Незворотність і складність варіабельності серцевого ритму
Анотація
Вступ. Варіабельність серцевого ритму базується на вимірюванні (часу) інтервалів між R-піками (RR-інтервалів) електрокардіограми з поданням їх у вигляді ритмограми і подальшого аналізу різними математичними методами. Ефективність нелінійних методів аналізу ВСР і ЕКГ була показана численними дослідженнями. Необхідність застосування нелінійних методів аналізу динаміки системи обґрунтовується наявністю часової незворотності, як фундаментального властивості системи.
Мета. У статті запропоновано статистичний тест для оцінки ймовірності незворотності часового ряду і показана його ефективність при аналізі ВСР. Складність ВСР описана двома параметрами: ентропією EnRE [18] і кореляційної розмірністю D2 [19]. Безумовно, вибрані величини, - EnRE і D2 ніяк не можуть претендувати на повноту опису комплексності ВСР, однак виявити необхідну достатність такого підходу ми зможемо.
Матеріали та методи. Аналіз коротких записів ВСР (N = 500 RR) виконувався на підставі 24-годинних записів ВСР з бази даних MIT-BIH [15] для пацієнтів з нормальним синусовим ритмом (NSR), серцевою недостатністю (CHF) і фібриляції передсердь (AF) [16]. В роботі [17] нами була запропонована спеціальна модифікація класичного статистичного U-тесту Maнна-Вітней (MW) для порівняння часових рядів з однаковим числом елементів N – M-тест для часових рядів. У цій статті був запропонований новий статистичний -тест для оцінки ймовірності незворотності часового ряду.
Результати і висновки. Новий статистичний -тест для оцінки ймовірності незворотності часового ряду був розроблений і протестований на сукупності відомих прикладів оборотних і необоротних часових рядів. Для коротких записів ВСР, обраних з 24-годинних записів бази даних ВСР MIT-BIH для NSR, CHF і AF груп, був виконаний їх аналіз на незворотність (z-score) і показників комплексності ВСР: ентропії EnRE [18] і кореляційної розмірності D2 [19]. Було відзначено наступне:
- ВСР – це незворотний в часі нелінійний динамічний процес, за винятком епізодів фібриляції передсердь;
- проаналізовані нелінійні показники комплексності ВСР – ентропія EnRE і кореляційний розмірність D2 і було показано їх достовірну відміну для нормального синусового ритму від розглянутих патологічних станів;
в тривимірному фазовому просторі D2-z-EnRE були представлені розглянуті часові ряди і продемонстровано, що вони цілком сепарабельні. Таким чином, фазовий простір D2-z-EnRE є достатнім для дослідження нелінійних явищ ВСР в даному випадку.
Завантаження
Посилання
Task force of the European society of cardiology and the North American society of pacing and electrophysiology. Heart rate variability – standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use. Circulation. 1996;93(5):1043–1065.
Yabluchansky N, Martynenko A. Heart Rate Variability for clinical practice. 2010. Kharkiv, Univer. Press, 131 p. [in Russ.] depositary: http://dspace.univer.kharkov.ua/handle/ 123456789/1462
Nayak SK at all. A Review on the Nonlinear Dynamical System Analysis of Electrocardiogram Signal. J Healthc Eng. 2018:6920420. https://doi.org/10.1155/2018/6920420
De Godoy MF. Nonlinear Analysis of Heart Rate Variability: A Comprehensive Review. Journal of Cardiology and Therapy, 2016;3(3):528-533.
Braun C, Kowallik P, Freking A, Hadeler D, Kniffki K.-D. & Meesmann M. Demonstration of nonlinear components in heart rate variability of healthy persons. Am. J. Physiol. 1998;275:H1577–H1584.
Porta A, Guzzetti S, Montano N, Gnecchi-Ruscone T, Furlan R, Malliani A. Time Reversibility in Short-Term Heart Period Variability. Computers in Cardiology. 2006;33:77−80.
