в Интернете 
Українська  English  Русский  

DOI:


Опись-ссылка ISSN 1812-7231 Klin.inform.telemed. Volume 14, Issue 15, 2019, Pages 00-00


Автор(ы) A. Martynenko1, G. Raimondi2, N. Budreiko1


Учреждение(я)

1V. N. Karazin Kharkiv National University, School of Medicine, Ukraine

2University of Roma "Sapienza", Italy


Название статьи Робастная формула энтропии для анализа вариабельности сердечного ритма


Аннотация (резюме)

Введение. Нелинейные методы анализа нашли широкое применение в технологии вариабельности сердечного ритма (ВСР) при наличии длинных записей ВСР. Использование одного из эффективных методов нелинейных анализа ВСР — энтропии для стандартных 5-мин. записей ВСР сдерживается неудовлетворительной точностью имеющихся методов в случае коротких записей (обычно, стандартная 5 мин. запись ВСР содержит 300–600 комплексов RR), а также сложностью и неоднозначностью выбора дополнительных параметров для известных методов вычисления энтропии ApEn, SampEn, MSE.

Цель работы. Построение робастной формулы вычисления энтропии (EnRE) с высокой точностью для ограниченного ряда RR-интервалов, наблюдаемых в стандартной 5-минутной записи HRV, т. е. с N≈300–600. А также демонстрация возможностей формулы EnRE на ряде статистических распределений и в диагностике сердечной недостаточности.

Материалы и методы. В статье была использована база данных MIT-BIH с продолжительными записями ВСР в случае нормального синусового ритма (NSR) и при сердечной недостаточности (CHF). Для анализа точности EnRE использовались известные статистические распределения (нормальное, равномерное, экспоненциальное, логнормальное, Парето) с их точными значениями энтропии.

Результаты. Была показана эффективность разработанной формулы EnRE для временного ряда ограниченной длины (N=300–600) на примере различных видов статистических распределений, симулирующих диапазоны ВСР человека, а также продемонстрирована высокая точность классификации случаев нормального синусового ритма и сердечной недостататочности для стандартных 5 мин. сегментов из базы данных MIT-BIH записей ВСР с использованием EnRE ии EnRE (sort).

Выводы. В статье предложена робастная формула вычисления энтропии (EnRE), которая позволяет для временного ряда ограниченной длины (N= 300–600) найти значение энтропии, отличающиеся от точного на 0,5–2,9%, что было продемонстрировано для различных случайных распределений. На стандартных 5 мин. сегментах из базы данных MIT-BIH записей ВСР было показано использование EnRE ии EnRE(sort) для классификации случаев нормального синусового ритма и сердечной недостататочности с показателями качества разделения на группы: Se = 0,76, Sp = 0,98, Acc = 0,90.


Ключевые слова вариабельность сердечного ритма, энтропия, сердечная недостаточность


Список литературы

1. 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. vol. 93, iss. 5, pp.1043–1065.

2. 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

3. Nayak S. K. at all. A Review on the Nonlinear Dynamical System Analysis of Electrocardiogram Signal. J. Healthc. Eng. 2018. Article ID 6920420, 19 p.
doi: 10.1155/2018/6920420

4. De Godoy M. F. Nonlinear Analysis of Heart Rate Variability: A Comprehensive Review. J.Cardiology and Therapy, 2016, vol. 3, no. 3, pp.528–533.

5. İşler Y., Kuntalp M. Combining classical HRV indices with wavelet entropy measures improves to performance in diagnosing congestive heart failure. Comput. Biol. Med., 2007. iss. 37, pp. 1502–1510.

6. Wood A. J., Cohn J. N. The management of chronic heart failure. N. Engl. J. Med. 1996, iss. 335, pp. 490–498.

7. Nolan J. at all. Prospective study of heart rate variability and mortality in chronic heart. Circulation 1998, vol. 98, pp. 1510–1516.

8. Rector T. S., Cohn J. N. Prognosis in congestive heart failure. Annu. Rev. Med. 1994, vol. 45, pp. 341–350.

9. Arbolishvili G. N. at all. Heart rate variability in chronic heart failure and its role in prognosis of the disease. Kardiologiia [Cardiology]. 2005, vol. 46, pp. 4–11.

10. Smilde T. D. J., van Veldhuisen, D. J. and van den Berg, M. P. Prognostic value of heart rate variability and ventricular arrhythmias during 13-year follow-up in patients with mild to moderate heart failure. Clin. Res. Cardiol. 2009, vol. 98, pp. 233–239.

11. Acharya U. R. at all. Application of empirical mode decomposition (EMD) for automated identification of congestive heart failure using heart rate signals. Neural Comput. Appl. 2016, pp. 1–22
doi: 10.1007/s00521-016-2612-1

12. Yu, S. N., Lee M. Y. Bispectral analysis and genetic algorithm for congestive heart failure recognition based on heart rate variability. Comput. Biol. Med. 2012, vol. 42, pp. 816–825.

