基于庞加莱散点图和递归图的心率变异性研究

【摘要】心率变异性(heartratevariability,HIW)分析是目前临床认可的用于定量评价自主神经功能的主要方法。作为一种无创性检测手段,HRV分析对于心脏疾病及其他自主神经相关疾病的诊断、生理状态的评估都具有重要的临床价值。HRV的常用分析方法包括时域、频域和非线性方法。其中,非线性分析方法被认为更有助于揭示心脏动力系统的本质特征。但是,目前大多数非线性方法还不够成熟,未被临床应用所接受。因此,寻找能恰当反映心脏动力系统在各类生理病理状态下差异的非线性参数,进而揭示心脏动力系统的本质,是众多HRV研究者的目标。在HRV的非线性分析方法中,以庞加莱散点图和递归图为代表的相空间图形化分析方法是一类较有特色的方法,可以直观地展现心率波动的非线性特征。它们的主要问题在于如何从图形中提取能反映HRV序列非线性性质的特征量,从而提高分析结果的客观性和准确性。针对上述问题,本文对基于庞加莱散点图和递归图的心率变异性分析方法进行了研究和探索,提出了一些新颖的用于反映图形非线性特征的量化测度,并据此研究了不同生理病理状态下HRV序列的非线性动力学特征的差异,得到了一些有意义的结果,反映了人体心脏自主神经活动的复杂性和非线性特性。具体工作包括：(1)提出一种基于差分庞加莱散点图的定量分析方法——多尺度分布熵分析,用于描述散点图不同象限、不同半径环形区域内的散点分布特性,并可对多个时间尺度上的动力学性质进行综合考察。我们将这一方法应用于健康年轻人、老年人和心衰患者的RR间期序列,用于研究年龄和典型病理状态对HRV的影响。结果显示,分布熵对不同生理病理状态的区分效果在散点图的第Ⅰ限中体现得最为显著,突出了年龄或疾病因素对迷走神经调控造成的影响(功能衰退或损伤)；分布熵值随尺度变化呈现一定的起伏变化规律,体现了心率控制系统在多个时间尺度上存在长程相关的动力学性质；健康人和心衰患者的变化规律显著不同,反映了病理状态对多级心率调控机制的全面影响。对仿真噪声和替代数据集的测试结果进一步表明,该方法所得分析结果并非由序列的均值、标准差等时域统计特性所决定,而应当是来源于生理系统的一些内在的非线性特征。另外,研究发现,在某些特定尺度上,健康人和心衰患者第Ⅰ象限分布熵ED1间的差异最为显著。因此,该尺度上的ED1可以作为一个新的特征参数,应用于心衰等疾病的辅助诊断。最后,利用该方法对健康人在昼夜不同时段的RR间期序列进行了分析,用于研究自主神经调控的昼夜差异。结果表明,分布熵值及其随尺度变化规律的差异可以有效地反映昼夜节律导致的自主神经调控作用的变化。(2)根据心率变异序列的差分庞加莱散点图特点,我们定义了一种非线性反馈的概念,同时,考虑到人体心率调控系统的多级延迟反馈控制特征,我们又提出一种新的散点图量化分析方法——多尺度反馈指数分析法,可以直观地反映心率波动模式中正反馈、负反馈和总反馈比例随尺度变化的情况。采用该方法,我们首先分析了三种典型噪声(白噪声、1/f噪声和布朗噪声)的反馈性质,并验证了其中三种不同的反馈水平。随后,以此为参考,我们又研究了三类不同的RR间期序列(正常窦性心律、充血性心力衰竭和房颤)的多尺度反馈性质,结果表明,它们的多尺度反馈指数在小尺度范围内的演化趋势有显著差别,在大尺度范围内的相对稳定值也有显著差别,并分别接近于三类噪声的水平,体现了不同的反馈特性。根据多尺度反馈指数曲线提取出反映长程反馈特性的量化指标RTF-[]9，20],对健康人、心衰患者和房颤患者的特征差异较显著,可以作为现有参考指标的有益补充。最后,我们研究了人造RR间期序列的多尺度反馈性质,发现其在小尺度范围内的反馈指数及变化趋势与实际生理序列有较显著差异,反映了现有各类人工设计的心率变异模型的不足。我们提取了反映小尺度下平均反馈指数的量化指标RTF-[2，4],对鉴别人造RR间期序列有一定的效果,可作为测试心率变异信号模型的工具。(3)我们对递归图在HRV分析中的应用进行了研究。