一种基于复杂网络的短时心率分析算法的实现与应用【字数：9942】
摘 要心率变异性（heart rate variability，HRV）是指逐次心跳 R-R间期波动的现象，表现为每个心动周期长短的变化情况。作为评价自主神经系统活动水平的一种无创性手段, HRV分析已广泛应用于心脏交感神经和迷走神经活动的评价及相关疾病的诊断。心率变异性的分析方法众多，传统的时域分析和频域分析已在临床得到应用。由于心脏控制系统是非线性的，近年来对各种心率变异信号的非线性分析方法日益受到重视，基于复杂网络的分析方法便是其中一类。复杂网络被认为是具有自组织、自相似、吸引子、小世界、无标度中部分或全部性质的网络。本文根据有关文献的报道，将反映心跳波动的R-R间期序列嵌入到高维相空间，并通过一种基于排列的测量方法，计算向量节点的耦合强度，从而将一维的时间序列映射为复杂网络，并计算相应的网络测度——度分布熵。通过对数据库中三组不同数据（健康年轻人、老年人和充血性心力衰竭患者）的分析，结果表明，本文所采用的方法在很短的数据长度下，仍能有效地检测到充血性心力衰竭患者组的度分布熵值的变化，是一种适合于短时心率变异数据的分析方法，可能具有一定的应用价值。
目录
摘 要 I
Abstract II
1. 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 心率变异性的研究动态及发展现状 1
1.3 课题的主要研究内容 4
2. 基于复杂网络的短时心率变异分析算法的实现 5
2.1 基于复杂网络的短时心率分析算法的基本原理 5
2.2 基于复杂网络的短时心率变异分析算法的Matlab实现 7
3. 基于复杂网络的短时心率变异分析算法的应用 11
3.1 实验数据简介 11
3.2 实验结果及分析 11
4. 总结和展望 14
4.1 本文工作总结 14
4.2 未来工作的展望 14
参考文献 15
致 谢 16
1. 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
心脏疾病是最受世界关注的疾病之一。随着人们对自身健康状况关注度的提高, 在医疗科技水平迅速发展的今天，人们更加需要准确测试出人 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
体心率变异数据。心率变异性 (Heart rate variability，HRV)即反映心率的变化，是指自主神经系统调节心脏窦房结的能力。可以作为指标评价自主神经稳定性的程度和预测心脏病患者死亡存在的危险因素。自主神经与疾病息息相关，尤其体现在心脏疾病上 (如：心力衰竭、冠心病、心律失常等)[1]。
近几十年来, 我国心脏疾病发病率明显提高，一般情况下，心脏疾病诱发的原因有暴怒、焦虑、饮食不规律、不寻常活动及酗酒等。这几项因素是危险因子，可能改变血液粘稠度、心跳加速、血压上升、血管收缩等，这些行为容易造成心脏损伤，诱发急性心脏疾病。医学表明，情绪能够严重影响心脏疾病，并表现出多种病状。
心脏疾病在日常中严重威胁着人们的健康，特别像冠心病、心肌梗塞这样的高发疾病。以冠心病为例[2]，该病患者的心率变异性下降, 可能与心脏长期缺血、缺氧等有关, 从而改变反射活动，导致自主神经的调节失衡。人们通过研究短时心率分析算法，能计算出病理状态，从而了解副交感及交感神经的活动情况，可帮助医生给患者及时做出临床预后评估病情，进行分析并尽早确定心脏疾病患者治疗方案，才能得到有效的治疗方法来改善预后。
随着知识的不断突破，复杂网络（Complex network）理论被提出来，人们从这一新的理论工具来入手，尝试更好的应用于生活中的复杂系统。自然界有复杂系统存在，错综复杂的网络能够以不同的形式描述出来。由于复杂网络有交叉、复杂性等表征，浩瀚学科加入这个大家族，跟系统科学、物理学、数学及计算机等学科一样，使用一些分析方法（图论、概率、随机等）和工具来证明。
近年来，一些基于复杂网络的分析方法被引入心率变异序列的分析，并取得了一定的成果。通常健康人的 HRV数值提供了大量有效信息，分析常被用作实验观察组，但是某些领域，就要对运动强度的不同而对自主神经稳定性产生的差异，让它保持在稳定的状态。总之，低、中度的运动强度对患者交感神经等均衡性，有较好训练效果，随着研究的深入，健康人的HRV也得到了广泛关注。
