CN100372499C - 一种心率变异性的c0模式度指标检测分析方法及仪器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种心率变异性的C₀模式度指标检测分析方法及仪器。本发明采用C₀模式度PM作为心率变异性的非线性分析指标，其检测分析方法包括利用动态心电仪器记录24小时心电信号，在人工辅助下自动识别动态心电RR间期，构成时间序列RRi，运用记录的时间序列，给出了非线性C₀模式度PM的计算方法。本发明提出的检测指标能够较好地反应心率变化的动力学行为特征和生理、病理特征，该指标区分能力强，显著性高，具有广泛的临床应用价值。

Description

一种心率变异性的C0模式度指标检测分析方法及仪器

技术领域

本发明是一种动态心电图中心率变异性的检测分析方法以及测量仪器。

背景技术

心率变异的临床指标是一种定量的、可重复应用的指标，它既是对窦性心律不齐的程度的定量指标，也是评价自主神经调节功能的重要定量指标。正确测定心率变异的种种指标，无论是对生理、病理研究，还是对临床的诊断和防治，都具有指导性的意义。特别对分析和观察交感神经和迷走神经的调控功能、对界定心肌梗死病人预后的危险因子、对糖尿病、阵发性心律失常、高血压病、睡眠呼吸暂停综合症等的诊断具有重要的临床应用价值。

目前最为常用或者常见的方法是：(1)线性的时域指标，主要包括检测动态心电全程心电RR间期的标准差SDNN、短程每5分钟间期的SDANN/SDANN的均值，相邻间期的参数SDSD/NN₅₀/PNN₉₀、微分/对数指数等；(2)线性的频域指标，主要包括短程(每5分钟)的总功率、极低频、低频、高频、低频高频正态以及低频高频比值；长程(24小时)的超低频、极低频、低频、高频以及对数坐标中的频谱的线性内插值斜率；(3)非线性分析方法，目前运用最多的是RR间期、RR间期差值的庞加莱(Poincaré)散点图，主要依靠肉眼直观图形特征来进行区分。对于现行时域、频域线性方法的进一步临床运用，其主要症结是难以准确刻画和分析心率变化——这一受到血流动力学，电生理及激素的变化及自主神经和中枢系统等多项因素影响的非常复杂的过程。所以现行的线性方法过于粗糙，对外界噪声干扰比较敏感，其数学模型并不符合心率调控系统本身是非线性系统的这一基本事实。对于现行的非线性散点图分析方法，主要还是凭借肉眼的观察和一些简单数值定量指标的分析，而这是远远不够的，也不十分符合心率变化这一高维非线性系统的基本事实。所以无论是现行的那一类方法，都有其显著的局限性，对心率变异性指标的临床运用和推广带来了阻碍。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够反映心率变异过程和非线性特征的心率变异性非线性指标及其检测方法，并提供一种相应于该方法的心率变异性非线性指标的检测仪器。

本发明中，心率变异性的非线性分析指标称作为C₀模式度PM(PtternMeasurement)。C₀模式度PM的检测分析万法如下：(1)利用动态心电仪器记录24小时心电信号ECG；(2)将采集的心电信号ECG在计算机中回放，其中考虑滤波、数字信号压缩等环节，从而显示24小时动态心电波形；(3)基于人工辅助下的自动识别动态心电RR间期，构成时间序列RR_i＝{ri₁，ri₂，…，ri_j，…ri_n}，其中i＝1，2，…，24；(4)基于人工辅助下的自动识别动态心电R峰的跃度(以水平基线为准)，构成时间序列RL_i＝{li₁，li₂，…，li_j，…li_n}，其中i＝1，2，…，24；(5)通过上述记录的时间序列，用计算机分析测量相应的心率变异性的非线性C_o模式度PM的值。上述这种非线性C₀模式度PM指标完全是基于建立合适的理论模型以及严格的计算方法。下面我们给出这种指标的相关模型和计算方法。

考虑一小时的RR间期时间序列RR_i＝{ri₁，ri₂，…，ri_j，…ri_n}(i＝1，2，…，24)。为了给出能够反映自主神经调节功能强弱正常与否的一个非线性心率变异指标，则需要引入离散信号傅立叶变换和其逆变换。

为了记号方便，我们重新记RR间期时间序列ri_k＝ri(k)，i＝1，2，…，24，k＝1，2，…，n_o于是，

$F\left(j\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ri}\left(k\right)\·e^{\frac{2\mathrm{\π}\sqrt{-1}\mathrm{kj}}{n}},j=\mathrm{1,2},\·\·\·,n,---\left(2.1\right)$

为时间序列ri_X＝ri(k)的傅立叶变换，生成新的时间序列DFT＝{F(j)，j＝1，2，…，n}。

另一方面，新生成时间序列DFT的逆变换为，

$\mathrm{ri}\left(k\right)=\tilde{F}\left(k\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}F\left(j\right)\·e^{\frac{2\mathrm{\π}\sqrt{-1}\mathrm{kj}}{n}},k=\mathrm{1,2},\·\·\·,n,---\left(2.2\right)$

