（生物医学工程专业论文）基于公共数据库数据的心电图间期序列符号动力学分析.pdf

北京协和跃学院硕上学位论文 摘要 f f y 1 7 7 5 芎芝 背景：冠心病导致的心肌缺血是恶性心律失常和心源性猝死的重要诱因。已有大量 的实验证实，自主神经系统与心血管疾病的病死率，包括心源性猝死( s c d ) 有着 密切的联系。与心肌缺血相关的自丰神经活动的研究对于全面认识心肌缺血有着重 要的作用。动态心电图是目前对于心肌缺血最为有效的监测手段。本研究拟利用动 态心电图数据，以心电图间期时间序列为基础，采用短时序列的符号动力学方法， 分析心肌缺血过程中自主神经活动变化，探讨心肌缺血的发生和发展过程中交感神 经和迷走神经的相互作用的动态变化以及可能产生的影响。此外，通过健康人i 汛 间期和q t 间期序列的联合分析，探讨表征心率变异性( h r v ) 和q t 变异性( q t v ) 一致性的方法及其影响因素，以期更多地提取蕴藏在动态心电图信号中的信息。 方法：选取l o n g - t e r ms t t ( l t s t ) 数据库作为心肌缺血分析的数据来源，根据筛选 原则，从中选出1 9 3 段时长从5 4s 到4 5m i n 不等的缺血段进行r r 间期序列符号 动力学分析；进一步对其中1 4 5 段进行r r 问期和q t 间期序列的符号动力学对比 分析。对于每一缺血段，分别选取其前后5m i n 作为对照段，形成一个完整的待分 析段。符号动力学分析方法中，以3 个心拍为一符号单元，每一单元中心拍可能的 变化趋势存在4 种模式，将每一待分析序列中各种模式所占百分比分别记为o v ， l v 、2 l v 和2 u v 。对每一待分析段，分别计算缺血前、缺血中和缺血后的符 号动力学分析参数。采用重复测量的方差分析，分别对缺血前与缺血中，缺血前与 缺血后进行对比。在r r 间期序列分析中，用o v 与2 u v 之比表征自主神经的平 衡，以缺血持续时间的对数为横举标，以自主神经平衡向交感神经更占优移动( o v 与2 u v 之比增大) 的缺血段的比例数为纵坐标，进行线性拟合，分析心肌缺血持 续时间与缺血时自主神经响应模式之间的关系，并进行拟合优度检验。 选取f a n t a s i ad a ：t a b a s e 中的r r 间期序列数据，进行健康年长者和年轻人符号动 力学分析指标的年龄和性别差异分析；选取n o f m a is i n u sr h y t h md a t a b a s e 中的r r 间期序列数据，进行健康人符号动力学分析指标的昼夜差异分析。此外，从每个长 时r r 间期序列中随机挑选2 0 0 0 段长度为1 0 0 心拍的短时r r 问期序列，同时选取 与之相对应的短时q t 问期序列。对于每个短时r r 间期和q t 间期序列，分别计 算其符号动力学指标( o v ，2 u v ) ，得到配对的h r v 和q t v 指标。计算这些配 对指标的二维概率密度函数，并据此估算每对指标的互信息值。对这些互信息数据 分别就年龄、性别和昼夜因素进行配对检验。 结果：较之心肌缺血前后，心肌缺血过程中r r 间期序列的o v 显著增加而2 u v 北京协和跃学院硕士学位论文 显著减小，反映了交感神经活性的增加和迷走神经活性的减弱，但这种自丰神经平 衡向交感神经更占优移动的趋势随着缺血持续时间的延长而减小，提示可能存在的 对心脏的保护作用。对q t 间期序列的符号动力学分析体现了相同的变化趋势。 对于健康人，r r 问期序列的0 v 随年龄的增大而显著增大，2 u v 随年龄的 增人而显著减小；除年长组男性o v 显著大于女性外，其它均无显著性别差异；q t 问期序列的0 v 、2 u v 不存在年龄、性别上的显著差异。对于r r 间期和q t 间 期序列，白昼o v 显著小于夜晚，白昼2 u v 显著大于夜晚。对于配对的r r 间期 和q ti 日j 期序列的分析指标，即配对0 v 和配对2 u v ，它们的互信息值于年龄、 性别和昼夜无显著差异。 结论：本研究运用符号动力学方法，分析心肌缺血发牛过程中r r 问期和q t 间期 序列的动态变化特性。提出以r r 问期序列的0 v 与2 u v 之比评价自主神经的平 衡，并探讨缺血持续时间与这种平衡移动之联系。符号动力学分析为研究心肌缺血 中自丰神经的调制提供了一个敏感的工具。 互信息用于配对的符号动力学h r v 和q t v 指标分析，其结果反映出在健康人 中具有一致性，且少有影响因素，为弱化个体差异提供了分析思路。 