Análisis dimensional conforme a la dinámica y complejidad de las señales biológicas

Pedro Carracedo, Javier de (2020). Análisis dimensional conforme a la dinámica y complejidad de las señales biológicas. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65021.

Description

Title: Análisis dimensional conforme a la dinámica y complejidad de las señales biológicas
Author/s:
  • Pedro Carracedo, Javier de
Contributor/s:
  • González Marcos, Ana Pilar
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Tecnología Fotónica y Bioingeniería
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

The characterization of the dynamic behavior of biological signals has played, for several decades now, an essential role in early diagnostics of pathologies, both physical and emotional. This work outlines a methodology which, based on a scalar time series obtained experimentally, something quite usual in the clinical field, allows the reconstruction of the space of states which describe the functional response of a physiological process. This methodology relies on very consolidated mathematical foundations, the theory of nonlinear dynamic systems. Once the space where the dynamics of the physical process develops has been reconstructed, we are in a situation where we can characterize its spatial or structural complexity, from a geometric and temporal viewpoint, as it evolves in time. Among outstanding complexity metrics, some stand out, such as entropy, fractal dimension and Lyapunov exponents which, with their many deductive variants, allow us to evaluate the degree of regularity which repetitive patterns present in the time series experiment, and to estimate the structural richness which describes its dynamics. In the context of this research, we undertake the study of a specific biological signal, the PPG (PhotoPlethysmoGraphic) signal, attending to the outlined methodology and according to the most appropriate nonlinear analysis tools. The characterization of its functional response, in contrast to other fundamental reference signals whose behavior is known a priori, allows us to identify its dynamic complexity and, therefore, estimate how the index of coupling between the subsystems which make up the functionality of the underlying physiological process evolves. In this analytical frame it would be feasible to establish a protocol to compare PPG signals from individuals subjected to a stressful situation, with respect to their counterparts in the basal state, so that we can figure out what stress results in, from an operative perspective, according to the functional response of the physiological process which triggers it, and how the organism reestablishes the optimal working conditions or, in a more adverse scenario, how it dynamically expresses a possible irreversible degradation of the system. ----------RESUMEN---------- La caracterización del comportamiento dinámico de las señales biológicas ha desempeñado, desde hace varias décadas, un papel esencial en el diagnóstico temprano de patologías tanto físicas como emocionales. Este trabajo delinea una metodología que, sobre la base de una sucesión temporal escalar adquirida experimentalmente, algo muy habitual en el ámbito clínico, propicia la reconstrucción del espacio de estados que describen la respuesta funcional de un proceso fisiológico. Esta metodología descansa sobre una fundamentación matemática bastante consolidada, la teoría de los sistemas dinámicos no lineales. Una vez reconstruido el espacio en el que se desenvuelve la dinámica del proceso físico, se está en condiciones de poder caracterizar su complejidad espacial o estructural, desde un punto de vista geométrico, y temporal, a medida que aquella evoluciona con el tiempo. Entre las medidas de la complejidad sobresalen parámetros como la entropía, la dimensión fractal y los exponentes de Lyapunov, que, en sus múltiples variantes deductivas, facilitan la evaluación del grado de regularidad que experimentan los patrones repetitivos presentes en la sucesión temporal y la estimación de la riqueza estructural que describe su dinámica. En el contexto de esta investigación se acomete el estudio de una señal biológica en particular, la señal PPG, del inglés photoplethysmographic, atendiendo a la metodología planteada y de acuerdo con las herramientas de análisis no lineal más oportunas. La caracterización de su respuesta funcional, en contraste con otras señales de referencia básicas cuyo comportamiento es conocido a priori, permite identificar su complejidad dinámica y, por tanto, estimar cómo se desarrolla el índice de acoplamiento entre los subsistemas que conforman la funcionalidad del proceso fisiológico subyacente. Con este marco analítico resultaría factible establecer un protocolo de actuación con el que comparar señales PPG de sujetos sometidos a una situación de estrés, respecto a sus contrapartes en estado basal, de manera que pueda descifrarse en qué se traduce el estrés desde una perspectiva operativa, a tenor de la respuesta funcional del proceso fisiológico que la desencadena, y cómo el organismo restablece las condiciones óptimas de funcionamiento o, en un escenario más adverso, cómo exterioriza dinámicamente una posible degradación irreversible del sistema.

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Item ID: 65021
DC Identifier: https://oa.upm.es/65021/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65021
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65021
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 27 Oct 2020 09:04
Last Modified: 26 Apr 2021 22:30
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