HRV非线性动力学分析的动物实验初步研究
作者：秦明新 史学涛 王跃民 裴建明 臧益民
单位：秦明新1 史学涛 (第四军医大学 生物医学电子工程教研室，西安 710032)；王跃民2 裴建明2 臧益民 (第四军医大学 生理学教研室，西安 710032)
关键词：心率变异性；非线性动力学；自主神经
生物医学工程学杂志990109 内容摘要 采用非线性动力学分析方法，观察了交感、迷走神经单独作用和冠状动脉狭窄时，非线性动力学参数的改变，以探讨非线性动力学参数所反映的心脏生理功能和心脏电生理学意义。结果显示：交感、迷走神经单独作用时，关联维数、熵降低；冠状动脉狭窄时，关联维数、熵和李氏指数均降低。结果表明：非线性动力学参数可反映交感、迷走神经单独作用和冠状动脉狭窄时自主神经生理功能的变化。
Primary Study on HRV Analysis of Nonlinear Dynamics in Animal Experimet
, 百拇医药
Qin Mingxin1 Shi Xuetao1 Wang Yueming2 Pei Jianmin2 Zang Yimin2
1 (Department of Biomedical Electronic Engineering, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032)
2 (Department of Physiology, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032)
Abstract The purpose of this study was to address the relationship between the parameters of nonlinear dynamics and functions of heart. We adopted the methods of nonlinear dynamics in observing the changes of the parameters of nonlinear dynamics under the conditions that sympathetic or parasympathetic nerve of heart exists singly as well as the coronary artery is narrowed. The results showed that in case the sympathetic or parasympathetic nerve was cut off the correlation dimension and entropy were lower than the normals, and in case the coronary artery was seriously narrowed the correlation dimension, entropy and laypunav exponent were also lower than the normals. The conclusion is that the parameters of nolinear dynamics can indicate the changes of the functions of autonomic nerve under the above conditions.
, 百拇医药
Key words Heart rate variability Nonlinear dynamics Autonomic nervous system
1 引 言
80年代中期以来，随着非线性动力学迅速发展，开始对HRV的非线性进行研究。类分形的结构在健康心脏的力学和电学动力学中起重要作用，是HRV非线性特性的解剖学结构基础，主要有：(1)冠状动脉和静脉网络是类分形的结构，它提供血液给心脏肌肉；(2)心脏中有一个类分形的连接纤维网络-腱索，它将二尖瓣、三尖瓣与肌肉连接；(3)某些心脏肌肉的分支模式是明显的类分形结构；(4)His-Purkinje传导系统具有二分叉的类分形结构，将电信号从心房传导到心室肌[1]。这种非线性的结构，使心脏具有非线性的电学和力学特性。HRV的非线性特性是由Babloyantz、Goldberger等最早进行研究，主要的结论有：(1)HRV的功率谱密度是宽带的，具有1/f的谱成分；(2)估算HRV的关联维数为有限值；(3)HRV不存在单一的时间尺度，具有统计自相似性[2，3]。所有结果表明HRV不是随机的而是由具有某种确定性规律控制的输出，即一种混沌信号。
, http://www.100md.com
本实验研究初步探讨了神经对HRV非线性动力学参数的影响，观察了冠状动脉狭窄时HRV非线性动力学参数的变化，并初步验证了这些参数的改变在心脏电生理学方面的意义。
2 实验和材料
2.1 非线性动力学分析
在研究中，主要采用关联维数、近似熵、李氏指数等方法，其中的计算参数选取、数据规模在已发表的研究论文中已有讨论[4～9]。上述方法是在我们自己研制的短时心率变异性分析系统上实验[10]。
2.2 统计学处理
本实验使用的统计学方法有对资料t检验，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Micrososft Excel统计分析软件。
, 百拇医药
2.3 动物实验材料和方法
2.3.1 观察心脏植物神经作用 选用健康杂种犬，体重11～20kg，雌雄不拘，戊巴比妥钠静脉麻醉(30mg/kg)，气管插管，分离股动脉插管至胸主动脉以监测血压；分离右侧颈部迷走神经；分离左侧心交感神经的方法是沿气管左侧迷走神经下行，于锁骨与颈柱交界处分离左侧星状神经节的心支。用我们自己研制的数据采集、分析系统，采集标准Ⅱ导联心电信号，以300 Hz的采样频率连续采样10 m。实验分为切断迷走神经，观察交感神经和切断交感神经，观察迷走神经两组，分别与切断神经前比较。
