra of a Series of Point Events 

Particularly for Heart Rate Variability Data. Biomedical Engineering, IEEE Trans Biomed 

Eng 31: 384‐387, 1984. 

16. deBoer RW, Karemaker JM, and Strackee J. Hemodynamic fluctuations and baroreflex 

sensitivity in humans: a beat‐to‐beat model. Am J Physiol ‐ Heart C 253: H680‐H689, 

1987. 

17. Eggertsen R, Andrén L, Sivertsson R, and Hansson L. Acute haemodynamic effects of 

carvedilol (BM 14190), a new combined beta‐adrenoceptor blocker and precapillary 

vasodilating agent, in hypertensive patients. Eur J Clin Pharmacol 27: 19‐22, 1984. 

18. Ferrua S, Bobbio M, Catalano E, Grassi G, Massobrio N, Pinach S, Rossi C, Veglio M, and 

Trevi GP. Does Carvedilol Impair Insulin Sensitivity in Heart Failure Patients Without 

Diabetes? J Card Fail 11: 590‐594, 2005. 

19. Goldsmith RL, Bigger JT, Bloomfield DM, Krum H, Steinman RC, Sackner‐Bernstein J, and 

Packer M. Long‐term carvedilol therapy increases parasympathetic nervous system 

activity in chronic congestive heart failure. Am J Cardiol 80: 1101‐1104, 1997. 

20. Ho YL, Lin C, Lin YH, and Lo MT. The Prognostic Value of Non‐Linear Analysis of Heart Rate 

Variability in Patients with Congestive Heart Failure�泅 A Pilot Study of Multiscale 

Entropy. PLoS ONE 6: e18699, 2011. 

21. Hyndman BW, Kitney RI, and Sayers BM. Spontaneous Rhythms in Physiological Control 

Systems. Nature 233: 339‐341, 1971. 

22. Karemaker JM, Wieling W, and Dunning AJ. Aging and the baroreflex. In: Hypertension in 

The Elderly, edited by Amery A and Staessen J. Amsterdam: Elsevier Science Publishers 

B.V.(Biomedical Division), 1989, p. 24‐38. 

23. Kubo T, Parker JD, Azevedo ER, Atchison DJ, Newton GE, Picton P, and Floras JS. Vagal 

heart rate responses to chronic beta‐blockade in human heart failure relate to cardiac 

norepinephrine spillover. Eur J Heart Fail 7: 878‐881, 2005. 

24. Lake DE and Moorman JR. Accurate estimation of entropy in very short physiological time 

series: the problem of atrial fibrillation detection in implanted ventricular devices. Am J 

Physiol ‐ Heart C 300: H319‐H325, 2011. 

25. Lee H, Rusin CG, Lake DE, Clark MT, Guin L, Smoot TJ, Paget‐Brown AO, Vergales BD, 

Kattwinkel J, Moorman JR, and Delos JB. A new algorithm for detecting central apnea in 

neonates. Physiol Meas 33: 1‐17, 2012. 

26. Leistedt SJJ, Linkowski P, Lanquart JP, Mietus JE, Davis RB, Goldberger AL, and Costa MD. 

Decreased neuroautonomic complexity in men during an acute major depressive episode: 

analysis of heart rate dynamics. Transl Psychiatry 1: e27, 2011. 

Page 74: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 4

72

27. Lin LY, Lin JL, Du CC, Lai LP, Tseng YZ, and Huang SK. Reversal of deteriorated fractal 

behavior of heart rate variability by beta‐blocker therapy in patients with advanced 

congestive heart failure. J cardiovasc electrophysiol 12: 26, 2001. 

28. Maestri R, Pinna GD, Accardo A, Allegrini P, Balocchi R, D'ADDIO GIAN, Ferrario M, 

Menicucci D, Porta A, and Sassi R. Nonlinear indices of heart rate variability in chronic 

heart failure patients: redundancy and comparative clinical value. J Cardiovasc 

Electrophysiol 18: 425‐433, 2007. 

29. Morris Jr JA, Norris PR, Waitman LR, Ozdas A, Guillamondegui OD, and Jenkins JM. 

Adrenal Insufficiency, Heart Rate Variability, and Complex Biologic Systems: A Study of 

1,871 Critically Ill Trauma Patients. J Am Coll Surg 204: 885‐892, 2007. 

30. Mortara A, La Rovere MT, Pinna GD, Maestri R, Capomolla S, and Cobelli F. Nonselective 

beta‐adrenergic blocking agent, carvedilol, improves arterial baroflex gain and heart rate 

variability in patients with stable chronic heart failure. J Am Coll Cardiol 36: 1612‐1618, 

2000. 

31. Nakagawa S. A farewell to Bonferroni: the problems of low statistical power and 

publication bias. Behav Ecol 15: 1044‐1045, 2004. 

32. Pousset F, Copie X, Lechat P, Jaillon P, Boissel JP, Hetzel M, Fillette F, Remme W, Guize L, 

and Le Heuzey JY. Effects of bisoprolol on heart rate variability in heart failure. Am J 

Cardiol 77: 612, 1996. 

33. Rajendra Acharya U, Paul Joseph K, Kannathal N, Lim C, and Suri J. Heart rate variability: a 

review. Med Biol Eng Comput 44: 1031‐1051, 2006. 

34. Richman JS and Moorman JR. Physiological time‐series analysis using approximate 

entropy and sample entropy. Am J Physiol ‐ Heart C 278: H2039‐H2049, 2000. 

35. Saul JP, Arai Y, Berger RD, Lilly LS, Colucci WS, and Cohen RJ. Assessment of autonomic 

regulation in chronic congestive heart failure by heart rate spectral analysis. Am J Physiol 

61: 1292‐1299, 1988. 

36. Stoschitzky K, Koshucharova G, Zweiker R, Maier R, Watzinger N, Fruhwald FM, and Klein 

W. Differing beta‐blocking effects of carvedilol and metoprolol. Eur J Heart Fail. 3: 

343‐349, 2001. 

37. Task Force of the European Society of Cardiology, and the North American Society of 

Pacing and Electrophysiology. Heart rate variability: standards of measurement, 

physiological interpretation and clinical use. Circulation 93: 1043‐1065, 1996. 

38. ten Harkel ADJ, van Lieshout JJ, Karemaker JM, and Wieling W. Differences in circulatory 

control in normal subjects who faint and who do not faint during orthostatic stress. Clin 

Auton Res 3: 117‐124, 1993. 

39. Truijen J, de Peuter OR, Kim YS, van den Bogaard B, Kok WE, Kamphuisen PW, and van 

Lieshout JJ. Beta2‐adrenergic receptor genotype influences the effect of nonselective vs. 

selective beta‐blockade on baroreflex function in chronic heart failure. Int J Cardiol 153: 

230‐232, 2011. 

Page 75: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

HRV parameters that detect a sympathetic shift

73

40. Turianikova Z, Javorka K, Baumert M, Calkovska A, and Javorka M. The effect of 

orthostatic stress on multiscale entropy of heart rate and blood pressure. Physiol Meas 

32: 1425‐1432, 2011. 

41. Witte KK and Clark AL. Carvedilol in the treatment of elderly patients with chronic heart 

failure. Clin Interv Aging 3: 55‐70, 2008. 

42. Xinnian C, Solomon IC, and Chon KH. Comparison of the Use of Approximate Entropy and 

Sample Entropy: Applications to Neural Respiratory Signal. In Paper Presented at 27th 

Annual International Conference of Engineering in Medicineand Biology Society, 

(Shanghai). p. 4212‐4215, 2005. 

Appendix

List of abbreviations 

BMI: body mass index; 

CHF: chronic heart failure; 

HF: high frequency; 

HRV: heart rate variability; 

IBI: interbeat interval; 

ICU: Intensive Care Unit; 

LF: low frequency; 

mean‐IBI: mean interbeat interval; 

MSD: multiscale root mean square of successive differences; 

MSE: Multi‐Scale Entropy;   

MSV: multiscale variance; 

PVC: premature ventricular contraction; 

pIBI‐50: proportion of pairs of successive IBI’s that differed by more than 50 ms; 

rMSSD: root mean square of successive differences of IBI’s; 

SampEn: sample entropy; 

SD‐IBI: standard deviation of interbeat intervals; 

VLF: very low frequency 

 

Page 76: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.
Page 77: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

75

Chapter5 AsubgroupofBrugadapatientsshowsloworthostaticbloodpressuresasasignofdecreasedsympatheticoutflow 

Yanru Zhang and John M. Karemaker 

(to be submitted) 

The results in this chapter have been obtained by Y. Zhang’s analysis of recordings 

made by DA van Hoeijen, M.D. and MT Blom, M.D. in patients of HL Tan, M.D, PhD. Dr. 

Tan is cardiologist and Principal Investigator at the Heart Failure Research Center of 

the AMC. 

A full, final report of this study will follow. 

 

Page 78: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 5

76

Abstract

Background: Patients with Brugada syndrome have an increased risk to develop 

life‐threatening ventricular fibrillation (VF). Various studies have shown involvement of the 

autonomic nervous system in eliciting these attacks. We tested autonomic control of the 

circulation in a 10 minutes supine, 10 minutes upright standing test in 28 established Brugada 

patients and compared those to 25 healthy, matched control subjects. 

Methods: Measurement of continuous non‐invasive blood pressure. Analysis of heart rate 

variability, changes in blood pressure, baroreflex sensitivity and pulse‐contour derived 

cardiac output and systemic vascular resistance in the upright posture. 

Results: In addition to low values of LF/HF in supine posture, indicating relatively increased 

vagal outflow, we found a subgroup of Brugada patients who showed low values of 

upright/supine diastolic blood pressure, caused by low increase or even decrease in 

estimated systemic vascular resistance in the upright posture. 

Conclusions: A subgroup of Brugada patients exhibits low sympathetic outflow in the upright 

posture. This may lead, on longer duration standing, to an increased risk of vasovagal 

syncope. An association with increased risk of VF remains to be established. 

Page 79: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Autonomic nervous system in Brugada

77

Introduction

After its first description in 1992 (3), the Brugada syndrome (BrS) has been recognized as a 

major risk for sudden death in young adults, particularly in some south‐east Asian countries 

(1). BrS patients may develop a variety of cardiac arrhythmias; the worst of those being 

ventricular fibrillation (VF). In some BrS patients the ECG shows the characteristic 

‘saddleback’ ST elevation (23); however in many patients this may turn up only after 

pharmacological provocation (12). In recent years a relationship between symptomatic BrS 

and autonomic nervous system (ANS) imbalance/‐dysfunction has been suggested, with 

increased parasympathetic activity and withdrawal of sympathetic activity (14, 15, 22) or 

even presynaptic sympathetic dysfunction (14, 15, 22) as risk factors in established BrS. Some 

of patients have syncopal events which are due to neurogenic (vasovagal) syncope; this is 

considered a benign condition (20). If, however, the syncope cannot (retrospectively) be 

characterized as such, due to lack of prodromal events, the association with self‐terminating 

VF becomes more likely, necessitating therapeutic intervention like the implantation of an 

ICD(18). 

In the present study we included 28 Brugada patients who came to the outpatient clinic of 

the AMC between March 2011 and August 2012 for a full evaluation of their disease status, 

including assessment of their ‘autonomic balance’ as judged from the heart rate variability in 

LF/HF and other parameters in a simple test designed to mimic every‐day life conditions. 

Patients were 10 minutes in a supine resting condition followed by 10 minutes active 

standing while continuous finger blood pressure was measured. The patients’ recordings 

were compared to those from 25 matched healthy control subjects. The ultimate goal of this 

pilot study was to decide which of the parameters to evaluate ANS activity may be useful to 

point out those BrS patients who might be more at risk due to abnormal autonomic control of 

the circulation (14‐16). 

Methodsandmaterials

Patients,controlsubjectsandrecordingsWe included 28 Brugada patients who were consecutively admitted between March 2011 

and August 2012 to the outpatient clinic of the Academic Medical Center for assessment of 

their disease status. In addition to a full cardiologic evaluation, including a pharmacological 

provocation test to establish the existence of a Brugada(‐like) condition, they underwent an 

autonomic function test by 10 minutes supine resting followed by 10 minutes active standing. 

