HRV非线性动力学分析的临床初步研究
作者：秦明新 薛 原 史学涛 陈 琦 张利华 肖军平
单位：(秦明新 薛原 史学涛 陈琦)第四军医大学 生物医学工程系，西安 710032；(张利华 肖军平)第四军医大学 唐都医院，西安 710032
关键词：心率变异性；非线性动力学；自主神经；糖尿病；陈旧性心肌梗塞
生物医学工程学杂志990216 摘要 采用非线性动力学分析方法，观察了陈旧性心肌梗塞、糖尿病病人非线性动力学参数的改变。结果显示：陈旧性心肌梗塞病人与正常人相比关联维数增高(P<0.05)，李氏指数降低；糖尿病病人与正常人相比关联维数显著增高(P<0.01)，李氏指数降低；两组病人的熵与正常人相比基本不变。因此，关联维数可反映陈旧性心肌梗塞和糖尿病时自主神经功能的变化。
A Primary Clinical Study of HRV Analysis of
, 百拇医药
Nonlinear Dynamics
Qin Mingxin Xue Yuan Shi Xuetao Chen Qi Zhang Lihua Xiao Junping
Department of Biomedical Electronic Engineering, Fouth Military Medical University, Xi'an 710032
(Tang Du Hospital, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032
Abstract We obseved the changes of nonlinear dynamic parameters in the patients with diabetes and old myocardial infarction with the methods of nonlinear dynamics. The results indicate that the correlation dimension of the patients with old myocardial infarction is higher than that of the normal, their Lyapunov exponent is lower than the normal's; that the correlation dimension of the patients with diabetes is also higher than that of the normal, their Lyapunov exponent is lower than the normal's; and that the values of the entropy of the two patient groups are basically identical to the entropy of the normal. Therefore the correlation dimension can indicate the changes in the function of autonomic nerve of the patients with diabetes and old myocardial infarction.
, 百拇医药
Key words Heart rate variability Nonlinear dynamics Autonomic nervous system Diabetes mellitus Old myocardial infarction
1 引 言
心率变异性(heart rate variability, HRV)的生理、病理及药物研究表明，在自主神经系统和心血管疾病死亡率之间存在着十分有意义的关系。临床研究肯定了HRV是可作为预测心源性猝死，心肌梗塞患者的危险性分级及糖尿病早期的主要指标。由于HRV分析是一种无创性检测技术，对指导心血管疾病的治疗、评价和某些心血管疾病的预后有重要价值[1]。
根据HRV的非线性特性，在我们的前期工作中，主要应用关联维数、近似熵和散点图的方法，分析青年人、老年人HRV。主要结果有：(1)青年人关联维数高于老年人，分别为5.335±0.238和4.376±0.425(P<0.01)；(2)青年人近似熵高于老年人，分别为2.137±0.059和1.971±0.091(P<0.01)；(3)在散点图上青年人的VLI和VAI明显高于老年人，分别为62.925±19.264、1.292±0.508和38.226±13.584、0.619±0.226；(4)比较了不同数据段长度(2、5、10、15 min)时，关联维数的变化。10、15 min数据时，关联维数比较稳定[2～4]。在此基础上，我们提出了短时HRV非线性动力学分析[5]。以临床心血管疾病为对象，重点研究了在短时条件下(10 min ECG信号)非线性动力学参数关联维数、近似熵、李氏指数等的改变，主要观察了陈旧性心肌梗塞，糖尿病情况下，非线性动力学参数的变化和临床意义。
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2 检查对象和方法
2.1 非线性动力学分析方法
在该研究中，主要采用关联维数、近似熵、李氏指数等方法，其主要计算参数选取、数据规模在已发表的研究论文中已有讨论，上述方法是在我们自己研制的心率变异性分析系统上实现的[5]。
2.2 检验对象
(1)陈旧性心肌梗塞组：有明确AMI病史，梗塞后时间超过1年共11例，男8例，女3例，平均年龄58岁。采用自制系统(同上)，采集标准Ⅱ导联心电信号，以250 Hz的采样频率连续采样20 min。