Porta A. at all. Assessment of cardiovascular regulation through irreversibility analysis of heart period variability: a 24 hours Holter study in healthy and chronic heart failure populations. Phil. Trans. R. Soc. A. 2009;367:1359–1375. https://doi.org/10.1098/rsta.2008.0265
Anne Humeau-Heurtier, Guillaume Mahé, François Chapeau-Blondeau, David Rousseau, Pierre Abraham (2012). Study of time reversibility/irreversibility of cardiovascular data: theoretical results and application to laser Doppler flowmetry and heart rate variability signals. Phys Med Biol. 2012;Jul7;57(13):4335-51. https://doi.org/10.1088/0031-9155/57/13/4335
WenpoYao, WenliYao, JunWang. Equal heartbeat intervals and their effects on the nonlinearity of permutation-based time irreversibility in heart rate. Physics Letters A. 2019;383(15):1764-1771.
Madalena Costa, Ary L. Goldberger, C.-K. Peng. Broken. Asymmetry of the Human Heartbeat: Loss of Time Irreversibility in Aging and Disease. Phys. Rev. Lett. 1995;95:198102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.198102
Lucas Lacasa, Angel Nunez, Edgar Rold´an, Juan M.R. Parrondo, Bartolo Luque. Time series irreversibility: a visibility graph approach. Physics of Condensed Matter. 2012: 14. https://doi.org/10.1140/epjb/e2012-20809-8
Mart´ınez JH, Herrera-Diestra JL and Chavez M. Detection of time reversibility in time series by ordinal patterns analysis. Chaos. 2018;28:123111. https://doi.org/10.1063/1.5055855
Weiss G. Time-reversibility of linear stochastic processes. J. Appl. Prob. 1975;12:831–836.
Goldberger AL. at all. Physiobank, physiotoolkit, and physionet: Components of a new research resource for complex physiologic signals. Circulation. 2000;101:215–220.
Moody GB, Mark RG. A new method for detecting atrial fibrillation using R-R intervals. Computers in Cardiology. 1983;10:227-230.
Martynenko A, Raimondi G, Sotnikova-Meleshkina Zh, Danylenko H, Budreiko N. Statistical Analysis of Medical Time Sseries. Journal of V. N. Karazin` KhNU Series «Medicine». 2020; 40: 5–12. https://doi.org/10.26565/2313-6693-2020-40-01
Martynenko A. Robust correlation dimension estimator for heart rate variability. Klin.inform.telemed. 2020;15(16):62-69.
Martynenko A, Raimondi G, Budreiko N. Robust entropy estimator for heart rate variability. Klin.inform.telemed. 2019;14(15): 67-73. https://doi.org/ 10.31071/kit2019.15.06
Teresa Henriques, Maria Ribeiro, Andreia Teixeira, Luísa Castro, Luís Antunes and Cristina Costa-Santos. Nonlinear Methods Most Applied to Heart-Rate Time Series. A Review. Entropy. 2020;22:309. https://doi.org/10.3390/e22030309
Fredric Shaffer, Rollin McCraty, Christopher L. Zerr. A healthy heart is not a metronome: An integrative review of the heart’s anatomy and heart rate variability. Frontiers in Psychology. 2014;5(1040):1-19. https://doi.org/10.3389/fpsyg.2014.01040
Francesco Sessa, Valenzano Anna, Giovanni Messina, Giuseppe Cibelli, Vincenzo Monda, Gabriella Marsala, Maria Ruberto, Antonio Biondi, Orazio Cascio, Giuseppe Bertozzi, Daniela Pisanelli, Francesca Maglietta, Antonietta Messina, Maria P. Mollica and Monica Salerno. Heart rate variability as predictive factor for sudden cardiac death. Aging (Albany NY). 2018;Feb,10(2):166–177. https://doi.org/10.18632/aging.101386
Вісник Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна, серія Медицина має такі умови авторського права:
1. Автори зберігають авторські права та надають журналу право на першу публікацію разом із роботою, яка одночасно ліцензується згідно з ліцензією Creative Commons Attribution License, яка дозволяє іншим ділитися роботою з визнанням авторства роботи та першої публікації в цьому журналі.
2. Автори можуть укладати окремі додаткові договірні угоди щодо неексклюзивного розповсюдження опублікованої журналом версії роботи з підтвердженням її початкової публікації в цьому журналі.
3. Авторам дозволяється та заохочується публікувати свої роботи в Інтернеті до та під час процесу подання, оскільки це може призвести до продуктивного обміну, а також до раннього та більшого цитування опублікованої роботи.