针对目前主流研究集中于传统递归定量分析指标的具体应用且这些指标在分析某些生理病理状态下HRV序列时差异不够显著的问题,我们提出了多尺度递归定量分析方法,可以在多个时间尺度或小波尺度上对递归定量参数进行考察,并选取差异最为显著的特征尺度,从而提高递归定量参数在HRV分析中的应用价值。我们对健康人和心衰患者的HRV数据进行多尺度递归定量分析,结果表明,某些尺度下的递归图及定量参数可突出反映心衰患者异常心率波动的递归特征。进一步地,我们对健康人在冥想训练中及训练前的HRV数据进行了分析,结果表明,递归定量参数值及其随尺度变化的规律在冥想训练中发生显著变化,反映冥想过程在多个不同的时间尺度上有效地改变了受试者的自主神经调控状态,改善了交感-迷走神经的动态平衡,优化了生命活动的整体状态。另外,针对目前递归图方法较少应用于运动领域HRV分析的现状,我们对实验采集的一组健康人跳绳运动相关数据进行了分析,初步发现,多个递归定量参数均可在一定程度上反映运动过程中及恢复期心脏交感和迷走神经张力的变化,从而为运动领域HRV分析方法的扩展提供了一些新的思路。
【作者】霍铖宇；
【导师】邱小军；宁新宝；
【作者基本信息】南京大学，信号与信息处理，2014，博士
【关键词】心率变异性；非线性分析；庞加莱散点图；递归图；多尺度；

【参考文献】
[1]张炎创.基于提升DE公司产品质量的供应商管理策略研究[D].兰州大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[2]孙强.光电稳瞄系统稳定度测量与校准装置设计[D].西安工业大学,光学工程,2013,硕士.
[3]向丰.土地出让方式、出让金收入与房价关系的实证研究[D].西南大学,金融学,2014,硕士.
[4]何志波.WM公司绩效管理体系改进研究[D].北京化工大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[5]赵德龙.维持性血液透析患者抗血小板第4因子/肝素抗体及其危险因素和临床意义研究[D].中国人民解放军医学院,内科学,2013,硕士.
[6]周安林.CZZL机械厂竞争战略研究[D].湖南师范大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[7]许静.女性主义视角下曼斯菲尔德与张爱玲小说的比较研究[D].内蒙古师范大学,比较文学与世界文学,2012,硕士.
[8]方建东.抗性淀粉对小鼠肠道菌群的影响以及作用机制的研究[D].浙江工商大学,食品科学与工程,2014,硕士.
[9]王冬.基于EMA方法的软件平台体系结构的研究与实现[D].南京航空航天大学,2005.
[10]袁卫生.水稻几丁质酶定向进化[D].广西民族大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[11]张胜军.基于多星测高数据的中国近海及邻域平均海平面模型建立及应用研究[D].中国石油大学（华东）,地图制图学与地理信息工程,2012,硕士.
[12]雷明菊.采用B/S结构的OLAP系统的研究[D].东南大学,2004.
[13]李侃,刘玉树.模糊核聚类的自适应算法[J].控制与决策,2004,05:595-597.
[14]屈鹏飞.初中数学教学生活化研究[D].信阳师范学院,学科教学,2014,硕士.
[15]杨小娟.交通银行高新区支行信用卡促销策略研究[D].兰州大学,金融,2014,硕士.
[16]李波.血清淀粉样蛋白A1对动脉粥样硬化斑块稳定性的影响及其机制的实验研究[D].山东大学,内科学,2014,博士.
[17]杨娟.芹菜素对扑热息痛致急性肝损伤的保护作用及其机制研究[D].苏州大学,药理学,2013,硕士.
[18]李进元.微创手术配合三期辨证治疗儿童胫骨骨折的临床研究[D].湖北中医药大学,中西医结合临床（专业学位）,2013,硕士.
