本文選題：心率變異性(HRV)　切入點(diǎn)：時(shí)間不可逆性　出處：《南京大學(xué)》2012年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：健康人的心跳是一個(gè)典型的多輸入的復(fù)雜系統(tǒng),它在自發(fā)竇性節(jié)律的基礎(chǔ)上,同時(shí)受自主神經(jīng)系統(tǒng)——交感神經(jīng)、副交感神經(jīng)等多種因素的協(xié)調(diào)控制,因而呈現(xiàn)復(fù)雜的變異性,即心率變異性(heart rate variability, HRV)。作為評價(jià)自主神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)水平的一種無創(chuàng)性手段,對HRV的分析在評價(jià)心交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)活動(dòng)水平方面有著廣泛的應(yīng)用。 由于產(chǎn)生HRV的心臟動(dòng)力系統(tǒng)是非線性的,因此對HRV的分析應(yīng)該采用非線性動(dòng)力學(xué)分析法。目前在HRV的非線性分析方面,仍以冪律分析和熵分析為主；作為一種獨(dú)特的非線性分析手段,時(shí)間不可逆性分析近來也被一些學(xué)者應(yīng)用到HRV的分析中來,并且揭示了心臟動(dòng)力系統(tǒng)的一些性質(zhì)。但是這方面的研究仍停留在提出各種時(shí)間不可逆性測度并用其證明來自于健康個(gè)體的HRV具有時(shí)間不可逆性這一點(diǎn)上,即便是有些研究將其應(yīng)用到了病理狀態(tài)下,如充血性心力衰竭(congestive heart failure, CHF),卻還有不一致的結(jié)論。本研究的目的就在于：尋找能恰當(dāng)反映心臟動(dòng)力系統(tǒng)在不同的生理病理狀態(tài)下區(qū)別的時(shí)間不可逆性測度以揭示心臟動(dòng)力系統(tǒng)本質(zhì),進(jìn)而在臨床應(yīng)用中得到一致結(jié)論并形成診斷標(biāo)準(zhǔn)。為此,我們進(jìn)行了如下工作： (1)基于多尺度思想,提出用(Pm%, Gm%)平面來直觀地展示時(shí)間序列的不可逆性。我們稱其為多尺度時(shí)間不可逆性(MSTI)分析法。通過數(shù)值仿真,我們確認(rèn)該方法在重構(gòu)具有時(shí)間延遲特性的動(dòng)力系統(tǒng)的時(shí)間不可逆性時(shí)會(huì)更可靠,而心臟動(dòng)力系統(tǒng)正是一個(gè)帶有多級延遲、多級反饋控制模式的系統(tǒng)；當(dāng)我們將(Pm%, Gm%)平面應(yīng)用于健康人的HRV分析中時(shí),替代數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的結(jié)果證明“健康人的RR間期序列普遍具有時(shí)間不可逆性”,這一點(diǎn)為“健康人的心率變異性是非線性的”的論點(diǎn)提供了有力的證據(jù)；同時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)值得深思的現(xiàn)象：這些點(diǎn)基本都落入第一象限并呈線性分布；當(dāng)我們將MSTI法應(yīng)用于人造序列時(shí),該方法可以很明顯地區(qū)分人造序列和真實(shí)生理序列,因此,該方法可以作為一個(gè)測試生理信號模型的工具；而當(dāng)我們將其應(yīng)用于來自于CHF患者的RR間期序列上時(shí),我們找到了解釋前人研究結(jié)果不一致的本質(zhì)原因；最后,應(yīng)用該方法對自行采集的11位健康年輕人的白天清醒和夜間睡眠時(shí)的RR間期序列分析的結(jié)果表明,健康年輕人HRV的時(shí)間不可逆性展現(xiàn)出了“夜間增強(qiáng),日間減弱”的規(guī)律。 (2)基于高維相空間重構(gòu)的思想,提出將相空間重構(gòu)圖向多個(gè)2維平面投影,在每個(gè)投影平面上進(jìn)行時(shí)間不可逆性分析,然后將多個(gè)平面上的分析結(jié)果綜合考慮的方法。我們稱之為高維的時(shí)間不可逆性(HDTI)分析法。相比于MSTI分析法,該方法同樣能有效地區(qū)分人造序列和真實(shí)生理序列,以及展現(xiàn)健康人心臟動(dòng)力系統(tǒng)特性的晝夜節(jié)律。