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运动前后心率变异性的高维时间不可逆性分析

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第28卷第5期 2013年9月 数 据 采 集 与 处 理 Vo1.28 No.5 Sep.2013 Journal of Data Acquisition and Processing 文章编号:1004—9037(2013)05—0638-05 运动前后心率变异性的高维时间不可逆性分析 侯凤贞 宁新宝 黄晓林。 (1.中国药科大学理学院,南京,210009;2.南京大学电子科学与工程学院生物医学电子研究所,南京,210093) 摘要:对心率变异性的分析已经广泛应用于心血管疾病临床实践和基础研究中,并逐渐开始在运动领域中流行 起来。本文利用时间序列的高维时间不可逆性(High-dimensiona1 time irreversibility,HDTI)分析方法,研究受 试者在跳绳运动前、中、后不同状态下短时心率变异信号的时间不可逆特性。结果表明,高维的时间不可逆性分 析特征参量的变化正好反映了运动前、中、后交感一迷走神经之间从平衡态到非平衡态、再从非平衡态逐渐恢复 到平衡态的过程;在分析快速变化的心电数据时,该特征参量与心率变化的趋势密切相关。研究结果显示HD— T1分析方法有望在运动领域中得到进一步的应用。 关键词:心率变异性;时间不可逆性;运动生理学 中图分类号:R318.O4 文献标志码:A Hi gh—Dimensional Time IrreVersibility Analysis of Human Heart Rate Variability Before and After Exercise Hou Fengzhen ,Ning Xinbao。,Huang Xiaolin (1.Department of Science,China Pharmaceutical University,Nanjing,210009,China; 2.Institute of Biomedical Electronic Engineering,School of Electronic Science and Engineering,Naniing University,Na ing,210093,China) Abstract:Heart rate variability(HRV)analysis has been widely used in clinical practice and basic researches of cardiovascular diseases.Moreover,it gradually becomes popular in the field of sports.This paper utilizes the method for high—dimensional time irreversibility(HDTI)a— nalysis to study short—term HRV signals derived from 13 subjects when they are before,during and after skipping exercise.The results show that the HDTI measurement j ust reflects the changes of cardiac sympatho——vagal modulations from equilibrium before skipping to non—.equi—— librium during skipping,and then recovering from non—equilibrium to equilibrium gradually after skipping.Furthermore,it is found that the HDTI measurement is linearly correlated with the trend of heart rate when analyzing the data which change quickly.The research suggests that the HDTI method can be further applied in the field of sports. Key words:heart rate variability;time irreversibility;sports physiology 的研究也逐渐开始在运动领域流行起来,研究主要 引 目 集中在如下几个方面L6 ]:分析不同类型的运动对 人体的影响并应用HRV对健康个体锻炼的效果 进行评价;利用HRV去评定运动后副交感神经张 力的恢复能力;研究自主神经与运动表现的关系; 尝试应用HRV来评定运动能力,这方面的一个典 心率变异性(Heart rate variability,HRV)是 反映心脏自主神经功能状态的一种简便、可靠的无 创性技术,它已经广泛应用于心血管疾病临床实践 和基础研究中[ 。。。