Page 80: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 5

78

Continuous non‐invasive finger blood pressure was measured by a Nexfin® cardiovascular 

monitor (BMEye, Amsterdam, The Netherlands). The hand was held at heart level, when 

necessary supported by a sling around the neck while in the standing position. Nexfin shows 

continuous reconstituted upper arm blood pressure, heart rate (HR) and online computed 

stroke volume (SV) by pulse contour analysis; from HR*SV cardiac output (CO) and, finally, it 

computes systemic vascular resistance (SVR) from mean arterial pressure (MAP) divided by 

CO. These online presented parameters helped in patient monitoring during the stand test 

and they were used for offline evaluation. 

Since this supine/stand test has been in use in the Academic Medical Center for a couple of 

years now, an anonymized set of recordings in healthy control subjects is available who 

originally had been recruited for various (other) studies. All controls are non‐smokers in good 

health, free of cardiovascular disease. We matched 25 subjects from this set for age and 

gender to the Brugada patients. 

All subjects participated after written informed consent; the study protocol had been 

approved by the local review board. This also holds true for the subjects whose recordings 

were chosen from the anonymized database. 

AnalysesSince we measured the heart period as the interval between blood pressure waves, we use 

the term interbeat interval or IBI (in seconds); instantaneous HR is calculated as 60/IBI. From 

steady state periods in the supine and upright recordings we derived the classical measures, 

i.e. mean‐IBI, SD‐IBI (standard deviation), rMSSD (root mean square of successive differences), 

pIBI‐50 (fraction of pairs of successive IBI’s that differ by more than 50 ms). Finally we 

performed frequency analysis of HR variability over those periods, resulting in a contribution 

of low frequency LF (0.04‐0.15 Hz) and of high frequency HF (0.15‐0.4 Hz) and the quotient 

LF/HF as measure of vasovagal balance (21). From the Nexfin cardiovascular monitor data we 

derived for the same periods the averaged blood pressure data (per beat: systolic, diastolic 

and mean pressure) and CO, SV, and SVR. From the coherent power in LF for systolic 

pressures and IBI we computed baroreflex sensitivity (BRS) in ms/mmHg (4). 

To allow for age‐related effects, subjects were divided into two groups as follows: 

20 ≤ age < 40 and 40 ≤ age < 60. On the basis of their clinical background, BrS patients were 

classified in one of three groups: asymptomatic, syncopal (including vasovagal syncope), i.e. 

having experienced at least one syncopal event, and VF, if one or more documented VF’s had 

occurred. An overview of basic data is presented in Table 1. 

Page 81: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Autonomic nervous system in Brugada

79

Table 1 Demographics

[20,40) yrs [40,60) yrs

Control Asympt Syncopal Control Asympt Syncopal VF

Group size 12 4 6 13 7 8 3

Age (years) 31.1±5.9 27.5±5.2 30.8±7.1 51.1±6.9 52±2.1 48.5±5.3 53.7±6.8

Gender (m/f) 10/2 4/0 2/4 10/3 3/4 7/1 3/0

BMI 24.4±3.3 22.6±3.7 22.3±2.2 25.7±3.8 28.1±6.3 25.3±2.2 24.1±3.0

Ratiobetweensupineanduprightstate

To quantify the change in autonomic condition with standing, the ratios between standing 

and supine parameters were calculated. The distributions of the resulting quotients 

upright/supine and LF/HF were normalized by a log‐transformation before statistical testing.   

Statistics

For the various parameters averages ± SD are given, unless the underlying distribution is 

not‐normal, then the median and range [min‐max] are presented. After testing for normality, 

groups were compared using a one way ANOVA or the Kruskal‐Wallis H test where 

appropriate. In case of significant differences (p<0.05) a post‐hoc test was used to determine 

which two groups are significantly different. 

Page 82: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 5

80

Results

ComparisonbetweenBrSpatientsandhealthycontrolsinsteadystatesupineanduprightposture

Table 2 summarizes all parameters in patients and control subjects in the supine and upright 

posture. The only significant differences between patients and healthy controls were found in 

the younger age group in the supine position [20, 40). Post‐hoc analysis showed that the 

symptomatic BrS patients had significantly lower LF, higher HF and, accordingly, a lower 

LF/HF than healthy controls. Moreover, supine SVR was significantly lower in healthy controls 

and standing blood pressure was, albeit marginally, lower in the younger patient group as 

well. The supine values of asymptomatic young patients were in‐between those of healthy 

controls and symptomatic patients; therefore they did not differ significantly from either 

group. 

Comparisonoftheuprighttosupineratios

The upright/supine ratio defines the reaction of a person’s cardiovascular control system to 

this daily challenge. If the supine value is maintained, the ratio will be 1, decreases in the 

upright posture result in ratios lower than 1. Table 3 summarizes all upright/supine ratios. 

Striking is the (slight, but significant) lowering of upright blood pressure in the group of BrS 

patients rather than the normal response, i.e. the increase that is observed in the control 

group. When BrS‐patients stand up, their HR is increased and SV is decreased, as in healthy 

controls; however in the younger age group [20, 40) CO is significantly increased in contrast 

to healthy controls and at the same time their SVR is not increased, but even decreased. In 

the older age groups these effects are tending in the same direction, but do not reach 

statistical significance to the same degree. Of note, only one patient had presyncopal signs 

after 8 minutes of standing, and had to return to the sitting posture. This patient belonged to 

the older group and was known to have experienced both VF’s and vasovagal syncope’s.   

This combination of effects points to a changed cardiovascular control in (some of) the BrS 

patients. Figure 1 shows how these statistical effects on LF/HF and diastolic pressure (Pdia) 

come into being: there is subgroup of patients who have a combination of low Pdia‐ratio (i.e. 

the value upright/supine) and low supine LF/HF. The histogram of LF/HF values for patients is 

only shifted to lower values compared to controls; the histogram of Pdia‐ratios in patients 

shows a bimodal distribution. Figures 2A and 2B demonstrate these effects. Having a 

Pdia‐ratio < 1.0 is not restricted to the younger age group of BrS patients: as Figure 3 

demonstrates, neither is it restricted to any patient subgroup, as shown in Table 3. 

Page 83: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Autonomic nervous system in Brugada

81

 Figure 1 LF/HF values as a function of the ratio upright/supine diastolic blood pressure. Red triangles: BrS patients; grey squares: healthy controls. Dividing line at Pdia‐ratio = 1.0 separates the low responders to the left from the normal responders to the right. In the lower left corner of the figure a conspicuous group of patients is observed, with both low LF/HF and low Pdia‐ratio. 

Page 84: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 5

82

Table 2 Hemodynamics and autonomics

[20,40) yrs [40,60) yrs

Supine control asympt syncopal p-value control asympt Syncopal VF p-value

Sys 119±12 121±17 127±6 0.429 125±17 146±15 127±22 126±12 0.094

Dia 70±8 75±10 76±5 0.356 70±7 79±8 76±10 68±4 0.092

MAP 88±9 91±13 94±5 0.383 92±10 103±8 96±14 89±6 0.118

SV 110±15 102±11 99±15 0.311 95±13 94±22 91±15 105±10 0.618

CO 7.5±1.2 6.7±1.5 6.3±1.2 0.154 5.3 [4.0-9.0] 5.3±1.3 5.7±1.4 6.1±1.4 0.830

SVR 964±179 1116±213 1238±250 0.044 1332±358 1482 [1126-2941]

1404±294 1199±206 0.486

dP/dt 836±182 1010±210 924±147 0.237 877±263 1000±212 882±357 903±140 0.794

IBI 0.90±0.17 0.94±0.12 0.97±0.20 0.718 1.01±0.21 1.07±0.07 0.94±0.19 1.06±0.16 0.578

SD-IBI 0.05±0.02 0.04±0.01 0.05±0.02 0.813 0.05±0.02 0.05±0.03 0.03±0.004 0.06±0.01 0.128

rMSSD 0.03±0.02 0.04±0.02 0.05±0.02 0.523 0.04±0.03 0.04±0.02 0.03±0.01 0.04±0.02 0.540

pIBI-50 0.17±0.17 0.22±0.23 0.32±0.24 0.347 0.21±0.23 0.17±0.18 0.09±0.12 0.18±0.14 0.745

BRS 13 [9-34] 10±2 12±4 0.262 8±5 8±6 8±4 12±4 0.675

LF 0.33±0.13 0.25±0.06 0.15 [0.14-0.32]

0.023 0.21 [0.07-0.69]

0.13 [0.09-0.46]

0.19±0.12 0.2±0.10 0.982

HF 0.22 ±0.07 0.33 [0.30-0.55]

0.46±0.14 0.002 0.31±0.20 0.31±0.16 0.26 [0.12 0.78]

0.10±0.04 0.156

LF/HF 1.66±0.88 0.74±0.29 0.34 [0.20-1.19]

0.006 0.77 [0.21-4.86]

0.86±0.78 0.79±0.60 1.98±0.16 0.221

Upright

Sys 124±10 114±15 112±6 0.046 128±16 130±13 123±21 129±14 0.842

Dia 80±6 73±6 73±5 0.055 78±5 76±8 78±9 78±8 0.917

MAP 96±8 88±8 87±5 0.050 97±9 95±8 95±14 102 [84-102]

0.833

SV 84±15 85±8 69 [61-103] 0.083 74±11 80±22 74±14 76±8 0.813

CO 7.0±1.2 6.9 [6.2-7.8]

6.5±1.2 0.630 5.6±1.2 5.5±1.2 5.2±1.2 5.7±1.2 0.900

SVR 1119±202 1012±48 1100±176 0.596 1455±341 1458±369 1497±306 1368±172 0.952

dP/dt 960±224 987±273 845±171 0.514 928±282 934±215 902±323 1031±215 0.922

IBI 0.73±0.12 0.74±0.08 0.69±0.17 0.793 0.81±0.14 0.87±0.08 0.87±0.18 0.81±0.09 0.717

SD-IBI 0.04±0.01 0.04±0.01 0.04±0.02 0.759 0.05±0.02 0.04±0.01 0.04±0.01 0.05±0.02 0.624

rMSSD 0.02±0.01 0.02±0.01 0.02±0.01 0.795 0.03±0.02 0.02±0.005 0.02±0.004 0.02±0.01 0.881

pIBI-50 0.03 [0.005-0.18]

0.03±0.02 0.02 [0.003-0.22]

0.681 0.04 [0.002-0.42]

0.03±0.03 0.03±0.02 0.03±0.04 0.826

BRS 7±1 8±2 6±3 0.478 5±3 4±2 5±2 5±3 0.845

LF 0.40±0.11 0.47±0.06 0.25 [0.22-0.48]

0.175 0.34±0.19 0.33±0.17 0.36±0.18 0.31±0.17 0.986

HF 0.09 [0.04-0.34]

0.13±0.04 0.19±0.08 0.395 0.15±0.07 0.20±0.14 0.16 [0.07-0.34]

0.05±0.01 0.074

LF/HF 4.5±3.4 3.96±1.77 2.01±1.04 0.214 2.43 [0.98-7.07]

3.35±3.41 3.35±3.23 6.66±4.59 0.469

Sys: systolic pressure [mmHg]; Dia: diastolic pressure [mmHg]; MAP: mean arterial pressure [mmHg]; SV: stroke volume [mL]; CO: cardiac output [L/min]; SVR: systemic vascular resistance [dyn·s/cm5]; dP/dt: maximal value of the time-derivative of pressure [mmHg/s]; IBI: interbeat interval [s]; BRS: baroreflex sensitivity [ms/mmHg]; LF: Low Frequency power in HRV [nu] ; HF: High Frequency HRV [nu] ; LF/HF: quotient.