(2)糖尿病组：糖尿病植物神经病变16例，平均年龄56岁，全组均符合植物神经病变标准，即：平静时心率(HR)、深呼吸时HR差、立卧位HR差、卧立位R-R间距及卧立位血压变化值5项指标中至少有3项异常。采用自制系统(同上)，采集标准Ⅱ导联心电信号，以250 Hz的采样频率连续采样20 min。
, 百拇医药
(3)正常对照组：健康老年人10例，男9例，女1例，平均年龄57岁，无重要脏器病史。体检，心电图和超声心动图检查均未发现异常，空腹血糖、肝、肾功能在正常范围。采用自制系统(同上)，采集标准Ⅱ导联心电信号，以250 Hz的采样频率连续采样20 min。
2.3 统计学处理
本研究使用成组资料t检验，实验数据均以平均值±标准差表示，分析采用Microsoft Excel统计分析软件。
3 分析结果
3.1 陈旧性心肌梗塞病人HRV非线性动力学参数比较
陈旧性心肌梗塞病人HRV的关联维数高于正常人，熵基本一致，李氏指数低于正常人，如表1所示。
表1 陈旧性心肌梗塞病人和正常人非线性动力学参数的平均值
, 百拇医药
Table 1 Mean values of nonlinear dynamical parameters of patients after AMI and normal subjects
Correlation dimension
Kolmogorov entropy
Lyapunov exponent
Normal(n=10)
4.635±0.484
2.067±0.100
4.413±0.793
After AMI(n=11)
, http://www.100md.com
5.568±1.095
2.095±0.167
3.900±0.652
P
<0.05
>0.05
>0.05
3.2 糖尿病病人HRV非线性动力学参数比较
糖尿病病病人HRV的关联维数高于正常人，熵基本一致，李氏指数低于正常人，如表2所示。表2 糖尿病病人和正常人非线性动力学参数的平均值
Table 2 Mean values of nonlinear dynamical parameters of patients with diabetic neuropathy and normal subjects
, http://www.100md.com
Correlation dimension
Kolmogorov entropy
Lyapunov exponent
Normal(n=10)
4.635±0.484
2.067±0.100
4.413±0.793
Diabetic(n=16)
5.251±0.674
1.970±0.288
3.816±0.993
, http://www.100md.com
P
<0.01
>0.05
>0.05
3.3 陈旧性心肌梗塞病人和糖尿病病人的比较
糖尿病病人与陈旧性心肌梗塞病人的非线性动力学参数比较来看，糖尿病病人的各项指标均低于陈旧性心肌梗塞病人，但相差不大。
4 讨 论
在非线性动力学中，李氏指数是反映非线性系统动力学稳定性的参数；关联维数给出了系统动态特性的定量刻画；熵表示了信息损失速率，反映系统的混沌程度。应用非线性动力学分析HRV信号，李氏指数反映了HRV稳定性，李氏指数愈大，HRV稳定性愈差；关联维数量度了HRV的自相似复杂性，关联维数愈大，HRV的自相似复杂性愈大；熵反映HRV的混沌程度，熵愈大，HRV的混沌程度愈大。
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对于陈旧性心肌梗塞病人，其关联维数的均值高于正常人，表示其HRV的自相似复杂性高于正常人；其李氏指数的均值低于正常人，表示其HRV的稳定性高于正常人；熵的均值近似于正常人，表示其HRV的混沌程度与正常人相同。结合动物实验结果，上述现象初步提示：在陈旧性心肌梗塞病人，自主神经兴奋性、稳定性较高，但其混沌程度改变不大。
从糖尿病病人与正常人的非线性动力学参数比较来看，其关联维数的均值高于正常人，表示其HRV的自相似复杂性高于正常人；其李氏指数的均值低于正常人，表明其HRV的稳定性高于正常人；熵的均值近似于正常人，表明其HRV的混沌程度与正常人相同。这个结果可能反映：在糖尿病病人，自主神经兴奋性、稳定性都较高，但其混沌程度改变不大。
糖尿病病人与陈旧性心肌梗塞病人的非线性动力学参数比较来看，糖尿病病人的各项指标均低于陈旧性心肌梗塞病人，但相差不大。说明两者自主神经兴奋性、稳定性及混沌程度基本相同。
, 百拇医药
参考文献
1 Malik M, Bigger JT, Munster GB et al. Heart rate variability. Circulation, 1996; 93∶1043
2 秦明新，关玉杰，英 克等.心率变异性分析的新方法.第四军医大学学报，1995；16(5)∶393
3 秦明新，英 克，关玉杰等.正常青老年人心率变异性的关联维数分析.何明一主编.电子信息理论与应用新进展.西安：西北工业大学出版社.1995∶170-172
4 Qin MX, Ying K. Application of the methods of nonlinear dynamics to heart rate variability analysis. Chinese Journal of Biomedical Engineering, 1995; 4(3)∶122
6 秦明新，史学涛，薛 原等.一种新型短时心率变异性分析系统.中国医学物理学杂志，1997；14(增刊)∶21
收稿：1997-10-24, http://www.100md.com
单位：(秦明新 薛原 史学涛 陈琦)第四军医大学 生物医学工程系，西安 710032；(张利华 肖军平)第四军医大学 唐都医院，西安 710032