2.3.2 观察冠状动脉狭窄的影响 使用健康杂种狗，雌雄不拘，体重11～19kg，戊巴比妥钠(30mg/kg)静脉麻醉，气管切开插管，并行正压人工呼吸，经股动脉插管到胸主动脉，测量主动脉血压，股静脉插管行静脉注射。开胸分离冠状动脉左前降支(LAD)并放置微米狭窄器和电磁流量计探头，分别用于缩窄冠状动脉(CA)和测定冠状动脉血量(CBF)。在缺血区LAD的小分支上插上一聚氯乙烯塑料导管，用于记录外周小冠状动脉远端平均血压(Pc)。仍采用自系统(同上)，采集标准Ⅱ导联心电信号，以300 Hz的采样频率连续采样10 m，并与狭窄前比较
, 百拇医药
3 实验结果
(1)切断交感或迷走神经对HRV非线性动力学参数的影响与不切断神经相比，迷走神经切断后，关联维数、熵的平均值下降，李氏指数平均上升；交感神经切断后，关联维数、熵、李氏指数平均值均下降。如表1、2，图1、2所示。
表1 切断迷走神经前后非线性动力学参数的平均值
Table 1 Mean values of nonlinear dynamical parameters of dogs under abnormal (parasympathetic nerves cut off) and normal condition
Correlation
dimension
, http://www.100md.com Kolmogorov
entropy
Lyapunov
exponent
Normal(n=4)
5.759±0.249
1.532±0.152
2.871±0.444
Abnormal(n=4)
5.164±0.318
1.457±0.135
, 百拇医药 3.482±0.335
P
<0.05
>0.05
<0.05
图1 切断交感神经前后关联维数的比较
Fig 1 Comparison of correlation dimension under sympathetic nerve cut off and normal condition
表2 切断交感神经前后非线性动力学参数的平均值
Table 2 Mean values of nolinear dynamical parameters of dogs under abnormal (sympathetic nerves cut off) and normal condition
, 百拇医药
Correlation
dimension
Kolmogorov
entropy
Lyapunov
exponent
Normal(n=4)
6.137±0.347
1.610±0.073
3.884±0.463
Abnormal(n=4)
, http://www.100md.com
5.683±0.563
1.302±0.279
3.337±0.313
P
>0.05
>0.05
>0.05
图2 迷走神经切断前后关联维数的比较
Fig 2 Comparison of correlation dimension under parasympathetic nerve cutt off
, http://www.100md.com
and normal condition
(2)观察冠状动脉狭窄对HRV非线性动力学参数的影响，并与狭窄前相。狗LAD重度狭窄后，关联维数、熵、李氏指数平均值下降，如表3、图3所示。
表3 冠状动脉重度狭窄前后非线动力学参数的平均值
Table 3 Mean values of nonlinear dynamical paramters of dogs under abnormal (left anterior discending branch of coronary artery quantitatively stenosed) and normal condition
Correlation
dimension
, http://www.100md.com
Kolmogorov
entropy
Lyapunov
exponent
Normal(n=8)
5.725±0.359
1.595±0.090
3.471±0.569
Abnormal(n=8)
5.408±0.383
1.484±0.096
, 百拇医药
2.934±0.425
P
>0.05
<0.05
<0.05
图3 冠状动脉重度狭窄前后关联维数的比较
Fig 3 Comparison of correlation dimension under LAD narrowed and normal condition
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划：熵表示信息损失速率，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。
, 百拇医药
在切断迷走和交感神经的情况下，关联维数、熵的平均值均下降，表示HRV复杂性的减少；李氏指数在切断迷走时上升，表示HRV稳定性减小；在切断交感时关联维数、熵的平均值均下降，表示HRV复杂性的减少；李氏指数下降，表示HRV稳定性上升。从上述结果初步显示：(1)关联维数、熵的变化与自主神经功能有关，交感或迷走神经功能的丧失，通过关联维数和熵的下降反映；(2)李氏指数的大小与自主神经对心脏的抑制和兴奋作用有关，李氏指数上升代表交感神经兴奋性起主导作用，李氏指数下降代表迷走神经抑制性起主导作用。
在冠状动脉狭窄85%以上时，关联维数、熵、李氏指数的平均值均下降，表示HRV复杂性的减小和稳定性的上升。以上结果可能与心肌缺血时交感，迷走神经相互作用有关[11]。心肌缺血时交感神经由于缺血区及缺血边缘区心肌组织中的神经末梢传入明显增加。另外心输出量减少和血压降低，通过颈动脉窦和主动脉弓压力感受器使交感中枢兴奋。心交感传出神经兴奋改变心脏的电生理活动，但在心交感兴奋下，迷走神经可使心肌电稳定性增强，心率减慢。这种交感和迷走的相互作用，可能导致心脏电活动总体水平下降，心脏电活动稳定性的增加。HRV非线性动力学参数的改变，可能反映冠状脉狭窄时，心脏电活动的这一特性。
