统计物理理论在心电信号研究中的应用

摘要

生命体系是自然界中最复杂的系统，由多个子系统组成。循环系统为其主要的子系统之一，而心脏又足循环系统中的核心部分，它是由多个振子耦合而成的复杂振荡系统，给循环系统运行提供动力。在正常情况下，窦房结的电振荡起着支配作用，所以通常健康人的心律是窦性心律。心脏搏动在体表形成的电位变化称为心电图(electrocardiogram，ECG)信号目前心电信号非线性特性分析是生命体系研究的一个重要领域。 基于混沌理论和统计物理理论的发展，目前对于心电信号非线性特性分析，大部分研究工作主要是用关联维数、李雅普诺夫指数、柯氏熵和分形特性参数等进行分析。本文首先对上述研究成果进行了总结，然后用多种统计物理方法对睡眠时期的心电数据进行分析，试图理解支配心率变异的自主神经系统两个作用相反的分支--交感神经和副交感神经在睡眠时期相互作用的内在机制。论文主要完成了如下的工作： 1.我们发现了在不同睡眠时期(浅睡期，深睡期，快速眼动期和清醒期)的心率变异信号均展现出强烈的长程关联性。在此之上，我们发现了快速眼动期的长程关联程度比其他时期小，这与前人的结果是相抵触的，我们对此异常现象做了进一步的探讨。 2.我们证实了睡眠时期的心率信号具有多重分形特性，意味着心脏的跳动并不是规则的，这种不规则的心率才是健康心脏的标志。 3.我们发现了奇异谱的宽度与自主神经的控制强度存在着某种联系，这表现在快速眼动期HRV信号的奇异谱具有最宽的宽度，展现出最强的多重分形特性。与非REM时期相比，REM时期的交感神经活动明显增强． 本文的结果揭示了睡眠时心率变异的复杂性，有助于理解自主神经系统对心率内在的控制机制。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1心脏结构

1.1.1心脏的生理特性

1.2心脏信号

1.2.1心电图

1.2.2心率变异

1.3心脏风险

1.3.1与心脏风险相关的各种因素

1.3.2估测内在生理因素的方法

1.4睡眠分期

1.5睡眠呼吸暂停

第2章分析生理信号的方法

2.1统计物理中的一些概念和方法

2.1.1生理波动

2.1.2标度不变的长程关联性

2.2传统分析方法与它们的局限

2.2.1单信号的相关

2.2.2两信号间的相关

2.2.3去趋势波动分析

第3章多重分形基本原理

3.1引言

3.2多分维

3.3多重分形理论方法

3.4直接计算f(α)的方法

3.5 MF-DFA

3.5.1算法描述

3.5.2与标准多重分形分析的关系

第4章呼吸暂停患者心跳数据的多分形研究

4.1引言

4.2实验设计

4.3数据分析与讨论

4.4小结

第5章总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果