关键词：符号动力学分析：心肌缺血；心率变异性；q t 变异件 北京协和医学院硕上学何论文 a b s t r a c t i n t r o d u c t i o n ：m y o c a r d i a li s c h e m i ai sam a j o rc a u s eo f 啷l i g n a n ta r f h ”h m i aa n d s u d d e nc a r d i a cd e a t h ( s c d ) l a r g en u m b e ro fe x p e r 蚰e n t sh a v ec o n f 缸m e dt h a tt h es t a t e o f a u t o n o m i cn e r v o 吣s y s t e mh a sc i o s er e l a t i o n s h i pw i t hc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s em o r a “t ) ， m c i u d i n gs c d t h er e s e a i i c ho nt h ea u t o n o m i cn e r v o u sa c t i v i t i e sd u r i n gm y o c a r d i a i b c h e m i ap l a ya ni n l p o r t a n tr o i e mc o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go f m y o c a r d i a ii s c h e m i a h o l t e ri st h em o s te f f i c i e n t 啪n i t o r i n gm e a s u r eo fm y o c a r d i a li s c h e m i a b a s e do ns h o r t t e r ms y m b o i i cd y n a m i c s 卸a i y s i sa n dr ra n dq t - m t e r v a is e r i e s ，a u t o n o m i cn e f v o u s a c t 沁t y ，e s p e c i a l i yt h es y m p a t h e t ca n dv a g a i 仉t e r a c t i o nd u r m gm y o c a r d i a li s c h e m i aw 觞 i n v e s t i g a t e di i lt h i sp a p e r a tt h es a m et i m e ，t h ec o n s i s t e n c yo f h e a r t r a t ev a r i a b i i i t y ( h r v ) a n dq tv a f i a b i l i t y ( q t a n di t si l l f l u e n c i n g t o f sw a ss t u d i e di nh e a i t h ys u b j e c t s m e t h o d s ：f r o me c gr e c o f d s ml o n g - t e 咖s 1 t ( l t s dd a t a b a s e ，l9 3m y o c a r d a l i s c h e m i ce p i s o d e sw i t ht h ed u f a t i o no f5 4s 4 5m i nw e r es e i e c t e df o fh r v a n a l y s i s t h e n l4 5m y o c a r d i a ii s c h e m i ce p b o d e sw e 佗s e l e c t e df o rt h ej o i n ta n a l y s i so fr r 柏d q t i n t e r v a is c r e s t w o5m i ne c g e p i s o d e sb c f o r ea n da r e re a c hm y o c a r d i a ii s c h e m i c e p i s o d ew e r cs e l e c t e dr e s p e c t i v e i ya s h ec o n t r o lo n e s i ns y m b o i i cd y n a m i ca n a l y s i s ， e a c hs y m b o lu n t 、v 觞c o 呷o s e do f3h e a r tb e a t s t h e r e 、v e r e4m o d e sd e s c r i b i n gt h e c h a n g eo fh e a r tb e a t ms y m b o iu n h s t h ep e r c e n t a g eo fe a c hm o d e me v e r ye p i s o d ew a s r e f e r e da s0 v ，lv ，2 l v ，2 u v s y m b o l i cd y a n a m i ci n d e x e sw e r