关键词：心率变异性；非线性动力学；自主神经；糖尿病；陈旧性心肌梗塞
生物医学工程学杂志990216 摘要 采用非线性动力学分析方法，观察了陈旧性心肌梗塞、糖尿病病人非线性动力学参数的改变。结果显示：陈旧性心肌梗塞病人与正常人相比关联维数增高(P<0.05)，李氏指数降低；糖尿病病人与正常人相比关联维数显著增高(P<0.01)，李氏指数降低；两组病人的熵与正常人相比基本不变。因此，关联维数可反映陈旧性心肌梗塞和糖尿病时自主神经功能的变化。
A Primary Clinical Study of HRV Analysis of
, 百拇医药
Nonlinear Dynamics
Qin Mingxin Xue Yuan Shi Xuetao Chen Qi Zhang Lihua Xiao Junping
Department of Biomedical Electronic Engineering, Fouth Military Medical University, Xi'an 710032
(Tang Du Hospital, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032
Abstract We obseved the changes of nonlinear dynamic parameters in the patients with diabetes and old myocardial infarction with the methods of nonlinear dynamics. The results indicate that the correlation dimension of the patients with old myocardial infarction is higher than that of the normal, their Lyapunov exponent is lower than the normal's; that the correlation dimension of the patients with diabetes is also higher than that of the normal, their Lyapunov exponent is lower than the normal's; and that the values of the entropy of the two patient groups are basically identical to the entropy of the normal. Therefore the correlation dimension can indicate the changes in the function of autonomic nerve of the patients with diabetes and old myocardial infarction.
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Key words Heart rate variability Nonlinear dynamics Autonomic nervous system Diabetes mellitus Old myocardial infarction
1 引 言
心率变异性(heart rate variability, HRV)的生理、病理及药物研究表明，在自主神经系统和心血管疾病死亡率之间存在着十分有意义的关系。临床研究肯定了HRV是可作为预测心源性猝死，心肌梗塞患者的危险性分级及糖尿病早期的主要指标。由于HRV分析是一种无创性检测技术，对指导心血管疾病的治疗、评价和某些心血管疾病的预后有重要价值[1]。
根据HRV的非线性特性，在我们的前期工作中，主要应用关联维数、近似熵和散点图的方法，分析青年人、老年人HRV。主要结果有：(1)青年人关联维数高于老年人，分别为5.335±0.238和4.376±0.425(P<0.01)；(2)青年人近似熵高于老年人，分别为2.137±0.059和1.971±0.091(P<0.01)；(3)在散点图上青年人的VLI和VAI明显高于老年人，分别为62.925±19.264、1.292±0.508和38.226±13.584、0.619±0.226；(4)比较了不同数据段长度(2、5、10、15 min)时，关联维数的变化。10、15 min数据时，关联维数比较稳定[2～4]。在此基础上，我们提出了短时HRV非线性动力学分析[5]。以临床心血管疾病为对象，重点研究了在短时条件下(10 min ECG信号)非线性动力学参数关联维数、近似熵、李氏指数等的改变，主要观察了陈旧性心肌梗塞，糖尿病情况下，非线性动力学参数的变化和临床意义。
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2 检查对象和方法
2.1 非线性动力学分析方法
在该研究中，主要采用关联维数、近似熵、李氏指数等方法，其主要计算参数选取、数据规模在已发表的研究论文中已有讨论，上述方法是在我们自己研制的心率变异性分析系统上实现的[5]。
2.2 检验对象
(1)陈旧性心肌梗塞组：有明确AMI病史，梗塞后时间超过1年共11例，男8例，女3例，平均年龄58岁。采用自制系统(同上)，采集标准Ⅱ导联心电信号，以250 Hz的采样频率连续采样20 min。