, 百拇医药
参考文献
[1] Goldberger AL, Rigney DR, West BJ. Chaos and fractal in human physiology. Scientific American, 1990; (2)∶43
[2] Babloyantz A, Destexhe A. Is the normal heart a periodic oscillator? Biological Cybernetics, 1988; 58∶203
[3] Goldberger AL. Fractal mechanisms in the electrophysiology of heart IEEE Eng Med Biol, 1992; 11(6)∶47
[4] 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
, 百拇医药
[5] 何 明.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
[6] Qin Mingxin, Ying Ke. Application of the methods of nonlinear dynamics to heart rate variability analysis. Chinese Journal of Biomedical Engineering, 1995; 4(3)∶122
[7] Grassberger P, Procaccia Ⅰ. Measuring the strangeness of strange attractors. Physica, 1983; 9D∶189
[8] Grassberger P, Procaccia Ⅰ. Estimation of the kolmogorov entropy from a chaotic signal. Physical Review, 1983; A28(4)∶2591
[9] Wolf A, Swift JB, Swinney HL et al. Determining laypunov exponents from a time series. Physica, 1985; 16D∶285
[10] 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
[11] 臧益民，朱妙章，牛国保等.临床心血管生理学及其进展.西安：世界图书出版社公司，1993∶60-65
(收稿：1997-10-24), 百拇医药
单位：秦明新1 史学涛 (第四军医大学 生物医学电子工程教研室，西安 710032)；王跃民2 裴建明2 臧益民 (第四军医大学 生理学教研室，西安 710032)
关键词：心率变异性；非线性动力学；自主神经
生物医学工程学杂志990109 内容摘要 采用非线性动力学分析方法，观察了交感、迷走神经单独作用和冠状动脉狭窄时，非线性动力学参数的改变，以探讨非线性动力学参数所反映的心脏生理功能和心脏电生理学意义。结果显示：交感、迷走神经单独作用时，关联维数、熵降低；冠状动脉狭窄时，关联维数、熵和李氏指数均降低。结果表明：非线性动力学参数可反映交感、迷走神经单独作用和冠状动脉狭窄时自主神经生理功能的变化。
Primary Study on HRV Analysis of Nonlinear Dynamics in Animal Experimet
, 百拇医药
Qin Mingxin1 Shi Xuetao1 Wang Yueming2 Pei Jianmin2 Zang Yimin2
1 (Department of Biomedical Electronic Engineering, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032)
2 (Department of Physiology, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032)
Abstract The purpose of this study was to address the relationship between the parameters of nonlinear dynamics and functions of heart. We adopted the methods of nonlinear dynamics in observing the changes of the parameters of nonlinear dynamics under the conditions that sympathetic or parasympathetic nerve of heart exists singly as well as the coronary artery is narrowed. The results showed that in case the sympathetic or parasympathetic nerve was cut off the correlation dimension and entropy were lower than the normals, and in case the coronary artery was seriously narrowed the correlation dimension, entropy and laypunav exponent were also lower than the normals. The conclusion is that the parameters of nolinear dynamics can indicate the changes of the functions of autonomic nerve under the above conditions.