ec a i c u l a t e d mt h e e p i s o d e sb c f o r e ，d u 血ga n da f t e ri s c h e m i a r e p e a t e dm e a s u f e sa n a i y s i so fv a r i a n c ew a s a p p l i e dt oc o m p a r et h o s e m d e x e s mt h ce 幽o d e sb e f o 佗a n dd u r i n gi s c h e m i a ，a s 、l ia s t h o s eb e f o f ea n da r e rb c h e m i a i nt h ea n a i y s i so fr rt 肌es e r i e s ，w ep r o p o s e dt ou s et h e r a t i oo fo v t o2 u v t oc h a 豫c t e r 让鹭t h eb a l a n c eo fa u t o n o m j cn e r v o u ss y s t e m i n a d d i t i o n i i n e a rf i t t i n gw a sp e r f o r m e db e t w e e nt h ei o go f i s c h e m i cd u r a t i o na n dt h c f r e q u e n c yn 啪b c ro ft h ei s c h e m i ce p i s o d e s i f lw h i c ht h er a t bo f0 v t o2 u v m c r e a s e d t h ed i s t r b u t i o no fa u t o n o m i cr e f l e xm o d et oi s c h e m i ad u r a t i o nw a sa n a l y z e d b yt h el i n e a ff i t t i n g ，a n dt h et e s to fg o o d n e s sf o r 疗t t i n gw a sc o n d u c t e d f o rt h ei n d e x e so fs y m b 0 i i cd y m a m i ca n a l y s i sm h e a l t ys u b j e c t s ，f a n t a s i ad a t a b a s c w a su s e dt 0t e s tt h ea g ea n dg e n d e rd i 腧f e n c e sb e t w e e nt h eo i da n dt h ey o u n g ，a n d n o r m a ls i f l u sr h y t h md a t a b a s et 0t e s tt h ec i i c a d i a nr h y t h f nd i f r e r e n c e f r o me a c hi o n g t e r mr r m t e r v a i 辩r k s ( 1 a s t i n g2h ) ，2 0 0 0o fl0 0s h o f tt c r mr r m t e r v a is e r e sw e r e s e l e c t e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gq ti n t e r v a ls e r i e sw e r es e l e c t e da sw e l j f o re a c hs h o r t t e f mr ra n dq ti n t e r v a ls e r i e s ，t h es y m b o l i cd ”a m i ci n d e x e s ( o v ，2 u v ) 、v e f e i i i 北京坍和医学院硕上学位论文 c a l c u i a t e dt og e tt h ep a i r e d m d e x e so fh r va n dq t v ：t h e n ，t h ep r o b a b i i i t yd e n s i t y f u n c t i o nf o rt h e s ep a i f e d m d e x e sw a sc a l c u l a t e da n dt h em u t u a ii n f o r m a t i o nw 弱 e s t i m a t e db a s e do nt h e 凡n c t i o n d i f 先r e n c e s ma g e ，g e n d e ra n dc i r c a d j a nr h ”h mw e r e a