上世纪90年代以来,对HRV 型例子便是研究利用HRV来测定青少年运动员 基金项目 :国家自然科学基金(61271082)资助项目;江苏省自然科学基金(BK2011565)资助项目;江苏省“青蓝工程” 资助项目 0 收稿日期 :2013-07—06;修订日期:2013-08—09 第5期 侯凤贞,等:运动前后心率变异性的高维时间不可逆性分析 639 无氧阈。1982年CONCONI通过大量的实验证明 在功率自行车进行等级递增强度运动时,心率随功 率输出递增,某一点上心率的增加率下降,行成拐 点,这一心率拐点对应的速度即为无氧阚速度或无 氧阈心率。但CONCONI法的一个不足是,心率 拐点并不是在所有人身上都能出现,即便是训练有 素的运动员,也不一定会出现明显的心率拐点 J。 因此,一些研究者开始尝试提出一些与心率拐点相 关的HRV指标,如“HRV第二峰值”[9 等,作为心 率拐点的替代来评估无氧阈并取得了一定的成果。 对HRV的分析既可以基于心跳间期(RR间 期)序列,也可以基于瞬时心率(RR间期的倒数) 序列。无论采用哪种序列,归根结底都是对时间序 列的分析研究。本文尝试利用时间序列的高维时 间不可逆性分析(High—dimensional time irrevers— ibility analysis,HDTI)方法l_1 ,研究受试者在不 同状态下(安静休息状态、5 min的跳绳状态、跳绳 后的休息状态)短时的RR间期信号(约500点)的 时间不可逆性。迄今为止,尚未见将HDTI方法 应用于运动前后HRV分析的报道。这样做的目 的有三个:一是探索高维的时间不可逆指标与心电 信号何种生理学特性有关;二是研究在短时(1~ 5 min)的HRV分析中,作为一种统计学方法, HDT1分析方法受哪些因素的影响,有没有其适用 的地方;三是看能否将心率变异信号的HDT1分 析方法应用到运动领域中去。 1 高维的时间不可逆性分析方法 考虑一个N点的时间序列 {z ) 1≤i≤N 把该时间序列嵌入 维相空间[io3,即对于每 一个z ,取m个点组成一 维矢量 x (i)=[ ,z斗L,…,X +(聃-1)L] (1) 式中:m为嵌人维数,L为延迟时间。取L=1,那 么m维矢量的个数就是N— +1。 然后分析各m维矢量对应的坐标在 维相空 间的各个互不平行的侧面(z ,3C )上的投影,其 中,z一1,2,…,m一1。按式(2,3)定义二维侧面 (.z ,z )上投影图的不对称性指标P (”), G ( )[ P )一 。(2) N(annT ∑aRR.+( )z G ( )=—— ———上 —————=————一×100 N(aRR:) N(△RR ) ∑△RR ( ) +∑ARRT( )。 (3) 式中:△RR 一z + 一32 ,ARR2表示△RR 小于0 的点,△RR 表示△RR 大于0的点。 再按式(4,5)重定义指标P ,G 来表示嵌入 空间中m维矢量的不对称性n 0_ P 一 ∑Tn -::l 50一P%(n)l (4) G 一 ∑m一 -:1 50一G%( )I(5) 最后,定义指标D 来综合P 和G 的值 D 一 ̄/P 2+G (6) 由上述过程可见,D 可以反映 维矢量在m 个投影面上关于主对角线的不对称程度的平均状 况,也反映了序列在逆转前后统计上的差异,也就 是序列的时间不可逆性。D 越大,代表着序列的 时间不可逆性越明显口。。。 2 实验验证 2.1 实验数据的采集 本文的实验对象是13个健康年轻人(平均年 龄25岁,年龄范围2O~35岁,仅两人在30岁以 上),其中8位女性,5位男性,均无心血管疾病史。 受试者从1~13连续编号。利用增强型三通道 Holter记录器来采集体表心电图(Electro cardio— gram,EcG)信号,采样率为128 Hz,A/D转换精 度为12位。设备配有动态心电图分析软件,能自 动定位R波顶点并识别其是正常的窦性起搏点还 是异位起搏点。