, 百拇医药
Key words Heart rate variability Nonlinear dynamics Autonomic nervous system
1 引 言
80年代中期以来，随着非线性动力学迅速发展，开始对HRV的非线性进行研究。类分形的结构在健康心脏的力学和电学动力学中起重要作用，是HRV非线性特性的解剖学结构基础，主要有：(1)冠状动脉和静脉网络是类分形的结构，它提供血液给心脏肌肉；(2)心脏中有一个类分形的连接纤维网络-腱索，它将二尖瓣、三尖瓣与肌肉连接；(3)某些心脏肌肉的分支模式是明显的类分形结构；(4)His-Purkinje传导系统具有二分叉的类分形结构，将电信号从心房传导到心室肌[1]。这种非线性的结构，使心脏具有非线性的电学和力学特性。HRV的非线性特性是由Babloyantz、Goldberger等最早进行研究，主要的结论有：(1)HRV的功率谱密度是宽带的，具有1/f的谱成分；(2)估算HRV的关联维数为有限值；(3)HRV不存在单一的时间尺度，具有统计自相似性[2，3]。所有结果表明HRV不是随机的而是由具有某种确定性规律控制的输出，即一种混沌信号。
, http://www.100md.com
本实验研究初步探讨了神经对HRV非线性动力学参数的影响，观察了冠状动脉狭窄时HRV非线性动力学参数的变化，并初步验证了这些参数的改变在心脏电生理学方面的意义。
2 实验和材料
2.1 非线性动力学分析
在研究中，主要采用关联维数、近似熵、李氏指数等方法，其中的计算参数选取、数据规模在已发表的研究论文中已有讨论[4～9]。上述方法是在我们自己研制的短时心率变异性分析系统上实验[10]。
2.2 统计学处理
本实验使用的统计学方法有对资料t检验，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Micrososft Excel统计分析软件。
, 百拇医药
2.3 动物实验材料和方法
2.3.1 观察心脏植物神经作用 选用健康杂种犬，体重11～20kg，雌雄不拘，戊巴比妥钠静脉麻醉(30mg/kg)，气管插管，分离股动脉插管至胸主动脉以监测血压；分离右侧颈部迷走神经；分离左侧心交感神经的方法是沿气管左侧迷走神经下行，于锁骨与颈柱交界处分离左侧星状神经节的心支。用我们自己研制的数据采集、分析系统，采集标准Ⅱ导联心电信号，以300 Hz的采样频率连续采样10 m。实验分为切断迷走神经，观察交感神经和切断交感神经，观察迷走神经两组，分别与切断神经前比较。
2.3.2 观察冠状动脉狭窄的影响 使用健康杂种狗，雌雄不拘，体重11～19kg，戊巴比妥钠(30mg/kg)静脉麻醉，气管切开插管，并行正压人工呼吸，经股动脉插管到胸主动脉，测量主动脉血压，股静脉插管行静脉注射。开胸分离冠状动脉左前降支(LAD)并放置微米狭窄器和电磁流量计探头，分别用于缩窄冠状动脉(CA)和测定冠状动脉血量(CBF)。在缺血区LAD的小分支上插上一聚氯乙烯塑料导管，用于记录外周小冠状动脉远端平均血压(Pc)。仍采用自系统(同上)，采集标准Ⅱ导联心电信号，以300 Hz的采样频率连续采样10 m，并与狭窄前比较
, 百拇医药
3 实验结果
(1)切断交感或迷走神经对HRV非线性动力学参数的影响与不切断神经相比，迷走神经切断后，关联维数、熵的平均值下降，李氏指数平均上升；交感神经切断后，关联维数、熵、李氏指数平均值均下降。如表1、2，图1、2所示。
表1 切断迷走神经前后非线性动力学参数的平均值
Table 1 Mean values of nonlinear dynamical parameters of dogs under abnormal (parasympathetic nerves cut off) and normal condition
Correlation
dimension
, http://www.100md.com Kolmogorov
entropy
Lyapunov
exponent
Normal(n=4)
5.759±0.249
1.532±0.152
2.871±0.444
Abnormal(n=4)
5.164±0.318
1.457±0.135
, 百拇医药 3.482±0.335
P
<0.05
>0.05
<0.05
图1 切断交感神经前后关联维数的比较
Fig 1 Comparison of correlation dimension under sympathetic nerve cut off and normal condition
表2 切断交感神经前后非线性动力学参数的平均值
Table 2 Mean values of nolinear dynamical parameters of dogs under abnormal (sympathetic nerves cut off) and normal condition
, 百拇医药
Correlation
dimension
Kolmogorov
entropy
Lyapunov
exponent
Normal(n=4)
6.137±0.347
1.610±0.073
3.884±0.463
Abnormal(n=4)
, http://www.100md.com
5.683±0.563
1.302±0.279
3.337±0.313
P
>0.05
>0.05
>0.05
图2 迷走神经切断前后关联维数的比较
Fig 2 Comparison of correlation dimension under parasympathetic nerve cutt off