n a l i z e dr e s p e c t i v e l yu s i n gp a i f e d ，t e s t r e s u lt s ：s y m b o l i cd y n a m i ca n a i y s i sr e v e a i e da ni n c r e a s ei nt h ep e r c e n t a g eo fn o n v a r i a b l ep a t t e r n s ( 0 v ) a n dad e c r c a s ei nt h ep e r c e n t a g eo f v e 呵v a r i a b l ep a t t e m s ( 2 u v ) d u r i n gt h ee p 的d e so fi s c h e m i a ，m d i c a t i n gam o r es y m p a t h e t i cp r e d o m i n a n c c c o m p a r e dw i t ht h eb a s e i i n e b u tt h et r e n do ft h es h i r ma u t o n o m i cb a l a n c et o w a r d s s y m p a t h e t i cp r e d o m j n a n c er e d u c e dw i t ht h ee x t e n s i o no fi s c h e m i cd u r a t i o n ，s u g g e s t m ga p o s s i b i ep r o t e c t i o nf o rh e a r t t h es y m b o i i cd ”n a m i ca n a i y s i so fq tj n t e r v a is e s d i s p l a y e dt h es a m et r e n d f o rt h eh e a l t h ys u b j e c t s ，0 v o fr r m t e r v a ls e r 诘si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw i t ha g e ， w h i i e2 u v d e c r e a s e ds 醣n i n c a n t l yw i t h a g e ；0 v o fm a l e i ne l d e r g r o u pw 雒 s 噜n i 疗c a n t l yh i g h e rt h a n 危m a i e ，t h eo t h e f sh a dn os i g n i 厅c a n t l yg e n d e rd i f l e r e n c e s ；0 v 、e a k e ri nd a y t i m et h a nn i g 胁i m e ，2 u v s t r o n g e ri nd a ”i m et h a nn i g h t t 西e ；0 v a n d 2 u v o fq t “e r v a ls e r i c sh a dn 0s i g n m c a n t i ya g ea n dg e n d e rd i f f e r e n c e s t h em u t u a i m f o r m a t i o no fp a i r e dh r va n dq t v m d e x e sh a dn os 谵n i n c a n td i f f e r e n c ea c c o r d i n gt 0 a g e ，s e xa n dc i r c a d i a nr h y t h m c o n c l u s i o n s ：i nt h i s s t u d y ，d y n a m i cc h a n g e so fr ra n dq ti n t e r v a is e r i e sd u r i n g m y o c a r d i a li s c h e m i aw e r e m v e s t i g a t e du s i n gs y m b o l i cd y n a m i ca n a i y s i s t h er a t i oo f 0 v t o2 u v w a su s e dt oe v a i u a t et h eb a l a n c eo fa u t o n o m i cn e r v es y s t e ma n ds t u d yt h e r e l a t i o n s h i po fi s c h e m i cd u r a t b na n dt h em o v i n gt r e n do ft h eb a i a n c e s y m b