调查心血管系统的属性使用创新的基于集成经验模态分解的分析算法

文摘

心血管系统是非线性和非平稳的。传统的线性算法评估动脉硬化和心脏系统的系统性抗性陪不稳定或在实际应用不便的问题。在这个试点研究,开发了两个新的评价方法:第一是基于集成经验模态分解的反射指数(EEMD-RI),而第二个是基于心电图和英国石油公司之间的相移心脏振荡。这两种方法都使用EEMD算法适用于非线性和非平稳的系统。这些方法被用来探讨动脉硬化的特性和系统阻力对猪的心血管系统通过心电图和血压(BP)。这个实验模拟一系列连续变化引起的血压稳定条件高血压动脉通过夹紧和放松的逆动脉。假设,动脉硬化和系统性阻力应随血压由于动脉夹紧和放松。结果显示统计上显著的英国石油(BP)之间的相关性,EEMD-based RI,心电图和英国石油公司之间的相移心脏振荡。这两个评估结果表明的EEMD信号分析的优点。

1。介绍

动脉硬化是一个强大的生理标记的心血管发病率和死亡率。然而,心血管系统是一个复杂的系统具有多个潜在机制的影响。收缩期动脉压之间的相关性(SAP),动脉硬化,系统阻力是心血管系统的重要主题。此外,由于心血管系统是非线性和非平稳的,系统的特点应该评估合适的算法基于创新这样一个非线性系统的信号处理技术。因此,两种方法是评估动脉硬化和系统性抗心血管系统的基于集成经验模态分解(EEMD)技术。EEMD是一种创新性的信号处理算法分解固有模式函数的非线性和非平稳的时间序列1]。

在这项研究中,为了获得一系列血压的变化,如增加然后对SAP稳定高血压,动脉硬化,和系统阻力在心血管系统中,一个实验性手术了健康年轻的猪。在这样的一个实验,肠动脉急性刺激增长的夹紧SAP动脉夹紧和放松逆转动脉夹紧的反应。SAP的变化刺激相应的变化对动脉硬化和心血管系统的系统阻力(2,3]。这个过程提供了材料的调查,以便更好的理解之间的联系SAP、动脉硬化,系统性的心血管系统可以实现电阻。

之前有研究表明,增加指数(AIx)和反射指数(RI)提供良好的指示器主动脉僵硬(4- - - - - -6),可以计算为正向波的振幅之间的比率,反射波和收缩期峰值。阿喜是由反射波的幅度和时间(6]。此外,BP分离后可以获得更准确的测量信号到它的前进和反映组件,这需要一个额外的测量主动脉流。此前,Westerhof等人提出了一种新的方法来量化的大小反映反射波的独立的时间。在他的方法,一个三角形状的流波被认为确定动脉压的时间特性。因此,反射指数(RI)派生Westerhof的方法只能计算通过英国石油公司(6]。

另一方面,脉搏波速度(采集)是另一种流行的方法量化主动脉僵硬的7]。使用最广泛的方法,确定采集测量特征点之间的时间延迟两个压力波形已知距离分开。最近,一个创新的分析算法的多通道压力流(MMPF)提出了跟踪BP和血流量之间的交互使用自发振荡的相移8- - - - - -10]。在这项研究中,假设的心电图可以呈现激活潜在的心跳,这是测量作为心血管系统(驱动信号11]。此外,BP执行心动周期的输出信号,这反映了整个心血管系统的复杂反应。因此,提出了一种新的应用多通道分析探讨心电图和英国石油公司之间的互动相移在一个心动周期。假设在这个研究的内在组件之间的相移心脏振荡提取心电图的录音和BP反映心血管系统的系统性抗性。因此,信号处理技术从心电图和BP信号分解的内在组件为这些新的应用是至关重要的。