而比MSTI分析法更具優(yōu)勢的是,在所分析的數(shù)據(jù)長度達(dá)到5000點(diǎn)時(shí),HDTI方法還能揭示出年齡老化對健康人HRV的時(shí)間不可逆性的影響；且在較短的數(shù)據(jù)長度下(1000點(diǎn)),就能檢測出疾病對HRV時(shí)間不可逆性的影響；而當(dāng)我們將該方法應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)中和運(yùn)動(dòng)后的短時(shí)(約4-7分鐘,數(shù)據(jù)長度為512點(diǎn))的RR間期序列的分析中時(shí),發(fā)現(xiàn)不可逆性測度值與心率的線性趨勢項(xiàng)密切相關(guān),其變化趨勢正好反映了運(yùn)動(dòng)前、中、后交感迷走神經(jīng)之間的這種從平衡態(tài)到非平衡態(tài)、再從非平衡態(tài)逐漸恢復(fù)到平衡態(tài)的過程。 (3)鑒于符號動(dòng)力學(xué)是非線性科學(xué)中一種重要而有效的理論方法,但目前鮮有對HRV進(jìn)行符號化時(shí)間不可逆性分析的研究,因此,我們嘗試?yán)梅杽?dòng)力學(xué)的原理與方法來探索HRV序列的時(shí)間不可逆性,目的在于從另一個(gè)角度來探索心臟動(dòng)力系統(tǒng)的非線性特性及其復(fù)雜程度。為此我們做了如下一些工作：提出以序列概率分布的m等分位點(diǎn)作為符號劃分依據(jù)的等概率符號化法；提出了5個(gè)衡量符號序列時(shí)間不可逆性的參數(shù)；利用仿真數(shù)據(jù),比較了不同符號化方法與序列的時(shí)間不可逆研究結(jié)合的效果,結(jié)果表明等概率符號化的效果最優(yōu)；利用基于等概率符號化的時(shí)間不可逆性測度來分析HRV,得到了與前述兩種方法(MSTI和HDTI)一致的結(jié)論,即：來自于健康年輕人的RR間期序列最傾向于具有時(shí)間不可逆性,而隨著年齡的老化以及疾病的出現(xiàn),這種可能性會(huì)降低；健康年輕人的RR間期序列的時(shí)間不可逆性具有晝夜差異,夜間睡眠時(shí)不可逆性增強(qiáng)。等概率符號化時(shí)間不可逆性分析中的5個(gè)測度,在數(shù)據(jù)長度僅為500點(diǎn)的時(shí),就都敏感地捕捉到了健康年輕人夜間睡眠和白天清醒時(shí)的心臟動(dòng)力學(xué)特性的變化,而且,這些測度所反映出來的晝夜差異隨著所考察的數(shù)據(jù)長度的增加變化很小；另外,其中的分布差異熵測度在區(qū)分健康人和CHF患者的RR間期序列時(shí)具有較強(qiáng)的敏感性。相比于前述兩種方法,等概率符號化時(shí)間不可逆性方法在分析心率變異性信號上更顯優(yōu)勢。 (4)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量并行工作的神經(jīng)元組成的智能仿生模型,它在模式識(shí)別領(lǐng)域已經(jīng)展示出了廣闊的應(yīng)用前景。鑒于單一心率變異性指標(biāo)所表達(dá)出來的信息具有片面性,很難用一個(gè)單一的指標(biāo)來完全分類CHF患者和健康人的不足。因此,為了聯(lián)合HRV的線性和非線性動(dòng)力學(xué)分析方法,我們設(shè)計(jì)了多種指標(biāo)組合來作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入特征向量。在網(wǎng)絡(luò)的選擇與訓(xùn)練過程中,我們以10次10折交叉驗(yàn)證的平均性能和平均迭代步數(shù)作為選擇標(biāo)準(zhǔn),確定了用于CHF診斷的智能模型的輸入特征向量組合、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。當(dāng)我們使用該模型對預(yù)留的16例樣本數(shù)據(jù)(其中包括10例健康樣本和6例CHF患者樣本)和自行采集的11位健康年輕人的HRV序列進(jìn)行分類時(shí),僅有一例CHF患者沒有被診斷出來,模型展現(xiàn)出了較好的泛化能力。需要指出的是,在最終確定的模型輸入特征向量組合中,就有我們提出的符號化時(shí)間不可逆性指標(biāo),因此進(jìn)一步證明了時(shí)間不可逆性分析在HRV的分析中起著不可忽視的作用。
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【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：R318.0

【參考文獻(xiàn)】

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