DOI:

Опис-посилання

ISSN 1812-7231 Klin.inform.telemed. Volume 6, Issue 7, 2010, Pages 6-12

Автор(и)

О. Ю. Майоров^{1, 2, 3}, В. Н. Фенченко^{1, 2, 4}

Установа(ви)

¹Харківська медична академія післядипломної освіти МОЗ України, Харків

²Інстітут Медичної інформатики і Телемедицини, Харків, Україна

³Інстітут охорони здоров'я дітей і підлітків АМН України, Харків

⁴Фізико-технічний інститут низьких температур НАН України ім. Б. І. Вєркна, Харків

Назва статті

Застосування локального індексу фрактальності для аналізу коротких рядів R-R інтервалів при дослідженні варіабельності серцевого рітму

Анотація (резюме)

Запропонований новий підхід до аналізу варіабельності серцевого ритму з позицій нелінійної динаміки на основі обчислення локального індексу фрактальності, який може бути обчислений по відносно короткому ряду R-R інтервалів. Це дає перспективний інструмент для дослідження варіабельності серцевого ритму методами нелінійного аналізу.

Локальний індекс фрактальності може бути використаний для виявлення моментів якісної зміни характеру функціонування системи регулювання ритму, пов'язаного з перерозподілом ролей β-симпатічеського контролю і парасимпатичного управління.

Ключові слова

ЕКГ, варіабельность сердцевого ритму, нелінійний аналіз, локальний індекс фрактальності

Список літератури

1. Р. М. Баевский, Г. Г. Иванов, Л. В. Чирейкин, А. П. Гаврилушкин с соавт. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем. Метод. рекомендации. Вестник аритмологии. 2001. № 24, с. 1–23.

2. Malik M., Bigger J. T., Camm A. J., Kleiger R. E. and oth. Guidelines for Heart Rate Variability: Standards of Measurement, Physiological Interpretation, and Clinical Use. Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology. European Heart Journal. 1996. V. 17. no. 3. p. 354–381.

3. Баевский Р. М., Кириллов О. И., Клецкин С. З. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе. М. Наука. 1984. 220 с.

4. Skinner J. E. Psychosocial stress and sudden cardiac death: brain mechanisms. In: Beamish R. E., P. K. Singal, N. S. Dhalla (Eds.) Stress and Heart Disease. Boston: Martinus Nijhoff Publishing. 1985. p. 44–59.

5. Майоров О. Ю., Факторная модель ЭКГ показателей сердечной деятельности в условиях экспериментального эмоционального стресса: влияние "раннего опыта" на характер стрессорных повреждений миокарда. Матер. VI Всесоюзной конф. по физиол. вегетативной нервной системы. Ереван, из-во АН Арм. ССР. 1986. c. 102–104.

6. Майоров О. Ю. Нейродинамическая структура системных механизмов устойчивости к эмоциональному стрессу. Диссерт. доктора мед. наук. Москва, 1988. 486 c.

7. Майоров О. Ю. Некоторые методические и методологические подходы к математическому анализу сердечного ритма в условиях эмоционально-напряженной деятельности и эмоционального стресса. Матер. Пленума пробл. комиссии АМН СССР "Механизмы системной организации физиол. функций". Курск. 1990. c. 81–88.

8. Mayorov O. Yu., Sul i ma T. N., Glukhov A. B., Romanchenko Yu. N. Factor infrastructure of visceral and behavioral components of resistance to emotional stress. Third IBRO World Congress of Neuroscience. Montreal. 1991. p. 212.

9. Майоров О. Ю., Дмитриев С. Г. Применение кардиоинтервалометрии для оценки состояния аппарата регуляции кровообращения и степени напряжения регуляторных систем у здоровых подростков и с ПАГ. Метод. Рекомендации. Харьков. 1993. 15 c.

10. Laude D., Girard A., Consoli S., Mounier-Vehier C., Elghozi J. L. Anger expression and cardiovascular reactivity to mental stress: a spectral analysis approach. Clin. Exp. Hypertens. 1997. V. 19. no. 5–6. p. 901–911.

