基于Matlab生物節(jié)律分析的高血壓腦出血預(yù)后研究

李永紅 郭盼盼 關(guān)俊文 李率真 楊波 趙旭

(1.成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，成都，610225； 2.四川大學(xué)華西醫(yī)院神經(jīng)外科，成都，610041)

基于Matlab生物節(jié)律分析的高血壓腦出血預(yù)后研究

李永紅1郭盼盼1關(guān)俊文2李率真1楊波1趙旭1

(1.成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，成都，610225； 2.四川大學(xué)華西醫(yī)院神經(jīng)外科，成都，610041)

目的：以高血壓腦出血患者作為研究對(duì)象，定量分析生物節(jié)律對(duì)高血壓腦出血預(yù)后的影響。方法：基于Matlab的節(jié)律分析方法，與傳統(tǒng)的Halberg余弦法對(duì)比計(jì)算患者血壓和心率的近日節(jié)律。結(jié)果：收縮壓、舒張壓和心率的節(jié)律分析指標(biāo)中，振幅A值且P值越小的，患者預(yù)后情況越好(P<0.05)結(jié)論：系統(tǒng)測(cè)試表明，基于Matlab的節(jié)律分析較傳統(tǒng)的Halberg余弦法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、精確度高、實(shí)用性強(qiáng)，為臨床判斷高血壓腦出血的預(yù)后提供了可靠的輔助方法和依據(jù)。

生物節(jié)律；高血壓腦出血；Matlab；Halberg余弦法；預(yù)后

高血壓腦出血(Hypertensive Intracerebral Hemorrhage，HICH)是指由于高血壓發(fā)生病變伴有的腦內(nèi)小動(dòng)脈病變，導(dǎo)致血壓急驟升高而引起的動(dòng)脈破裂出血。是腦血管病中最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一，具有起病急驟、進(jìn)展快、死亡率高的特點(diǎn)，并且大多伴有意識(shí)障礙和偏癱等卒中表現(xiàn)。高血壓腦出血的預(yù)后情況受出血量、出血部位、血壓、手術(shù)方式和手術(shù)時(shí)機(jī)等多種因素影響，導(dǎo)致預(yù)后情況差成為高血壓腦出血疾病的一個(gè)重要特點(diǎn)[1]。生物節(jié)律是指生物體為了適應(yīng)不斷變化的外界環(huán)境，按照一定規(guī)律發(fā)生周期性生命活動(dòng)的現(xiàn)象，是大多數(shù)生物體的基本特征[2]。血壓、心率和呼吸等生命體征均表現(xiàn)出一定的節(jié)律特性，研究發(fā)現(xiàn)其中表現(xiàn)最強(qiáng)的是近日節(jié)律。在高血壓腦出血術(shù)后的生命體征中，找出對(duì)患者預(yù)后情況影響較大的因素，通過(guò)分析它們的生物節(jié)律，來(lái)判斷他們的預(yù)后情況，可以為患者的治療和康復(fù)提供依據(jù)。對(duì)于提高疾病生存率和患者生活質(zhì)量，改善預(yù)后情況都具有一定的實(shí)際意義。血壓是人體生命活動(dòng)的基本生命體征之一，且血壓的變化具有明顯的節(jié)律特性。正常生理狀態(tài)下，人體血壓水平白天較高，在10～12時(shí)到達(dá)峰值，而夜間血壓水平逐漸降低，在凌晨3～5時(shí)左右達(dá)到谷值[3]。夜間血壓水平低于日間水平(>10%)的被稱(chēng)為勺型血壓，夜間血壓無(wú)明顯下降(<10%)的被稱(chēng)為非勺型血壓[4]。健康人群和患病人群均存在勺型和非勺型血壓類(lèi)型，這種節(jié)律特性是人體血壓固有的，適應(yīng)了人體生命活動(dòng)的晝夜節(jié)律的變化，從而起到保護(hù)各生命器官的作用。