对于异位起搏点,以其前后两点时 刻的中间点来估计被抑制的窦性心率,并以此推算 其对应的RR间期值。 每位受试者连续采集了至少约1 h的心电信 号。开始采集后先安静0.5 h,但可进行一些日常 活动(后文将该状态表示为“跳绳前”),紧接着跳绳 5 rain(后文将该状态表示为“跳绳中”),跳绳结束 后每位受试者依个人情况安静散步几分钟至半小 时(后文将该状态表示为“跳绳后”)。记录每位受 试者开始跳绳和结束跳绳的时间(精确到秒)。 2.2不同状态下HRV的HDT1分析结果 从跳绳前、跳绳中、跳绳后的RR间期序列中 分别截取了连续的512点来进行HDT1分析。这 里需要说明的是,对于跳绳前,考虑到部分受试者 在跳绳开始前5 min内有散步活动,因此,跳绳前 的数据从开始采样后10 min左右为首截取。而跳 绳中数据则从跳绳开始即刻为首截取,跳绳后的数 据是从跳绳停止即刻为首截取的。 640 数 据 采 集 与 处 理 第28卷 本文考察的嵌入维数m为2~16。当嵌入维 为8和16时,各受试者的D 参数值如图1(a,b) 所示。从图1可见,几乎所有的受试者,其对应3 种状态下的D 值大小排序都有:跳绳中最大,跳 绳后次之,跳绳前最小。这种现象在嵌入维m值 大的图1(b)中比嵌入维值稍小的图1(a)中表现得 更明显。成对样本T检验的结果表明,嵌入维为 16时,跳绳前的D 参数值显著小于跳绳中(P一 10 )和跳绳后( 一8×10 ),另外,跳绳中的D 参数值也显著大于跳绳后(P一8×10 ),对于其 他嵌入维m,上述显著性差异依然存在,只是P值 稍大而已。 进一步计算了跳绳后的5个阶段的D 参数 值,结果如图2所示。第1个阶段对应跳绳后的第 1个512点,在图2中编号为状态3;第2个阶段对 应跳绳后的第2个512点,在图2中编号为状态 4-..…・;第5个阶段对应跳绳后的第5个512点, 在图2中编号为状态7。为了方便对照比较,将跳 绳前(编号为状态1)和跳绳中(编号为状态2)的结 果也列于图2中。 受试者编号 (a)m=8 受试者编号 (b)m=16 图1 不同状态下(跳绳前、中、后)RR间期序列HDT1 分析结果 测 状态编号 图2不同状态下所有受试者HDT1分析结果均值 从图2可以看出,在进行HDT1分析时,嵌入维值 取5,8,16时,D 参数值从静息时的状态1到跳绳 中的状态2显著上升;跳绳结束后,在状态2~3和 状态3~4内,D 参数值迅速下降,随后下降趋势 趋于缓慢,逐渐收敛于静息时值;状态4,5,6,7的 D 值之间并无显著性差异。运动中交感神经持 续兴奋而迷走神经受抑制,运动后迷走神经张力逐 渐恢复而趋向交感迷走平衡的现象在强度较大的 体育运动中普遍存在。就每个健康个体而言,如果 视安静清醒时的交感迷走活性状态为平衡态,那么 在运动中和运动后的短时内,其交感迷走活性之间 应该都是非平衡的,且运动后的非平衡性会随着恢 复时间的增加而逐渐减弱直至消失,重新达到平衡 态。这里D 值的变化正好反映了跳绳运动前、 中、后交感迷走神经之间的这种从平衡态到非平衡 态、再从非平衡态逐渐恢复到平衡态的过程。 仔细观察图2就可以发现另一个值得深究的 现象:在嵌入维 一5,8,16时,在跳绳前静息态 下,三类D 参数值基本混叠在一起,成对T检验 结果表明两两之间并无显著性差异;在跳绳后交感 迷走接近静息平衡态,即状态4,5,6,7下,三 类D 参数值也基本混叠在一起,成对T检验结果 表明两两之间仅D 和D。之间在状态4下有显著 性差异(P一0.03);而在状态2下,D 显著大于Ds (单边T检验,P一2×10 。),D 显著大于D ( 一 2×10 );状态3下也是如此,D 显著大于D。(单 边T检验,P一7×10 ),D8显著大于Ds(P一1× 10 )。这种现象表明,在某些特定的状态下,随着 嵌入维数m的增加,D 参数值也随之单调递增。 为了探究这一点的本质来源,在图3中绘出了受试 者11在状态1、状态2、状态3和状态7下的RR 间期波形图。 第5期 侯凤贞,等:运动前后心率变异性的高维时间不可逆性分析 641 心跳编号 图3受试者11在不同状态下的RR间期波形 从图3可以直观地发现:状态1下RR间期波形最 “粗糙”,展示了最大的HRV,RR间期均值最大 (心率最/b)也最平稳;在跳绳中,也就是状态2最 初的100点内,RR间期呈线性趋势急速下降(心 率快速增加),而随后RR间期值下降速度(心率增 加速度)明显减慢,波形较光滑,HRV较小,这与 现有报导一致;在跳绳结束后的第一个状态(状态 3)初期,RR间期呈线性趋势增加(心率减慢),随 后RR间期增加的速度减慢,波形也逐渐变得“粗 糙”起来,HRV逐渐增大,这一点也与现有报导一 致;在状态7下的波形并未显示出明显的上升或下 降趋势,具有一定的心率变异特性,但还未达到静 息时的水平。 