方法论上,有许多不同的信号处理方法,执行高效的信号分解,如独立分量分析(ICA) [12和小波分解13]。ICA导致信号盲分离的应用基于统计特征的信号,反映不同源信号的线性组合。小波分解提供了信号在时域和频域的同声传译,允许本地的,短暂的,断断续续的计算组件。然而,这样的传统信号处理方法是基于线性假设。组件得到了小波分解往往掩盖由于固有的平均。1998年,黄等人提出了创新的EMD信号分解算法,组件分解的自适应信号的本质而不是转换的基础(14]。从理论上讲,每一个固有模态函数(IMF)分解通过EMD反映响应驱动相应的特定活动潜在的生理机制。在实践中,不可预知的间歇变幻损害货币基金的一致性。这种现象被称为混合模式。最近,一个经验模态分解(EEMD)引入了被认为是一个增强的EMD算法,解决问题的混合模式在最初的EMD (1]。试点研究,假设英国石油(BP)的反射波可以导出为一个特定的组件(即内在。,由EEMD IMF)。因此,一个新的EEMD-based计算国际扶轮。此外,EEMD也从心电图工作分解心脏振荡和英国石油公司在多通道分析的新的应用程序。心脏振荡之间的相移心电图和英国石油公司被认为是驱动信号之间的相位延迟(即。(即,心电图)和输出信号。,BP) of the cardiovascular system. It is considered as a new assessment of systemic impedance of the cardiovascular system which is the second EEMD-based assessment presented in this study.

最后,皮尔森相关系数是用于检查SAP之间的相关性,EEMD-based RI,相移(心电图和BP之间心脏振荡)。根据相关分析的结果,EEMD-based RI充当动脉硬化的一个指标,表现出显著的正相关与SAP之间的相移和显著负相关,心电图和BP在心脏振荡。心电图和英国石油公司之间的相移心脏振荡也作为心血管系统的另一个指标系统阻力,与SAP有负相关。这两个指标显示两种不同的配置文件的心血管系统和彼此有显著的负相关性。此外,SAP之间的相关性(BP)的直接测量,RI(次要参数取决于BP)的波形,与相移心电图与英国石油公司(两个不同的信号之间的相位延迟)显示不同的概要文件的心血管系统和他们之间的重要联系。

2。材料

在这个调查中,研究材料(即。,心电图和BP recordings) was recorded during an animal experiment, which was approved by the Animal Research Ethics Review Committee of the Far Eastern Memorial Hospital in Taiwan. In this experiment, a male Lanyu-50 pig with body weight of around 10–15 kg was the subject. After intramuscular injection of Zoletil (Zoletil 50 Vet; Virbac S.A., Carros, France) 3–5 mg/kg, an intravenous line was established in the vein behind the ear. An oximeter was applied on the tail. Other monitored biosignals included body temperature and ECG. Body temperature was maintained by a heating blanket and warm air. Additional Zoletil was prepared to achieve immobility before intubation. After intubation and confirming the position of the endotracheal tube (size 5.0–5.5 mm internal diameter), 4 mg pancuronium was injected intravenously. Subsequently, 5 mg/kg Zoletil and 4 mg pancuronium were given hourly. The pig was anesthetized following the same procedures above, with additional central venous catheter (20G-22G-22G, BD) at the right internal jugular vein and an arterial catheter (20G) at the left femoral artery under cut-down procedure. Lactate Ringer’s solution, Hespander, and whole blood (donated from other pigs) were administered to maintain adequate volume status (central venous pressure >5 mmHg) and hemoglobin level (>8 g/dL). Norepinephrine or epinephrine (bolus or continuous infusion) can be administered as required to maintain systolic blood pressure >100 mmHg, especially after graft reperfusion. At the end of the surgery, if the hemodynamic profile was stable, weaning from ventilator support can be attempted.

生成心电图和BP录音在clamping-relaxing-clamping-relaxing肠动脉,猪的肠动脉被夹紧简单(例如,一分钟),然后放松夹紧产生连续的时间序列记录在不同的情况下和他们之间过渡状态。这个设计过程运行两次连续获得4分钟心电图和BP的录音。心电图和BP的原始数据是衡量IntelliVue MP60(飞利浦),一个多通道生理监测系统通常装备在手术和重症监护病房。存储的数据测量和采样率的1000赫兹和240000个采样点的长度。没有预处理算法应用到原始数据记录的前议员60进一步分析。

3所示。方法

3.1。经验模态分解(EMD)

