心率變異性的非線性分析與模型仿真.pdf

1、心率變異性(HeartRateVariability,HRV)指心搏間期的拍拍波動,對維持人體內環(huán)境穩(wěn)定具有重要意義。自從Akselrod等[1,2]證明了HRV的傅立葉頻域上有三個主要的譜峰,高頻(HighFrequency,HF,0.15-0.40c/b)、低頻(LowFrequeney,LF,0.04-0.15c/b)和極低頻(VeryLowFrequency,VLF,＜0.04c/b),且這些頻段反映了自主神經系統的調節(jié)以來,H

2、RV以及其它心血管變異性的頻域,或者對應的時域分析[3]被廣泛認為是無創(chuàng)傷性檢測心血管自主神經調節(jié)的方法[4]。過去幾十年,HRV的研究受到了極大的關注,大約每周平均發(fā)表10篇左右關于HRV的科技論文[5]。人們發(fā)現各種心血管疾病如心力衰竭[6]、高血壓[7]、糖尿病[8]、阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征[9]等都與HRV的異常相關。HRV研究的井噴式進展不僅在生理上還在臨床應用中都取得了令人矚目的成果。
　　在HRV的三個譜峰中,曾經

3、認為HF反映副交感神經對心率的調節(jié),LF反映交感和副交感神經對心率的共同調節(jié)[3]。頻譜分析一直以來都被認為是線性的分析方法[3],基于這種線性分析的認識,Malliani等人提出HRV頻譜的生理機理是“交感迷走平衡”[10],認為HRV的頻譜成分(其絕對值或歸一化值)反映自主神經的線性調節(jié),且交感.迷走神經之間存在著此消彼長的推挽關系。然而該觀點受到大量質疑[11],最近的討論趨向于認為“交感迷走平衡”可能是非線性現象,它反映心血管自

4、主神經調節(jié)系統的動力學行為[12,13]。
　　隨著HRV研究的進展,人們開始從HRV的線性分析轉向非線性分析。但是HRV到底是非線性混沌還是噪聲目前存在很大爭議[14]。在過去幾十年里,非線性分析方法與線性分析方法平行發(fā)展,幾乎所有非線性動力學中發(fā)展起來的指標都被用來分析和檢測HRV的非線性或混沌特性。然而這些研究得到的不是結論而是更多的爭議。當前研究心搏混沌的主要非線性方法有單尺度或多尺度分維[15,16,17,18,19,2

5、0]、熵復雜度等(獨立的或結合替代數據方法)[21,22,23,241],然而這些方法普遍缺乏對非線性的敏感性,特異性和魯棒性,特別在有噪聲情況下上述方法的局限性很明顯。
　　本論文中的第一章首先介紹生理和臨床上與HRV研究相關的背景,同時介紹與混沌理論有關的內容。之后回顧HRV研究歷史上的2次主要爭論,一次是2006年在Journalof：Physiology雜志上發(fā)表的論戰(zhàn)“Point：Counterpoint：Cardiov

6、ascularvariabilityis/isnotanindexofautonomiccontrolofcirculation”,另一個是2009年在Chaos雜志上發(fā)表的文章集“Isthenormalheartratechaotic?”
　　第二章主要評估當前流行的非線性分析方法,包括李亞普諾夫指數(基于方程算法和近似算法),單分維(1/f尺度不變性和DFA),熵復雜度(近似熵,樣本熵和多尺度熵),替代數據方法,Barahon

7、a-Poon非線性自回歸模型及其非線性檢測,以及基于上述非線性自回歸模型的噪聲滴定法等。我們的結果證實雖然自然界中普遍存在1/f尺度不變性,但是單分維實際上并不能反映時間序列的非線性相關,僅是一種線性指標。熵復雜度等指標如果不與替代數據方法相結合,將無法區(qū)別非線性和噪聲。而替代數據本身也需要接受非線性檢測,因為AAFT算法本身極有可能導入非線性偽跡。通過對比我們認為噪聲滴定法是目前能夠有效區(qū)分非線性和線性噪聲的指標。
　　第三章證

8、明了HRV中的HF混沌。我們研究組發(fā)現HRV的高頻成分與滴定法的非線性晝夜節(jié)律呈高度相關[25]。為了證明譜成分與非線性的確切關系。我們提出了一種新的分析方法,即分頻段相位隨機化替代數據方法,與噪聲滴定法相結合,探討了HRV頻譜成分對非線性特征的貢獻。此外,控制呼吸的實驗結果同樣說明與HF對應的呼吸性竇性心律不齊是HRV混沌的主要來源。因此,頻譜分析已經不再是傳統意義上所認為的線性方法,信號的非線性特性隱藏在其相位結構中。
　　第

9、四章建立了帶有交感和副交感神經的調節(jié)的心臟起搏細胞(SinusAtrialNode,SAN)模型,該模型基于Hodgkin-Huxley方程和Demir的模型[26]。通過模型模擬了SAN的動作電位,并仿真了正常人和心衰病人的心率。不管從頻譜分析還是非線性特性來看,仿真結果都與臨床數據相似。心衰病人的HRV中零星分布著脈沖樣波動,該脈沖由正常竇性心率組成,且具有強混沌特點[25]。模型仿真提示,該現象主要可歸因于交感神經對SAN的刺激增