o l i cd y n a m i c a n a l y s i si sc a p a b l eo fi d e n t i 匆i n gc h a n g e si na u t o n o m i cm o d u l a t i o na n da p p e a f s t ob c a p p r o p r i a t ef o re i u c i d a t m g t h en e u r a i p a t h o p h y s i o i o g i c a l m e c h a n i s m so c c u r r i n gi f i m y o c a r d i a li s c h e m i a u s m gm u t u a ii n f o r 眦t i o n ，t h ec o n s i s t e n c yo fp a i r e dh r v a n dq t vi n d e x e sw 弱 f o u n di n h e a l t h ys u b j e c t sw i t hf e wi n f l u e n c ef - a c t o r s ，p r o v i d i n gap o t e n c i a lw a yi f l w e a k e n i n gt h em d i v j d u a ld i f 话f e n c e s k e yw o r d ：s y m b o i i co y n a m i ca n a i y s i s ；m y o c a r d i a li s c h e m i a ；h e a r tr a t ev a r i a b i l i t y ( i r v ) ； q tv a r i a b i l i t y ( q t v ) 北京协和跃学院硕上学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 心肌缺血与心率变异性l i 2 心肌缺血与q t 问期变异性2 i 3h r v 分析方法3 1 4 数据采集、分析平台6 1 5 研究目标和技术路线6 第二章心肌缺血中的符号动力学分析l o 2 1 材料与方法1o 2 i 1l t s t 数据库简介1 0 2 1 2 符号动力学方法1 2 2 1 3l ，t s t 数据库分析流程i6 2 2 心肌缺血中h r v 分析l7 2 2 i 结果1 8 2 2 2 讨论2l 2 3 心肌缺血中h r v 与q t v 对比分析2 2 2 3 i 结果2 2 2 3 2 讨论2 4 2 4 本章小结2 5 第三章基于健康人数据库的m w 与q t v 联合分析2 6 3 1 年龄、性别、昼夜节律对h r v 、q t v 的影响一2 6 3 1 1 材料与方法2 6 3 i 2 结果2 7 3 1 3 讨论2 8 3 2 应用互信息方法计算h r v 与q t v 的一致性2 9 3 2 1 互信息方法2 9 3 2 2 结果3 2 3 2 3 讨论3 2 3 ，3 本章小结3 3 第四章总结3 4 4 1 关于研究分析方法3 4 4 2 本研究的主要工作3 4 4 3 本研究的主要结论3 5 4 4 本研究的特点3 5 参考文献3 7 文献综述4 l 发表论文5 7 致谢5 8 v 北京协和医学院硕上学能论文 第一章绪论 冠心病作为最为常见的心血管疾病，是现代社会中危害人类健康，致死、致残 的最常见原因，心肌缺血是冠心病的显著特征，是心源性猝死和恶性心律失常的重 要诱因其诊断和治疗一直成为研究热点【l l l 2 l 。对心肌缺血通过机制探讨进行更具针 对性的干预和治疗措施，对挽救患者的生命和提高生活质量具有重要意义。 动态心电图( a m b u i a t o 眄e k t r o c a r d b g r a p h y ；a e c g ) 由美国n o r m a n j h o i t e r 于1 9 5 7 年首先提出，自1 9 6 0 年起开始应用于临床，为心血管疾病的诊断提供了重 要的检测手段【3 j 。近十余年来，a e c g 检测技术发展很快，普及率也极高，为临床 诊断与治疗提供了重要的有价值的信息。a e c g 是目前对于心肌缺血和心律失常最 为有效的监测手段，可以发现常规心电图检查不易发现的症状，对动态心电图进行 更多的信息挖掘一直是这一无创检测信号的研究重点。 1 1 心肌缺血与心率变异性 心率及其节律是受自主神经系统( a u t o n o m i cn e r v o u ss y s t e m ，a n s ) 即迷走 神经系统( p a r a s y m p a t h e t i cn e r v o u ss y s t e m ，p n s ) 和交感神经系统( s y m p a t h e t i c n e r v o u ss y s t e m ，s n s ) 共同控制。