已有研究表明，血壓的節(jié)律性變化與心腦血管疾病的發(fā)生具有密切的關(guān)系。任何引起人體血壓發(fā)生較大幅度波動(dòng)的因素，都將有可能誘發(fā)高血壓，若不能夠有效控制血壓的升高，將會(huì)發(fā)生高血壓患者腦出血現(xiàn)象。患有高血壓腦出血的患者術(shù)后血壓、心率等生命體征的節(jié)律性會(huì)發(fā)生不同程度的紊亂，高血壓腦出血患者的血壓近日節(jié)律與自主神經(jīng)功能具有密切聯(lián)系，并嚴(yán)重影響患者的預(yù)后情況。因此，通過(guò)分析患者術(shù)后生命體征的生物節(jié)律特性，變能夠及時(shí)地預(yù)測(cè)患者的預(yù)后情況。已有研究利用高血壓患者血壓的勺型和非勺型特性來(lái)預(yù)測(cè)患者的預(yù)后，但是這種方法太過(guò)粗糙，準(zhǔn)確性較差。關(guān)俊文[5-7]等人研究發(fā)現(xiàn)患者術(shù)后的血壓和呼吸的近日節(jié)律與預(yù)后有關(guān)，近日節(jié)律的改變可用來(lái)預(yù)測(cè)患者的預(yù)后情況。余弦分析法是目前最受推廣的節(jié)律分析方法，并且已經(jīng)出現(xiàn)集成的Halberg軟件開(kāi)發(fā)包[8]。它使一個(gè)已知的時(shí)間系列數(shù)據(jù)，可以用其中值、振幅和相位來(lái)描述。Halberg軟件包需要在DOS系統(tǒng)完成、操作步驟也很復(fù)雜，且余弦分析結(jié)果的表示圖形無(wú)法直接顯示，必須將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel中才能完成圖形顯示功能，這對(duì)于現(xiàn)在普遍使用的Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下的使用很不適用。Matlab與文中其他部分一致，具有專(zhuān)門(mén)的矩陣庫(kù)函數(shù)，不需要定義數(shù)組的維數(shù)，便可高效方便地進(jìn)行數(shù)組運(yùn)算。并且具有直觀靈活的面向?qū)ο蟮母呒?jí)編程語(yǔ)言，并封裝了許多庫(kù)函數(shù)，使用靈活方便，程序書(shū)寫(xiě)形式自由。并具備了數(shù)據(jù)可視化功能，將向量和矩陣用圖形表示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了交互式的二維和三維繪圖功能[9]。核心工具箱主要用來(lái)進(jìn)行圖形仿真、算法實(shí)現(xiàn)和硬件的實(shí)時(shí)交互等，這些強(qiáng)大的功能使之在信號(hào)處理、建模、算法分析等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因此，我們?cè)趙indows操作系統(tǒng)下，采用Matlab編程實(shí)現(xiàn)余弦分析法。本研究通過(guò)分析高血壓腦出血的節(jié)律機(jī)制，剖析其預(yù)后與患者生命體征生物節(jié)律的相關(guān)性，提出了一種高效快速地節(jié)律分析方法。并利用患者術(shù)后生命體征的近日節(jié)律指標(biāo)建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)后預(yù)測(cè)模型，對(duì)比預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，尋找最優(yōu)的預(yù)測(cè)方法判定高血壓腦出血患者的預(yù)后情況。

1 材料與方法

1.1 病例資料來(lái)源 本課題收集2013年1月～2015年12月期間在華西醫(yī)院神經(jīng)外科的基底節(jié)區(qū)高血壓腦出血住院患者108例，剔除其中中途退出研究的患者5例，中途死亡的患者3例和術(shù)后無(wú)GOS評(píng)分的患者5例。最后確認(rèn)研究對(duì)象為95例，其中男性58例，女性37例，年齡在42～76歲之間。所有患者均進(jìn)行了開(kāi)顱手術(shù)治療，清除血腫，術(shù)后均進(jìn)行了止血、抗感染等治療。術(shù)后監(jiān)測(cè)患者的血壓、心電和體溫等，每小時(shí)分別記錄一次舒張壓、收縮壓、心率、呼吸、體溫、血氧、瞳孔和意識(shí)，連續(xù)監(jiān)測(cè)24小時(shí)。

