HRV分析在心衰诊断和新生儿疼痛检测中的应用研究

【摘要】摘要：连续窦性心拍之间的时间间隔存在微小涨落,这种现象称为心率变异性(HeartRateVariability,HRV)。HRV蕴藏了丰富的生理和病理信息,是评估自主神经系统功能的一个重要标志。HRV分析在疾病诊断、情绪识别和脑力负荷评估等诸多领域有着广泛的应用。本文对HRV信号的获取、分析和应用中的一些相关问题进行了研究。论文的主要研究内容如下：1)提出了基于小波系数模极大值序列跃变点的R波检测策略,实现了连续小波变换对心电信号R波的检测。利用复Morlet小波与Mexican-hat小波对心电信号进行连续小波变换后,小波系数模极大值对应R波峰值的特点,通过基于小波系数模极大值序列跃变点的R波检测策略,在上述两种小波系数的线性组合中检测R波,平均灵敏度为99.37%,平均阳性预测率为99.35%。2)提出了基于CEEMD分解的RR间期序列去趋势方法。从心电信号中提取的RR问期序列是HRV分析的信息来源,并且是非均匀采样的。为了得到准确的HRV分析结果,需要在预处理阶段将RR间期序列中缓慢的趋势予以去除。平滑先验方法(SmoothnessPriorApproach,SPA)目前使用最为广泛,但这一方法需要将非均匀采样的RR间期序列通过重采样转换为均匀采样序列。这一过程将产生噪声,并使信号的质量受到损害。为了解决这一问题,引入了经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD)。将分解后的信号通过部分重构,去除其趋势成分。这一方法可直接用于非均匀采样信号的处理。此外,为了能够采用标准指标评价去趋势方法的性能,提出了一个RR间期序列模型。采用以分贝计的信噪比(ISNR)、均方误差(EMS)和百分比均方根误差(DPRS)评价RR间期序列的去趋势性能。结果表明,与SPA方法相比,基于互补整体EMD(ComplementaryEnsembleEMD,CEEMD)的去趋势方法能得到更高的ISNR,更低的EMS和DPRS,说明其具有更好的性能,并能由此得到更准确的HRV分析结果。3)比较了心衰病人和健康人的HRV指标,并建立了基于相关指标的心衰诊断模型。采用时域、频域和非线性方法对40名健康人和40名心衰病人的心电数据进行了短时HRV分析,从而建立了基于不同指标组合和线性判别分析(LinearDiscriminantAnalysis,LDA),及支持向量机(SupportVectorMachine,SVM)的心衰诊断模型。结果表明,基于RR间期均值RR、RR间期标准差SDNN、去趋势波动分析(DetrendedFluctuationAnalysis,DFA)短期波动斜率α1、DFA长期波动斜率α2、近似熵ApEn等5个指标和LDA的诊断模型诊断正确率可达到92.5%；基于RR、SDNN、RR间期差值的均方根RMSSD、Poincare分析短轴参数SD1、ApEn等5个指标和SVM的模型诊断正确率可达到95%。HRV的相关指标可揭示心脏的动力学特征,并可用于心衰的诊断。4)研究了足跟取血造成的疼痛暴露对新生儿自主神经系统的影响,并建立了基于HRV指标组合的新生儿疼痛检测模型。采用时域、频域和非线性方法对40名新生儿疼痛暴露前后心电数据进行了短时HRV分析,并建立了基于不同指标组合和LDA,及SVM的疼痛检测模型。结果表明,基于ApEn、递归图分析最大对角线长度Lmax、确定性DET等3个指标和LDA的新生儿疼痛检测模型检测正确率达到78.75%,基于RR、相邻两个RR间期对差值大于50ms的百分比pNN50、ApEn、关联维D2、递归率REC等5个指标和SVM的模型检测正确率达到83.75%。HRV的相关指标可反映新生儿自主神经系统对疼痛暴露的应答,相关指标的组合可用于新生儿疼痛检测。
【作者】曾超；
【导师】何继善；徐效文；
【作者基本信息】中南大学，生物医学工程，2014，博士
【关键词】心率变异性；R波检测；RR间期模型；经验模态分解；去趋势；心衰；新生儿；疼痛；

【参考文献】
[1]马璐璐.流程发掘算法综合评价框架的设计与实现[D].北京交通大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[2]徐能.一类耗散型Camassa-Holm方程的解的研究[D].云南师范大学,基础数学,2013,硕士.
[3]汪鹏飞.安徽地区出土汉代铜镜研究[D].安徽大学,考古学及博物馆学,2014,硕士.
[4]李红超.航空发动机涡轮盘用GH4133B合金疲劳裂纹萌生与短裂纹扩展研究[D].湘潭大学,固体力学,2012,硕士.
[5]温晓婷.我国R&D活动与经济增长关系研究[D].杭州电子科技大学,统计学,2014,硕士.
[6]薛宏伟.外固定架治疗桡骨远端骨折术后合并关节功能障碍的康复干预[D].河北医科大学,外科学,2014,硕士.
[7]宋林君.电动钉枪性能试验方法及试验技术的研究[D].浙江工业大学,机械工程,2012,硕士.
[8]吕保敬.某品牌汽车消费者对制动系统报怨行为的分类研究及营销启示[D].华东理工大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[9]徐真.新闻侵害商事人格权民事责任研究[D].西南政法大学,民商法学,2012,硕士.
[10]蔡华民.基于图像处理的心音图特征提取技术的研究[D].南京邮电大学,电路与系统,2013,硕士.
