文摘
便携式24小时食管pH检测被认为是黄金标准诊断胃食管反流病(GERD),在临床应用中,静态参数被广泛使用,例如DeMeester得分。然而,这些静态变量的缺点是相对较高的假阴性率,记录所需时间长。他们可能会被错误地贴上nonrefluxers和没有适当的治疗。因此,有必要寻求更准确和客观的参数检测和量化盖德。本文首先描述了一种新的努力,研究pH值24小时记录的动态特性的可行性。小波能量、信息熵和小波熵估计的三组(轻度到中度严重,正常)。结果表明,小波能量和熵的生理意义的因为他们有区别的不同程度的GERD患者。——聚类算法来获得新参数的敏感性和特异性。很明显,信息熵灵敏度最高的87.3%和小波能量最高的特异性为97.1%。这将允许一个更准确的定义的最好指标检测和量化GERD以及提供另一种洞察GERD的早期诊断。
1。介绍
胃食管反流病(GERD) (1)是一个非常普遍但复杂的疾病特点是反复回流与胸痛症状显著相关,吞咽困难,消化不良,和球的感觉,导致生活质量受损,与高疾病负担(2]。GERD可能增加患双相情感障碍的风险,睡眠问题,等等3,4]。据报道,-15%的人有7%胃灼热和返流的典型反流症状在西方国家,有2.5%到7.1%在亚洲大部分以人群为基础的研究(5),特别是在北京和上海,约5.77%中国(6]。此外,reflux-induced食道癌的发病率增加了8倍以上在过去三十年7]。因此,研究GERD逐渐在过去的十年里引起了相当大的关注。
目前临床诊断方法包括24小时食管pH监测、胃食管返流显像,和食管内镜食管压力测试过程中,测试。其中,24小时食管pH监测是目前最可靠的方法检测和量化的GERD相对较高的敏感性和特异性,甚至被认为是GERD诊断的金标准(8- - - - - -11]。这个测试让胃食管返流程度的一个量化near-physiological设置通过测量频率和持续时间的酸接触食管粘膜和所需的时间清除食管酸反流事件。走动的pH值24小时监视可以提供非常重要的信息是否存在病理回流,在最后的诊断中起着决定性的作用。另外,门诊监控提供了更多的生理条件,降低成本,和简单的程序与住院病人的监测。
许多研究已经证实的有效性在区分GERD患者和正常人食管pH值,但大多数集中在静态参数,如DeMeester分数和百分比总监控时间的pH值低于4。最初的评分系统由约翰逊和DeMeester [12]检查了六个变量(回流发作,发作时间超过5分钟,最长回流时间、总比例的监测时间与pH值低于4的时间百分比和pH值低于4的一个直立的位置和仰卧位,resp)和一个名为DeMeester总分得分计算公式依赖每个这六个变量从正常的偏差值。Jamieson et al。13]表明,DeMeester得分和总时间的百分比pH < 4的测试提供了最有效的解释。罗宾逊et al。1)强调时间和pH值的百分比低于4是最有用的结果测量在不同的生理病理食管反流,与一些文献[13,14),但其他变量随食管酸暴露的时间不太可再生的和歧视性的能力较低。
然而,所有这些提到的变量的缺点相对较高的假阴性率,包括与pH值的时间百分比< 4和DeMeester得分,这更多的是一种问题nonerosive GERD患者(15]。因此,他们不可能错误地贴上nonrefluxers和适当的治疗。症状指数(SI)是另一个参数用来评估协会与胃酸反流症状。如果被定义为reflux-related症状发作的数量除以总数量的回流,表示为一个百分比。然而,如果不是对一个独立验证标准的诊断准确性等症状反应antireflux疗法(16]。尽管如此,24小时食管pH监测是GERD广泛用于检测和量化,但上述问题提出问题,最优参数用于定义和量化GERD pH值24小时监控。事实上,人类的身体是一个动态的系统,内部环境的动态特性可能意味着重要的生理意义。在过去的几十年里,静态参数已经深入研究了pH值24小时监控,但很少关注动态特性可能产生测量最准确的解释。
在本文中,我们描述了一种新的努力,pH值的动态特性的可行性调查记录了小波变换和熵理论。小波能量、信息熵和小波熵估计三groups-severe,轻度到中度,正常的探索最优动态参数检测和量化盖德。这将允许一个更准确的定义的最好指标检测GERD以及试图发现生理规律。这可以提供一个替代洞察GERD的早期诊断。
2。材料和方法
2.1。参与者和测试
从2009年到2010年,90个连续的患者我们评估(50 40岁男性和女性)疑似GERD初次推荐天津南开医院,22岁到83岁(平均年龄53)。这些病人抱怨胃灼热和返流主要是诊断出患有GERD,包括门诊病人和住院病人。没有硬皮病、食管失弛缓性或糖尿病胃肠手术,选择患者不能服用胃蠕动兴奋剂或acid-inhibitory药物至少48小时前研究。这项研究是天津大学的伦理委员会批准。所有受试者签署知情同意。