(2)糖尿病组：糖尿病植物神经病变16例，平均年龄56岁，全组均符合植物神经病变标准，即：平静时心率(HR)、深呼吸时HR差、立卧位HR差、卧立位R-R间距及卧立位血压变化值5项指标中至少有3项异常。采用自制系统(同上)，采集标准Ⅱ导联心电信号，以250 Hz的采样频率连续采样20 min。
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(3)正常对照组：健康老年人10例，男9例，女1例，平均年龄57岁，无重要脏器病史。体检，心电图和超声心动图检查均未发现异常，空腹血糖、肝、肾功能在正常范围。采用自制系统(同上)，采集标准Ⅱ导联心电信号，以250 Hz的采样频率连续采样20 min。
2.3 统计学处理
本研究使用成组资料t检验，实验数据均以平均值±标准差表示，分析采用Microsoft Excel统计分析软件。
3 分析结果
3.1 陈旧性心肌梗塞病人HRV非线性动力学参数比较
陈旧性心肌梗塞病人HRV的关联维数高于正常人，熵基本一致，李氏指数低于正常人，如表1所示。
表1 陈旧性心肌梗塞病人和正常人非线性动力学参数的平均值
, 百拇医药
Table 1 Mean values of nonlinear dynamical parameters of patients after AMI and normal subjects
Correlation dimension
Kolmogorov entropy
Lyapunov exponent
Normal(n=10)
4.635±0.484
2.067±0.100
4.413±0.793
After AMI(n=11)
, http://www.100md.com
5.568±1.095
2.095±0.167
3.900±0.652
P
<0.05
>0.05
>0.05
3.2 糖尿病病人HRV非线性动力学参数比较
糖尿病病病人HRV的关联维数高于正常人，熵基本一致，李氏指数低于正常人，如表2所示。表2 糖尿病病人和正常人非线性动力学参数的平均值
Table 2 Mean values of nonlinear dynamical parameters of patients with diabetic neuropathy and normal subjects
, http://www.100md.com
Correlation dimension
Kolmogorov entropy
Lyapunov exponent
Normal(n=10)
4.635±0.484
2.067±0.100
4.413±0.793
Diabetic(n=16)
5.251±0.674
1.970±0.288
3.816±0.993
, http://www.100md.com
P
<0.01
>0.05
>0.05
3.3 陈旧性心肌梗塞病人和糖尿病病人的比较
糖尿病病人与陈旧性心肌梗塞病人的非线性动力学参数比较来看，糖尿病病人的各项指标均低于陈旧性心肌梗塞病人，但相差不大。
4 讨 论
在非线性动力学中，李氏指数是反映非线性系统动力学稳定性的参数；关联维数给出了系统动态特性的定量刻画；熵表示了信息损失速率，反映系统的混沌程度。应用非线性动力学分析HRV信号，李氏指数反映了HRV稳定性，李氏指数愈大，HRV稳定性愈差；关联维数量度了HRV的自相似复杂性，关联维数愈大，HRV的自相似复杂性愈大；熵反映HRV的混沌程度，熵愈大，HRV的混沌程度愈大。
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对于陈旧性心肌梗塞病人，其关联维数的均值高于正常人，表示其HRV的自相似复杂性高于正常人；其李氏指数的均值低于正常人，表示其HRV的稳定性高于正常人；熵的均值近似于正常人，表示其HRV的混沌程度与正常人相同。结合动物实验结果，上述现象初步提示：在陈旧性心肌梗塞病人，自主神经兴奋性、稳定性较高，但其混沌程度改变不大。
从糖尿病病人与正常人的非线性动力学参数比较来看，其关联维数的均值高于正常人，表示其HRV的自相似复杂性高于正常人；其李氏指数的均值低于正常人，表明其HRV的稳定性高于正常人；熵的均值近似于正常人，表明其HRV的混沌程度与正常人相同。这个结果可能反映：在糖尿病病人，自主神经兴奋性、稳定性都较高，但其混沌程度改变不大。
糖尿病病人与陈旧性心肌梗塞病人的非线性动力学参数比较来看，糖尿病病人的各项指标均低于陈旧性心肌梗塞病人，但相差不大。说明两者自主神经兴奋性、稳定性及混沌程度基本相同。
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参考文献
1 Malik M, Bigger JT, Munster GB et al. Heart rate variability. Circulation, 1996; 93∶1043
2 秦明新，关玉杰，英 克等.心率变异性分析的新方法.第四军医大学学报，1995；16(5)∶393
3 秦明新，英 克，关玉杰等.正常青老年人心率变异性的关联维数分析.何明一主编.电子信息理论与应用新进展.西安：西北工业大学出版社.1995∶170-172
4 Qin MX, Ying K. Application of the methods of nonlinear dynamics to heart rate variability analysis. Chinese Journal of Biomedical Engineering, 1995; 4(3)∶122
6 秦明新，史学涛，薛 原等.一种新型短时心率变异性分析系统.中国医学物理学杂志，1997；14(增刊)∶21
收稿：1997-10-24, http://www.100md.com