11. Mayorov O. Yu., Baevsky R. M. Application of space technologies for valuation of a stress level. In Series: Studies in Health Technology and Informatics. IOS Press. 1999. V.68. p. 352–356.

12. Delaney J. P., Brodie D. A. Effects of short-term psychological stress on the time and frequency domains of heart-rate variability. Percept. Mot. Skills., 2000, V. 91, no. 2. p. 515–524.

13. Hughes J. W., Stoney C. M. Depressed mood is related to high-frequency heart rate variability during stressors. Psychosom. Med. 2000. V. 62, no. 6. p. 796–803.

14. Houtveen J. H., Rietveld S., de Geus E. J. Contribution of tonic vagal modulation of heart rate, central respiratory drive, respiratory depth, and respiratory frequency to respiratory sinus arrhythmia during mental stress and physical exercise. Psychophysiology. 2002. V. 39. no. 4. p. 427–436.

15. Papousek I., Schulter G., Premsberger E. Dissociated autonomic regulation during stress and physical complaints. J. Psychosom. Res. 2002. V. 52. no. 4. p. 257–266.

16. Hall M., Vasko R., Buysse D., Ombao H. et al. Acute stress affects heart rate variability during sleep. Psychosom. Med. 2004. V. 66. no. 1. p. 56–62.

17. Hjortskov N., Rissen D., Blangsted A. K., Fallentin N. et al. The effect of mental stress on heart rate variability and blood pressure during computer work. Eur. J. Appl. Physiol. 2004. V. 92. no. 1–2. p. 84–89.

18. Kang M. G., Koh S. B., Cha B. S., Park J. K. et al. Association between job stress on heart rate variability and metabolic syndrome in shipyard male workers. Yonsei. Med. J. 2004. V. 45. no. 5. p. 838–834.

19. Wilhelm F. H., Grossman P., Roth W. T. Assessment of heart rate variability during alterations in stress: complex demodulation vs. spectral analysis. Biomed. Sci. Instrum. 2005. no. 41. p. 346–351.

20. Майоров О. Ю., Вязовская О. В. Оценка напряжения систем регуляции работы сердца в условиях модделирования эмоционального стресса у крыс. Ж. Експерим. і клін. медицина. №1. 2007. c. 53–58.

21. Майоров О. Ю., Вязовская О. В. Оценка вариабельности ритма сердца крыс в условиях острого и хронического иммобилизационного стресса. В сб. "Инновац. направления в физиол. двигательной системы и мышечной деятельности". Москва. 2007. c. 37–39.

22. Vuksanović V., Gal V. Heart rate variability in mental stress aloud. Med. Eng. Phys. 2007. V. 29. no. 3. p. 344–349.

23. Aubert A. E., Verheyden B., Ydewalle C., Beckers F. and Van den Bergh O. Effects of mental stress on autonomic cardiac modulation during weightlessness. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2010. V.298. p. H202–H209.

24. Nickel P., Nachreiner F. Sensitivity and diagnosticity of the 0.1-Hz component of heart rate variability as an indicator of mental workload. Hum. Factors. 2003. V. 45. no. 4. p. 575–590.

25. Баевский Р. М., Берсенева А. П. Оценка адаптационных возможностей организма и риск развития заболеваний. М., Медицина. 1997. 265 c.

26. Riganello F., Candelieri A., Quintieri M., Conforti D., Dolce G. Heart rate variability: An index of brain processing in vegetative state? An artificial intelligence, data mining study. Clin. Neurophysiol. 2010. V. 121, Iss. 12. p. 2024–2034.

27. Баевский Р. М. Прогнозирование состояний на грани нормы и патологии. М., Медицина. 1979. 205 с.

28. Нидеккер И. Г. Выявление скрытых периодичностей методом спектрального анализа. Дисс. канд. физ-мат. наук. М. ВЦ АН СССР. 1968. 131 с.

29. Sayers B. McA. Analysis of Heart Rate Variability. Ergonomics, 1973. V.16. No1. p.17–32.

30. Stinton P., Tinker J., Vickery J. C., Vahl S. P. The scattergram. A new method for continuous electrocardiographic monitoring. Cardiovasc. Res. 1972. vol. 6. no. 5. p. 598–604.