[11]王雪坤.高速电路设计中的信号完整性分析[D].苏州大学,集成电路工程（专业学位）,2013,硕士.
[12]张爱华,胡庆雷,霍星.飞轮安装偏差的过驱动航天器有限时间姿态控制[J].控制与决策,2014,01:27-32.
[13]卓兴良.高校就业服务质量评价研究[D].华侨大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[14]孙园园.面向客户满意的人像产品三维建模相似度提升及评价技术研究[D].重庆大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[15]张云卿.磁旋滑动弧放电等离子体重整甲烷制氢实验研究[D].浙江大学,动力工程（专业学位）,2012,硕士.
[16]陈京华.孔子的家庭伦理观研究[D].湖南科技大学,马克思主义哲学,2013,硕士.
[17]刘文勇.3500mm中板轧机推床液压系统提速及仿真分析[D].东北大学,机械工程,2011,硕士.
[18]苏艳.企业业绩评价与EVA[D].对外经济贸易大学,会计,2004,硕士.
[19]史健,马启山.OA资源对高校图书馆资源效益的影响研究[J].图书情报论坛,2014,03:24-28.
[20]邓尧,黄肖容,邬晓龄.氧化石墨烯复合材料的研究进展[J].材料导报,2012,15:84-87.
[21]王新红,许振中,曾德钊,李占顺.稠油热采的地震监测试验[J].石油地球物理勘探,1992,02:294-302+304.
[22]白学峰.基于滑转率的拖拉机自动耕深控制系统研究[D].南京农业大学,车辆工程,2012,硕士.
[23]刘利利.高低级别公职人员经济犯罪特征比较分析[D].太原科技大学,产业经济学,2013,硕士.
[24]迟明磊.军港水面监控系统技术研究[D].大连海事大学,交通运输工程,2014,硕士.
[25]李桃中.高清H.264熵解码器设计与实现[D].哈尔滨工业大学,微电子与固体电子学,2014,硕士.
[26]池宏康.沙地油蒿群落覆盖度的遥感定量化研究[J].植物生态学报,2000,04:494-497.
[27]张伟,刘勇国,彭军,廖晓峰,吴中福.数据挖掘发展研究[J].计算机科学,2001,07:79-81+94.
[28]李伯群,张克君,傅剑,孙一康.活套高度和张力系统的神经网络自适应解耦控制[J].控制与决策,2006,01:46-50.
[29]莫巨华,黄敏,王兴伟.基于模糊控制的拉式策略在装配生产控制中的应用[J].自动化学报,2011,01:118-123.
[30]王立柱,刘晓东.Granger相关性与时间序列预测[J].控制与决策,2014,04:764-768.
[31]韩蕾蕾.上市公司关联交易信息披露问题研究[D].黑龙江大学,法律,2013,硕士.
[32]张进军.新会计准则下盈利结构的调整对上市公司利润表质量影响的研究[D].山东建筑大学,技术经济及管理,2013,硕士.
[33]刘冠达.远程心电监护系统的设计与实现[D].哈尔滨工业大学,计算机技术,2014,硕士.
[34]黄珊珊,张永良,肖刚,肖健伟,张申旭.基于图论和均匀性测度的彩色图像分割算法[J].计算机应用,2012,06:1529-1531+1547.
[35]许日鑫.神清喷鼻微乳的工艺、质量评价及大鼠脑靶向研究[D].广州中医药大学,中药学,2013,硕士.
[36]丁书江.多尺度金属氧化物纳米结构复合材料制备及锂离子存储性能研究[A].中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集——第37分会：能源纳米科学与技术[C].中国化学会:,2014:2.
[37]瞿海燕.理性选择视域下村委会海选信访动机研究[D].华东理工大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[38]李扬.细菌纤维素的生物相容性及联合BMP_2的成骨效应[D].苏州大学,免疫学,2012,硕士.
[39]陈光东.单板机控制的电流型逆变器变频调速系统[J].冶金自动化,1986,05:16-20+63.
[40]余天文.公路桥梁锚固体系—锚板的参数化设计[D].广西科技大学,结构工程,2013,硕士.
[41]王煜.影视文学作品在中学语文教学中的对策研究[D].内蒙古师范大学,学科教学,2012,硕士.
[42]廉奇.论芭芭拉·金索尔弗《毒木圣经》中殖民意识的双面性[D].曲阜师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[43]陈伟钟,董敏煜.一种新的连续自适应格点反褶积方法[J].石油地球物理勘探,1986,03:276-287.
[44]屈旭光.一种最小电压应力的无源无损软开关技术研究[D].中国科学院研究生院（电工研究所）,电力电子与电力传动,2004,硕士.
[45]高松.专家—普通教师高中数学课堂教学的比较研究[D].东北师范大学,学科教学,2012,硕士.
[46]李礼航.碱金属蒸气激光器可调谐脉冲泵浦源研究[D].国防科学技术大学,光学工程,2012,硕士.
[47]肖富群.当代中国中产阶层研究[D].广西师范大学,马克思主义哲学,2003,硕士.
[48]刘金平,桂卫华,唐朝晖.基于纹理粗细度测量的铝土矿浮选过程最佳精选泡沫状态分析[J].控制与决策,2013,07:1013-1017.
[49]陶丽华,蔡燕,李在均,任国晓,刘俊康.石墨烯/CdS量子点复合材料的电化学性能研究[J].无机材料学报,2011,09:912-916.
[50]许烨.私募股权投资的介入对企业的财务影响[D].复旦大学,会计学,2012,硕士.