1.2 病例數(shù)據(jù)預(yù)處理 本課題獲取的醫(yī)療數(shù)據(jù)中同時(shí)包含了疾病患者的姓名、性別、年齡、既往病史和術(shù)后GOS評(píng)分等基本信息。為了更好的分析高血壓腦出血患者的預(yù)后影響因素，實(shí)際的研究工作中將患者信息按照年齡、性別、有無(wú)患病史和術(shù)后GOS評(píng)分情況進(jìn)行了分類(lèi)處理，得到各自的預(yù)后情況。其中術(shù)后GOS評(píng)分1-3的為預(yù)后壞的情況，4-5的為預(yù)后好的情況，如表1所示為高血壓腦出血的預(yù)后情況人數(shù)。

表1 高血壓腦出血的預(yù)后情況人數(shù)

2 結(jié)果

對(duì)監(jiān)測(cè)得到的收縮壓數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換FFT，便將信號(hào)變換到頻域。我們以Fs=1/3600Hz的采樣頻率進(jìn)行采樣，共采樣N=100個(gè)點(diǎn)，實(shí)際采樣頻率為Fn=(n-1)*Fs/N。我們可知每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)之間的間距就是1Hz，那么第n個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率就為n-1。由傅里葉變換的頻譜圖可以看出，信號(hào)在第2、5、13個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)了峰值，對(duì)應(yīng)的頻率分別1Hz、4Hz、12Hz，轉(zhuǎn)換為具體的時(shí)間點(diǎn)分別約為99h、24h、8h，對(duì)幅度分別為118.2420、396.8878、229.8700。同樣的方法我們發(fā)現(xiàn)該結(jié)論也適合于舒張壓和心率等生命體征。所以我們選取近日節(jié)律為分析對(duì)象，采用matlab余弦法計(jì)算高血壓腦出血患者的收縮壓、舒張壓和心率等生命體征的近日節(jié)律。

圖1 (a)收縮壓傅里葉變換頻譜圖,(b)時(shí)域轉(zhuǎn)換圖

式子中的X代表各生命體征，Y代表高血壓腦出血的預(yù)后GOS評(píng)分，DX、DY分別為它們的方差。將我們實(shí)際監(jiān)測(cè)到的生命體征值和GOS評(píng)分代入表達(dá)式，便可以得到各種各種生命體征與高血壓腦出血預(yù)后的相關(guān)性。表2為得到的各生命體征與高血壓腦出血預(yù)后的相關(guān)系數(shù)。由表2中我們可以看出，各種生命體征與高血壓腦出血預(yù)后的相關(guān)系數(shù)。為了提高后續(xù)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和精確度，我們選取|ρXY|為閾值，|ρXY|<0.5時(shí)，稱(chēng)該生命體征與高血壓腦出血預(yù)后無(wú)關(guān)；|ρXY|>0.05時(shí)，稱(chēng)該生命體征與高血壓腦出血預(yù)后相關(guān)?？梢钥闯龈魃w征中，收縮壓、舒張壓和心率與高血壓腦出血的預(yù)后具有較大的相關(guān)性，其他相關(guān)性較小的我們認(rèn)為它們與高血壓腦出血的預(yù)后沒(méi)有相關(guān)性。通過(guò)分析了各種生命體征與高血壓腦出血預(yù)后的相關(guān)性，得出了收縮壓、舒張壓和心率與高血壓腦出血的預(yù)后具有較大的相關(guān)性。因此，我們通過(guò)分析高血壓腦出血患者術(shù)后第一天血壓和呼吸的生物節(jié)律，來(lái)定性的分析它們與高血壓腦出血預(yù)后的關(guān)系，進(jìn)而才能更準(zhǔn)確地建立我們后續(xù)的預(yù)測(cè)模型。我們選擇它們的近日節(jié)律作為分析研究對(duì)象。圖2分別為收縮壓和心率近日節(jié)律分析得到的曲線擬合圖形。

圖2 (a)收縮壓節(jié)律圖，(b)心率節(jié)律圖

上述節(jié)律擬合圖形中，M、A、Ap分別為調(diào)整中值、振幅和相位，且認(rèn)為振幅A值越大證明其近日節(jié)律性越強(qiáng)。我們將參與研究的95位患者按照術(shù)后GOS評(píng)分，分為預(yù)后好的47位和預(yù)后壞的48位。并分別分析計(jì)算他們的近日節(jié)律，得出個(gè)節(jié)律指標(biāo)值。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，收縮壓、舒張壓和心率的節(jié)律分析指標(biāo)中，振幅A值相對(duì)較大，且P<0.05的大多數(shù)都是預(yù)后好的情況，其他情況大都是預(yù)后壞。表3為統(tǒng)計(jì)分析得到的各類(lèi)情況所占的百分比。由表3可看出節(jié)律分析指標(biāo)中振幅A值越大，且P值越小的，患者預(yù)后情況越好。這就為我們提高預(yù)測(cè)的精確度奠定了一定的基礎(chǔ)。