Page 85: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Autonomic nervous system in Brugada

83

Table 3 Hemodynamics and autonomics: upright / supine ratios

[20,40) yrs [40,60) yrs

control asympt syncopal p-value control asympt syncopal VF p-value

Sys 1.05±0.06 0.94±0.03 0.88±0.05 0.000# 1.03±0.08 0.89±0.05 0.97±0.12 1.02±0.04 0.019 *

Dia 1.14±0.097 0.99±0.06 0.97±0.06 0.000 # 1.12±0.09 0.97±0.09 1.03±0.10 1.15±0.06 0.004 #

MAP 1.09±0.06 0.97±0.05 0.93±0.04 0.000 # 1.06±0.07 0.92±0.07 1.00±0.11 1.08±0.05 0.005 #

SV 0.77±0.10 0.83±0.10 0.74±0.09 0.320 0.78 ±0.08 0.85 ±0.10 0.82±0.08 0.72 ±0.04 0.145

CO 0.94±0.07 1.06±0.15 1.04±0.11 0.047 * 0.96 ±0.09 1.04 ±0.09 0.93 ±0.08 0.94 ±0.02 0.088

SVR 1.16±0.09 0.93±0.15 0.90±0.13 0.000 # 1.11 [0.97-1.52]

0.90 ±0.12 1.08 ±0.15 1.15 ±0.09 0.026 *

dP/dt 1.15±0.13 0.97±0.09 0.92±0.12 0.002 # 1.07±0.16 0.94±0.15 1.07±0.25 1.14±0.06 0.337

IBI 0.82±0.09 0.79±0.07 0.71±0.08 0.084 0.81 ±0.07 0.82 ±0.08 0.88 ±0.07 0.77 ±0.04 0.076

SD-IBI 0.96±0.27 0.99±0.32 0.86±0.26 0.718 0.94 ±0.31 0.85 ±0.34 1.11 ±0.23 0.83 ±0.16 0.493

rMSSD 0.73±0.23 0.62±0.22 0.45±0.19 0.067 0.70 ±0.32 0.62 ±0.19 0.78±0.23 0.52 ±0.09 0.481

pIBI-50 0.55±0.44 0.27±0.25 0.27±0.33 0.278 0.30 [0.01-2.22] 0.17 [0.04-1.11]

0.58 ±0.50 0.16±0.12 0.423

BRS 0.50±0.16 0.85±0.33 0.50±0.14 0.076 0.67±0.16 0.45 [0.35-2.34]

0.74±0.19 0.39±0.14 0.042 *

LF 1.00 [0.61-3.67]

1.94 ±0.59 2.01 ±1.16 0.476 1.58[ 0.82-8.63] 1.93 ±0.93 2.25±1.10 1.55 ±0.43 0.544

HF 0.57 [0.20-2.22]

0.37 ±0.15 0.47 ±0.33 0.554 0.63 [0.12 2.82] 0.41 [0.38-1.63]

0.56 [0.11-2.43]

0.45 [0.45-0.93]

0.949

LF/HF 2.44 [0.34-15.03]

6.13 ±3.14 6.44 ±4.55 0.316 4.10 ±3.57 3.91 ±2.77 4.47 [0.64-31.5]

3.33 ±2.34 0.990

Abbreviations as in Table 2 In age group [20, 40), by one-way ANOVA test there is significance in Sys (p=0.000), Dia (p=0.000), MAP (p=0.000), CO (p=0.047), SVR (p=0.000), and dP/dt (p=0.002).

# Sys after post-hoc test (Gabriel test) significant difference between control and asympt group (p=0.009), between control and syncopal group (p=0.000).

# Dia after post-hoc test (Gabriel test) significant difference between control and asympt group (p=0.002), between control and syncopal group (p=0.000).

# MAP after post-hoc test (Gabriel test) significant difference between control and asympt group (p=0.003), between control and syncopal group (p=0.000).

# SVR after post-hoc test (Gabriel test) significant difference between control and asympt group (p=0.004), between control and syncopal group (p=0.000).

# dP/dt after post-hoc test (Gabriel test) significant difference between control and asympt group (p=0.043), between control and syncopal group (p=0.003).

* CO after post-hoc test (Gabriel test) no significant difference between two groups. In age group [40, 60), by one-way ANOVA test (or one-way Kruskal-Wallis test) there is significance in Sys (p=0.019), Dia(p=0.004), MAP(p=0.005), SVR (p=0.000), and BRS (p=0.042).

# Dia after post-hoc test (Gabriel test) significant difference between control and asympt group (p=0.006), between asympt and fibr group (p=0.035).

# MAP after post-hoc test (Gabriel test) significant difference between control and asympt group (p=0.005). * SVR after post-hoc test ((t-test/Mann-Whitney test)) significant difference between control and asympt group (p=0.005),

between asympt and Vfib group (p=0.012). (t--test/Mann-Whitney test as post-hoc test p<0.008 as significance).

Page 86: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 5

84

 

Figure 2 A: Histograms of Pdia‐ratios for BrS patients (red bars) and healthy controls (grey bars). To linearize the distribution we computed the 2log of the values. The patients show a bimodal distribution, with a subgroup definitely below 0, indicating a ratio < 1.0, the histogram of healthy controls is unimodal and above zero. B: Histograms of LF/HF for BrS patients and healthy controls. Values have been linearized by 2log‐transformation. The two distrbutions show no obvious differences other than that the patients have lower values. Colors as in Figure2A. 

Page 87: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Autonomic nervous system in Brugada

85

 

Figure 3. Pdia‐ratios as a function of age for BrS patients and healthy controls. Colors as in Figure1. BrS patients with ratios below 1.0 are observed at all ages. Only 2 healthy controls have ratios around the divisor line at Pdia‐ratio = 1.0. 

 

Discussion

This study was set up to test which parameters that evaluate the autonomic nervous system 

can be used to single out those BrS patients who might be more at risk due to abnormality in 

their autonomic control of the circulation. The, as yet unproven, idea being that the patients 

whose numbers deviate most from healthy controls might be those that are most at risk for 

the fatal complications of the disease. Patients describe the odds against them as ‘one strike 

you’re out’ and, although not every tachycardia attack ends in unstoppable VF, there is truth 

in that saying. 

In literature earlier studies have pointed to over‐activity of the parasympathetic system, 

particularly during sleep, as involved in eliciting a fatal attack (2, 7, 10, 13). Our study was 

limited to 2x10 minutes recording during daytime as part of a diagnostic workup. Even in this 

short period a subgroup of patients in the younger group stood out as having a low supine 

LF/HF ratio, as expression of increased parasympathetic activity (Table 2). But in addition the 

Page 88: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 5

86

same subjects exhibited another peculiarity in cardiovascular control: their upright diastolic 

pressure did not rise, even decreased in the upright posture (Table 3, Figures 1‐3). The same 

pattern in upright diastolic pressure regulation was observed in the older group (Table 3, 

Figure 3). The underlying abnormality is an insufficient increase in systemic peripheral 

resistance, as shown in Table 3. Even though the resistance effects were stronger than the 

pressure effects, we chose to emphasize the diastolic pressure effects, as being better suited 

for general praxis: even with a simple sphygmomanometer this can be measured, as long as 

supine and upright pressure are measured taking caution to keep the arm cuff at heart level 

both supine and upright. 

This study confirms earlier observations that showed a decreased sympathetic (cardiac) 

activity in BrS patients (15, 17, 20) and extends it to decreased vasomotor activity. In the 

standing posture sympathetic activity to the resistance vessels must, of necessity, increase to 

maintain sufficient blood pressure at the level of the brain (9, 21). Alternatively, orthostatic 

cardiac output should increase, or at least not decrease as much as it mostly does (6, 19). 

Upregulation of blood pressure is both by way of the systemic baroreflex and the 

‘low‐pressure’‐reflex. The carotid sinus pressure receptors, being above heart level, signal a 

lowering of standing blood pressure and consequently vagal outflow to the heart is 

diminished (HR rises) and inhibition of sympathetic outflow is lessened. The low‐pressure 

receptors in the pulmonary vessels and atria are also less stimulated by the decreased venous 

return, which results in sympathetic activation as well. The present study does not allow a 

further interpretation of the lack of sympathetic outflow in BrS patients. The baroreflex 

sensitivity (BRS) is not changed as shown in Table 2. However, that number just relates to the 

vagal effect on heart rate and is only remotely related to the sympathetic effects on the 

vasculature. Alternatively we should consider an overall decrease in sympathetic drive in BrS 

patients, which might tally with the observed increase in vagal outflow and low LF/HF in the 

supine position (Table 2, Figures 1 and 2B) 

In earlier studies an increased propensity to orthostatic syncope in BrS patients has been 

documented (8, 24). These authors used a classical tilt table test, till actual syncope was 

induced; maximum 45 minutes of standing, followed by sublingual nitroglycerine spray. 

Makita et al.(11) showed a novel SCN5A mutation that gave rise to a Brugada‐type ECG 

combined with frequent neurocardiogenic syncopal attacks. In the broad spectrum of genetic 

diseases that go under the name of Brugada syndrome this underpins the relationship 

between the ECG‐abnormalities and other changes in cardiovascular control. 

Page 89: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Autonomic nervous system in Brugada

87

In a subgroup of BrS‐patients orthostatic blood pressure is maintained at a lower level than in 

control subjects. Question is, if this sign is indicative of them being more at risk than other 

bearers of the syndrome. It might predispose this subgroup to orthostatic syncope; however, 

as yet we do not know if this implies a predisposition to VF’s as well. 

 

Limitations

This study includes only 28 patients, the results should be confirmed in a larger group before 

measurement of the upright/supine Pdia‐ratio may become a standard part of BrS‐workup. 

Moreover, follow‐up studies should show the significance of the present findings: it might 

very well be that the observed alteration in orthostatic blood pressure control is unrelated to 

the risk of VF in BrS‐patients. Finally, when judging orthostatic BP the reference level is of 

paramount importance. Any error in the measurement, as it might be induced by keeping the 

measured finger or arm above or below level of the aortic valves, may result in spurious 

outcomes. Since all investigators involved, both for the control group and the BrS‐patients, 

have been trained by the same instructor (JMK) on how to perform the supine‐stand test, we 

consider this unlikely. 

Conclusions

This study was designed to find indices of ANS activity that may be of use in the risk 

assessment of Brugada patients. We found a subgroup of Brugada patients who have lower 

than normal upright/supine diastolic blood pressure ratios, due to a deficient increase in 

systemic vascular resistance. This points to an alteration in cardiovascular control that may 

add to the well‐known problem of increased vagal outflow, all increasing the risk of a fatal VF. 

This outcome requires follow‐up studies to determine the value of this newly found trait for 

general risk assessment. We used a setting that can easily be copied: 10 minutes supine 

followed by 10 minutes active standing, measure at heart level a number of blood pressure 

values in each posture to compute reliable averages. We consider a Pdia‐ratio lower than 1.0 

indicative of poor cardiovascular control. 

References

1. Antzelevitch C, Brugada P, Borggrefe M, Brugada J, Brugada R, Corrado D, Gussak I, 

LeMarec H, Nademanee K, Perez Riera AR, Shimizu W, Schulze‐Bahr E, Tan H, and Wilde 

Page 90: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 5

88

A. Brugada syndrome: report of the second consensus conference: endorsed by the 

Heart Rhythm Society and the European Heart Rhythm Association. Circulation 111: 

659‐670, 2005. 

2. Brugada J, Brugada P, and Brugada R. The syndrome of right bundle branch block ST 

segment elevation in V1 to V3 and sudden death—the Brugada syndrome Europace 1: 

156‐166, 1999. 

3. Brugada P and Brugada J. Right bundle branch block, persistent ST segment elevation and 

sudden cardiac death: A distinct clinical and electrocardiographic syndrome: A 

multicenter report. J Am Coll Cardiol 20: 1391‐1396, 1992. 

4. deBoer RW, Karemaker JM, and Strackee J. Hemodynamic fluctuations and baroreflex 

sensitivity in humans: a beat‐to‐beat model. Am J Physiol ‐ Heart C 253: H680‐H689, 

1987. 

5. Jordan J, Shannon JR, Diedrich A, Black B, Costa F, Robertson D, and Biaggioni I. 

Interaction of Carbon Dioxide and Sympathetic Nervous System Activity in the 

Regulation of Cerebral Perfusion in Humans. Hypertension 36: 383‐388, 2000. 

6. Kety SS and Schmidt CF. The effects of active and passive hyperventilation on cerebral 

blood flow, cerebral oxygen consumption, cardiac output, and blood pressure of normal 

young men. J Clin Invest 25: 107‐119, 1946. 