经验模态分解(EMD)执行一个自适应方法来消除振荡先后虽然一再减法的信封就意味着14]。一个信号EMD算法由以下步骤组成。(1)各自连接顺序局部极大值(最小值)获得上层(各自的低)信封使用三次样条。(2)派生的信封,通过平均上下信封。(3)提取临时局部振荡。(4)重复步骤1 - 3(即。,the sifting process) on the temporary local oscillation直到接近于零。然后,国际货币基金组织指出,是吗。(5)计算出残留。(6)重复步骤(1)至(5)使用为生成下一个国际货币基金组织和残渣。

因此,原始信号可以重新使用以下公式: 在哪里是国际货币基金组织th(即。,local oscillation) and是(即th残渣。,当地的趋势)。

因为算法使用当地所有的极端构建信封,混合模式是不可避免的,当信号包含间歇过程。所讨论的吴和黄1],间歇会导致产生的真实物理过程被给定信号的碎片。

3.2。集成经验模态分解(EEMD)

EMD信号处理是一种迭代算法,首先从信号分解的迭代筛选过程(14]。基本的EMD算法与混合模式的主要困难。图1显示第一个8首先分解从猪的英国石油公司记录的原始技术EMD。重要的混合模式可以观察到的现象在国际货币基金组织4 - 6,执行不一致的模式功能。最近,吴邦国委员长和黄提出EEMD noise-assisted数据分析方法来克服模式混合问题1]。在EEMD,白噪声是添加到原始信号生成的混合物通过EMD分解。合奏首先可以推导出平均imf的分解的混合物。自从间歇性波动,导致模式混合的问题,加上附加白噪声是过滤、混合模式的问题在EEMD得到有效解决。图2从相同的记录显示了前8首先分解EEMD noise-assisted技术。混合模式的问题是解决了,首先在模式函数呈现一致性。

3.3。蒙特卡罗验证和噪声去除

蒙特卡罗模拟是一个依赖于重复的计算算法随机抽样来计算他们的结果。机密EMD的考验,重复的数值模拟来描述随机噪音的特性应用于EMD可以基于蒙特卡罗模拟的应用。然后,首先分解的保密区随机噪声可以被定义为蒙特卡洛模拟。国际货币基金组织的属性可以验证保密区作为一个主要组件的信号。这种方法用于验证的主要组件的信号表示为蒙特卡洛验证(2,15]。蒙特卡罗验证验证工作首先由噪音或占主导地位的信号。真实世界的信号的高频噪声可以通过噪声组件重构蒙特卡洛验证,验证了可以重建的主要波形信号固有的组件和剩余的其余部分。

在蒙特卡洛验证,两个参数的能量密度和平均周期为每个国际货币基金组织(IMF)应该使用以下公式计算(16]: 在哪里是th的样本国际货币基金组织(IMF),的能量密度是吗国际货币基金组织(IMF),的傅里叶谱吗国际货币基金组织(IMF)的函数, 这段时间,的平均时间是国际货币基金组织(IMF)。

对数能量密度/平均周期图如图3可以安装,第一个3货币基金与负斜率直线。根据白噪声的特点和分形高斯噪声得到了EMD (16- - - - - -18),对数能量密度/平均周期图首先分解从高斯噪声类似于与负斜率直线。因此,高频噪声组件被认为是第一个首先,能量密度和平均时间的对数分布类似于一条直线的负斜率值蒙特卡罗验证。在图3,第一个3首先验证血压信号的噪声组件。此外,国际货币基金组织(IMF) 8有平均0.46赫兹的频率,这是由一位身份不明的生理机制的活动较低频段比基本的心动周期。因此,血压的主要波形信号,可以通过构造货币4 - 7。在图4BP的重建脉冲主要波形类似于原始但不包括高频脉冲噪声和基线转移。

3.4。国际扶轮的EEMD-Based计算

增强指数(AIx)是一种评估波反射和主动脉僵硬的指标(4,5]。不幸的是,拐点在收缩期峰值并不区分,所以AIx无法轻易获取。最近,Westerhof演示了一种新的量化方法对波反射在人类主动脉(6]。他们认为一个三角波来模拟的额外测量主动脉血流,时间等于射血时间,得到近似的拐点BP使用30%的射血时间的时间点。在这项研究中,国际扶轮的计算使用30%射血时间的假设指出,被称为国际扶轮的计算。大小的波和反射回波分离使用BP在拐点的大小和BP的二级级上升。然后,反射指数被定义为