迷走神经系统对心率的作用是通过迷走神经释 放的乙酰胆碱而产生，导致心率减慢、传导减慢等抑制性效应。交感神经对心率的 影响是由释放去甲肾上腺素而产生，导致心率加快、传导加快等兴奋性效应。在安 静状态下，迷走神经兴奋占优势，心率的变化主要受到迷走神经调节；随着运动负 荷的增加，迷走神经活动性降低而交感神经兴奋性增加，因而在运动、情绪紧张、 疼痛等情况下，交感神经兴奋占优势。 心率变异性( h e a r tr a t ev a r i a b i l i t y ，h r v ) 是指人体逐次心搏时间间隔存 在的差别，蕴含了有关心血管调节的大量信息，对这些信息的提取和分析可以定量 评估心脏交感神经和迷走神经的紧张性、均衡性及其对心血管系统活动的影响。 h r v 体现的心动周期的波动性，几乎完全源于自主神经系统对窦房结的输入， h r v 分析可为评估自主神经系统的调节提供具有价值的信息，而且是唯一的无创且 连续的评估手段，在评价自主神经系统疾病和心血管疾病方面具有很高的价值。h r v 生理变化和很多疾病状态可对自主神经系统产生显著影响，与之相关的反映心血管 系统活动与调节的研究方兴未艾【4 j ( 5 j 。 事实上，心肌缺血除了反映在心脏的电生理方面，还会诱发自主神经系统调节 的心脏反射的发生和抑制。阻塞血管处血流受限和压力的改变，会导致心交感神经 和迷走神经均衡性的异常变化。动物和临床实验研究均证实1 6 】【7 】，一心肌缺血时，迷 北京协和医学院硕士学位论文 走神经系统张力下降，交感神经系统张力增高。这种改变很大程度上反映在对心率 节律的影响。g a m e r o 等【8 l 选择e u r o p e a ne l e c t r o c a r d i o g r a p h i c s t t d a t a b a s e ( e s d b ) 数据库中1 4 位年龄在4 0 至6 4 岁之间病人的心电信号，从中选 取3 3 个持续时间从4 0s 至1 2m i n 不等的缺血s t 段，采用小波变换法分析研究h r v 与心肌缺血的联系，结果表明正常区与缺血区的l f 和h f 频段频谱能量存在显著差 异。 正常状态下，交感神经与迷走神经活动表现为互补协同作用，此消彼长。有研 究表明，心脏自主神经活动的交感一迷走平衡丧失时，即交感和迷走神经活性的相 互补足作用的缺失，提示有恶性临床事件发生【9 】【- o l 。自主神经功能缺陷本身也可能 是冠心病的诱因，特别是与交感神经相关的活动【- - 】；自主神经活性的差异与心肌缺 血引起后果( 心律失常) 的不同密切相关【1 2 】。这些研究结果提示自主神经功能和自 主神经调节可能对心肌缺血的发生、发展的影响。 1 2 心肌缺血与q t 间期变异性 q t 间期是q r s 波起始至t 波终末部的时间间隔，代表心室除极和复极的总 过程，但其主要成分是心室复极，是表征心室复极时间的指标【1 3 】，其示意图如图卜l 所示。q t 问期变异性( q t v ) ，是指同一导联上逐波q t 间期的的微小涨落。 瑚 彻 鲫 t ( 螂 图l lq t 问期不意图 一般认为，生理条件下，q t 间期主要受r r 间期变化的影响，q t 间期的s t 段相当于心室肌细胞动作电位2 相平台期，这一间期的长短呈r r 间期依赖性。t 波反映3 相快速复极过程，该间期不仅受自主神经的调节，而且受心室状况如心肌 缺血、电解质紊乱、以及心脏本身病变等因素的影响f 1 4 j f l 8 j 。在神经支配方面，一些 学者研究发现，q t 间期的波动受自主神经的直接影响，l 司时也受源于窦房结的自 北京伽和医学院硕i 学化论文 主神经调节下的r r 问期的调节【1 5 】【1 6 l 【1 7 1 ，而且有研究发现自丰神经改变对心室肌细 胞产生影响，从而使q t 间期变化的模式是不依赖于其对r r 间期的调节模式的 【1 8 l f l 9 i 。 心肌缺血及与之相伴的缺氧、酸中毒和离子反常转移均可改变动作电位之间 的形态，继发的早后除极和迟后除极增加了心室复极的变异性；心肌梗死时由于心 肌损坏或坏死、迷走神经活性降低，加重心电不稳定性，导致室颤闽值降低。同时， 心肌中层细胞( m 细胞) 与其它部位心室肌细胞有着完全不相同的电生理特性，在 缺血时其动作电位时限延长易引起心室肌复极不平衡，引起壁内折返及折返性心律 失常【冽。特别需要指出的是，较之r r 间期的调节，q t 间期更易受非神经因素的 影响【2 l 】【2 2 j ，心肌细胞复极过程中对局部代谢产物的浓度比较敏感，如伴随心肌缺血 产生缺氧、酸中毒和细胞外k + 升高均有可能改变心肌细胞的电生理特性，表现为 静息电位的幅度的改变和动作电位持续时间产生的变化等【2 3 】【2 4 】。对心电图的研究表 明，q r s 波的起止点，s t 段和t 波均有可能由丁心肌缺血对心室去极和复极的影 响而发生变化，并且与缺血时心肌状况、代谢凶素和缺血持续时间有关【2 5 】【2 6 】。