生理老化下心率變異性信號的研究

陳 晨 李 錦 姚 沁

?

生理老化下心率變異性信號的研究

陳 晨 李 錦 姚 沁

陜西師范大學(xué)，陜西 西安 710119

近些年我國人口老齡化日益加重，研究生理老化對心臟系統(tǒng)帶來的影響具有非常重要的意義。利用去趨勢波動分析方法，分別研究了健康年輕人以及老年人HRV信號的相關(guān)性。為了進(jìn)一步研究，建立了多重分形去趨勢波動分析法，分別分析健康年輕人以及健康老年人HRV信號的多重分形特性。

心率變異性；生理老化；相關(guān)性；多重分形性

引言

心臟作為人體最重要的器官之一，在人體進(jìn)行各種生理活動時扮演著非常重要的角色。為了更深入地研究心臟系統(tǒng)的復(fù)雜程度。我們對心臟系統(tǒng)輸出信息中非線性信號的研究具有非常重要的意義?，F(xiàn)階段我國老年人口的數(shù)量占人口總數(shù)的比重不斷上升[1]。要使更多的老年人延長壽命，首先就是生理老化的心臟依舊能保持良好的功能，因此研究生理老化對心率變異性的影響是非常具有實(shí)際意義的。心率變異性信號（Heart Rate Variability）作為心臟系統(tǒng)最重要的輸出信號之一，該信號的內(nèi)部信息可以反映逐次心跳周期微小[2]。分析HRV信號可以得到心臟系統(tǒng)所隱藏的本征信息，并且HRV信號分析方法避免了臨床分析的創(chuàng)傷性，因此這種分析手段在臨床醫(yī)學(xué)方面具有巨大的應(yīng)用價值。

1 方法

1.1 去趨勢波動分析方法介紹

去趨勢波動分析方法（DFA）被廣泛運(yùn)用在非線性、非平穩(wěn)序列的相關(guān)性特性的分析中[3-4]。

1.2 多重分形去趨勢波動分析方法介紹

是奇異指數(shù)，是衡量多重分形特性的一個標(biāo)度，其值的變化范圍越大，說明時間序列的多重分形特性越強(qiáng)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 HRV信號的相關(guān)性分析

我們?nèi)?0個健康年輕人10個健康老年人的RR間期數(shù)據(jù)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將滿足以下不等式的信號保留，去除其他不滿足的點(diǎn)。

對預(yù)處理得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，對比健康年輕人和健康老年人的標(biāo)準(zhǔn)Hurst指數(shù)的變化情況，分析其相關(guān)性的差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，健康年輕人和老年人的標(biāo)準(zhǔn)Hurst指數(shù)都大于0.5，說明HRV信號是具有相關(guān)性的。但是每組樣本的受試者自身體質(zhì)以及心臟功能的差異導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)Hurst指數(shù)的大小并非完全相同。

2.2 多重分形去趨勢波動分析

去趨勢波動分析只代表了單一分形HRV信號的相關(guān)性，不能完全反映信號的所有特征。為了更加深入地對HRV信號的特性進(jìn)行研究，這一節(jié)我們引入多重分形去趨勢波動分析方法，得到不同分形階數(shù)下，各參數(shù)變化的趨勢。

2.2.1 廣義Hurst指數(shù)()隨值的變化

圖2 廣義Hurst指數(shù)隨著分形階數(shù)q的變化曲線圖

圖2代表的是健康年輕人和健康老年人的廣義Hurst隨著分形階數(shù)變化的曲線。兩組數(shù)據(jù)的()都隨著分形階數(shù)的增大而減小，但是總體是大于0.5的，說明HRV信號具有多重分形特性。隨著的變化，()變化的速度不同，說明HRV信號分形特性的不均勻變化。從()總體的變化范圍我們可以發(fā)現(xiàn)，健康年輕人曲線的波動幅度大于老年人。說明健康老年人的HRV信號的分形特性小于年輕人。

2.2.2 質(zhì)量指數(shù)譜()隨著值變化的曲線

圖3 質(zhì)量指數(shù)譜T(q)隨著q值變化的曲線

從圖3我們可以發(fā)現(xiàn)，兩組數(shù)據(jù)的()-曲線均呈上凸形的，說明了HRV信號具有多重分形的特征。質(zhì)量指數(shù)譜曲線的曲率是用來反映HRV信號多重分形性的強(qiáng)弱的。曲線的曲率越大，壽命多重分形性越強(qiáng)。圖3顯示健康年輕人的曲率大于老年人，說明年輕人的HRV 信號的多重分形特性大于健康老年人。