表2 生命體征與高血壓腦出血預(yù)后的相關(guān)系數(shù)

表3 節(jié)律指標(biāo)和預(yù)后的關(guān)系

3 討論

本文以高血壓腦出血患者作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)高血壓腦出血患者術(shù)后生命體征及其節(jié)律特性的分析，發(fā)現(xiàn)患者術(shù)后的舒張壓、收縮壓和心率均表現(xiàn)出較強(qiáng)的近日節(jié)律特性，并提出一種基于Matlab的生物節(jié)律計(jì)算方法，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單方便實(shí)用性強(qiáng)。編程實(shí)現(xiàn)一種基于Matlab的節(jié)律分析方法，并與傳統(tǒng)的Halberg統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)該方法計(jì)算簡(jiǎn)單、精確度高、實(shí)用性強(qiáng)，并作為后續(xù)節(jié)律分析的主要方法。定性和定量分析了高血壓腦出血預(yù)后生命體征的近日節(jié)律特性對(duì)高血壓腦出血預(yù)后的影響，確定患者舒張壓、收縮壓和心率的近日節(jié)律指標(biāo)為作為預(yù)后影響因素，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析高血壓腦出血患者術(shù)后生命體征與預(yù)后的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)患者術(shù)后的收縮壓、舒張壓和心率與預(yù)后具有較大的相關(guān)性。且通過(guò)傅里葉分析，發(fā)現(xiàn)上述三項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的近日節(jié)律特性。發(fā)現(xiàn)患者術(shù)后的收縮壓、舒張壓和心率的近日節(jié)律特性和預(yù)后具有密切的關(guān)系，并最終確定利用這三項(xiàng)生命體征的近日節(jié)律指標(biāo)來(lái)預(yù)測(cè)患者的預(yù)后情況。

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Research of Prediction methods of hypertensive cerebral hemorrhage based on biological rhythm analysis

Li Yonghong1，Guo Panpan1，Guan Junwen2,Li Shuaizhen1,Yang Bo1,Zhao Xu1

(1.DepartmentofElectronicEngineering，theChengduUniversityofInformationTechnology，Chengdu，610225；2.DepartmentofNeurosurgery,WestChinaHospital,SichuanUniversity，Chengdu，610041)

This thesis selects the hypertensive cerebral hemorrhage patients as the research object.Also a analysis method of biological rhythm based on Matlab is proposed.Through quantitative analysis，the influence of biological rhythm on the prognosis of hypertensive cerebral hemorrhage and the final analysis indexis are found.By studying the rhythm mechanism of hypertensive cerebral hemorrhage，we find the biological rhythms of vital signs of postoperative patients have some correlation with their prognosis.System test shows that the support vector machine algorithm has higher accuracy，reliability and practical value than the BP neural network algorithm on the prediction of the prognosis of hypertensive cerebral hemorrhage and provide a reliable basis for the clinical diagnosis of the prognosis of hypertensive cerebral hemorrhage.

Biological rhythm; Hypertensive cerebral hemorrhage; Prognosis; BP neural network; Support vector machine

四川省科技廳科技支撐計(jì)劃(2013FZ0051)，下調(diào)的Rack1在近日節(jié)律紊亂促進(jìn)阿爾茨海默病發(fā)病中的作用及其機(jī)制的研究；成都信息工程大學(xué)中青年學(xué)術(shù)帶頭人科研基金(J201205)，認(rèn)知功能相關(guān)行為學(xué)研究

李永紅，男，副教授，研究方向：神經(jīng)精神疾病康復(fù)及相關(guān)醫(yī)療器械開(kāi)發(fā)的動(dòng)物行為學(xué)研究

R556.71

A

2095-7130(2016)06-340-343