下面给出心率变异非线性指标C₀模式度的计算步骤：

(1)将每一个小时的RR间期心电时间序列

RR_i＝{ri₁，ri₂，…，ri_j，…ri_n}＝{ri(1)，ri(2)，…，ri(j)，…ri(n)}

根据公式(2.1)作傅立叶变换得到新的序列

DFT_i＝{Fi(1)，Fi(2)，…，Fi(j)，…Fi(n)}；

(2)记 $G_{\mathrm{in}}=\frac{1}{n}\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\mathrm{Fi}\left(j\right)\right|}^2\right),$ 如下构造新的序列：

于是，得到新的序列集合

${\widehat{\mathrm{DFT}}}_i=\{\hat{F}i\left(1\right),\hat{F}i\left(2\right),\·\·\·,\hat{F}i\left(j\right),\·\·\·\hat{F}i\left(n\right)\};$

(3)根据公式(2.2)，对于序列集合

作傅立叶逆变换，从而得到

$\stackrel{\·}{r}i=\{\stackrel{\·}{r}i\left(1\right),\stackrel{\·}{r}i\left(2\right),\·\·\·\stackrel{\·}{r}i\left(j\right),\·\·\·\stackrel{\·}{r}i\left(n\right)\};$

(4)于是，我们就可以如下定义第i小时的RR间期序列模式度PM_i的运算公式：

${\mathrm{PM}}_i=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{|\mathrm{ri}\left(k\right)-\stackrel{.}{r}i\left(k\right)|}^2}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\mathrm{ri}\left(k\right)\right|}^2}.$

对于如上(2.4)定义的第i小时的RR间期序列模式度模式度(见图1)，具有如下若干性质：

(a)如果心跳RR间期为常值，即ri(k)＝const；那么PM_i＝0；

(b)如果心跳RR间期为周期的，即存在某个自然数κ，使得ri(k)＝ri(k+κ)成立，那么PM_i趋向于0；

(c)如果心跳间期RR_i{ri₁，ri₂，…，ri_j，…ri_n}是一个独立的随机时间序列，均服从相同的概率分布，并且存在有限的四阶矩，μ是均值，σ是方差，那么P依概率1趋向于常数

特别地，当μ＝0时，PM_i依概率1趋向于1。

以上即给出了定量评价自主神经功能的心率变异性非线性指标——C₀模式度——的检测方法和模型构造的基本思路。当然对于给出R峰跃度时间序列的相应非线性指标，可以用以上类似方法来说明医学临床生理机制。

根据上述心率变异非线性C₀模式度指标的检测方法，本发明特别设计了相应的检测装置，该装置包括动态心电记录器、心电信号预处理系统和非线性C₀模式度指标检测系统。

动态心电记录器分为两种，一种为磁带式记录器，一种为闪光卡式记录器。均具备24-30小时动态心电采集存储功能。

在心电信号预处理系统中，对于磁带式记录器提供的数据采用以单片机为核心，配有读写存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、A/D转换器以及计算机连接并行通讯接口；对于闪光卡式记录器提供的数据可以直接通过Flash卡USB读取器及配以相应的驱动程序、解码软件即可。在预处理系统通过软体固化，在只读存储器中还包含心电信号自动滤波，自动识别R峰等功能。计算机通过并行通讯接口或者USB接口可以获得并且显示自动识别R峰以后的PQRST波群。此外，在计算机上，可以对机器自动识别的R峰作进一步的人工修正，并可以剔除例如早搏之类的心律失常的波形，从而获得用于计算心率变异非线性指标的心电间期时间序列RR_i和RL_i。具体处理过程参流程图2。计算步骤(1)-(4)编成程序，组成C₀模式度指标检测系统。

本发明给出的心率变异非线性指标C₀模式度检测的方法是建立在严格的信号处理与非线性动力系统理论，以及自主神经调节系统具有非线性机制的基础上的。所建立的指标体系是建立在科学建模和300例以上临床样本对照试验的基础上的(该样本来自上海第一人民医院、武汉同济医院以及国际标准MIT数据库等)。因此，该套指标能够较好地反映心率变化的动力学行为特征和生理、病理特征，该指标区分能力强，显著性高，具有广阔的临床应用价值。事实表明，本发明及相应仪器可广泛应用于对于自主神经调节功能的临床评价，对于心肌梗死的危险因子的评价，为心血管疾病的早期诊断、及时诊断和准确诊断提供了有益的评价体系；同时，其对心血管疾病的药物性能的客观评价筛选和推动心血管研究领域的进一步发展具有重要的意义。