7. Krittayaphong R, Veerakul G, Nademanee K, and Kangkagate C. Heart rate variability in 

patients with Brugada syndrome in Thailand. Eur Heart J 24: 1771‐1778, 2003. 

8. Letsas KP, Efremidis M, Gavrielatos G, Filippatos GS, Sideris A, Kardaras F. Neurally 

Mediated Susceptibility in Individuals with Brugada‐Type ECG Pattern. Pacing Clin 

Electrophysiol 31: 418‐421, 2008. 

9. Levine BD, Giller CA, Lane LD, Buckey JC, and Blomqvist CG. Cerebral versus systemic 

hemodynamics during graded orthostatic stress in humans. Circulation 90: 298‐306, 

1994. 

10. Macedo PG, Brugada J, Leinveber P, Benito B, Molina I, Sert‐Kuniyoshi F, Adachi T, 

Bukartyk J, van der Walt C, Konecny T, Maharaj S, Kara T, Montserrat J, and Somers V. 

Sleep‐Disordered Breathing in Patients With the Brugada Syndrome. Am J Cardiol 107: 

709‐713, 2011. 

11. Makita N, Sumitomo N, Watanabe I, and Tsutsui H. Novel SCN5A mutation (Q55X) 

associated with age‐dependent expression of Brugada syndrome presenting as neurally 

mediated syncope. Heart Rhythm 4: 516‐519, 2007. 

12. Martini B, Nava A, Thiene G, Buja GF, Canciani B, Scognamiglio R, Daliento L, and Dalla VS. 

Ventricular fibrillation without apparent heart disease: description of six cases. Am Heart 

J 118: 1203‐1209, 1989. 

13. Matsuo K, Kurita T, Inagaki M, Kakishita M, Aihara N, Shimizu W, Taguchi A, Suyama K, 

Kamakura S, and Shimomura K. The circadian pattern of the development of ventricular 

fibrillation in patients with Brugada syndrome. Eur Heart J 20: 465‐470, 1999. 

Page 91: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Autonomic nervous system in Brugada

89

14. Mizumaki K, Fujiki A, Tsuneda T, Sakabe M, Nishida K, Sugao M, and Inoue H. Vagal 

activity modulates spontaneous augmentation of ST elevation in the daily life of patients 

with Brugada syndrome. J Cardiovasc Electr 15: 667‐673, 2004. 

15. Nakazawa K, Sakurai T, Takagi A, Kishi R, Osada K, Nanke T, Miyake F, Matsumoto N, and 

Kobayashi S. Autonomic imbalance as a property of symptomatic Brugada syndrome. 

Circ J 67: 511‐514, 2003. 

16. Nomura M, Nada T, Endo J, Kondo Y, Yukinaka M, Saito K, Ito S, Mori H, Nakaya Y, and 

Shinomiya H. Brugada syndrome associated with an autonomic disorder. Heart 80: 

194‐196, 1998. 

17. Paul M, Meyborg M, Boknik P, Gergs U, Schmitz W, Breithardt G, Wichter T, and 

Neumann J. Autonomic dysfunction in patients with Brugada syndrome: further 

biochemical evidence of altered signaling pathways. Pacing Clin Electrophysiol: PACE 34: 

1147, 2011. 

18. Sarkozy A, Boussy T, Kourgiannides G, Chierchia GB, Richter S, De Potter T, Geelen P, 

Wellens F, Dingena Spreeuwenberg M, and Brugada P. Long‐term follow‐up of primary 

prophylactic implanTable cardioverter‐defibrillator therapy in Brugada syndrome. Eur 

Heart J 28: 334‐344, 2007. 

19. Sprangers RL, Wesseling KH, Imholz AL, Imholz BP, and Wieling W. Initial blood pressure 

fall on stand up and exercise explained by changes in total peripheral resistance. J Appl 

Physiol 70: 523‐530, 1991. 

20. Take Y, Morita H, Toh N, Nishii N, Nagase S, Nakamura K, Kusano KF, Ohe T, and Ito H. 

Identification of high‐risk syncope related to ventricular fibrillation in patients with 

Brugada syndrome. Heart Rhythm 9: 752‐759, 2012. 

21. Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of 

Pacing and Electrophysiology. Heart rate variability: standards of measurement, 

physiological interpretation and clinical use. Circulation 93: 1043‐1065, 1996. 

22. Wichter T, Matheja P, Eckardt L, Kies P, Schafers K, Schulze‐Bahr E, Haverkamp W, 

Borggrefe M, Schober O, Breithardt G, and Schafers M. Cardiac autonomic dysfunction in 

Brugada syndrome. Circulation 105: 702‐706, 2002. 

23. Yan GX and Antzelevitch C. Cellular basis for the electrocardiographic J wave. Circulation 

93: 372‐379, 1996. 

24. Yokokawa M, Okamura H, Noda T, Satomi K, Suyama K, Kurita T, Aihara N, Kamakura S, 

and Shimizu W. Neurally mediated syncope as a cause of syncope in patients with 

Brugada electrocardiogram. J Cardiovasc Electr 21: 186, 2010. 

Page 92: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.
Page 93: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

91

Chapter6 DynamicsofPulsePressureVariabilityandtheDifficultyofPredictingFluidResponsiveness. 

Yanru Zhang and John M. Karemaker 

 

(to be submitted) 

 

Page 94: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 6

92

Abstract

Background: In the intensive care setting intravenous fluid is often administered to prevent 

or correct hypotension. However, not all patients will respond favourably to a fluid load. 

Measurement of respiration induced pulse pressure variability (PPV) is currently under study 

as method to predict ‘fluid responsiveness’ (FR). In this study we tested PPV as predictor for 

FR in healthy (awake) test subjects and compared their responses to a computer model of the 

circulation. We expected that PPV in the test subjects would poorly correlate to the obtained 

increase in cardiac output (CO) due to spontaneous variability in PPV and circulatory control, 

and in the model the correlation would be almost perfect. 

Methods and results: We re‐analyzed recordings in 6 healthy test subjects from an earlier 

study where they had received ~ 1.5 l of saline infusion in 20 minutes as part of a space 

mission simulation (HDT’88). We performed spectral analysis of pulse pressure and of PPV. 

Both showed a large contribution of VLF and LF variability to total variance. Due to the 

deviant results in one test subject, average PPV measured over 5 minutes correlated poorly 

to the obtained increase in CO. The computer model behaved well in this respect, even better 

when autonomic outflow was diminished as simulation of sedation or anesthesia. 

Conclusions: PPV is a complex measure when used in awake subjects. It shows large 

moment‐to‐moment variability due to low‐frequency oscillations in the cardiovascular and 

respiratory control systems. Its capacity to predict volume responsiveness, or use in 

automated systems for fluid loading, is restricted to stable, heavily sedated or anesthetized 

and ventilated patients. In those cases the circulation reduces to the simple textbook 

situation. 

Page 95: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Pulse pressure variability and fluid responsiveness

93

Introduction

The teachings of many great physiologists have shaped our understanding of the circulation. 

Notably the work of Arthur Guyton (1919 – 2003), by his experimental work and computer 

modeling (6, 14, 15, 17, 18), and in particular by his influential textbook since 1956 (16), is 

still the basis for many of today’s clinical interventions. He stressed the importance of venous 

return, central venous pressure and mean circulatory filling pressure to understand what 

made the circulation go round (19, 20). In that light, it came as a surprise that static data like 

right atrial pressure do not help much to guide volume infusion in the case of a failing 

circulation (22, 25). Intravenous volume, if correctly given to critically ill patients will improve 

ventricular function and survival rate after surgery (13, 28). However, overfilling may put the 

lungs, heart and other organs at risk (3, 34). 

Over the last 20 years, attention has shifted to dynamic parameters derived from continuous 

arterial blood pressure like pulse pressure and stroke volume variation (PPV and SVV) as 

better predictors of volume responsiveness. These variations are measured over the course 

of one or more respiratory cycles, working on the assumption that PPV and SVV bring the 

mechanical effect of respiration on ventricular filling to light, thereby answering the question 

whether there is room for increased diastolic filling to improve cardiac function. However, in 

view of the multitude of supervening regulatory mechanisms and real world ‘noise’, these 

measures have shown to be applicable only in sedated patients on mechanical ventilation (25, 

26). Under those circumstances, many of the normal influences are no longer at work, or at 

least are much less prominent. 

We undertook the present study to first, test the dynamic properties of PPV in spontaneously 

breathing, awake, healthy test subjects who received a massive, quick infusion of saline. Next, 

we used a computer model of the (regulated) circulatory system, to simulate these same 

events in the ‘awake’ condition of the model. Then we purposely reduced the effectiveness 

of the models’ autonomic nervous outflow, to simulate the condition of a sedated or 

anesthetized patient. The computer model, by design, has just as much ‘noise’ as the scientist 

allows it to have. Our hypothesis was that the model (like the patient under anesthesia) 

allows using PPV as an accurate probe of cardiac function, while in the real world, in awake 

subjects, normal variability virtually precludes this. 

For these purposes we re‐analyzed continuous blood pressure recordings from 6 healthy 

(male) test subjects who had received a large infusion of saline in a short period of time in the 

Page 96: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 6

94

setting of a space‐mission simulation study (HDT’88, (2)). Next, we adapted our earlier 

developed computer model of the circulation(39) to simulate the effects of this same volume 

infusion, with and without preceding volume loss, both in the ‘awake’ and ‘sedated’ 

condition. 

 

Methodsandtestsubjects

Experimentsinhealthytestsubjects.

We used recordings from a space‐mission simulation study that has been conducted in 1988 

in the DLR‐Institute of Cologne, Germany (HDT’88) and has extensively been published 

elsewhere (2). In short, six young (21‐34 yrs) male, healthy subjects went through a 16 days 

baseline period, 10 days 6º head‐down tilted space simulation and 7 days recovery. During 

those periods a number of interventions were repeatedly applied to test the condition of the 

cardiovascular and fluid regulatory systems, of which the most important for the present 

paper is an infusion of saline (22 ml/kg over 20 minutes) (11, 21). The DLR Institutional 

Research Review Committee had approved the study and all subjects participated after 

written, informed consent. The senior author of the present paper (JMK) participated as one 

of the PI’s in that study; together with his co‐worker at the time, D.J. ten Harkel, they 

recorded non‐invasive Finapres® continuous finger blood pressure during all experimental 

interventions (36, 37). The digital records of beat‐by‐beat systolic, diastolic and mean blood 

pressure and heart rate have been kept on file and were re‐analyzed here. Cardiac output 

measurements were made by way of the foreign gas rebreathing method, carried out by Drs. 

H. Schulz and A. Hillebrecht (11, 21) who had made the results of their measurements 

available to us.   

 

Analysis of blood pressure tracings: after visual inspection of the records for outliers and 

artifacts, we chose suitable periods of some 5 minutes baseline recording before the main 

intervention and 5 minutes at the peak of the intervention for spectral analysis of PPV. PPV 

was measured as:   

100*(maximal pulse pressure – minimal pulse pressure)/(average pulse pressure)   

in a sliding window, covering a period of 10 heartbeats (cf. appendix ). 

Page 97: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Pulse pressure variability and fluid responsiveness

95

Power spectral density curves were computed using the spectral techniques as described in 

(7, 43) and sampled in the usual frequency bands as proposed by the Task Force (10): very 

low frequency‐VLF (0.003‐0.04 Hz), low frequency LF (0.04‐0.15 Hz) and high frequency or HF 

(0.15‐0.4 Hz). The latter is broadly ascribed to respiratory variability. 

