.颠倒睡眠状态调制心率变异性信号的功率谱和基本尺度熵分析.PDFVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 19 (2014) 198703 颠倒睡眠状态调制心率变异性信号的 功率谱和基本尺度熵分析 刘大钊 王俊 李锦 李瑜 徐文敏 赵筱 1)(陕西师范大学, 物理学与信息技术学院, 西安 710062) 2)(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) ( 2014 年5 月4 日收到; 2014 年5 月28 日收到修改稿) 心率变异性(HRV) 信号能够提供心脏活动状态的重要信息. 通过建立颠倒睡眠模型, 联合功率谱和基本 尺度熵方法分析颠倒睡眠状态下24 h 的HRV 信号, 研究颠倒睡眠对自主神经相互作用以及HRV 信号混沌强 度的调制. 结果表明, 颠倒睡眠导致自主神经在昼夜间的活动节律发生颠倒, 基本尺度熵在昼夜的变化趋势 也随之发生逆转, 因此HRV 信号的混沌强度与自主神经的相互作用密切相关, 进一步研究两者之间的关系发 现: HRV 信号的混沌强度与交感神经的调制强度正相关, 与迷走神经的调制强度负相关. 关键词: 颠倒睡眠, 基本尺度熵, 自主神经, 混沌强度 PACS: 87.85.–d, 05.45.–a DOI: 10.7498/aps.63.198703 了昼夜24 h 交替循环、睡眠清醒循环和日照时间变 1 引 言 化等因素对HRV 信号动力学特性的影响. Ivanov 11 等 揭示了人体昼夜24 h 心脏动力学的变化与身 心脏是人体重要的生理系统之一, 对于这样一 体外在活动的动力学变化是不同的, 具有受内在因 个结构、功能极其复杂的生理系统, 人们希望认识 素控制的尺度特征. Sheward 等12 通过测量心率、 其生理活动的过程. 长久以来, 人们习惯于将这种 血压以及运动的信号进行研究, 对超交叉神经核的 复杂的研究对象进行简化和抽象, 建立理想的线性 昼夜时钟对心血管功能的影响进行了估计, 并提出 模型, 对其进行线性分析与处理, 实践证明: 要揭 研究睡眠和清醒循环对心血管生理学的影响, 这 示一个本质是非线性的生理系统, 如果仅对其作线 将有助于解释由于心血管疾病而造成的睡眠紊乱 性分析和近似, 难以认识其生理活动与非线性相关 的现象13 . 20 多年来随着非线性理论和混沌理 问题. 论的发展, 为描述和理解像心脏这样复杂的系统提 截至目前, 研究者采用非线性动力学方法研究 供了全新的方法和手段45 , 越来越多的非线性方 的HRV 信号都是在测试者处于正常作息(晚上睡 法运用到了心率变异性信号(heart rate variability, 眠、白天清醒) 情况下进行信号采集、分析和计算的. HRV) 分析中, 例如, Poincaré 散点图、转移熵以及 但在现今许多特殊行业的工作者常处于颠倒睡眠 时间不可逆性分析等610 , 这些方法的成功应