总体来说,与其他状态不同的是,在状态2和 状态3的RR间期变化过程中,都存在着明显的快 速、线性变化趋势的部分,尤以状态2更为明显,而 这两种状态下的D 值也明显高于静息时的值。 因此,将数据按如下规则继续划分:跳绳前2.5 min 一段,共考虑了7段;跳绳中1 min一段,共考虑了 4段;跳绳后1.5 min一段,共考虑了18段。然后 对上述29段序列(序列点数不相同),分别进行 HDT1分析。同时将每段RR间期序列转换成瞬 时心率序列,并对其做一阶线性拟合,以HRslope 表示线性拟合时的斜率 图4显示了29段序列的 D 指标值和HRslope指标的绝对值(13位受试者 的平均值),图中虚线代表跳绳前7段的指标均值。 线性相关性检验表明,13位受试者的D 指标 均与HRslope指标的绝对值有着显著的正相关性 (户<0.05)。可以说,运动中和运动后恢复期中的 D 指标值更多地受心率变化趋势的影响而不是 心率变异性的影响。上述结果表明,在将HDT1 分析方法应用于极短的时间序列(约150 ̄200点) 时,该方法极易受数据中单调变化的线性趋势的影 状态编号 (a)I-IDT1分析,嵌入维m=16 鸯 状态编号 (b)心率变化趋势分析 图4所有受试者在不同状态下29段短时RR间期序 列的分析结果均值 响,此时D 指标值并不能准确地反映出HRV的 大小;但是如果该趋势并非噪声干扰,而是由于内 在动力系统发生快速变化所致,而D 反映出来的 信息恰好可以很好地捕捉到这种变化,此时认为不 应该在进行HDT1分析方法前去除该线性趋势。 3 结束语 通过对13个健康年轻人在静息时、跳绳运动 早、中、晚期及恢复早、中、晚期进行RR间期序列 的HDT1分析,本文认为高维的时间不可逆性分 析指标D 值的变化正好反映了跳绳运动前、中、 后交感一迷走神经之间从平衡态到非平衡态、再从 非平衡态逐渐恢复到平衡态的过程。而事实上,对 于不同的受试个体,D 值在从静息到运动中的上 升程度与从运动中到停止运动后短时内的下降程 度是很不相同的,甚至有些受试者如12号受试者, 其D 值在停止运动后短时内不降反升。有趣的 是,12号受试者主观反映跳绳后有胸闷、心悸不适 感,而其他受试者都没有反映有这种主观感觉。因 此,有如下设想,能否以从运动中到停止运动后短 时内的D 下降水平,与从静息到运动中的D 上 升水平的比值来衡量运动后迷走神经的恢复能力, 该比值越大代表恢复能力越强。但是这个设想是 否可行,需要大量的实验来验证。这将是未来的一 个研究方向。 本文的实验结果也表明,在分析运动中心率快 速变化的数据时,D 与心率变化的趋势,即变化 率密切相关,那么能否将它应用于无氧阈的评定问 642 数 据 采 集 与 处 理 第28卷 题,成为心率拐点法的一个补充甚至替代,也有待 大量实验来验证。 最后,上述实验结果表明,在应用HDTI方法 来研究不同病理状态下的HRV时,数据长度不宜 太短,因为RR间期是通过计算体表ECG信号中 相邻RR波顶点之间的时间间隔得到的,对于较长 的RR间期序列(如5 000点,对应1 h左右的 ECG采集时间),一般不会有一个单调的递增或者 递减变化趋势的存在,这样计算出来的D 指标值 才能可靠地反映出HRV的大小。 参考文献: [1] Malik M,Bigger J T,Carom A J,et a1.Heart rate variability:Standard of measurement,physiological interpretation,and clinical use[J].Europ Heart J, 1996,17(3):354—381. 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High—.dimensional time irreversibility analysis of hu— man interheat intervals EJ].Med Eng Phys,2011, 33:633—637. 作者简介:侯风贞(1980一),女,博士,讲师,研究方向:生物医 学信号处理;宁新宝(1941一),男,教授,研究方向:生物医学 电子学及生物医学信号处理;黄晓林(1977一),女,讲师,研究 方向:生物医学信号处理,E-mail:xlhuang@nju.edu.cn。 

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