, http://www.100md.com
and normal condition
(2)观察冠状动脉狭窄对HRV非线性动力学参数的影响，并与狭窄前相。狗LAD重度狭窄后，关联维数、熵、李氏指数平均值下降，如表3、图3所示。
表3 冠状动脉重度狭窄前后非线动力学参数的平均值
Table 3 Mean values of nonlinear dynamical paramters of dogs under abnormal (left anterior discending branch of coronary artery quantitatively stenosed) and normal condition
Correlation
dimension
, http://www.100md.com
Kolmogorov
entropy
Lyapunov
exponent
Normal(n=8)
5.725±0.359
1.595±0.090
3.471±0.569
Abnormal(n=8)
5.408±0.383
1.484±0.096
, 百拇医药
2.934±0.425
P
>0.05
<0.05
<0.05
图3 冠状动脉重度狭窄前后关联维数的比较
Fig 3 Comparison of correlation dimension under LAD narrowed and normal condition
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划：熵表示信息损失速率，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。
, 百拇医药
在切断迷走和交感神经的情况下，关联维数、熵的平均值均下降，表示HRV复杂性的减少；李氏指数在切断迷走时上升，表示HRV稳定性减小；在切断交感时关联维数、熵的平均值均下降，表示HRV复杂性的减少；李氏指数下降，表示HRV稳定性上升。从上述结果初步显示：(1)关联维数、熵的变化与自主神经功能有关，交感或迷走神经功能的丧失，通过关联维数和熵的下降反映；(2)李氏指数的大小与自主神经对心脏的抑制和兴奋作用有关，李氏指数上升代表交感神经兴奋性起主导作用，李氏指数下降代表迷走神经抑制性起主导作用。
在冠状动脉狭窄85%以上时，关联维数、熵、李氏指数的平均值均下降，表示HRV复杂性的减小和稳定性的上升。以上结果可能与心肌缺血时交感，迷走神经相互作用有关[11]。心肌缺血时交感神经由于缺血区及缺血边缘区心肌组织中的神经末梢传入明显增加。另外心输出量减少和血压降低，通过颈动脉窦和主动脉弓压力感受器使交感中枢兴奋。心交感传出神经兴奋改变心脏的电生理活动，但在心交感兴奋下，迷走神经可使心肌电稳定性增强，心率减慢。这种交感和迷走的相互作用，可能导致心脏电活动总体水平下降，心脏电活动稳定性的增加。HRV非线性动力学参数的改变，可能反映冠状脉狭窄时，心脏电活动的这一特性。
, 百拇医药
参考文献
[1] Goldberger AL, Rigney DR, West BJ. Chaos and fractal in human physiology. Scientific American, 1990; (2)∶43
[2] Babloyantz A, Destexhe A. Is the normal heart a periodic oscillator? Biological Cybernetics, 1988; 58∶203
[3] Goldberger AL. Fractal mechanisms in the electrophysiology of heart IEEE Eng Med Biol, 1992; 11(6)∶47
[4] 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
, 百拇医药
[5] 何 明.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
[6] Qin Mingxin, Ying Ke. Application of the methods of nonlinear dynamics to heart rate variability analysis. Chinese Journal of Biomedical Engineering, 1995; 4(3)∶122
[7] Grassberger P, Procaccia Ⅰ. Measuring the strangeness of strange attractors. Physica, 1983; 9D∶189
[8] Grassberger P, Procaccia Ⅰ. Estimation of the kolmogorov entropy from a chaotic signal. Physical Review, 1983; A28(4)∶2591
[9] Wolf A, Swift JB, Swinney HL et al. Determining laypunov exponents from a time series. Physica, 1985; 16D∶285
[10] 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
[11] 臧益民，朱妙章，牛国保等.临床心血管生理学及其进展.西安：世界图书出版社公司，1993∶60-65
(收稿：1997-10-24), 百拇医药