心率变异信号的非线性动力学参数分析

摘要

心率变异(HRV)信号蕴涵了有关心血管系统神经及体液调节的大量信息,通过检测患者的心率数据,可得到许多有关自主神经系统状态的信息。心率变异信号分析是临床研究和诊断心血管疾病的重要技术手段。本论文以现代信号处理方法—非线性动力学中的混沌理论为基础,对心率变异信号的非线性动力学的理论与方法作了详细的分析与研究。本论文的目的通过两种常见的药物对比试验和正常人与病人的参数分析,验证非线性动力学参数在心率变异分析中的可行性,并探讨了这些参数与心脏自主神经系统的关系。本论文的重点是在两类试验中Kolmogorov复杂度的计算,工作量大,并且以往没有这方面的工作研究。本论文的主要工作和结论包括:①对混沌的性质与特征、混沌时间序列的非线性动力学特征作了详细的分析与研究,对心率变异信号的混沌特征作了方法上的论证。②探讨非线性动力学分析方法在心率变异中的应用。本文选择了Kolmogorov复杂度、相关维数和Lyapunov指数。Kolmogorov复杂度,它具有抗干扰能力强、计算简单和数据量小等优点,本文主要以Kolmogorov复杂度为重点进行了讨论。相关维数中对相空间重构过程中嵌入维数和延迟时间这两个重要参数的选择问题进行了讨论,完成了对最佳嵌入维数和最佳延迟时间的确定。介绍常用的计算时间序列最大Lyapunov指数的方法—小数据量法。③设计阿托品和倍他乐克的对比药物试验,对药物试验数据计算结果进行了对比分析后发现:使用阿托品,复杂度指数降低。使用倍他乐克后,复杂度指数有增加的趋势。④统计和对比正常人、高血压患者、冠心病患者的HRV指标中的Kolmogorov复杂度。结果显示:与正常人组比较,高血压组、冠心病组、高血压并发冠心病组Kolmogorov复杂度均有不同程度的降低。研究结果表明:Kolmogorov复杂度可以用于临床心率变异信号的分析,能够表征迷走神经和交感神经作用状态。

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 心率变异研究方法的发展

1.2.2 心率变异检测的临床应用

1.2.3 存在的问题

1.3 本课题的主要研究内容和意义

2 非线性动力学理论与方法

2.1 非线性系统与非线性动力学

2.1.1 非线性系统及其性质

2.1.2 非线性动力学的内容、方法与意义

2.1.3 非线性动力学的发展简史

2.2 非线性动力学系统的特征识别

2.2.1 混沌及其本质

2.2.2 奇异吸引子

2.2.3 相空间重构

2.2.4 非线性动力学系统的数值方法

2.3 非线性动力学在生物医学工程领域的应用

3 心率变异信号的获取

3.1 原始心电信号R点的标定

3.2 RR间期的均匀重采样问题

3.3 心率变异信号的采集

4 心率变异非线性动力学系统特征量及实现

4.1 心率变异信号的混沌特性

4.2 复杂性测度

4.2.1 Kolmogorov复杂度的概念

4.2.2 C_1、C_2复杂度

4.2.3 高阶复杂度

4.2.4 复杂度计算方法

4.2.5 心率变异信号复杂度计算参数的选择

4.2.6 心率变异信号复杂度计算的实现

4.3 分数维值

4.3.1 分数维值的定义

4.3.2 G-P算法

4.3.3 m、τ的选取

4.3.4 分数维值计算的实现

4.4 Lyapunov指数

4.4.1 Lyapunov指数的定义

4.4.2 Lyapunov指数谱

4.4.3 Lyapunov指数的计算

5 临床试验与分析

5.1 临床试验设计

5.1.1 Ⅰ类试验设计

5.1.2 Ⅱ类试验设计

5.2 Ⅰ类试验数据分析结果

5.2.1 6例阿托品实验Kolmogorov复杂度结果分析

5.2.2 6例倍他乐克实验Kolmogorov复杂度结果分析

5.2.3 Ⅰ类试验结果讨论

5.3 Ⅱ类试验数据分析结果

5.3.1 Ⅱ类试验Kolmogorov复杂度结果

5.3.2 Ⅱ类试验结果讨论

5.4 Ⅰ、Ⅱ类试验数据Kolmogorov复杂度比较和分析

6 结论与展望

6.1 研究工作的结论

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录