Modeldescription

The computer model is an extension of the circulation models to simulate the effects of 

gravity by van Heusden et al (39), and the model to simulate cardiopulmonary resuscitation 

by Babbs (1) and adapted in Zhang and Karemaker (44). In short, the circulation model 

includes four heart chambers, the systemic and pulmonary circulations. In the systemic 

circulation, the thoracic aorta feeds the arteries to the upper body, kidneys, intestines, liver, 

and lower body. The upper body returns its blood to the superior vena cava (SVC), the organs 

below heart level return it to the abdominal vena cava (AVC), the intestinal venous outflow 

via the liver. Both venous flows join in the right atrium, where the systemic circulation ends 

and the pulmonary circulation starts. The whole circulation model includes 15 compartments; 

the basic unit is a compliance in series with a resistance. Blood pressure in the model has 

(baroreflex driven) ANS control to influence heart rate, cardiac contractility, vascular 

compliances and unstressed volumes and systemic vascular resistance. The respiration effect 

that we added here is simulated as a varying pleural pressure that influences intrathoracic 

pressure, as in Figure 1. All organs in the thorax undergo this pleural pressure, with negligible 

effect on the ones with relatively stiff walls, i.e. the left ventricle, thoracic aorta, right 

ventricle during systole and pulmonary artery during systole. The model can be fitted to 

individual data by inputting a specific subjects’ information, including height, weight, (resting, 

supine) HR, blood pressure etc. 

 

Figure 1. Pleural pressure is added as voltage source into unit of intrathoracic organs that is elastic: right atrium, right ventricle during diastole, pulmonary veins, pulmonary arteries during diastole, left atrium. 

Page 98: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 6

96

PPVaffectedbyanesthesia,volumeloss&infusion

During surgery patients will often be under general anesthesia or at least sedated. 

Consequently, both sympathetic and parasympathetic activity are lowered or even have 

completely ceased. The model simulates this condition by an extra gain factor in the (mainly 

baroreflex driven) output of the autonomic nervous system (ANS) between zero and one. A 

gain of one implies normal ANS‐output of the baroreflex, the patient is conscious; at a gain of 

zero, ANS activity has totally stopped; at gains between zero and one different levels of 

sedation or anesthesia are present. 

The model simulates volume loss by connecting a ‘bleeding’ branch in the arterial 

compartment as in Figure 2A, which is uncoupled when the lost volume reaches its preset 

value. Volume infusion is simulated by connecting a current source to the right atrium as in 

Figure2B until the preset infusion value is reached. 

 

Figure 2 A: Volume loss is simulated as a low resistance branch, which connects the arterial 

compartment to ground (0 V); the value of the resistance sets the amount of current that will flow 

when the switch is closed; B: Volume infusion is simulated as a low resistance branch, which connects in 

the same fashion a high pressure (voltage) source to the right atrium. 

Page 99: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Pulse pressure variability and fluid responsiveness

97

Modeling&simulation

We used the model to simulate the following situations:   

First simulation series:   

1. subject supine, in awake, stable condition, then a volume of 500 ml of ‘whole blood’ is 

infused. The model does not have an interstitial fluid compartment, only an effective 

circulating volume, therefore this infusion of ~ 10% of circulating volume is comparable 

to the 1.6 l saline that was infused in the test subjects. Saline will distribute over the 

entire extracellular fluid volume. 

2. same as the first simulation, but a volume loss of 500ml is induced, followed by the 

volume infusion of 500ml 

Second simulation series: 

1. subject under anesthesia, volume infusion of 500 ml, subject wakes up. 

2. Subject under anesthesia, loss of 500ml, variable infusion volumes of 500 ml and more, 

subject wakes up.   

Page 100: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 6

98

Results

Infusionexperimentsintestsubjects.We restricted our analysis to the second infusion test in the pre‐head down tilt period. The 

subjects had already undergone one such test, so they knew what was coming. One 

exception here: the rebreathing data for the second control period infusion of test subject 

P24 have been lost, for him we had to take the first test. To prevent the additional challenge 

of acute head down tilting, subjects were in the horizontal, supine position, which is more 

comparable to the clinical situation. Figure 3 shows an example from the resting control 

period before the second infusion test in subject P24. The recording shows beat‐by‐beat 

values of systolic and diastolic blood pressure, heart rate and, in panel B, pulse pressure and 

pulse pressure variability. Pulse pressure is showing conspicuous very‐low‐frequency 

oscillations one minute apart that appear exaggerated in pulse pressure variability. Moreover, 

small variations in amplitude of the respiratory oscillations in pulse pressure appear as 

low‐frequency oscillations at around 5/min in PPV. This property of the PPV‐algorithm is 

shown in Figure 4 for all subjects: the bars denote the relative amounts of VLF, LF and HF, 

both for pulse pressure (Figure4A) and PPV (Figure4B). Obviously there is still some power 

left in the respiratory band of PPV, however, this should be considered ‘noise’ from looking at 

the spectral curves – no clear peaks remain visible in PPV‐spectra, although respiratory peaks 

are, of course, very prominent in the spectra of pulse pressure. About 50% of PPV‐variability 

in all subjects is accounted for by VLF. 

Figure 3 A stretch of recording from the 

resting period before infusion (#2) in P24. A: 

systolic and diastolic pressures (red bar and 

lines), blue line: HR. B: Pulse pressure (red 

line), Pulse pressure variability (blue line). 

Page 101: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Pulse pressure variability and fluid responsiveness

99

 

 

Figure 4 Relative amounts of VLF, LF and HF in % of total variability in the control period before infusion. A: Pulse pressure, B: Pulse pressure variability. 

Table 1 summarizes the results of the infusion experiments and Figure 5 shows cardiac 

output as function of PPV in the control period. It should be noted that the infusions were on 

average 1.6 litres in 20 minutes (22 ml/kg) as opposed to the usual clinical fluid challenge of 

500 ml (9, 27, 32, 35, 38). This PPV has been measured over a longer control period than that 

shown in Figure 3, which resulted in a more stable estimate of average PPV. In spite of the 

large infusion volume, the CO increase in 4 test subjects is less than what is usually required 

to call a subject ‘volume responsive’ i.e. less than 15% (24). These 4 have a supine PPV of less 

than 9%. One exception, though: subject P29 with low PPV (8.6%) reacted with a CO‐increase 

of 46%. Subject P25 with a PPV of 11.8% scored 29% increase. Remarkably, PPV –on average‐ 

only diminished from 8.5% pre‐infusion to 7.7% post. Pulse pressure, on average, did not 

change. 

Page 102: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 6

100

Table 1. Results of infusion experiments; test subjects & model simulation 

control period end of infusion

Subject PPV CO MAP SVR PPV CO MAP SVR

(%) (l/min) (mmHg) (m.u.) (%) (l/min) (mmHg) (m.u.)

P24 8.3 7.72 100.6 0.78 7.7 8.43 107.0 0.76

P25 11.8 6.82 68.2 0.60 11.0 8.82 70.7 0.48

P26 6.7 7.99 72.7 0.55 8.4 8.96 68.2 0.46

P27 6.9 7.45 80.5 0.65 5.0 7.81 80.9 0.62

P28 8.6 7.50 74.4 0.60 7.3 8.43 73.7 0.52

P29 8.6 4.65 73.4 0.95 6.9 6.79 76.1 0.67

Average 8.5 7.02 78.3 0.69 7.7 8.20 79.4 0.59

Model

Awake 11.1 6.80 101.3 0.89 6.3 7.37 91.1 0.74

Sedated 16.5 6.75 86.3 0.77 8.6 7.95 87.3 0.66

Values after infusion as % of control:

CO MAP SVR

P24 109 106 97

P25 129 104 80

P26 112 94 84

P27 105 100 96

P28 112 99 88

P29 146 104 71

Average 119 101 86

Model

Awake 108 90 83

Sedated 118 101 86

MAP = mean arterial pressure, measured from Finapres finger pressure. m.u. = medical units, 

i.e. mmHg/(ml/sec). 

Page 103: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Pulse pressure variability and fluid responsiveness

101

 

Figure 5 CO after infusion as % of control value, as function of the pulse pressure variability in the 

control period. Squares denote test subjects in the study, round symbols results from simulation 

experiments as described in the text. 

 

The infusions did not raise blood pressure much: between + and ‐6% as shown in Table 1. The 

remainder of the CO‐increase was, consequently, accounted for by a fall in systemic vascular 

resistance (SVR). This was particularly large in subject P29 with the 46% increase in CO: he 

had a 39% drop in SVR (and only 4% rise in mean BP). This test subject has low resting CO and 

high SVR compared to the other subjects anyway, as shown in the table. This pattern was the 

same in the other saline infusion tests, in the earlier one in the control phase, as well as the 

HDT‐ and the recovery phase.   

Page 104: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 6

102

Modelingexperiments

Firstsimulationseries:modelinthe‘awake’condition

1. volumeinfusion:500ml(Figure6)The model had been fitted, first, to the supine resting data of a healthy, male subject. After 

initial stabilization a volume expansion was started at t=300 s, completing the set 500 ml in 

about 50 s. The model shows a drop in HR and MAP but an increase in pulse pressure, PPV is 

almost halved. The model data have been entered in Table 1 and Figure 5 to be compared 

with the healthy subjects. It shows that the model response is slightly different from the 

subjects: it has higher resting PPV at a low increase in CO due to infusion.   

Page 105: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Pulse pressure variability and fluid responsiveness

103

 

Figure 6 Simulation of volume expansion in a healthy subject. At t = 300 s an infusion is started which ends after ~ 50 s at a volume of 500ml as indicated in panel B. From above down: Beat to beat aortic blood pressure (A), heart rate (B), pulse pressure (C) and pulse pressure variability (D).

Page 106: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 6

104

2. volumelossof500ml,followedbyinfusionof500ml(Figure7)At t=200 s the model loses 500 ml in 20 s. At t=300 s this volume is repleted as in the previous 

case. The figure shows that PPV roughly doubles at a decreased pulse pressure after volume 

loss. After re‐infusion the baseline is restored. 

Page 107: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Pulse pressure variability and fluid responsiveness

105

 

Figure 7 Simulation of the same subject as in Figure 6. At t = 200 s a volume of 500ml is lost within 20 s, 

at t = 300 s this is repleted as indicated in panel B. From above down: Beat to beat aortic blood 

pressure (A), heart rate (B), pulse pressure (C) and pulse pressure variability (D).   

Page 108: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 6

106

Secondsimulationseries:modelinthe‘anesthetized’condition

1. volumeinfusion:500ml,subjectwakesup(Figure8)For the simulation of autonomic effects by anesthesia we assumed vagal and sympathetic 

activity to drop to ¼ of the normal, awake condition. In Figure 8 anesthesia is started at 

t=100 s, (models may have a new condition within seconds or less): BP drops and PPV is 

immediately increased compared to baseline. At t=300 s an infusion is started, totalling a 

volume of 500 ml in about 50 s. Awakening is at t=500 s. When the autonomic outflow is 

altered by the anesthesia, the model behaves differently: now the hypervolemia does no 

longer lead to a decrease in MAP, systolic pressure is not defended by the vagal baroreflex as 

it was in the awake state. Obviously, after anesthesia the final condition is equal to that of 

Figure 6. We have entered the values for the anesthetized model in table 1 and Figure 5 as 

well. Comparison with the test subject values now shows a more ‘normal’ reaction to volume 

infusion: MAP does not decrease, systolic pressure is not as heavily defended by the vagal 

baroreflex as it was before, in the ‘awake’ model. Still, the values for the model are shifted to 

higher values of PPV than those for the test subjects. 

Page 109: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Pulse pressure variability and fluid responsiveness

107

 

Figure 8 Simulation of the same subject as in Figure 6. At t = 100 s anesthesia is instituted by 

diminishing autonomic outflow to 0.25 of the normal value. At t = 300 s an infusion of 500 ml is given 

as in Figure 6. Anesthesia is stopped at t = 500 s. The interventions are indicated in panel B. 

From above down: Beat to beat aortic blood pressure (A), heart rate (B), pulse pressure (C) and pulse 

pressure variability (D).   

Page 110: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 6

108

2. volumelossof500ml,infusion:500ml,subjectwakesup(Figure9)At t=200 s the volume loss starts, stopping after 10 s, when 500 ml has been lost. After an 

initial jump PPV follows the slow compensation that is set in by the (crippled) sympathetic 

nervous system, however, the earlier level is never reached. After the 500 ml (whole blood) 

volume expansion that started at t=300 s and completes within ~ 50 s, BP, HR and PPV get 

back to their levels before volume loss (the first 100‐200 s). At t=500 s the subject is back to 

consciousness; first BP shows an overshoot, then pressure settles back to baseline (0‐100 s), 

all values return to normal. 

In this simulation PPV seems a good reflection of cardiac preload, or volume status.   