1.2 心率变异性的研究动态及发展现状
1.2.1 心率变异性概念及发生机制
心率变异性（heart rate variability，HRV）可以解释为，每个人在同样时间内心脏跳动的次数是变化的，比如一个人一分钟的心率是60次，并不是说他心脏每次跳动一秒钟，是有时间差异的。这个现象是由美国的医生几十年前发现的。作为非特异性健康风险最有效的预测指标之一，心率变异性分析在过去几年获得了非凡的声望。科学和临床研究已经在几乎所有医学分支中确立了它的用处。
检测ECG信号中所有窦性节律的R波顶点，以相邻两个R波顶点之间的时间间隔作为HRV中的一个点，因此HRV又称为RR间期序列、NN间期序列。HRV是一个离散的时间序列[1]使用时也把瞬时心率信号归为HRV，瞬时心率信号可理解为RR间期的倒数。因此，瞬时心率信号和RR间期信号可统称为HRV。
/
图1.1 心率变异性的概念说明
逐次心跳之间的间期有微妙的差异，不是恒定的值。人们普遍认为，处于安静状态的健康人的心率是单调而有规律的，通常描述为所谓的“规则窦性心律”。心率变异性或心率的逐搏改变是调节心脏正常节律的许多生理因素的准确和可靠的反映。事实上，HRV是观察交感和副交感神经自律神经系统（ANS）之间作用的有效方式。自律神经系统（ANS）不仅在生理情况下，在病理环境中也起到重要作用，如心肌梗塞（MI）、糖尿病性神经病变和充血性心力衰竭（CHF）等，而且心脏猝死和心律失常等疾病的发生与心率变异性相关。
HRV测试还提供了累积性身体和精神压力评估的可能性。慢性身体压力和累积性精神压力是传统的健康风险因素，引发危及生命的特定疾病的发展。精神压力指数表示身体对每天施加于身体的内部和外部压力源的适应性[3]。心理压力指数指示ANS的功能。这代表目前身体正在经历的压力水平。如果抗压能力低下，它可能导致身体问题和疾病。体压指数代表细胞的疲劳水平、活动水平。支配心脏的传出神经为心交感神经和心迷走神经。 刺激心交感神经使其兴奋时，心率、房室交界传导加快，心肌收缩能力加强；而刺激心迷走神经使其兴奋时则情况相反。HRV反映心脏对外界环境的适应性，主要是由自主神经系统对心脏调控实现。研究表明[4]，自主神经系统与多种心脏病有关，容易产生病变，例如：抑郁、糖尿病、昏厥、癫痫、哮喘、甲亢等，都会引起HRV测度的改变，如有使用影响到自主神经功能的药物，也会反映到HRV的变化。
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图1.2 正常人的RR间期序列
目录
摘 要 I
Abstract II
1. 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 心率变异性的研究动态及发展现状 1
1.3 课题的主要研究内容 4
2. 基于复杂网络的短时心率变异分析算法的实现 5
2.1 基于复杂网络的短时心率分析算法的基本原理 5
2.2 基于复杂网络的短时心率变异分析算法的Matlab实现 7
3. 基于复杂网络的短时心率变异分析算法的应用 11
3.1 实验数据简介 11
3.2 实验结果及分析 11
4. 总结和展望 14
4.1 本文工作总结 14
4.2 未来工作的展望 14
参考文献 15
致 谢 16
1. 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
心脏疾病是最受世界关注的疾病之一。随着人们对自身健康状况关注度的提高, 在医疗科技水平迅速发展的今天，人们更加需要准确测试出人 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
体心率变异数据。心率变异性 (Heart rate variability，HRV)即反映心率的变化，是指自主神经系统调节心脏窦房结的能力。可以作为指标评价自主神经稳定性的程度和预测心脏病患者死亡存在的危险因素。自主神经与疾病息息相关，尤其体现在心脏疾病上 (如：心力衰竭、冠心病、心律失常等)[1]。