动态执行24小时食管pH监测与底放置导管远端食管粘膜。缓冲溶液的pH值是用来校准pH传感器的食管酸监控。通过鼻子和导管插入式电极定位5厘米以上manometrically定义的上限下食管括约肌(LES) [16]。pH电极放置后,人送回家并鼓励执行正常的日常活动。他们被要求写日记在接下来的24小时,这表明饭菜的时候,当他们认为仰卧位,准备睡觉,早晨起来时,症状发生时;同时,主题避免食用任何pH < 4为了确保标准化的测试。一个同意书被每个主题在任何过程完成。
此外,便携式数字数据记录器记录的数据24小时采样率的1/360 Hz病人回廊时,计算并分析了DeMeester分数使用标准软件程序。一位经验丰富的专家评估胃酸倒流的程度根据DeMeester分数和主题的症状。得分超过14.72被认为是异常的胃酸倒流,得分14.72和100年之间被认为是轻度到中度GERD,和一个分数大于100被认为是严重的胃食管反流病。
2.2。数据处理
2.2.1。DeMeester得分
DeMeester和琼森决定病人的分数基于以下六个变量:回流发作,发作时间超过5分钟,最大回流时间,总时间的百分比与pH值低于4总监控、pH值和时间的百分比低于4的一个直立的位置和仰卧位,分别。得分的每个六个变量的简化公式如下:
发现价值,是平均值,是每个变量的标准偏差。这个公式重24小时记录的每个组件根据测量的可靠性和可靠性。获得的总分可以通过添加六的成绩计算为每个组件,叫做DeMeester分数(17),大于14.72被认为是异常,-50 - 14.72被认为是温和的GERD, 51 - 100被认为是温和的GERD,大于100被认为是严重的胃食管反流病。
2.2.2。小波变换
小波可以字面上定义为“小”波持续时间有限和0平均值。它们是数学函数能够本地化一个函数或一组数据在时域和频域。信号处理的小波变换是一种有效的工具由于其诱人的属性,如时间和频率定位和多重速率的过滤。利用这些属性,可以从输入信号中提取所需的功能特点是某些局部属性在时间和空间18]。
一个小波的家庭是初等函数的集合产生的膨胀和翻译的一个独特的容许母亲小波 :
然后,一个信号的小波变换是
在这个工作中,高斯小波 被雇佣为母小波。
2.2.3。小波能量
自家庭是一组标准正交基(),能量的概念是与通常的概念来源于傅里叶理论。然后,给出了小波系数()= ,和一个信号的能量在每个规模, ,将
在每个采样时间的能量将
因此,可以获得的总能量
为th,小波能量比率被认为是一个规范化的价值:
小波能量比向量表示在一定的时间范围内能量分布,提供一个合适的工具来检测和描述信号在时频域的奇异特性19]。很明显, 。
2.2.4。信息熵
熵不仅可以被作为测量的不确定性,也一定程度的信息。事实上,我们得到的信息量当我们看到一个实验的结果(取决于机会)可以采取数值相等数量的不确定性有关实验的结果之前携带出来。香农熵,也称为信息熵,给出了一个有用的标准分析和比较一个概率分布。它提供了一个衡量信息的分布。它是根据下面的算法来计算: 在哪里扩展了对所有观测数据时间序列和振幅值的概率是振幅值发生在时间序列的数据。因此,数据点的数量的比例与振幅值数据点的总数的数据时间序列(20.]。
2.2.5。小波熵
根据香农熵理论和小波能量比上面定义,小波熵的定义是
在某种程度上,小波熵可以表示有序或无序的程度与多频信号响应有关,所以它可以提供有用的信息关于潜在的动力过程与测量信号(19]。对于一般的信号,一个更高的小波熵表明被测信号的小波能量在频域分布更均匀,反之亦然。
2.2.6款。聚类则
聚类是一种无监督学习方法和数据分析的常用技术,和则是一个著名的聚类算法的简单性和容易实现(21]。——聚类算法(22,23)旨在分区一个给定的数据集不相交的子集(集群),这样的对象在同一集群尽可能相似的和尽可能不同的在不同的集群。给定一组的数据点在现实维空间和一个整数k,第一步是确定一组k点 ,叫中心,以最小化均方距离每个数据点最近的中心,在欧几里得距离通常被认为是确定数据点之间的距离和重心。然后需要重新计算新的质心的新的点可能导致集群重心的变化。的重心可能会改变他们的立场以循序渐进的方式,直到重心不要移动了。
3所示。结果与结论
3.1。波模式