[19]赵辉,李牧东,翁兴伟.具有自适应全局最优引导快速搜索策略的人工蜂群算法[J].控制与决策,2014,11:2041-2047.
[20]梁锴.高效InsB_(15-23)H-2K~d单链三聚体的制备及初步鉴定[D].扬州大学,免疫学,2012,硕士.
[21]李淑芬.1999—2003年我国文献编目研究论文的定量分析[J].图书馆杂志,2005,03:39-41+63.
[22]葛蓝.我国社会保险基金投资运营监管制度的法律问题研究[D].安徽大学,经济法学,2013,硕士.
[23]刘燕桃.主题公园型旅游集聚区特征及形成机制研究[D].安徽大学,旅游管理,2014,硕士.
[24]周立凡.城市重大工程区高分辨率永久散射体雷达干涉地表形变监测[D].浙江大学,地图学与地理信息系统,2014,博士.
[25]户素芬.北京市基础设施财政投融资研究[D].首都经济贸易大学,财政学,2013,硕士.
[26]李建英.古代日本人樱花观的变迁[D].湖南师范大学,日语语言文学,2014,硕士.
[27]郝欣华.外国学生学习汉语常用虚词偏误分析[D].苏州大学,汉语国际教育（专业学位）,2014,硕士.
[28]曹莉.面向大学生综合素质评价的电子学档系统设计与开发[D].扬州大学,教育技术学,2012,硕士.
[29]郭迪迅.LED显示屏集中监控管理软件的设计与实现[D].西安电子科技大学,软件工程,2011,硕士.
[30]钟慧.中国保险业寿险营销员管理模式研究[D].云南大学,工商管理,2012,硕士.
[31]崔金星.基于DSP的运动控制器的研究与实现[D].中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）,信号与信息处理,2014,硕士.
[32]马克.两个mini-STR复合扩增体系的建立及灵敏度验证[D].吉林大学,生物工程,2013,硕士.
[33]张萌.我国促进研发的税收政策研究[D].首都经济贸易大学,财政学,2014,硕士.
[34]柯照坤,程榕,郑燕萍.热泵干燥系统E_R及COP的实验研究[J].化工时刊,2014,06:15-17+25.
[35]赵华栋.射频消融治疗兔肝内VX2肿瘤的实验研究[D].第四军医大学,外科学,2004,硕士.
[36]徐栋.一种改进型快速入锁电荷泵锁相环的设计[D].苏州大学,微电子学与固体电子学,2013,硕士.
[37]蔡卫东,徐章艳,杨炳儒.关联规则的高效向量法数据挖掘[J].济南大学学报(自然科学版),2005,01:59-63.
[38]王星衍.改性碳纳米管对于甲醛气敏性的理论计算[D].华东理工大学,2014.
[39]王芳.工伤保险系统的研究与实现[D].西安电子科技大学,软件工程,2011,硕士.
[40]董瑞.探索身处低谷运营商的可持续发展[J].通信企业管理.2008(06)
[41]杨伟伟.地方师范院校教育技术学本科课程设置探究[D].上海外国语大学,教育技术学,2012,硕士.
[42]方磊.射频通信集成电路及其相关模块的研究[D].浙江大学,电路与系统,2004,硕士.
[43]周懿.冷战与美国粮食外交[D].上海大学,世界史,2013,硕士.
[44]胡勖.多用户MIMO系统中基于有限反馈的用户调度的研究[D].华中科技大学,电子与通信工程,2013,硕士.
[45]吴松.基于微圆环法的失效概率计算基本原理及其应用研究[D].合肥工业大学,机械电子工程,2013,硕士.
[46]杨瑾.基于OracleApplication的CRM系统实施研究[D].西北工业大学,2002.
[47]余文琴.大米分离蛋白制备、表征及重构大豆—大米肽研究[D].重庆大学,化学,2014,硕士.
[48]程曦.基于随机观测向量的目标检测与分类[D].西安电子科技大学,电路与系统,2012,硕士.
[49]胡秀锦.上海在职成人职业能力开发现状及其对策研究[D].华东师范大学,成人教育学,2002,硕士.
[50]曹中.论数据挖掘和企业财务分析[J].平原大学学报,2004,01:35-36.