心率變異性的非線性分析與模型仿真.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、心率變異性(HeartRateVariability,HRV)指心搏間期的拍拍波動,對維持人體內(nèi)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(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)以來,H

2、RV以及其它心血管變異性的頻域,或者對應(yīng)的時域分析[3]被廣泛認(rèn)為是無創(chuàng)傷性檢測心血管自主神經(jīng)調(diào)節(jié)的方法[4]。過去幾十年,HRV的研究受到了極大的關(guān)注,大約每周平均發(fā)表10篇左右關(guān)于HRV的科技論文[5]。人們發(fā)現(xiàn)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(guān)。HRV研究的井噴式進(jìn)展不僅在生理上還在臨床應(yīng)用中都取得了令人矚目的成果。
  在HRV的三個譜峰中,曾經(jīng)

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

4、主神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動力學(xué)行為[12,13]。
  隨著HRV研究的進(jìn)展,人們開始從HRV的線性分析轉(zhuǎn)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(xué)中發(fā)展起來的指標(biāo)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(jié)論而是更多的爭議。當(dāng)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(fù)雜度等(獨立的或結(jié)合替代數(shù)據(jù)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(guān)的背景,同時介紹與混沌理論有關(guān)的內(nèi)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(dāng)前流行的非線性分析方法,包括李亞普諾夫指數(shù)(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(fù)雜度(近似熵,樣本熵和多尺度熵),替代數(shù)據(jù)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(jié)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(guān),僅是一種線性指標(biāo)。熵復(fù)雜度等指標(biāo)如果不與替代數(shù)據(jù)方法相結(jié)合,將無法區(qū)別非線性和噪聲。而替代數(shù)據(jù)本身也需要接受非線性檢測,因為AAFT算法本身極有可能導(dǎo)入非線性偽跡。通過對比我們認(rèn)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(biāo)。
  第三章證

8、明了HRV中的HF混沌。我們研究組發(fā)現(xiàn)HRV的高頻成分與滴定法的非線性晝夜節(jié)律呈高度相關(guān)[25]。為了證明譜成分與非線性的確切關(guān)系。我們提出了一種新的分析方法,即分頻段相位隨機(jī)化替代數(shù)據(jù)方法,與噪聲滴定法相結(jié)合,探討了HRV頻譜成分對非線性特征的貢獻(xiàn)。此外,控制呼吸的實驗結(jié)果同樣說明與HF對應(yīng)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(jīng)不再是傳統(tǒng)意義上所認(rèn)為的線性方法,信號的非線性特性隱藏在其相位結(jié)構(gòu)中。
  第

9、四章建立了帶有交感和副交感神經(jīng)的調(diào)節(jié)的心臟起搏細(xì)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(jié)果都與臨床數(shù)據(jù)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(qiáng)混沌特點[25]。模型仿真提示,該現(xiàn)象主要可歸因于交感神經(jīng)對SAN的刺激增

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