图1正常pH值显示波形的信号从一个典型的主题(上)和一个病人病理回流(底部)/总24小时监控。可以观察到正常个体保持食管pH值高于4在整个监测期,而对于病人,pH < 4是一个主导的趋势显然是重要的波动,但应该注意的是,不是所有的病人都有典型的模式。表1显示了上述静态参数的敏感性。可以看到,DeMeester分数和总比例的监测时间与pH值低于4得到更高的灵敏度在这些参数中,分别为83.6%和85.5%。
(一)
(b)
3.2。动态特性分析
90例中,有35个正常的,43轻度到中度GERD患者和12严重GERD患者。为了检测pH值信号的频率成分,然后识别异常,信号的频谱分析是使用小波变换在时频域中执行。图2显示的平均值为每一组小波能量在时频域。显然,能量主要集中在低频范围,而这是均匀分布在时域对正常组和病人,说明图中明显。此外,它可以观察到小波能量显著低于正常组患者组( )。此外,小波能量在时域和频域测量,分别呈现在图3。显然,严重的集团最高能量,而正常有最低的两个领域。从上面,我们可以确定,pH值信号的能量增加相应GERD的恶化。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
90人的信息熵和小波熵计算。图4显示的值分布在三组的信息熵entropy-wavelet飞机可以很容易地分离。至于信息熵,严重组最高熵而正常组最低,说明pH值信号的GERD患者比正常人更不规则,特别是严重的集团,其pH值信号波动巨大,因此他们有最高的信息熵。然而,小波熵是最高的正常组和轻度到中度组最低,代表的pH值记录在频域的能量分布相对均匀的正常人,而相应的分布与GERD有关。此外,目前的结果证明小波能量和熵的生理意义,因为他们分化正常的主题从不同程度的GERD患者。一个independent-samples遵循正态分布测试,以及执行。每两组之间显著统计学差异被发现(< 0.05)列在表格2。
3.3。的性能特点
定量评估这些动态特性识别GERD的性能,聚类算法则是用来获得敏感性,特异性,和假阴性率的特性,表所示3。很明显,信息熵是最高的灵敏度为87.3%,小波能量最高的97.1%,特异性和信息熵最低假阴性率为12.7%。小波熵的表现最糟糕,敏感性和特异性最低,分别为58.2%和80.0%。相比DeMeester分数中灵敏度最高的静态参数,信息熵有较高敏感性。应该注意的是,结合三个新参数可以提高特异性,但这种组合有相同的灵敏度信息熵。
这些新特性和DeMeester分数之间的相关系数计算,0.86% ( ),0.841 ( ),−0.413% ( ),分别为小波能量熵和小波熵的信息。之间存在着正相关,DeMeester分数和小波能量和信息熵的特性和DeMeester分数和小波熵之间的负相关。因此,它可以提到小波能量和信息熵高性能识别GERD并可用于临床和研究领域。
4所示。讨论
病理胃食管反流是一种常见的障碍和成功治疗的关键是一个可靠的诊断。长期pH监测已被证明是最精确的测试胃食管返流疾病(8- - - - - -11)和动态系统已被证明是安全可靠的据几位作者使用不同的技术(24- - - - - -26]。
24小时食管pH监测的敏感报道文献中从79%到96%的差异很大8,27- - - - - -29日),这可能与日常活动和饮食限制。几项研究指出高失败率的测试来检测异常酸暴露患者使用内窥镜记录腐蚀性食管炎,建议敏感性低于之前报道(65%)(30.,31日]。这个假阴性率高是nonerosive GERD患者更多的问题。他们可能会被错误地贴上nonrefluxers和没有适当的治疗。因此,有必要寻求更准确和客观的参数检测和量化盖德。
在这项工作中,我们应用动态特性研究GERD第一次,包括小波能量、信息熵和小波熵。新信息被访问的传统分析方法不同于静态参数。此外,这项工作评价的敏感性和特异性获得早期GERD诊断特征。可接受的结果得到了小波能量和信息熵,83.6%和87.3%,敏感性和特异性为97.1%和94.3%,分别。与DeMeester分数相比,信息熵有相对更高的灵敏度;此外,它不需要写日记的疑似GERD患者未来24小时显示餐的时候,当他们认为仰卧位,准备睡觉,早晨起来时,症状发生时,等等。
不过,24小时食管pH监测,尽管遭受一些参数如假阴性率相对较高,是目前最常用的方法监控胃食管返流在许多世界各地的实验室和医院。这些动态特性的使用在我们的研究提供了另一种洞察GERD的早期诊断。进一步的研究将开发24小时pH监测、评估的重要意义的医疗和手术治疗。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究得到了国家自然科学基金(91520205和91520205号)和天津关键技术研发项目(没有。15 zczdsy00930)。