EEMD-based RI的计算,首先1 - 3从BP已经验证分解高频噪声组件使用蒙特卡罗验证[15]。因此,猪的英国石油(BP)的完整脉冲可以通过首先重建4 - 7。国际货币基金组织4 BP小幅度的高频部分。有时,原始信号耦合的内在组成部分添加了不同的白噪声在EEMD可以分解成两个不同的货币。然后,两个货币基金提供一个高价值的皮尔森相关系数,可以作为单一的国际货币基金组织(IMF)合并在一起。在这个调查,皮尔森首先6和7之间的相关系数是0.825和平均频率是相似的。因此,这两个货币可以合并为一个内在的组件。此外,国际货币基金组织(IMF) 5提出了双峰值的数量与心跳的数量相比,相同数量的波动周期的货币基金6和7的组合。一半的山峰IMF 5陪BP的收缩期峰值,而另一半陪BP的重脉的山峰。从理论上讲,EEMD分解的自适应信号的波形; the separation between IMF 5 and its corresponding residue is sensitive to the discontinuous point on the systolic peak of BP as the inflection point. Therefore, the reconstructed wave via IMFs 4, 6, and 7 presents the basic fluctuation pattern of BP. And IMF 5 contributes the appended part of BP as the combination of reflection wave and dicrotic wave. In this investigation, the reconstructed wave via IMFs 4, 6, and 7 is considered as the forward wave as shown in Figure5(一个)。也认为,国际货币基金组织(IMF) 5造成反射波和重脉的波两骑波正向波的基点。图5 (b)说明了前进波,和图5 (c)说明了国际货币基金组织(IMF) 5,其中包含反射波和重脉的波。前进波遵循相同的节奏的心跳和介绍了英国石油公司的主要心脏振荡。国际货币基金组织(IMF) 5包含反射波和重脉的波浪和显示了平均心脏振荡的频率振荡的两倍。因此,反射波的大小被定义为反射波的振幅在国际货币基金组织(IMF) 5。此外,前锋波的大小测量使用重构正向波的振幅。

3.5。相移之间的心电图和BP在心脏振荡

脑自动调整控制膨胀,导致小动脉的收缩,维持血液循环全身血压的变化而19]。因此,多通道分析算法被用来评估自动调整机制,量化非线性阶段之间的相互作用自发振荡在血压和流速8,9]。多通道分析行为跟踪自发振荡之间的相位延迟(即从两个不同的生理信号。、血压和血流量的开创性的应用程序)。

在这个调查、心电图和英国石油公司被视为驾驶和心血管系统的输出信号。作为一个系统在数字信号处理领域的定义,系统阻抗引起衰减率和输出和输入之间的相位延迟。心电图和英国石油公司之间的相移之间的相位延迟反映人体心血管系统的输入和输出。山峰的国际货币基金组织(IMF) 6分解心电图心电图信号的R点,和国际货币基金组织6峰分解从BP现在收缩波的峰值。因此,心电图和英国石油公司之间的相移也提出了一种脉冲传输时间(即之间的比率。心电图R峰之间,运输时间和峰值收缩压)和心跳间隔。假设之间的互动相移(相位延迟)心电图和心脏振荡反映了英国石油公司所造成的相位延迟系统阻抗的心血管系统。(即确定固有的组件。,IMFs) which reflect the cardiac oscillations of BP and ECG, the pig’s ECG and BP recordings are decomposed into the first 9 IMFs. Table1显示了平均频率的心电图和英国石油公司货币基金5 - 9。平均频率的国际货币基金组织作为一个线索有助于为每个组件找到相应的生理机制。相比人类心跳的节奏,一个年轻的猪的心跳比人类更快。猪的平均频率的心跳在3赫兹。因此,心脏振荡被确定为6日首先对心电图和基点。此外,希尔伯特变换被用来推导time-amplitude-phase分布从心脏振荡(8- - - - - -10]。图6说明了评估心脏振荡心电图和英国石油公司之间的相移。心电图的心脏振荡被定义为国际货币基金组织(IMF)与类似心跳节律,如国际货币基金组织(IMF) 6来自心电图。和英国石油公司(BP)的心脏振荡被定义为国际货币基金组织和节奏类似于收缩期峰值的出现节奏,如国际货币基金组织(IMF) 6来自英国石油公司。然后,累计时间相位分布可以通过时间相位分布如图6。因此,相移的定义是之间的差异累积阶段每一个时间点。

