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心率变异性的非线性分析方法

窦性心律的变异性系通常所指的心率变异性(heart rate variability,HRV),是通过了解窦性心律的节奏变化,评价人体主自神经功能状态的临床指标。目前检测HRV的方法有时域、频域和非线性方法。非线性方法包括图形法和非线性参数计算,前者主要指心电散点图方法。由于HRV的不同检测方法均有各自的优势与不足,近来几种方法的相互参照和互补应用日益受到关注。

自20世纪80年代以来,随着非线性动力学的迅速发展,对HRV的非线性分析方法的研究取得很多进展。目前HRV非线性分析方法可分为图形法与非线性参数计算法。图形法主要系心电散点图分析,非线性参数的计算常用分维数(相关维、Hausdorf维或信息维)分析法、复杂度分析法、Lyapunov指数、哥氏(Kolmogorov)熵或测度熵、近似熵分析等,均属非线性分析的定量化方法。目前临床最常用的是心电散点图分析方法。

心电散点图测量分析方法

长短轴测量

心电散点图的长轴(length,L)是图形在45°线上的长度测量值,也被命名为SD2目前认为主要反映交感神经张力变化。

心电散点图的短轴(width,W)是指图形在长度1/2处的图形宽度测量值,也被命名为SD1,主要反映迷走神经张力的变化(下图)。

正常窦性心律的心电散点图不仅是“棒球拍”,其长短轴之间有一定的比例范围,一般SD1/SD2约等于0.25。

面积测量

设心电散点图的面积为A,A=(П.L.W)/4,式中L(length)是图的长轴,W(width)是图的短轴。心电散点图的面积是反映自主神经功能总能量的指标。

心电散点图的长短轴测量方法及矢量角度

心电散点图的长短轴测量方法及矢量角度

左图中SD1是位于图形长轴1/2处,与长轴SD2垂直的线段,SD1的数值等于该处的图形宽度;SD2即图形的长度。右图为矢量长度与角度

矢量指数

  1. 矢量长度指数(vector length index,VLI):衡量图形长度的指标,代表瞬时心率变化曲线中慢变化成分的大小,VLI越大,心率变化中的慢速成分越大。VLI还代表频谱中低频与极低频成分的大小。正常人VLI有昼夜差别,通常夜间指数较白天高。
  2. 矢量角度指数(vector angle index,VAI):主要代表瞬时心率变化曲线中快速变化成分的大小,VAI越大,心率变化的快速成分越大。VAI还代表频谱中高频成分的大小。正常人VAI有昼夜差别,通常夜间指数较白天高。

矢量长度指数反映图形的长度变化,矢量角度指数反映图形边缘与X轴之间夹角度数的变化。

非线性参数估算法

非线性参数估算法是采用特定的数学算法,建立相应的数学模型,赋予HRV以数值的量度。在对RR时间序列进行相空间重构基础上,计算维、熵、Lyapunov(李雅普诺夫)指数等非线性动力学特征量。

分维数:是用来描述吸引子充填疏密的指标,即描述一个吸引子信息量的多少,是系统自相似性的量度。“关联维”是分数维的一种,作为混沌运动行为的测量参数得到了广泛应用。对于一个规则的系统,关联维为整数,而对于一个确定的混沌系统,关联维通常为非整数。与疾病状态相比,正常人具有较大的维数。在生理状态下,较之昼间相比,夜间维数较大。

测度熵:是评价动力系统自身所含信息量增减的速率的参数。对于周期运动,经过一段时间后,系统信息量不增加,也没减少,测度熵为零,随机运动测度熵为无穷大,而混沌运动的测度熵为某一确定的正数。测度熵是反映系统无序的量度,即反映系统的混沌程度。测度熵增大,在不同的条件下,分别意味着自身调节能力增强和对外界刺激的变应能力减弱,如夜间外界刺激减少,测度熵主要反映心脏自身调节状态。当患有某种疾病时,测度熵减小。在生理状态下,夜间测度熵较大。

Lyapunov指数:是用以测量系统混沌程度的量化指标。混沌运动的相轨迹有类随机的特点,初始时刻很接近的两条轨线,随时间增长,按指数规律发散。Lyapunov指数是用来描述轨迹收敛和发散程度的指标。一个混沌系统具有正的Lyapunov指数。它的计算需通过相空间重构这一数学方法来实现。

复杂度(complexity,COM):是量度系统行为周期性与随机性的指标。一个完全随机的序列,其复杂度趋于1,而有规律的周期运动,其复杂度趋于0。因此,复杂度越接近于1则说明其相应的时间序列越复杂,反之越规律。COM可以反映R-R间期序列随长度的增加,出现新模式的速率。

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