Page 111: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Pulse pressure variability and fluid responsiveness

109

 

Figure 9 Simulation of same subject as in Figure 6. Anesthesia at t = 100 s as in Figure 8; at t = 200 s a 

volume of 500 ml is lost and repleted at t = 300 s as in Figure 7. The interventions are indicated in panel 

B. From above down: Beat to beat aortic blood pressure (A), heart rate (B), pulse pressure (C) and pulse 

pressure variability (D). 

Page 112: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 6

110

 

3. volumelossof500ml;infusion:1500ml,subjectwakesup(Figure10)In this simulation, obviously, the circulation became overfilled. When we followed PPV as 

probe for volume status, infusion could have been stopped at the moment that the 

pre‐bleeding value of PPV had been reached. Stressing the outcome shown in Figure 10, 

where PPV reaches the earlier value at the time when the volume loss had been 

compensated by the infusion (at the arrow in panel D of Fig.10). When the infusion continues 

beyond that level, PPV drops further, BP starts to rise above pre‐bleeding values and right 

atrial pressures and pulmonary pressures rise as well, sometimes to unwanted high pressures. 

After return from anesthesia in an overfilled state, of course, BP overshoots to higher than 

normal values. This pattern is dramatically shown here, where the infusion only was stopped 

when a volume of 1500 ml had been reached. Since the infusions in the model were by 

‘whole blood’ rather than by saline, the simulation had a tendency to run out of normal 

boundaries at the high infusion values. 

Page 113: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Pulse pressure variability and fluid responsiveness

111

 

Figure 10 Simulation of same subject as in Figure 6. Anesthesia at t = 100 s as in Figure 8; at t = 200 s a 

volume of 500 ml is lost and at t = 300 s an infusion is started, stopping at 1500 ml after 150 s. 

Anesthesia is stopped at t = 500 s. The interventions are indicated in panel B. The arrow in panel D 

points to the moment where the pre‐bleeding PPV is reached again. From above down: Beat to beat 

aortic blood pressure (A), heart rate (B), pulse pressure (C) and pulse pressure variability (D). 

Page 114: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 6

112

Discussion

“Don’t fuss, just fill” or paraphrases of this corollary have been taught to generations of ICU 

clinicians. However, the side effects of filling more than necessary became also well‐known 

by recent studies inspired by Evidence Based Medicine: slower wound healing, danger of 

pulmonary edema, longer duration of hospital admission (4, 23, 29, 34). These newer insights 

made a strategy for optimal volume control necessary. In that vein, measurement of pulse 

pressure variation has been cheered as the new wonder of ingenuity and has been the source 

of disappointment (5). The present study was undertaken to test if PPV predicted volume 

response in awake subjects receiving a large amount of intravenous saline within a short 

period. Furthermore, our computer model of the circulation was put into action to mimic the 

use of PPV in sedated, ventilated patients, where its use in automated infusion has been 

proposed (31). The volumes of the respective infusions (test subjects/computer model) may 

not be directly compared: saline has a much larger distribution volume than whole blood: in 

the HDT’88 study haematocrit by the 1.6 l infusion was lowered by about 10% at the 

completion of infusion, to return back to normal values in about 2 hours post‐infusion (33). 

‘Infusion’ of whole blood into the model of 1500 ml brought it to its boundaries of normal 

operation. 

Optimal cardiac performance has often been judged by the cardiac output value, since that 

should deliver the required oxygen at an appropriate pressure to the periphery. From the 

Frank‐Starling curve we know that increased diastolic filling only works up to a maximum, 

beyond which no more gain can be expected. Logically speaking that maximum is reached 

when respiratory variations in filling no longer lead to changes in stroke volume and thus to 

changes in pulse pressure. However, in the awake subject the relation between total 

circulating volume and cardiac performance is subject to many influences of which filling of 

the ventricle is only one. The autonomic nervous system influences cardiac inotropy, thereby 

ejection fraction and speed of ejection, to name but a few of the factors that co‐determine 

pulse pressure. The fact that about 50% of variability in PPV in the test subjects is found in 

VLF (cf. Figure4B) underpins this and points to an important involvement of the sympathetic 

nervous system and possibly slower, hormonal regulations. Earlier, Virtanen and co‐workers 

(41) have studied beat‐to‐beat oscillations in pulse pressure and concluded that several 

mechanisms contribute to its LF variability, among which serum insulin levels. 

Even though the subjects in this study received roughly the triple amount of a normal fluid 

challenge (around 1.6 l instead of 0.5 l) they did not react with more CO‐increase than what 

Page 115: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Pulse pressure variability and fluid responsiveness

113

could be expected if we look at their pre‐infusion PPV (Table 1, Figure 5); 4 out of 5 had PPV’s 

below 9% and reacted with less than 15% increase in CO. However, the numbers that have 

been established for patients under anesthesia have not been validated in awake subjects. 

Apart from the one subject who had 46% increase in CO, the others showed an almost linear 

relationship between PPV and CO‐increase (Figure 5). 

A reason why the values for PPV that we calculated here might deviate from those in the 

literature is the fact that we used ‘raw’ finger blood pressure values from an early research 

version of the Finapres (TNO‐BMI’s model 5, a forerunner of later space‐qualified versions 

and Ohmeda’s 2300 blood pressure monitor). In the Finapres® technique continuous blood 

pressure is measured in the finger arteries. Since those are very small, peripheral arteries, 

one may expect sharp, peaking systolic pressures, compared to more central pressure 

recordings. In young subjects one may observe a finger pulse amplification by a factor of 1.5 

compared to more central pressures (upper arm, aorta) (42). Elaborations of the technique of 

continuously measured non‐invasive finger pressure make use of later research on pulse 

wave transmission along the lower arm and hand (12) applying that knowledge to estimate 

upper arm pressure, rather than giving the difficult‐to‐interpret finger pressure (this 

algorithm is used in the newer Nexfin® device, presently marketed by Edwards Lifesciences 

Corp.). A higher systolic and lower –peripheral‐ diastolic value leads to higher pulse pressures. 

Since PPV is measured as percentage of pulse pressure, one may well suppose that the 

numbers from the present study are on the low side. If one would apply this knowledge to 

the data points in Figure 5, the differences between measurements in the test subjects and 

those in the model would become less or might even disappear. 

As shown in Figure 4 the contribution of very low‐ and low‐frequency variability in PPV is 

considerable. This necessitates a sufficiently long stable period of blood pressure to find a 

reliable value of PPV in awake subjects. It is insufficient to just measure a few respiratory 

cycles and calculate the average, as it might be done in sedated or anesthetized patients (27, 

30). Figs. 3B and 4 underline this dependency of PPV on oscillations slower than respiration. 

This finding has consequences for the treatment of patients in the pre‐operative stage: 

judging the – later to be expected – volume responsiveness before induction of anesthesia 

should not rely on a short‐lasting measurement of supine PPV. When in doubt, an actual 

test‐fluid challenge should be given, as advocated by (40). 

Page 116: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 6

114

Our modeling also shows that PPV under conditions of low autonomic activity might be useful 

in an automated infusion control system (31). Since the model is very ‘Guytonian’ in nature 

this makes sense: Here PPV is mainly the consequence of variations in cardiac filling. 

Conclusions

We have shown in this study that PPV is a complex measure when used in awake subjects. It 

shows large moment‐to‐moment variability due to low‐frequency oscillations in the 

cardiovascular and respiratory control systems. Its capacity to predict volume responsiveness, 

or use in automated systems for fluid loading, is restricted to stable, heavily sedated or 

anesthetized and ventilated patients. In those cases the circulation reduces to the simple 

textbook situation, where cardiac output and its variations are determined by only the basic 

factors: cardiac filling, cardiac function and systemic vascular resistance. 

Page 117: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Pulse pressure variability and fluid responsiveness

115

Appendix:howtocomputePPV

The optimal way to compute respiratory‐related PPV is, of course, to record the variations 

from begin‐ to end‐expiration. This requires either a respiration signal to synchronize the 

detection or intricate algorithms to trace variations in the pulse pressure signal that might be 

attributed to respiration. To circumvent those problems often an approximation formula is 

used as follows: 

(PPmax – PPmin)/[(PPmax + PPmin)/2]   

or, alternatively:   

(PPmax – PPmin)/(PPavg) 

Where   

PPmax = maximal pulse pressure in the sampling period 

PPmin = minimal pulse pressure in the sampling period 

PPavg = average pulse pressure over the sampling period 

All measured either over one or more defined respiratory periods or over a fixed number of 

heart beats or period of time. 

In view of the practical applicability we chose to use the second formula over a fixed number 

of heart beats. To find the optimal number of beats, we ran a simulation of a simplified 

beat‐to‐beat circulation model of cardiac control (8, 43) where we added various respiratory 

frequencies to the pulse pressure. Due to the presence of sympathetic baroreflex driven 

feedback the model would show low frequency variability as well as the respiratory 

frequency. 

The result of these simulations is shown in Figure 12. It shows the normalized, computed PPV 

as percentage of what it should have been, as a function of sampling period and for various 

respiration intervals, from 3 seconds up to 15 seconds (20/min to 4/min). 

As to be expected, the shorter the sampling interval, the lower the amount of variability that 

is caught by the algorithm: it does not span the whole respiratory cycle. However, when the 

sampling period gets longer the algorithm will catch more of the low frequency variability and 

thereby overestimate the actual PPV. 

From Figure 11 we concluded that the optimal sampling period for the prevailing respiratory 

rates would be around 10 seconds, or 10 heart beats if HR is not too high. Longer periods 

result in overestimation, shorter in underestimation of actual PPV. 

Page 118: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 6

116

 

Figure 11. Theoretical result of PPV‐measurement as function of sampling period and respiratory period. 

Ordinate gives the % result of what should have been measured, given the sampling period (abscissa). 

Curves have been computed for respiratory periods of 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12 and 15 seconds, as 

indicated by the arrow (3s → 15s). The optimal value is found when sampling period and respiratory 

period are equal. 

 

Page 119: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Pulse pressure variability and fluid responsiveness

117

References1.  Babbs CF. Effects of an impedance threshold valve upon hemodynamics in Standard CPR: 

studies in a refined computational model. Resuscitation 66: 335‐345, 2005. 

2.  Head‐down tilt bedrest. HDT’88 – an international collaborative effort in integrated 

systems physiology. Acta Physiol Scand Suppl 604: 144, 1992. Guest editor: B. Saltin. Publ. 

Committee: Baisch F, Beck L, Blomqvist GC, and Karemaker JM. 

3.  Bendjelid K and Romand JA. Fluid responsiveness in mechanically ventilated patients: a 

review of indices used in intensive care. Intensive Care Med 29: 352‐360, 2003. 

4.  Brandstrup B, Tonnesen H, Beier‐Holgersen R, Hjortso E, Ording H, Lindorff‐Larsen K, 

Rasmussen MS, Lanng C, Wallin L, Iversen LH, Gramkow CS, Okholm M, Blemmer T, 

Svendsen PE, Rottensten HH, Thage B, Riis J, Jeppesen IS, Teilum D, Christensen AM, 

Graungaard B, Pott F, and Danish Study Group on Perioperative Fluid T. Effects of 

intravenous fluid restriction on postoperative complications: comparison of two 

perioperative fluid regimens: a randomized assessor‐blinded multicenter trial. Ann Surg 

238: 641‐648, 2003. 

5.  Camporota L, Terblanche M, and Bennett D. Year in review 2007: Critical Care‐cardiology. 

Crit care 12: 232, 2008. 

6.  Cowley AW, Jr., Liard JF, and Guyton AC. Role of baroreceptor reflex in daily control of 

arterial blood pressure and other variables in dogs. Circ Res 32: 564‐576, 1973. 

7.  DeBoer RW, Karemaker JM, and Strackee J. Comparing spectra of a series of point events 

particularly for heart rate variability data. IEEE Trans Biomed Eng 31: 384‐387, 1984. 

8.  DeBoer RW, Karemaker JM, and Strackee J. Hemodynamic fluctuations and baroreflex 

sensitivity in humans: a beat‐to‐beat model. Am J Physiol 253: H680‐689, 1987. 