3.6。皮尔逊相关系数的

皮尔逊积差相关系数的测量来确定两个变量之间的线性关系(20.]。皮尔逊相关系数的值为- 1指示一个完美的两个变量之间的线性关系和负相关表明−1的值。

相关系数的传统解释使用五个“拇指规则”来解释两个变量之间的相关性如下(21]: 作为微不足道的相关性, 作为低的相关性, 作为温和的相关性, 作为显著相关, 作为高的相关性。

积极的价值相关系数表示两个变量之间的正相关,消极影响呈现出负相关。在这项研究中,相关系数的值是解释使用这样的解释规则。

4所示。结果

EEMD-based RI的分析结果和进展的SAP以及正向波的大小BP在模拟手术图所示7。根据结果,结果表明,SAP上升然后期间保持稳定在高水平的动脉夹紧然后下降期间动脉放松如图7(一)。此外,它也表明,有SAP和周期变化的大小前锋波。验证潜在的生理机制导致循环变化,周期被数的数量,发现SAP的循环变化的平均周期是2.92秒(平均0.34赫兹的频率),它执行一个节奏的呼吸率根据我们的观察。此外,SAP和周期变化在正向波的大小也影响国际扶轮的值,也包含周期变化值。消除效果之间的相互作用引起的呼吸和心跳,EEMD-based RI是使用移动平均滤波器过滤(9个样本用于移动平均滤波器,因为心跳的平均数量在循环变化的SAP大约是9)。图7 (b)显示了原始和过滤EEMD-based RI。此外,同样的计算提出的RI被重复使用称为算法Westerhof et al .,和EEMD-based相比的结果。在图8(一个)提出了两种不同的国际扶轮的时序图。此外,两个不同的RIs的分布如图8 (b)。之间的正相关关系已经观察到两个RIs。

此外,多通道进行了分析探讨系统性抗心血管系统使用心电图之间的相移和英国石油(BP)在心脏振荡。由于希尔伯特谱的敏感性,两个心脏振荡之间的相移并不是常数。因此,相移也过滤了移动平均滤波器(分用于移动平均滤波器的数量是100,这相当于10赫兹的截止频率采样率为1000 Hz)。心电图和英国石油公司之间的相移心脏振荡如图9(一个)。为目的的比较分析结果的心电图和英国石油公司之间的相移,脉冲传输时间(PTT)心电图与英国石油(BP)进行了分析。图9 (b)使用PTT显示分析结果。找到相移的变化更敏感(即人工控制条件。、行动的夹紧和放松)。PTT的分析结果如图所示9 (b)。PTT反映心电图R峰之间的时间延迟和英国石油公司(BP)的收缩期峰值。提供的相移相位延迟与PTT所呈现的时间延迟不同。根据情节图所示9相移是发现,更敏感比PTT提出的手动控制操作。

为进一步比较原始的生理信号(即之一。,SAP)和生理指标(即。,phase shift between ECG and BP on cardiac oscillation and two different RIs derived by the EEMD-based and the referred algorithms), correlation coefficients were used to evaluate the correlations between the two different physiological signal/index. Table2显示的值相关系数相关性的一对一的比较。根据表中所示的结果2国际扶轮的两种不同的评估有正相关,因为他们同样表现为动脉硬化指标。RI与SAP有正相关,相移与SAP心电图和英国石油公司之间有负相关。此外,人物10显示有趣的相关性在SAP、RI和相移之间的心电图和BP在心脏振荡。

5。讨论和结论

在以前的研究中,有许多不同的生理参数(如脉冲传输时间、增加指数和反射指数)调查人类心血管系统开发使用传统算法基于线性假设。然而,由于人类心血管系统是非线性和非平稳的,4必要条件(即。、完全正交的,地方和适应性)应该考虑在系统分析。最近,EEMD提出一个创新的分析算法,已经被开发以满足4条件,被认为是一个更好的解决方案开发新评估心血管系统。因此,这种方法被认为是为心血管系统开发EEMD-based算法评估。这项研究没有提供可以满足的证明任何临床发现的病例数。然而,EEMD-based分析算法计算广泛和耗费时间。几百次的EMD需要EEMD分解减少加白噪声的残渣。因此,EEMD-based分析算法很难实现在嵌入式系统和应用于在线监测系统。