提示 心肌缺血这种病理状态可能使q t 间期神经调节以外的影响因素的权重增加，导致 或增加h r v 和q t 变异性( q t v ) 的不一致性。 n a h s h o n i 等f 2 7 】对急性前壁心肌梗塞后的患者和正常对照组进行q t 问期和r r 间期的复杂度对比分析，研究发现，只在正常对照组中，两者表现出高度相关，而 这种相关性在患者组中几乎不存在，而且表现为q t 问期的复杂度较正常对照组显 著升高，r r 间期的复杂度较同一对照组比较显著降低。文献【2 8 】利用时域分析方法， 与正常段比较，心肌缺血段的归一化q t v 显著升高，而归一化的h r v 无显著变化。 以上研究进一步证实了q t 间期和l 冰间期之间的依赖性( 相关性) 在病理状态出 现时会发生改变，提示有可能通过分析q t v 和h 1 w 各自的变化行为，特别是它们 变化行为的差异，作为研究的一种手段 在h r v 与心肌缺血相关的研究中，比较成熟的方面是将其作为评估自主神经健 康状态的指标，进行心肌梗塞后心源性猝死风险预测，目前只有基于2 4 小时心电 记录的时域指标被认为有临床意义。而目前大量的非时域研究过程中，多以年龄、 性别相仿的健康人作为对照。h r v 指标易受年龄、性别、和昼夜节律等因素影响f 力】f 3 0 l ， 置信区间令人满意的标准需要大样本量的支持。如何弱化这些可能的影响因素，利 用有限的样本，为自主神经健康状态评估的提供依据，对于h r v 的广泛应用，对于 药效和锻炼效果检测，具有重要的作用。 1 3h r v 的分析方法 目前h r v 分析方法主要有时域分析法、频域分析法、时频分析法等线性分析 j 北京协和隈学院硕上学位论文 法，以及非线性分析法【3 | 】【3 2 1 【3 3 1 。不同分析方法可能导致研究结果差异，如r r 问期 的即时逐拍变化增强( 交替现象) 却在线性分析中表现为h r v 减弱川；相同刺激， 相同的心率变化趋势却出现线性评估指标变化趋势相反而非线性分析指标可进行 合理的机制分析【6 】。这些均提示在研究内容和方法选择方面进一步研究的必要性。 时域分析法足测量心率变异信号最简单的方法，它足通过统计学离散趋势分析 法分析r r 间期的变化，如计算r r 间期的均值、方差、标准差等，这种方法计算 较为简单，便于掌握，因此常见于临床上的简单分析。如李琦等【3 5 】选择了5 4 例心 肌梗死的患者及5 0 名性别相匹配的健康人的2 4 h 动态心电数据，研究心肌梗死患 者的q t 间期变异性。心率变异指标选用时域分析2 4 h 正常r r 间期的标准差s d n n 分析结果表明，心肌梗死组较之止常对照组的s d n n 明显减低。时域的分析方法虽 然简单易行且较为成熟，但其忽略了信号中的携带的非线性信息，并且通常需要长 达数小时或一天的r r 间期数据，难以满足如心肌缺血急性期状态判别等的实效性 要求。 频域分析法即功率谱估计分析法，包括经典谱估计和现代谱估计【3 6 j 。h r v 信号 的频率组成与心率控制系统密切相关，其中的低频和高频成分与自主神经系统的交 感神经和迷走神经分支的活动有关。人的频域分析中，般将h r v 功率谱划分为 三个频段【3 7 】：( 1 ) 超低频段( 0 0 0 3 0 0 4 h z ) ：反映体温调节和心率中缓慢的线性和 非线件变化趋势；( 2 ) 低频段l f ( 0 0 4 0 i5 h z ) ：反映交感神经和迷走神经在对心率 调制过程中的复杂的交互作用；( 3 ) 高频段h f ( o 1 5 _ o 4 h z ) ：反映迷走神经对心率 的调制作用。从频谱分析中可以得到比时域分析更多或更准确的有关自主神经活动 的信息。研究表明交感神经活动阻断时，h r v 谱中低频谱峰显著降低，当迷走神经 活动阻断时，h r v 谱中高频谱峰显著降低口。但在频域分析的方法被广泛应用于h r v 分析的同时，也存在着一些缺陷。传统的功率谱分析只是对数据的批处理，代表一 段时间内h r v 的平均统计特性，亦不能如实刻画h r v 动态过程。 基于线性平稳假设的h r v 线性分析法( 时域统计学、频域分析等) 发展已经 比较成熟，算法相对简单，但在反映生理和病理过程中存在一定的局限性，特别是 对于体现非线性和非平稳特点的病理过程。近来，人体生理节律的非线性混沌特征 得到了广泛的关注，基于非线性系统理论的h r v 分析方法，由于其与线性分析方 法结合，可更全面评价心脏调节和刻画心率动力学，比线性方法更准确地反映正常 和病理情况下心脏机能特性，日益受剑重视，例如复杂度、近似熵、l y a p u n o v 指数、 分形维数、递归定量分析以及符号动力学等【3 8 】。 g o i d b e r g e f & w e s t 【3 9 1 在1 9 8 7 年首次发现了h r v 非线性动力学特性，他们研究 发现：自相似性片段可能是功率相近的多重系统的基础，这些片段的恒定性可能提 北京协和跃学院硕上学位论文 供生理变化和适应性的限制性随机机制，实验表明，易于患心脏疾病猝死的病人具 有非线性心率动力学表现，包括功率谱的急剧变化和持续低频振荡，随着研究的深 入，他 i j 猜想复杂生理变化的损失可能在确定病理条件下发生，比如在猝死或变老 前心脏动力降低。 