9.  Diebel LN, Wilson RF, Tagett MG, and Kline RA. End‐diastolic volume. A better indicator 

of preload in the critically ill. Arch Surg 127: 817‐821; discussion 821‐812, 1992. 

10.  Task Force of the European Society of Cardiology, and the North American Society of 

Pacing and Electrophysiology. Heart rate variability: standards of measurement, 

physiological interpretation and clinical use. Circulation 93: 1043‐1065, 1996. 

11.  Gaffney F, Buckey J, Lane L, Hillebrecht A, Schulz H, Meyer M, Baisch F, Beck L, Heer M, 

and Maass H. The effects of a 10‐day period of head‐down tilt on the cardiovascular 

responses to intravenous saline loading. Acta Physiol Scand    Suppl 604: 121‐130, 1992. 

12.  Gizdulich P, Imholz BP, van den Meiracker AH, Parati G, and Wesseling KH. Finapres 

tracking of systolic pressure and baroreflex sensitivity improved by waveform filtering. J 

Hypertens 14: 243‐250, 1996. 

13.  Grocott MP, Mythen MG, and Gan TJ. Perioperative fluid management and clinical 

outcomes in adults. Anesth Analg 100: 1093‐1106, 2005. 

14.  Guyton AC. Determination of cardiac output by equating venous return curves with 

cardiac response curves. Physiol Rev 35: 123‐129, 1955. 

15.  Guyton AC. Long‐term arterial pressure control: an analysis from animal experiments and 

computer and graphic models. Am J Physiol 259: R865‐877, 1990. 

16.  Guyton AC. Textbook of medical physiology. Philadelphia,: Saunders, 1956. 

Page 120: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 6

118

17.  Guyton AC, Coleman TG, Cowley AV, Jr., Scheel KW, Manning RD, Jr., and Norman RA, Jr. 

Arterial pressure regulation. Overriding dominance of the kidneys in long‐term regulation 

and in hypertension. Am J Med 52: 584‐594, 1972. 

18.  Guyton AC, Coleman TG, and Granger HJ. Circulation: overall regulation. Annu Rev 

Physiol 34: 13‐46, 1972. 

19.  Guyton AC, Lindsey AW, and Kaufmann BN. Effect of mean circulatory filling pressure and 

other peripheral circulatory factors on cardiac output. Am J Physiol 180: 463‐468, 1955. 

20.  Guyton AC, Polizo D, and Armstrong GG. Mean circulatory filling pressure measured 

immediately after cessation of heart pumping. Am J Physiol 179: 261‐267, 1954. 

21.  Hillebrecht A, Schulz H, Meyer M, Baisch F, Beck L, and Blomqvist CG. Pulmonary 

responses to lower body negative pressure and fluid loading during head‐down tilt 

bedrest. Acta Physiol Scand Suppl 604: 35‐42, 1992. 

22.  Keyl C, Stockinger J, Laule S, Staier K, Schiebeling‐Romer J, and Wiesenack C. Changes in 

pulse pressure variability during cardiac resynchronization therapy in mechanically 

ventilated patients. Crit care 11: R46, 2007. 

23.  Lobo DN, Bostock KA, Neal KR, Perkins AC, Rowlands BJ, and Allison SP. Effect of salt and 

water balance on recovery of gastrointestinal function after elective colonic resection: a 

randomised controlled trial. Lancet 359: 1812‐1818, 2002. 

24.  Marik PE, Cavallazzi R, Vasu T, and Hirani A. Dynamic changes in arterial waveform 

derived variables and fluid responsiveness in mechanically ventilated patients: a 

systematic review of the literature. Crit care med 37: 2642‐2647, 2009. 

25.  Michard F. Changes in arterial pressure during mechanical ventilation. Anesthesiology 

103: 419‐428, 2005. 

26.  Michard F. Volume management using dynamic parameters: the good, the bad, and the 

ugly. Chest 128: 1902‐1903, 2005. 

27.  Michard F, Boussat S, Chemla D, Anguel N, Mercat A, Lecarpentier Y, Richard C, Pinsky 

MR, and Teboul JL. Relation between respiratory changes in arterial pulse pressure and 

fluid responsiveness in septic patients with acute circulatory failure. Am J Resp Crit Care 

Med 162: 134‐138, 2000. 

28.  Mythen MG and Webb AR. Perioperative plasma volume expansion reduces the 

incidence of gut mucosal hypoperfusion during cardiac surgery. Arch Surg 130: 423‐429, 

1995. 

29.  Nisanevich V, Felsenstein I, Almogy G, Weissman C, Einav S, and Matot I. Effect of 

intraoperative fluid management on outcome after intraabdominal surgery. 

Anesthesiology 103: 25‐32, 2005. 

30.  Preisman S, Kogan S, Berkenstadt H, and Perel A. Predicting fluid responsiveness in 

patients undergoing cardiac surgery: functional haemodynamic parameters including the 

Respiratory Systolic Variation Test and static preload indicators. Br J Anaesth 95: 746‐755, 

2005. 

31.  Rinehart J, Alexander B, Le Manach Y, Hofer C, Tavernier B, Kain ZN, and Cannesson M. 

Evaluation of a novel closed‐loop fluid‐administration system based on dynamic 

predictors of fluid responsiveness: an in silico simulation study. Crit care 15: R278, 2011. 

Page 121: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Pulse pressure variability and fluid responsiveness

119

32.  Schneider AJ, Teule GJ, Groeneveld AB, Nauta J, Heidendal GA, and Thijs LG. Biventricular 

performance during volume loading in patients with early septic shock, with emphasis on 

the right ventricle: a combined hemodynamic and radionuclide study. Am Heart J 116: 

103‐112, 1988. 

33.  Schulz H, Hillebrecht A, Karemaker JM, ten Harkel AD, Beck L, Baisch F, and Meyer M. 

Cardiopulmonary function during 10 days of head‐down tilt bedrest. Acta Physiol Scand 

Suppl 604: 23‐32, 1992. 

34.  Stein L, Beraud JJ, Morissette M, Luz PD, Weil MH, and Shubin H. Pulmonary edema 

during volume infusion. Circulation 52: 483‐489, 1975. 

35.  Tavernier B, Makhotine O, Lebuffe G, Dupont J, and Scherpereel P. Systolic pressure 

variation as a guide to fluid therapy in patients with sepsis‐induced hypotension. 

Anesthesiology 89: 1313‐1321, 1998. 

36.  ten Harkel AD, Baisch F, and Karemaker JM. Increased orthostatic blood pressure 

variability after prolonged head‐down tilt. Acta Physiol Scand Suppl 604: 89‐99, 1992. 

37.  ten Harkel AD, Beck L, and Karemaker JM. Influence of posture and prolonged 

head‐down tilt on cardiovascular reflexes. Acta Physiol Scand Suppl 604: 77‐87, 1992. 

38.  Tousignant CP, Walsh F, and Mazer CD. The use of transesophageal echocardiography for 

preload assessment in critically ill patients. Anesth Analg 90: 351‐351, 2000. 

39.  van Heusden K, Gisolf J, Stok WJ, Dijkstra S, and Karemaker JM. Mathematical modeling 

of gravitational effects on the circulation: importance of the time course of venous 

pooling and blood volume changes in the lungs. Am J Physiol‐Heart C 291: H2152‐H2165, 

2006. 

40.  Vincent JL and Weil MH. Fluid challenge revisited. Crit Care Med 34: 1333‐1337, 2006. 

41.  Virtanen R, Jula A, Kuusela T, and Airaksinen J. Beat‐to‐beat oscillations in pulse pressure. 

Clin Physiol Funct Imaging 24: 304‐309, 2004. 

42.  Wesseling KH, Settels JJ, Van der Hoeven GMA, Nijboer JA, Butijn MWT, Dorlas JC. Effects 

of peripheral vasoconstriction on the measurement of blood pressure in a finger. 

Cardiovasc Res 19: 139‐145, 1985. 

43.  Zhang Y, de Peuter OR, Kamphuisen PW, and Karemaker JM. Search for HRV‐parameters 

that detect a sympathetic shift in heart failure patients on beta‐blocker treatment. Front 

Physiol 4: 81, 2013. 

44.  Zhang Y and Karemaker JM. Abdominal counter pressure in CPR: What about the lungs? 

An in silico study. Resuscitation 83: 1271‐1276, 2012. 

 

Page 122: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.
Page 123: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

121

Chapter7

Summaryandgeneralconclusions

Introduction

Computer modeling in bedside physiology may assist clinical research, in cases where: 

1. It is impossible to perform the experiments in reality; 

2. It is difficult to repeat the observation in the same condition; 

3. It is expensive to do the experiment; 

4. It offers a new angle to analyze the problems. 

Modeling and simulation can be used to simulate clinical situations, and to offer a virtual 

platform to solve clinical problems. Our circulation model for Cardiopulmonary Resuscitation 

(CPR) is an example; to compare the effects of various CPR techniques on the same subject is 

impossible; apart from the obvious ethical issues, to experiment on animals is expensive and 

it is difficult to imitate the situation in humans. Comparing CPR techniques in a circulation 

model can avoid these disadvantages and offer an unbiased platform.   

In Chapters 2 and 3 we used a circulation model to compare the effects of different CPR 

techniques, and to investigate the potential risks of intensive CPR performance. In Chapter 6 

we used a circulation model with Autonomic Nervous System (ANS) adjustment to simulate 

volume loss and infusion, to check whether pulse pressure variation (PPV) might reflect fluid 

responsiveness. 

The ANS is an important control system, which affects heart rate, blood pressure and 

–indirectly‐ respiratory rate, to name but a few. Some diseases influence the function of the 

ANS and vice versa, ANS dysfunction may also influence someone’s health. Analysis of 

physiological signals like blood pressure variability (BPV) and heart rate variability (HRV) can 

detect the ‘status’ of the ANS, to dig deeper into hidden pathology. 

Chapter 4 is about Chronic Heart Failure (CHF) patients who are on beta‐blocker treatment; if 

hospitalized, even with all monitors around, they might still slip into a sympathetic state 

without any (early) alarm sounding. We analyzed heart rate variability (HRV) in several ways, 

testing newly proposed techniques, to find which one would be able to give an early warning 

and uncover hidden risks. 

Page 124: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 7

122

Another example is the Brugada syndrome (BrS), which is a genetic disease which might lead 

to sudden death, even with normal cardiac structure. The problem is that some patients may 

have a high risk, some don’t. How to recognize those who are at risk is important but difficult. 

In Chapter 5 we applied extensive analysis to evaluate the ANS function in recordings which 

had been made by clinical colleagues who asked BrS patients to remain quietly supine for 10 

minutes and then stand up for another 10 minutes, all while recording continuous BP and HR. 

Summaryoffindings

Question 1: Which cardiopulmonary resuscitation technique will improve cardiac output 

best? 

In Chapter 2 we used a ‘stopped’ cardiac circulation model, to compare the effects of five CPR 

techniques: chest‐only compression CPR (CO‐CPR), Active compression‐decompression CPR 

(ACD‐CPR), Interposed abdomen compression CPR (IAC‐CPR), Lifestick CPR, and Enhanced 

External Counterpulsation CPR (EECP‐CPR)). In the circulation model, Lifestick‐CPR gave the 

best cardiac output, coronary perfusion, and cerebral perfusion. At the same time we found 

that it is very important to improve CO by combining chest compression and abdomen 

compression, so if cardiac arrest occurs out‐of‐hospital, IAC‐CPR is recommended because it 

can be performed without equipment by two rescuers working together. 

Question 2: If we can improve cardiac output by these alternative CPR techniques, why is 

chest‐compression CPR still the only CPR mode that is recommended in the Guidelines? 

In Chapter 3 we refined our look at cardio‐pulmonary resuscitation: we measured not only 

CO, perfusion to all important organs, but also pulmonary pressure. We found that all 

combined efforts to improve CO might put the lungs at risk to develop acute edema. That is 

possibly why CO‐CPR still stands out as ‘treatment of choice’, chosen above alternative CPR 

techniques. To create a large perfusion volume a big volume of blood is accumulated in the 

chest. But then we have to use high pressure to push the blood to where it is needed. In this 

process, if the lungs are connected both to the vascular pressures on one side and to outside 

air on the other, the exerted high pressure can lead to pulmonary edema. A solution would 

be, when performing CPR in this way, to apply positive pressure ventilation avoiding this lung 

pressure difference, or, alternatively, compression pressure should be controlled to within 

tolerance levels to protect the lungs. 