2.2.3 多重分形譜()隨奇異指數(shù)的變化曲線

圖4 多重分形譜F(a)隨奇異指數(shù)a的變化曲線

圖4表示多重分形譜曲線在橫軸的跨度可以用來描述多重分形性的強(qiáng)弱。健康年輕人在x軸的跨度略大于健康老年人，所以其多重分形特性較強(qiáng)。這一觀點(diǎn)與前面計算的廣義Hurst指數(shù)、質(zhì)量指數(shù)譜都說明了健康人的HRV信號具有更強(qiáng)的多重分形特性。

3 結(jié)論

通過DFA算法以及MF-DFA算法，分析HRV信號的標(biāo)準(zhǔn)Hurst指數(shù)、廣義Hurst指數(shù)、質(zhì)量指數(shù)譜以及多重分形譜，區(qū)分健康年輕人和健康老年人的HRV信號。根據(jù)研究我們發(fā)現(xiàn)老年人的HRV信號相關(guān)性的波動更小，說明生理老化現(xiàn)象使得心臟系統(tǒng)的混沌特性減弱，心臟系統(tǒng)的變異性降低。為了證明研究結(jié)果的精確性，利用MF-DFA算法分析健康年輕人和健康老年人的HRV信號，表明隨著年齡的增加HRV信號的非線性指標(biāo)均減小。從生理學(xué)可以解釋為隨著年齡增加，人體的各個器官發(fā)生老化，心血管的老化使心臟系統(tǒng)的變異性降低，也就是心臟系統(tǒng)對外界環(huán)境適應(yīng)能力變?nèi)?。這一結(jié)果也與自主神經(jīng)調(diào)控相呼應(yīng)。研究表明：HRV信號的相關(guān)性與交感神經(jīng)的調(diào)控正相關(guān)，與副交感神經(jīng)的調(diào)控負(fù)相關(guān)；HRV信號的多重分形特性與交感神經(jīng)的調(diào)控負(fù)相關(guān)，與副交感神經(jīng)的調(diào)控正相關(guān)。隨著年齡的增加，人體機(jī)能的退化，自主神經(jīng)的調(diào)控能力也會變?nèi)酰夏耆说男穆首儺愋跃蜁档汀?/p>

[1]陳偉偉，高潤霖，劉力生. 中國心血管疾病2017概要[J]. 中國循環(huán)雜志，2018（33）：1-8.

[2]Roshan J M，U. Rajendra A，Hojjat A. Current methods in electrocardiogram characterization [J]. Computer in Biology and medicine，2014，48：133-149.

[3]M Malik，T Farell，Camm A J. Circadian rhythm of heart rate variability after acute myocardial infraction and its influence on the prognostic value of heart rate variability[J]. Am J Cardiol，1990，66：1049-1054.

[4]Yu X L，Zhang C. Casual interaction between the cerebral cortex and the autonomic nervous system. Science China(Life Science)，2014，5：532-538.

[5]Wolf M M，Varigos G A，Hunt D. Sinus arrhythmia in acute myocardial infarction[J]. The Medical Journal of Australia，1978，2（2）：52-53.

[6]Goran K，Gianfranco P，Dragan G，et al. Heart rate variability and nonlinear dynamic analysis in patients with stress-induced cardiomyopathy[J]. Medical & Biological Engineering & Computing，2012，10：1037-1046.

[7]Babloyantz M，Destexhe. Is the moral heart a periodic oscillator[J]. Bio Cybern，1988，8：203-211.

[8]Ivanov P C，Amaral L A N，Goldberger A L，et al. Multifractality in human heart dynamic[J]. Nature，1999，399（6735）：461-465.

[9]Vinzenz V T，Payam Z. Multi-scale transition of fuzzy sample entropy of RR-intervals and their phase-randomized surrogates：A possibility to diagnose congesitive heart failure[J]. Biomedical Signal Processing and Control，2017，31.

Heart Rate Variability Signal under Physiological Aging

Chen Chen Li Jin Yao Qin

Shaanxi Normal University, Shaanxi Xi’an 710119

In recent years, the aging of China’s population is increasing. It is of great significance to study the effects of physiological aging on the heart system. Using the detrended wave analysis method, the correlation between HRV signals of healthy young people and the elderly is studied. For further research, a multi-fractal detrended wave analysis method is established to analyze the multi-fractal characteristics of HRV signals in healthy young people and healthy elderly people.

heart rate variability; physiological aging; correlation; multifractal

R541；TP391

A

陳晨（1995—），女，陜西西安人，陜西師范大學(xué)物理與信息技術(shù)學(xué)院電子與通信工程專業(yè)研究生，主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信號處理。