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窦性和房性心律失常的DFA分析

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窦性和房性心律失常的DFA分析 第 29卷 第 5期 2010年 10月 北京生物医学工程 BeijingBiomedicalEngineering Vol.29 No.5 October 2010 基金项目:国家自然科学基金(60701002)资助 作者单位:南京邮电大学,图像处理与图像通信江苏省重点实验室 (南京 210003) 作者简介:王春龙(1985—),男,硕士研究生,主要从事生物医学工 程研究 通信作者:王俊,副研究员。Email:wangj@njupt.edu.cn 窦性和房性心律失常的 DFA分析 王春龙 王俊 摘 要 研...
窦性和房性心律失常的DFA分析
第 29卷 第 5期 2010年 10月 北京生物医学工程 BeijingBiomedicalEngineering Vol.29 No.5 October 2010 基金项目:国家自然科学基金(60701002)资助 作者单位:南京邮电大学,图像处理与图像通信江苏省重点实验室 (南京 210003) 作者简介:王春龙(1985—),男,硕士研究生,主要从事生物医学工 程研究 通信作者:王俊,副研究员。Email:wangj@njupt.edu.cn 窦性和房性心律失常的 DFA分析 王春龙 王俊 摘 要 研究证据表明许多自然系统和生物系统没有固定的特征尺度,而是展现自相似特性。本 文利用消除趋势波动分析(DFA)方法,分析窦性心律、房性心律失常的 ECG信号的自相似特性,以实现 这两种心律失常的检测。并利用 DFA方法对 MITBIH数据库中的正常窦性心律、房性期前收缩 (也称为房性早搏)、窦性心动过缓信号进行了分析和检测,得到这三种信号的尺度指数,据此区分出窦 性心律、房性心律失常和正常窦性心律,此结果表明 DFA方法能够检测窦性和房性心律失常。 关键词 消除趋势波动分析方法;窦性心律失常;房性心律失常 DOI:10.3969/j.issn.1002-3208.2010.05.05. 中图分类号 R318.04   文献标志码 A   文章编号 1002-3208(2010)05-0461-04 DetectionofSinusArrhythmiasandAtrialArrhythmiasBased onDetrendedFluctuationAnalysis WANGChunlong,WANGJun ImageProcessingandCommunicationKeyLaboratoryofJiangsuProvince, NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing 210003 【Abstract】  Recently,moreandmoreevidencessuggestthatmanynaturalsystemsandbiological systemshavenofixedcharacteristicscales,buttheyexhibitselfsimilarity.Thisstudyappliedthedetrended fluctuationanalysis(DFA)method,analyzingsinusrhythm,atrialarrhythmiaECGsignalsinselfsimilarityin ordertoachievethetwokindsofarrhythmiadetection.Firstweobtainedthenormalsinusrhythm(NSR)data from theMITBIH normalsinusdatabase,obtainedtheatrialprematurecontraction(APC)andsinus bradycardiarhythm(SBR)datafromtheMITBIHarrhythmiadatabase.Thenwedetectedandanalyzedthe NSR,APCandSBRsignalswithDFAmethodandacquiredthescalingexponentαofthethreesignals.Finally weachievedthedistinctionamongthesethreesignals.TheresultsshowedthattheDFAmethodcouldbeused fordetectingthesinusandatrialarrhythmias. 【Keywords】 detrendedfluctuationanalysis(DFA)method;sinusarrhythmias;atrialarrhythmias 0 引言 DFA(detrendedfluctuationanalysis)即消除趋 势波动分析法,是 C.K.Peng等物理学家和生物学 家于1994年探测 DNA(脱氧核糖核酸)内部分子 链的相关可能性的程度时首先提出的[1-2]。自从 C.K.Peng提出后,DFA方法已经被成功地应用在 了很多研究领域,例如心跳动力学[3]、脑电信号[4]、 气象学[5]、气候温度波动[6]、河流流动[7]等。DFA 分析方法的优点在于可以准确地量化嵌入在非平稳 信号中的自相似特性。心律失常是引起各种心脏病 患者死亡的主要原因之一,也是近年来心血管领域 非常活跃的一门学科[8-9]。鉴于其包含多个种类, 本文只针对其中的窦性心动过缓和房性早搏两种心 律失常进行分析。窦性心律失常是指激动仍然起源 于窦房结,但其频率及节律有所变异的一类心律失 常。当窦性心律频率低于 60次/min时,称为窦性 心动过缓[10]。房性心律失常是发生在心房缓慢心 律基础上的快速心律失常,是心律失常中最常见,也 是最主要的部分[11-12]。在心电图中,心房异位起搏 点突然提早发出一次激动引起心房除极,称之为房 性期前收缩,又称之为房性早搏,是一种最常见的房 性心律失常[13]。本文运用 DFA方法分析了不同生 理病理状态的心电图的自相似特性,得出了一些比 较结论,可以对临床诊断有重要的提示作用。 1 原理和方法 DFA算法可以归纳为如下步骤[14]。 (1)时间序列{x(i):1≤i≤N},按下式求出累 加和序列: y(i)= i j=1 [x(j_-珋x] (1) 珋x≡ 1N N j=1 x(j) (2) 式中,x是时间序列{x(i):1≤i≤N}的全局均值。 (2)把和序列 y(i)划分成长度为 n的 B个不 重叠的段,每次划分后如果剩下最后一个不完整的 段(该段长度≤n)则做舍去处理。接着在每个小段 中进行局部趋势的消除,局部趋势用 yT(i)表示,用 最小均方法进行多项式拟合估计出局部的趋势 yT(i),最后按下式从和序列中去除每个小段内波动 的局部趋势: Yb(i)≡ y( )i-yT( )i (3) 图1为去除了局部线性趋势的累加和序列示意图, 其中尺度 n=100,序列长度 N=1000。 图1 去除了局部线性趋势的累加和序列 (尺度 n=100,N=1000)[14] Figure1 Theintegratedtimeserieswithlocallineartrend eliminated(boxsizen=100andN=1000)[14] 据估计局部趋势时使用多项式阶数的不同,对 应不同的去趋势波动分析模型,分别称之为 DFA- 1对应线性拟合,简记为 DFA1(对应 1阶多项式)、 DFA2(对应 2阶多项式)、DFAL(对应 L阶多项 式)。 (3)按下式计算围绕局部趋势的平均方差距 离: F(n)= 1 B B b=1 Y[ ]b槡 2 (4)   (4)不断改变时间尺度 n(即窗口)的大小重复 上述过程,这样就得到了每个尺度 n及其对应的平 均波动 F(n)。一般来说,波动 F(n)会随着时间尺 度 n单调增加。为了观察的方便,绘制时间尺度 n 和平均波动 F(n)之间的双对数图,寻找它们之间 是否存在如下的幂律关系: F( )n∝ nα (5) 如果F(n)和n之间服从上述幂律关系,则说明原始 信号中存在尺度不变性行为,即尺度指数 α不随时 间窗口大小n的变化而变化。尺度指数α是原始序 列“粗糙程度(roughness)”的一种表现。α=0.5时 序列是白噪声,0<α<0.5系统具有反关联特性, 0.5<α<1系统具有长程关联特性,α=1为 1/f噪 声,α>1存在关系,但幂次行为逐渐停止。 2 数据分析 本文所用数据来自于 MITBIH NormalSinus RhythmDatabase数据库(简称 nsrdb)与 MITBIH ArrhythmiaDatabase数据库(简称 mitdb)。 在 nsrdb中包含了18段 ECG信号,这些信号是 从5名男性,年龄 26~45;13名女性,年龄 20~50 的身上采集而来,采样频率为 128Hz。在该数据库 中选 取 8段 正 常 窦 性 心 律 信 号 (normalsinus rhythm),并提取2min长度的数据进行处理,每组数 据里去 10000个点。mitdb中包含了 48段长度为 0.5h左右的 ECG信号,采样频率为 360Hz。从该 数据库中选取 8段长度为 1min的房性早搏信号 (atrialprematurebeat)进行处理。另外,由于 MIT数 据库 中 选 取 1段 窦 性 心 动 过 缓 信 号 (Sinus Bradycardia),并从这段数据中截取 6份长度均为 1min的数据进行分析,每组数据里去 10000个点, 以验证 DFA方法在心律失常检测中的应用。 ·264· 北京生物医学工程                   第 29卷 3 实验结果 从图2(a,b,c)分别显示正常窦性心律、房性早 搏和窦性心动过缓心电图的 log10F(n)log10n关系 图。图3显示正常窦性心律、房性早搏和窦性心动 过缓心电图的 log10F(n)均值log10n比较。心电图 三种状态(正常窦性心律、房性早搏和窦性心动过 缓)(Normal、APC、SBR)的 DFA平均值和标准方差 统计结果分别为 0.7135±0.0198(Normal)、0.8144 ±0.0308(APC)、0.7357±0.0281(SBR)。从图 2、 图3的 log10F(n)均值除以 log10n可以得出(见表 1):对健康人来说平均 α=0.7135;对房性早搏病人 来说平均 α=0.8144;对心梗病人来说平均 α= 07357。上述结果可以表示随着心律的变化长时尺 度相关性的丢失和机体本身的病理改变。 图2 三种状态的 log10F(n)log10n比较 Figure2 log10F(n)log10nofthreestates 从结果可以看出正常窦性心律的 α平均值均 图3 正常窦性心律、房性早搏、窦性心动过缓心电图 的 log10F(n)均值log10n比较 Figure3 Comparationofmeanlog10F(n)log10n amongtheECGofnormalsinusrhythm,atrial prematurebeatandsinusbradycardia 小于房性早搏和窦性心动过缓的 α平均值。还可 以得出正常心律的波动范围是最小的。根据尺度指 数以及波动范围都可以区分开正常窦性心律、房性 早搏、窦性心动过缓病人,这对临床医学有着重要的 启示作用。 根据统计的数据,求取正常窦性心律、房性早 搏、窦性心动过缓信号 α均数 95%的置信区间,结 果如下。 正常窦性心律置信区间:[0.6626,0.7644];房 性早搏置信区间:[0.7352,0.8936];窦性心律过缓 置信区间:[0.6635,0.8079]。 4 讨论 对于 ECG的研究方法有很多种,如小波变 换[14]、基本尺度熵分析等。本文则采用非线性的 DFA方法来分析正常窦性心律、窦性心律失常与房性 心律失常的 ECG信号的自相似特性变化情况,得出。 (1)DFA方法可以用来分析 ECG信号。 (2)研究发现房性早搏信号的尺度指数α明显 高于窦性心动过缓和正常窦性信号的,且正常窦性 信号的最低。 (3)通过 DFA方法获得的尺度指数以及波动 范围能比较好地区分正常人和心律失常的病人,并 且可以区分出是窦性心律失常还是房性心律失常。 这种方法可以在临床上运用于辨别心律正常与否。 参考文献 [1] PengCK,BuldyrevSV,GoldbergerAL,etal.Finitesizeeffects on longrange correlations: Implicationsforanalyzing DNA ·364·第 5期       窦性和房性心律失常的 DFA分析 sequences.PhysRevE,1993,47(5):3730-3733. 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