Question 3: Can pulse pressure variation (PPV) predict fluid responsiveness? 

Page 125: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

General summary

123

In Chapter 6 we tested the relation between PPV and blood volume change in test subjects 

and a computer model. We confirmed that under anesthesia PPV is a good reflection of 

cardiac filling (in healthy hearts). In the conscious state PPV is more variable: we need a long 

observation period to calculate PPV, to reflect fluid responsiveness. In the conscious state 

PPV is under the influence of many disturbances other than changes in cardiac filling as is 

reflected by Fourier analysis of its variability. 

Question 4: Which HRV parameters can detect quickly when a CHF patient slips into a 

sympathetic state, even under beta‐blocker treatment? 

In Chapter 4 we used the standing condition to induce a more sympathetic situation 

(compared to the supine state). Among all HRV parameters (meanIBI, SD‐IBI, rMSSD, LF, HF, 

LF/HF, MSV, MSD) only meanIBI, rMSSD, pIBI50, and MSD were still able to detect the change 

between supine and upright state. This ruled out a set of newly proposed analysis techniques 

for monitoring in acutely ill patients. 

Question 5: Can we discriminate the ANS in BrS patients from healthy subjects by applying 

physiological parameter analysis? In what way they are different?   

In Chapter 5 we compared a wide range of cardiovascular parameters between healthy 

controls and BrS patients; in the supine state it is hard to tell any difference between the two 

groups. When the sympathetic nervous system is challenged by a position change from 

supine to standing, we found that there is probably less sympathetic outflow increase in BrS 

subjects, which might lead to vasovagal syncope, or even carry a potential VF risk. 

Limitations

To concentrate on the main problem: the model is always a simplification of the real situation. 

In reality the patients’ situations are complex; in Chapters 2 and 3 we simulated the ‘stopped’ 

circulation; we have to ignore all kinds of possible effects like oxygenation, blood flow inertia, 

the effects of CNS. In the model we set parameters as constant, in reality they may be 

changing with pressure and with time; our model is limited to simulate a standard 70kg man, 

in reality only few patients fit this pattern. In Chapter 6, although we got a more 

individualized model, we neglected long‐term adjustments, like circulating hormones.   

In the Chapters 2, 3 and 6 we do not have parallel clinical or animal experimental results to 

compare to the results of our modeling. 

Page 126: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 7

124

In Chapter 4 we only got short heart rate recordings (2 x 10 min); to get more stable values 

for the ‘modern’ chaos parameters like MSE, MSV and MSD we should extend the test period 

longer (15‐20min) and in future experiments a sympathetic state shift might be induced 

slower and more continuous (like on a tilt table in slow mode). This could be more like a 

realistic clinical situation. In Chapter 5 we need more healthy controls and BrS patients in 

different age group, to verify the experimental results.   

GeneralConclusion

Even with all the limitations, to solve clinical problems by way of physiological modeling and 

biomedical engineering is not rare any more. It is a fast growing field, as it gives the 

opportunity of ‘another angle’ to look at and analyze the problems at hand. However without 

a full understanding of the medical problems to be obtained by cooperation with clinicians, 

biomedical engineering is only ‘armchair strategist’ science. As biomedical engineers, we just 

hope that clinicians, who are with so much knowledge of practical medical problems, can 

open their arms, to welcome these kinds of ‘healthy’ cooperations. 

Page 127: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

General summary

125

Nederlandsesamenvatting

ComputermodellenbijFysiologieaanhetziekbed

Computermodellen kunnen worden toegepast in gevallen waarin dat nuttig en nodig is voor 

klinisch onderzoek, bijvoorbeeld: 

1. Wanneer het onmogelijk is om bepaalde experimenten ‘in het echt’ uit te voeren; 

2. Wanneer de experimenten moeilijk herhaald kunnen worden onder steeds dezelfde 

omstandigheden; 

3. Wanneer de experimenten bijzonder duur zijn; 

4. Wanneer een nieuwe kijk op het probleem kan worden gegeven. 

Aan de hand van een aantal onderzoeksvragen kunnen de bevindingen van de 5 

experimentele hoofdstukken van dit proefschrift worden samengevat: 

Vraag 1: Welke techniek voor ‘hartmassage’ (CPR) geeft het beste hartminuutvolume (HMV)? 

In hoofdstuk 2 wordt een computermodel van de stilstaande circulatie (na hartstilstand) 

geïntroduceerd. Met dit model werden de effecten van 5 mogelijke technieken van CPR 

vergeleken. De hier getoetste technieken zijn: alleen thoraxcompressie (CO‐CPR), actieve 

thorax compressie‐decompressie (ACD‐CPR), alternerende borst‐buik compressie (IAC‐CPR), 

CPR met gebruik van een speciale hefboom (“Lifestick”‐CPR) en CPR met toepassing van een 

set computer‐opblaasbare balgen rond kuiten, bovenbenen en onderbuik (EECP‐CPR). In het 

model gaf Lifestick‐CPR de beste resultaten, kijkend naar HMV en de doorstroming van hart 

en hersenen. Hierbij stelden we ook vast, dat het zeer belangrijk is om compressie van borst 

en buik te combineren, dus bij een hartstilstand buiten het ziekenhuis zou ACD‐CPR, toe te 

passen door 2 reddingswerkers samen, de beste resultaten geven, omdat dit ook kan zonder 

apparatuur. 

Vraag 2: Als we het hartminuutvolume dan zo kunnen verbeteren door deze niet‐standaard 

technieken, waarom beveelt de officiële richtlijn dan nog alleen maar CO‐CPR aan? 

In hoofdstuk 3 zijn de effecten van CPR nauwkeuriger gemeten: niet alleen maar HMV en de 

doorstroming van belangrijke organen (hart, hersenen), maar ook de druk in de longen. 

Daarbij vonden we, dat opvoeren van het HMV door steeds meer druk op thorax en 

buik/onderlijf, een gevaar vormt voor de longen. Er wordt hierbij een groot bloedvolume in 

de borstholte samengebracht, maar de druk die wordt opgebouwd om de grote circulatie te 

Page 128: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

Chapter 7

126

doorstromen, heerst ook in de longen, waarvan de haarvaten in open verbinding staan met 

de buitenlucht. Wanneer deze druk niet wordt beperkt, kan er acuut longoedeem optreden. 

Het is dus zaak om de druk op borst en buik nauwkeurig te doseren om dit te voorkomen. 

Mogelijk is deze complicatie er de oorzaak van, dat CO‐CPR bij klinische evaluaties nog steeds 

als voorkeursmethode naar voren komt. 

Vraag 3: Kan meting van de ademhalingsgerelateerde variaties in polsdruk (PPV) voorspellen 

hoe een patiënt reageert op extra vloeistof via een infuus? 

In hoofdstuk 6 wordt de relatie tussen PPV en veranderingen in het circulerend volume getest, 

zowel in (wakkere) proefpersonen als in een computermodel. We stelden vast, dat onder 

computer‐gesimuleerde anesthesie PPV een goede maat is voor de vullingstoestand van het 

(gezonde) hart. Maar bij de wakkere patiënt/proefpersoon vertoont de PPV veel meer 

variaties, vooral onder invloed van het autonome zenuwstelsel. Daardoor is ook een lange 

meetperiode noodzakelijk om tot een betrouwbare PPV‐schatting te komen. 

Vraag 4: Welke meetmethode voor slag‐op‐slag hartritme variaties (HRV) kan aantonen dat 

de toestand van een patiënt verslechtert, zelfs wanneer deze bètablokkers gebruikt? 

In hoofdstuk 4 worden hartslag en HRV in staande toestand vergeleken met de liggende. Dit 

is gebruikt als ‘model’ om een meer sympathische toestand op te wekken in patiënten met 

stabiel hartfalen die o.m. met bètablokkers werden behandeld. We stelden daarbij vast, dat 

de gemiddelde hartslag, de standaarddeviatie enkele andere klassieke parameters (zoals 

rMSSD en pIBI50) deze verandering wel aantoonden, maar enkele in de literatuur 

nieuw‐voorgestelde (‘niet‐lineaire’) parameters niet. 

Vraag 5: Is de activiteit van het autonome zenuwstelsel bij patiënten met het syndroom van 

Brugada (BrS) aantoonbaar anders dan bij gezonde proefpersonen? Zo ja, in welk opzicht? 

In hoofdstuk 5 vergeleken we een groot aantal cardiovasculaire parameters in BrS‐patiënten 

met die van een gezonde controlegroep. De meting in de liggende toestand leverde vrijwel 

geen verschillen op. Maar bij sympathische stimulatie door de staande stand vonden we dat 

een subgroep van de patiënten minder toename van sympathische activiteit vertoonde. Dit 

zou bij hen makkelijker tot vasovagale collaps kunnen leiden of zelfs tot ventrikelfibrilleren. 

 

Page 129: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

127

CurriculumVitae

PERSONALINFORMATIONName: Yanru Zhang Gender: female Nationality: Chinese Email: [email protected] 

EDUCATIONPhD candidate‐ at the Medical Faculty of the University of Amsterdam 

Thesis to be defended: Computer Models in bedside Physiology Department of Anatomy, Embryology and Physiology (subdept. Systems Physiology) Academic Medical Center, Univ.of Amsterdam, the Netherlands 2009‐2013 

PhD in computer science Thesis: The Study on Modeling and Simulation of the Hemodynamic Effects of Cardiopulmonary Resuscitation; Department of Computer Science, South China University of Technology 2004‐2009 

Bachelor of Communication Engineering Department of communication Engineering, Inner Mongolia University 2000‐2004 

Accomplishments&PublicationsProject 1: 

Finished related research work and published the paper: Zhang Y and Karemaker JM. Abdominal counter pressure in CPR: What about the lungs? An in silico study. Resuscitation 83: 1271‐1276, 2012.   

Project 2:   Finished related research work and published the paper: Zhang Y, de Peuter OR, Kamphuisen PW, and Karemaker JM. Search for HRV‐parameters that detect a sympathetic shift in heart failure patients on beta‐blocker treatment. Front Physiol 4: 81, 2013. 

Project 3:   Finished related research work and the paper: ‘A subgroup of Brugada patients shows low orthostatic blood pressures as a sign of decreased sympathetic outflow’ is in process. 

Project 4:   Finished related research work and the paper: ‘Dynamics of Pulse Pressure Variability and the Difficulty of Predicting Fluid Responsiveness’ is in process. 

Page 130: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Computer models in ... · Computer models in bedside physiology Zhang, Y. Link to publication Citation for published version (APA): Zhang, Y.

128

Acknowledgements

I would like to thank my promotor, Prof.dr. J.H.R. Ravesloot, for his special one‐on‐one 

tutoring in ‘Physiology & Anatomy’ and many great suggestions, in keeping my project on 

schedule. My very great appreciation goes to Dr. J.M. Karemaker, my research supervisor, for 

his patient guidance, enthusiastic encouragement and useful critiques of this research work. 

My grateful thanks are also extended to Dr. Berend Westerhof, for his advice on my every 

project, for being fireman to the fiery debates between John and me. I would also like to 

thank Mr. Wim Stok, for his help in doing the methodological data analysis, to Ms. 

Anne‐Sophie Bronzwaer, who shared her knowledge and methods with me and many 

explanations on details of how the measurement and calculation work and to Mr. André de 

Graaf, who solved so many practical problems in these four years   

I would also like to extend my thanks to every colleague in the PhD‐students office all along, 

who gave me a lot of support and encouragement. Your good humor accompanied me on 

every good or bad day in room M01‐217. 

My thanks go to every friend I met in the Netherlands; I can’t imagine how boring the life 

would have been without you guys. Special thanks to Michel de Leeuw and your family, 

hunting good Chinese restaurants with you is the best experience, special thanks also to Qian 

Wang, who made me realize how powerful friendship could be. 

Finally, I wish to thank my parents for their support and encouragement throughout my 

study. 

 

 

 

 

Colophon:

Printing and binding by Afterpress & Printing Groep (APG), Amsterdam/Diemen