近几十年来, 我国心脏疾病发病率明显提高，一般情况下，心脏疾病诱发的原因有暴怒、焦虑、饮食不规律、不寻常活动及酗酒等。这几项因素是危险因子，可能改变血液粘稠度、心跳加速、血压上升、血管收缩等，这些行为容易造成心脏损伤，诱发急性心脏疾病。医学表明，情绪能够严重影响心脏疾病，并表现出多种病状。
心脏疾病在日常中严重威胁着人们的健康，特别像冠心病、心肌梗塞这样的高发疾病。以冠心病为例[2]，该病患者的心率变异性下降, 可能与心脏长期缺血、缺氧等有关, 从而改变反射活动，导致自主神经的调节失衡。人们通过研究短时心率分析算法，能计算出病理状态，从而了解副交感及交感神经的活动情况，可帮助医生给患者及时做出临床预后评估病情，进行分析并尽早确定心脏疾病患者治疗方案，才能得到有效的治疗方法来改善预后。
随着知识的不断突破，复杂网络（Complex network）理论被提出来，人们从这一新的理论工具来入手，尝试更好的应用于生活中的复杂系统。自然界有复杂系统存在，错综复杂的网络能够以不同的形式描述出来。由于复杂网络有交叉、复杂性等表征，浩瀚学科加入这个大家族，跟系统科学、物理学、数学及计算机等学科一样，使用一些分析方法（图论、概率、随机等）和工具来证明。
近年来，一些基于复杂网络的分析方法被引入心率变异序列的分析，并取得了一定的成果。通常健康人的 HRV数值提供了大量有效信息，分析常被用作实验观察组，但是某些领域，就要对运动强度的不同而对自主神经稳定性产生的差异，让它保持在稳定的状态。总之，低、中度的运动强度对患者交感神经等均衡性，有较好训练效果，随着研究的深入，健康人的HRV也得到了广泛关注。
1.2 心率变异性的研究动态及发展现状
1.2.1 心率变异性概念及发生机制
心率变异性（heart rate variability，HRV）可以解释为，每个人在同样时间内心脏跳动的次数是变化的，比如一个人一分钟的心率是60次，并不是说他心脏每次跳动一秒钟，是有时间差异的。这个现象是由美国的医生几十年前发现的。作为非特异性健康风险最有效的预测指标之一，心率变异性分析在过去几年获得了非凡的声望。科学和临床研究已经在几乎所有医学分支中确立了它的用处。
检测ECG信号中所有窦性节律的R波顶点，以相邻两个R波顶点之间的时间间隔作为HRV中的一个点，因此HRV又称为RR间期序列、NN间期序列。HRV是一个离散的时间序列[1]使用时也把瞬时心率信号归为HRV，瞬时心率信号可理解为RR间期的倒数。因此，瞬时心率信号和RR间期信号可统称为HRV。
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图1.1 心率变异性的概念说明
逐次心跳之间的间期有微妙的差异，不是恒定的值。人们普遍认为，处于安静状态的健康人的心率是单调而有规律的，通常描述为所谓的“规则窦性心律”。心率变异性或心率的逐搏改变是调节心脏正常节律的许多生理因素的准确和可靠的反映。事实上，HRV是观察交感和副交感神经自律神经系统（ANS）之间作用的有效方式。自律神经系统（ANS）不仅在生理情况下，在病理环境中也起到重要作用，如心肌梗塞（MI）、糖尿病性神经病变和充血性心力衰竭（CHF）等，而且心脏猝死和心律失常等疾病的发生与心率变异性相关。
HRV测试还提供了累积性身体和精神压力评估的可能性。慢性身体压力和累积性精神压力是传统的健康风险因素，引发危及生命的特定疾病的发展。精神压力指数表示身体对每天施加于身体的内部和外部压力源的适应性[3]。心理压力指数指示ANS的功能。这代表目前身体正在经历的压力水平。如果抗压能力低下，它可能导致身体问题和疾病。体压指数代表细胞的疲劳水平、活动水平。支配心脏的传出神经为心交感神经和心迷走神经。 刺激心交感神经使其兴奋时，心率、房室交界传导加快，心肌收缩能力加强；而刺激心迷走神经使其兴奋时则情况相反。HRV反映心脏对外界环境的适应性，主要是由自主神经系统对心脏调控实现。研究表明[4]，自主神经系统与多种心脏病有关，容易产生病变，例如：抑郁、糖尿病、昏厥、癫痫、哮喘、甲亢等，都会引起HRV测度的改变，如有使用影响到自主神经功能的药物，也会反映到HRV的变化。
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图1.2 正常人的RR间期序列
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