附图说明

图1为模式度曲线，图中给出了样本院号为6023、6122、5958、6148的24小时及在10:00-14:00总共6个非线性C₀模式度绘出的复杂度PM曲线。

图2为动态心电数据计算非线性模式度指标流程图。

具体实施方式

以下给出若干样本关于非线性C₀模式度指标PM_i(i＝10，…，14)的实例计算结果以及某几个样本24小时以及在不同小时中C₀模式度PM_i的连接曲线。(见图1)。

0-正常人样本，1-有病人样本

样本院号  健康状况  24小时    10:00     11:00     12:00     13:00    14:00

6023      0         0.009465  0.003896  0.004956  0.006567  0.00566  0.004509

6024      0         0.006196  0.004379  0.00282   0.003727  0.002748 0.002984

6037      0         0.021149  0.006649  0.007087  0.020797  0.021418 0.019902

6040      0         0.017704  0.018302  0.010708  0.008704  0.013401 0.015219

6118      0         0.007177  0.002845  0.00487   0.001729  0.001064 0.002994

6122      0         0.005933  0.001894  0.002302  0.002061  0.00152  0.002082

5958      1         0.00302   0.002514  0.000971  0.000492  0.000995 0.000979

5983      1         0.003071  0.000543  0.000896  0.000716  0.00078  0.000946

5986      1         0.003146  0.002697  0.002556  0.001766  0.002157 0.002293

5995      1         0.002515  0.00116   0.001281  0.000772  0.000387 0.00057

6148      1         0.002939  0.00111   0.000796  0.000953  0.001408 0.00122

6158      1         0.003014  0.001279  0.000908  0.000981  0.000652 0.000889

Claims (2)

1.一种心率变异性的C₀模式度PM指标检测分析方法，其特征在于步骤如下(1)利用动态心电仪器记录24小时心电信号ECG；(2)将采集的心电信号ECG在计算机中回放，显示24小时动态心电波形；(3)基于人工辅助下的自动识别动态心电RR间期，构成时间序列RR_i＝{ri₁，ri₂，…，ri_j，…ri_n}，其中i＝1，2，…，24；(4)基于人工辅助下的自动识别动态心电R峰的跃度，构成时间序列RL_i＝{li₁，li₂，…，li_j，…li_n}，其中i＝1，2，…，24；(5)通过上述记录的时间序列，用计算机分析测量相应的心率变异性的非线性C₀模式度PM的值，具体分析计算步骤如下：

(1)将每一个小时的RR间期心电时间序列

RR_i＝{ri₁，ri₂，…，ri_j，…ri_n}＝{ri(1)，ri(2)，…，ri(j)，…ri(n)}

根据公式(2.1)作傅立叶变换

$F\left(j\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ri}\left(k\right)\·e^{-\frac{2\mathrm{\π}\sqrt{-1}\mathrm{kj}}{n}},j=\mathrm{1,2},\·\·\·,n,\sqrt{1}---\left(2.1\right)$

得到新的序列

DFT_i＝{Fi(1)，Fi(2)，…，Fi(j)，…Fi(n)}；

(2)记 $G_{\mathrm{in}}=\frac{1}{n}\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\mathrm{Fi}\left(j\right)\right|}^2\right),$ 如下构造新的序列：

于是，得到新的序列集合

$D\hat{F}{T}_i=\{\hat{F}i\left(1\right),\hat{F}i\left(2\right),\·\·\·,\hat{F}i\left(j\right),\·\·\·\hat{F}i\left(n\right)\};$

(3)根据公式(2.2)，对于序列集合

作傅立叶逆变换，

$\mathrm{ri}\left(k\right)=\tilde{F}\left(k\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}F\left(j\right)\·e^{\frac{2\mathrm{\π}\sqrt{-1}\mathrm{kj}}{n}},k=\mathrm{1,2},\·\·\·,n,\sqrt{-1}---\left(2.2\right)$

从而得到

$\stackrel{.}{r}i=\{\stackrel{.}{r}i\left(1\right),\stackrel{.}{r}i\left(2\right),\·\·\·,\stackrel{.}{r}i\left(j\right),\·\·\·\stackrel{.}{r}i\left(n\right)\};$

(4)于是，我们就可以如下定义第i小时的RR间期序列模式度PM_i的运算公式：

${\mathrm{PM}}_i=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{|\mathrm{ri}\left(k\right)-\stackrel{.}{r}i\left(k\right)|}^2}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\mathrm{ri}\left(k\right)\right|}^2}.---\left(2.4\right).$

2.一种如权利要求1所述心率变异性的C₀模式度PM指标检测分析方法的实现仪器，其特征在于由动态心电记录器、心电信号预处理系统和非线性C₀模式度指标检测系统组成；其中，动态心电记录器采用磁带式记录器或闪光卡式记录器；在心电信号预处理系统中，对于磁带式记录器提供的数据采用以单片机为核心，配有读写存储器、只读存储器、A/D转换器以及计算机连接并行通讯接口；对于闪光卡式记录器提供的数据可以直接通过Flash卡USB读取器及配以相应的驱动程序、解码软件。

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