实际应用的EMD和EEMD算法适合非线性和非平稳的信号分解的需求仍然是一个关键问题。首先由最初的EMD分解可以节约非线性的特点,在模式的功能。然而,混合模式是一个软弱的EMD申请提取任何模式功能与特定的物理或生理意义。相比之下EEMD致力于解决模式混合的问题。但是特征的非线性模式函数可以被摧毁的合奏形式的货币。在这项研究中,提取内在成分一致的特色在调制比保护更重要模式的非线性函数的特点。因此,EEMD应用在这个调查。什么样的特征应保存在imf的决定了使用EMD或EEMD。

在这项研究中,动物实验进行模拟心血管系统的变化使用设计过程来生成研究材料。在这一种动物实验中,不同的参数之间的关系被认为是纯粹的和直接。在这个调查个人造成的影响可以忽略。此外,SAP被认为是一个直接的生理测量,EEMD-based RI是一个次要参数来自英国石油(BP)和心电图和英国石油公司之间的相移是一个相关的两个生理测量之间的相位延迟。因此,SAP之间的联系、EEMD-based RI和相移之间的心电图和英国石油公司被认为反映了不同的生理机制的相互作用在人类心血管系统。

根据结果,EEMD-based RI和相移与SAP心电图和BP之间显著相关。此外,这两个参数之间的关系也是很重要的原因。它贡献一个SAP之间的交互的证据,动脉硬化,系统性的心血管系统阻力。此外,本试验研究旨在提出这两个功能提出了分析技术基于EEMD但不是生理的研究结果。因此,为了做出贡献的理解底层机制人类心血管系统,进一步的研究应进行足够数量的动物实验在未来工作。此外,互信息分析提供了一个强大的工具来验证两个变量之间的依赖关系(22]。为了详细的连接,这些参数之间的依赖关系,应该考虑互信息准则,应用于未来的工作。

此外,引用和EEMD-based RI评价算法提供了一个有趣的现象期间动脉夹紧,如图8。RI喷发的价值增加动脉夹紧和即时的摔倒在第一个20秒在动脉夹紧。然后,国际扶轮再次出现,变得稳定。在动脉的时间放松,RI值的变化呈现更为顺畅模式比夹紧的时期。

此外,首先分解由EEMD集合体的EMD分解的混合信号和不同加白噪声。一个复杂的信号,其中包含许多固有模态函数,加上不同的添加白噪声产生的不同组合在EEMD货币基金。因此,原始信号的内在组成部分可能出现不同的订单不同的EMD分解,由于耦合添加了不同的声音。两个货币共享相同的频率时可以产生一种内在的组件分解成两个货币基金在EEMD均匀。在图2、货币基金6和7共享相同的频率对这个现象是一个很好的例子。这不是一个困难的问题需要处理。一个正交试验,连续两个货币有助于验证这一现象。这两个货币基金分享相同的频率可以合并在一起作为一个单一的国际货币基金组织(IMF)。

最后,引用国际扶轮分析算法是基于三角法分离反射和前进的基点。这种方法推导和验证在中央动脉但不股动脉。在这次调查,EEMD被认为执行内在组件分离的自适应算法。反射波和转发的英国石油公司BP视为两个内在组成部分轻微的相位延迟和波形的差异。EEMD工作分离这两个组件自适应BP的波形。称为算法被认为是作为一个标准的拐点确定没有验证BP信号来自股动脉。分析结果被称为算法被用来由EEMD-based方法与分析结果。在实际应用中,称为股BP算法基于三角法在分析应该验证。

确认

作者要感谢国家科学委员会(NSC)的台湾(批准号码NSC 99 - 2221 - e - 155 - 046 - my3)支持这项研究。本研究也支持的动态生物标志物与转化医学中心,台湾国立中央大学,这是由国家科学委员会(授予数量:100年NSC - 2911 - i - 008 - 001)。此外,这是支持的力科技在台湾研究所(格兰特数字:csist - 095 v101和csist - 095 v102)。

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