复杂度、近似熵等非线性参数计算方法无法回避的一个问题足对数据长稳态的 要求，要想准确计算一序列的相关维等参数，需要上t 万个数据，就h r v 信号而言， 这是不可能也是不现实的。另外，长时间记录的h r v 信号是非平稳的，不适合确 定性混沌分析方法。k u m a r 等【删的解决方法是选取了2 5 6s 的心电数据，通过4h z 的频率重采样，插值方法来弥补短时数据对计算精确性的影响。朱家富等f 4 1 】在对 h r v 相关为分析的研究中采用了相似的策略，用5m i n 短时间h r v 信号为原始信 号，数据长度约3 0 0 点，以保证被分析信号具有似平稳性，然后采用非线性等间隔 插值方法将计算用宁列的长度增加至l 0 0 0 点以上，以满足数据长度的要求。因此 在这类方法中，计算的精确性与数据f 稳性是一对固有矛盾，研究者探索的热点是 寻求一种平衡两者的方法，既能较精确描述信号非线性系统的特性，又能反映系统 的非平稳性，这也正是h i w 分析的难点之一。 上述非线性分析方法的固有缺点激励研究者对长时的非线性分析方法进行改 进和创新，寻求一种短时非线性分析方法，利用其研究各种生理节律，更加全面的 考察相互作用着的复杂动力学系统中的性能，为进一步揭示生物系统的复杂结构和 规律开辟新途径。 符号动力学分析方法 符号动力学分析方法是一种用有限的符号描述系统动力学特性的方法，将r r 间期序列转换成短模式，并将短模式分类，计算一定时长内各分类的发生率，可反 映短时心率波动。该方法的优势在于对于数据的长度和稳态均无严格要求，在进行 h r v 短时非线性分析时，是一种值得尝试的方法。 1 9 9 5 年k u r t h s 等( 4 2 l 将符号动力学引入h r v 研究中，1 9 9 6 年v o s s 等【4 3 】应用该 方法以多重逼近为基础对心血管疾病造成的猝死进行风险分级研究。2 0 01 年p o r t a 等【4 q 进一步发展了符号动力学，将其应用于短时h r 时间序列的研究。 p o 渤等【4 5 1 在2 0 0 7 年分析健康人静态和h e a d t i l t 实验中，应用符号动力学分析 受试者的心率变异性，得出如下结论：随着h e a d t i h ( o 9 0 度) 角度的增大，o v 逐渐增大，2 u v 则逐渐减小，即交感神经活动作用增强，迷走神经活动减弱，这 与频域实验得出结论相符。v o s s 等l j 在1 9 9 8 年运用符号动力学研究各种因素导致的 死亡包括心律失常引起的猝死，受试者为5 7 2 个急性心肌梗塞病人，实验结论中对 与早起心律失常，符号动力学体现出了判别优势。k a p i a n 和r y a n 等【4 6 1 【4 7 】分别在 北京协和医学院硕上学位论文 1 9 9 1 年和1 9 9 4 年运用线性和非线性复杂度测量方法研究了年龄对h r v 的影响，数 据长度取3 0 m i n ，得出的结论是随着受试者年龄的增长，h i w 逐渐减小，特别指出 的是运用符号动力学这个方法得出的指数表明老年人的复杂度明显降低。 h r v 的符号动力学分析中，用短时信号的非线性分析来反映病理情况下心率变 异信号的非平稳性，是传统时域和频域分析的有力补足。本研究拟利用短时序列的 符号动力学方法，分析心肌缺血过程中自主神经活动变化，探讨心肌缺血的发生和 发展过程中交感神经和迷走神经的相互作用的动态变化以及可能产生的影响。 由于目前对于q t v 分析的相关研究多集中在时域，q t v 的非线性分析还处于 初步研究阶段，但h l w 的非线性分析已有近2 0 年的历史，相对较为成熟。而q t 间期与r r 间期存在的特定关联性以及q t 问期信号的自身特征，使得q t v 的分析 方法与h r v 具有相当多的类似之处，因此h r v 分析中的短时非线性分析方法有有 重要的参考和借鉴价值。 1 4 数据采集、处理和分析平台 m a t l a b ( b 鲤；丛巡堕望h 型q 坠：鲤型巳鲤鱼坠丛筻堕逍鱼鲤) 是矩阵实验室( m a t r i x l a b o r a t o 拶) 的简称，由美国m a t h 、r k s 公司出开发，与m a t h e m a t c a 和m a p l e 并称为三大数学软件。在数学类科技应用软件中，m a t i a b 在数值计算方面首屈一指， 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语 言的程序等，辛要应用于1 一程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号 检测、金融建模发计与分析等领域。凭借其友好的工作平台和编程环境，简单易用 的程序语言，强大的科学计算机数据处理能力，出色的图形处理功能，应用广泛的 模块集合工具箱以及实用的程