基于多分形及非广度熵的室性心动过速和心室纤颤分析

摘要

近年来，心血管疾病的发病率日益增加。在心血管疾病的研究中发现，室性的心脏功能衰退和机能性病变而导致的心脏疾病占有很大的比例。室性心动过速(VT，ventriculartachycardia)和心室纤颤(VF，ventricularfibrillation)是两种最重要的心律失常，时常引起恶性的血液动力学障碍，危及患者的生命；一般的，心室纤颤是由室性心动过速退化所致。在心脏的整体水平和心肌细胞水平上，室性心动过速和心室纤颤都同时具有复杂性和混沌性，因此，我们希望能够找到对它们进行定量刻划的量度方法，寻找其固有的非线性特征参数。而逐渐发展起来的分形、浑沌等非线性动力学理论正是这种研究的理想工具。 论文综述了恶性心律失常信号VT和VF的危害性，指出了研究VT和VF监测、诊断和治疗，仍具有重大的临床价值，直接关系着病人的生命。在论文中，我们综述了国内外研究现状，介绍了有关非线性动力学的基本概念、原理和方法。从生物医学工程理论和应用的角度，利用非线性动力学方法，对室性心动过速和心室纤颤信号两种信号进行理论性的定性定量分析研究。本论文的主要创新之处如下：1.从心脏整体水平上对体表VF/VT信号进行详细分析，首先在定性上确定这两种信号都是具有混沌特性的信号，然后利用去趋势波动分析(DFA)的方法对两种信号进行定量分析，利用标度指数来刻画VF/VT的动力学特性，表明VF/VT信号不但具有非线性、时变性和复杂性，还表现出长程相关性(long-rangecorrelation)，并且在一定范围内具有标度不变(scaleinvariant)，因此可以认为VF/VT都是分形信号。 2.由于VF/VT都是分形信号，因此可以用一个标度指数来刻画它们的动力学特性。然而，人体是一个复杂的自调节系统，因此人体产生生理电信号，包括VF和VT，都表现出不均匀(inhomogeneous)和不稳定性。于是我们有理由怀疑只用一个标度指数能否准确描述VF/VT的真正的动力学特性。于是我们研究了VF/VT信号的f(α)奇异谱和D(h)奇异谱，研究发现两种信号的奇异谱曲线都表现为单峰的拱形，而用来计算D(h)奇异谱的质量指数τ(q)也表现出非线性形式，这些都是多重分形信号的特定表现形式，因此我们得出的结论是VF/VT都是多重分形信号。因此我们不能像表示单分形那样只用一个指数来刻画它们的动力学特性，而必须采用一系列的参数才能完整地描述它们的动力学特性。 3.鉴于心脏是复杂的信息产生、传输和处理系统，我们提出用信息学方法来研究心电活动。针对传统的广度Shannon熵在处理长时间空间相关系统上的局限性，我们除了引入ConstantinoTsallis博士在1988年提出的非广度熵来处理VF和VT信号之外，还将非广度熵与小波分析结合产生的多分辨率熵(multiresolutionentropy)应用到VF/VT信号的研究中来。非广度熵从提出至今仅13年，用非广度熵来分析生物医学信号也出于刚刚起步阶段，从目前已经发表的文章中已经可以看出非广度熵的独特性能。由于心脏本身是一个具有时间和空间强相互作用的系统，而且在前面的研究中我们揭示了VF/VT的长程相关性和多重分形特性，而非广度统计力学是在研究多重分形的过程中发展起来的，因此用非广度统计力学来描述VF和VT更适合。相对传统的Shannon熵，非广度熵的另外一个优点源于非广度参数q，在分析VF/VT信号时，不同的q值可以使得非广度熵“聚焦”于信号中的不同成份。

目录

文摘

英文文摘

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第1章 绪论

第2章 VF/VT的分形理论研究

第3章 VF/VT的多重分形分析

第4章 非广度熵及VF/VT的信息研究

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表和完成的学术论文