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

【摘要】：健康人的心跳是一個典型的多輸入的復雜系統(tǒng),它在自發(fā)竇性節(jié)律的基礎(chǔ)上,同時受自主神經(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)復雜的變異性,即心率變異性(heart rate variability, HRV)。作為評價自主神經(jīng)系統(tǒng)的活動水平的一種無創(chuàng)性手段,對HRV的分析在評價心交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)活動水平方面有著廣泛的應用。 由于產(chǎn)生HRV的心臟動力系統(tǒng)是非線性的,因此對HRV的分析應該采用非線性動力學分析法。目前在HRV的非線性分析方面,仍以冪律分析和熵分析為主；作為一種獨特的非線性分析手段,時間不可逆性分析近來也被一些學者應用到HRV的分析中來,并且揭示了心臟動力系統(tǒng)的一些性質(zhì)。但是這方面的研究仍停留在提出各種時間不可逆性測度并用其證明來自于健康個體的HRV具有時間不可逆性這一點上,即便是有些研究將其應用到了病理狀態(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：尋找能恰當反映心臟動力系統(tǒng)在不同的生理病理狀態(tài)下區(qū)別的時間不可逆性測度以揭示心臟動力系統(tǒng)本質(zhì),進而在臨床應用中得到一致結(jié)論并形成診斷標準。為此,我們進行了如下工作： (1)基于多尺度思想,提出用(Pm%, Gm%)平面來直觀地展示時間序列的不可逆性。我們稱其為多尺度時間不可逆性(MSTI)分析法。通過數(shù)值仿真,我們確認該方法在重構(gòu)具有時間延遲特性的動力系統(tǒng)的時間不可逆性時會更可靠,而心臟動力系統(tǒng)正是一個帶有多級延遲、多級反饋控制模式的系統(tǒng)；當我們將(Pm%, Gm%)平面應用于健康人的HRV分析中時,替代數(shù)據(jù)檢驗的結(jié)果證明“健康人的RR間期序列普遍具有時間不可逆性”,這一點為“健康人的心率變異性是非線性的”的論點提供了有力的證據(jù)；同時發(fā)現(xiàn)一個值得深思的現(xiàn)象：這些點基本都落入第一象限并呈線性分布；當我們將MSTI法應用于人造序列時,該方法可以很明顯地區(qū)分人造序列和真實生理序列,因此,該方法可以作為一個測試生理信號模型的工具；而當我們將其應用于來自于CHF患者的RR間期序列上時,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的RR間期序列分析的結(jié)果表明,健康年輕人HRV的時間不可逆性展現(xiàn)出了“夜間增強,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2維平面投影,在每個投影平面上進行時間不可逆性分析,然后將多個平面上的分析結(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)分人造序列和真實生理序列,以及展現(xiàn)健康人心臟動力系統(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)長度達到5000點時,HDTI方法還能揭示出年齡老化對健康人HRV的時間不可逆性的影響；且在較短的數(shù)據(jù)長度下(1000點),就能檢測出疾病對HRV時間不可逆性的影響；而當我們將該方法應用于運動中和運動后的短時(約4-7分鐘,數(shù)據(jù)長度為512點)的RR間期序列的分析中時,發(fā)現(xiàn)不可逆性測度值與心率的線性趨勢項密切相關(guān),其變化趨勢正好反映了運動前、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)逐漸恢復到平衡態(tài)的過程。 (3)鑒于符號動力學是非線性科學中一種重要而有效的理論方法,但目前鮮有對HRV進行符號化時間不可逆性分析的研究,因此,我們嘗試利用符號動力學的原理與方法來探索HRV序列的時間不可逆性,目的在于從另一個角度來探索心臟動力系統(tǒng)的非線性特性及其復雜程度。為此我們做了如下一些工作：提出以序列概率分布的m等分位點作為符號劃分依據(jù)的等概率符號化法；提出了5個衡量符號序列時間不可逆性的參數(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),這種可能性會降低；健康年輕人的RR間期序列的時間不可逆性具有晝夜差異,夜間睡眠時不可逆性增強。等概率符號化時間不可逆性分析中的5個測度,在數(shù)據(jù)長度僅為500點的時,就都敏感地捕捉到了健康年輕人夜間睡眠和白天清醒時的心臟動力學特性的變化,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��；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間期序列時具有較強的敏感性。相比于前述兩種方法,等概率符號化時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,它在模式識別領(lǐng)域已經(jīng)展示出了廣闊的應用前景。鑒于單一心率變異性指標所表達出來的信息具有片面性,很難用一個單一的指標來完全分類CHF患者和健康人的不足。因此,為了聯(lián)合HRV的線性和非線性動力學分析方法,我們設(shè)計了多種指標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)的選擇與訓練過程中,我們以10次10折交叉驗證的平均性能和平均迭代步數(shù)作為選擇標準,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)。當我們使用該模型對預留的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序列進行分類時,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間不可逆性指標,因此進一步證明了時間不可逆性分析在HRV的分析中起著不可忽視的作用。
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【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：R318.0

【參考文獻】

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1 杜吟;李京誠;;心率變異性在運動領(lǐng)域應用研究的現(xiàn)狀[J];首都體育學院學報;2011年01期

2 王立媛;劉玉萍;肖青;祁金剛;;胎兒心率信號的替代數(shù)據(jù)分析[J];長春理工大學學報(自然科學版);2007年01期

3 葉圣永;王曉茹;劉志剛;錢清泉;;電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定概率評估方法[J];電網(wǎng)技術(shù);2009年06期

4 徐征,葛霽光,徐秋萍,張輝;心率的Poincare散點圖量化指標[J];生物醫(yī)學工程學雜志;2000年04期

5 寧新寶,黃曉林,徐寅林,韓桂明;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法用于心臟病診斷的研究[J];生物醫(yī)學工程學雜志;2004年02期

6 崔勝忠;黃曉林;寧新寶;;非平穩(wěn)干擾還是系統(tǒng)固有低頻節(jié)律——短時心率變異性的非平穩(wěn)相關(guān)性研究[J];生物醫(yī)學工程學雜志;2010年06期

7 陳文偉;阮炯;顧凡及;;基于替代數(shù)據(jù)思想的復雜度歸一化方法及其在心電信號分析中的應用[J];生物物理學報;2006年02期

8 宋淑華;劉堅;高春剛;;心率變異性指標在體育研究領(lǐng)域中的應用(綜述)[J];山西師大體育學院學報;2010年05期

9 黃曉林;崔勝忠;寧新寶;卞春華;;心率變異性基本尺度熵的多尺度化研究[J];物理學報;2009年12期

10 宋愛玲;黃曉林;司峻峰;寧新寶;;符號動力學在心率變異性分析中的參數(shù)選擇[J];物理學報;2011年02期

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