13. Narin A., Isler Y., Ozer M. Investigating the performance improvement of hrv indices in chf using feature selection methods based on backward elimination and statistical significance. Comput. Biol. Med. 2013, vol. 45, pp. 72–79.

14. Jong T. L., Chang B., Kuo C. D. Optimal timing in screening patients with congestive heart failure and healthy subjects during circadian observation. Ann. Biomed. Eng. 2011, vol. 39, pp. 835–849.

15. Kumar M., Pachori R. B., Acharya U. R. Use of accumulated entropies for automated detection of congestive heart failure in flexible analytic wavelet transform framework based on short-term HRV signals. Entropy 2017, vol. 19, p. 92,
doi: 10.3390/e19030092

16. Pincus S. M. Approximate entropy as a measure of system complexity. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1991, vol. 88, pp. 2297–2301.

17. Richman J. S., Moorman, J. R. Physiological time-series analysis using approximate entropy and sample entropy. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2000, iss. 278, pp. H2039–H2049.

18. Humeau-Heurtier A. The multiscale entropy algorithm and its variants: A review. Entropy 2015, vol. 17, pp. 3110–3123.

19. Costa M., Goldberger A. L., Peng C. K. Multiscale entropy analysis of biological signals. Phys. Rev. E. 2005, vol. 71, Article ID 021906.

20. Costa M., Goldberger A.L., Peng C.K. Multiscale entropy analysis of complex physiologic time series. Phys. Rev. Lett. 2002, vol. 89, Article ID 068102.

21. Gao Z. K., Fang P. C., Ding M. S., Jin N. D. Multivariate weighted complex network analysis for characterizing nonlinear dynamic behavior in two-phase flow. Exp. Therm. Fluid Sci. 2015, vol. 60, pp. 157–164.

22. Labate D. at all. Entropic measures of EEG complexity in Alzheimer's disease through a multivariate multiscale approach. IEEE Sens. J. 2013, vol. 13, pp. 3284–3292.

23. Azami H., Escudero J. Refined composite multivariate generalized multiscale fuzzy entropy: A tool for complexity analysis of multichannel signals. Physica A. 2017, iss. 465, pp. 261–276.

24. Zhao L. N., Wei S. S., Tong H., Liu C. Y. Multivariable fuzzy measure entropy analysis for heart rate variability and heart sound amplitude variability. Entropy. 2016, vol. 18, p. 430.
doi: 10.3390/e18120430

25. Li, P. at all. Multiscale multivariate fuzzy entropy analysis. Acta Phys. Sin. 2013, vol. 62, 120512.

26. Ahmed M. U., Mandic D. P. Multivariate multiscale entropy analysis. IEEE Signal Proc. Lett. 2012, vol. 19, pp.91–94.

27. Chengyu L., Rui G. Multiscale Entropy Analysis of the Differential RR Interval Time Series Signal and Its Application in Detecting Congestive Heart Failure. Entropy. 2017, vol. 19, p. 251.
doi: 10.3390/e19060251

28. Goldberger A. L. at all. Physiobank, physiotoolkit, and physionet: Components of a new research resource for complex physio logic signals. Circulation. 2000, vol. 101, pp. 215–220.

29. Shannon C. E. "A Mathematical Theory of Communication". Bell System Technical Journal. 1948. vol. 27, no 3, pp. 379–423.
doi: 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x

30. Lazo A. and Rathie P. "On the entropy of continuous probability distributions". IEEE Transactions on Information Theory. 1978, vol. 24, no. 1.
doi: 10.1109/TIT.1978.1055832

31. Gini C. Variabilitа e mutabilitа. Reprinted in Pizetti, E., Salvemini, T., eds. Memorie di metodologica statistica. Rome, Libreria Eredi Virgilio Veschi. 1955. 156 p.

32. Sаnchez-Hechavarrнa M. E. and etc. Introduction of Application of Gini Coefficient to Heart Rate Variability Spectrum for Mental Stress Evaluation. Arq Bras Cardiol. 2019, [online]. ahead print, pp. 0–0.
doi: 10.5935/abc.20190185

33. Firebaugh G. Empirics of World Income Inequality. American Journal of Sociology. 1999, vol. 104, no. 6, pp. 1597–1630.
doi:10.1086/210218

34. Shorrocks A. F. The Class of Additively Decomposable Ine quality Measures. Econometrica. 1980, vol. 48, no. 3, pp. 613–625.
doi: 10.2307/1913126


Полнотекстовая версия http://kit-journal.com.ua/ru/viewer_ru.html?doc/2019_15/006.pdf