31. Майоров О. Ю., Модификация некоторых математико-статистических показателей сердечного ритма для компъютерной обработки ЭКГ при исследовании регуляторных систем. Матер. Всесоюзного симпоз. "Проблемы и методы исследования в возрастной физиологии". Баку. 1987. c. 59–60.

32. Yamamoto Y., Hughson R. L. Coarsegraining spectral analysis: new method for studying heart rate variability. J. Appl. Physiol. 1991. V. 71. no. 3. p. 1143–1150.

33. Akselrod S. Components of heart rate variability: basic studies. In: M. Malik, A. J. Camm (Eds.) Heart Rate Variability. Armonk, NY Futura, 1995. p. 147–163.

34. Майоров О. Ю., Многомерный подход к оценке паттерна математико-статистических показателей вариабельности сердечного ритма. Междунар. Симпоз. "Компьютерная электрокардиография на повороте столетия", Москва. 1999. c. 5.

35. Goldberger J. J. Sympathovagal balance: how should we measure it? Am. J. Physiol. 1999. V. 276. no. 4 (Pt 2). p. H1273–1280.

36. Хаютин В. М., Лукошкова Е. В. Спектральный анализ колебаний частоты сердцебиений: физиологические основы и осложняющие его явления. Российский физиол. журн. им. И. М. Сеченова. 1999. Т. 85. № 7. с. 893–909.

37. Федоров В. Ф., Смирнов А. В. О некоторых неиспользованных возможностях статистических методов в кардиологии. Клинические и физиологические аспекты ортостатических расстройств. М., 2000. с.138–148.

38. Houtveen J. H., Molenaar P. C. Comparison between the Fourier and Wavelet methods of spectral analysis applied to stationary and nonstationary heart period data. Psychophysiology. 2001. V. 38. no. 5. p. 729–735.

39. Баевский Р. М. Анализ вариабельности сердечного ритма: история и философия, теория и практика. Клин. информ. и телемед. 2004. Т. 1. № 1. с. 54–64.

40. Allen J. J., Chambers A. S., Towers D. N. The many metrics of cardiac chronotropy: A pragmatic primer and a brief comparison of metrics. Biol. Psychol. 2007. V. 74. no. 2. p. 243–262.

41. Mayer-Kress G., Yates F. E., Benton L., Keidel M. et al. Dimensional analysis of nonlinear oscillations in brain, heart and muscle. Math. Biosci. 1988, no. 90, p. 155–182.

42. Denton T. A., Diamond G. A., Helfant R. H., Khan S. et al. Fascinating rhythm: a primer on chaos theory and its application to cardiology. Am. Heart J. 1990. V. 120. no. 6 (Pt 1). p. 1419–1440.

43. Goldberger A. L. Is the normal heartbeat chaotic or homeostatic? News Physiol. Sci. 1991. no. 6. p. 87–91.

44. Osaka M., Saitoh H., Atarashi H., Hayakawa H. Correlation dimension of heart rate variability: a new index of human autonomic function. Front. Med. Biol. Eng. 1993. V. 5. no. 4. p. 289–300.

45. Yeragani V. K., Srinivasan K., Vempati S., Pohl R., Balon R. Fractal dimension of heart rate time series: an effective measure of autonomic function. J. Appl. Physiol. 1993. V. 75. no. 6. p. 2429–2438.

46. Yamamoto Y., Hughson R. L. On the fractal nature of heart rate variability in humans: effects of data length and beta-adrenergic blockade. Am. J. Physiol. 1994. V. 266, no. 1 (Pt 2). p. R40–49.

47. Kamen P. W., Tonkin A. M. Application of the Poincarй plot to heart rate variability: a new measure of functional status in heart failure. Aust. N. Z. J. Med. 1995. V. 25. no. 1. p. 18–26.

48. Kurths J., Voss A., Saparin P., Witt A., Kleiner H. J., Wessel N. Quantitative analysis of heart rate variability. Chaos. 1995. V. 5. no. 1. p. 88–94.

49. Schmidt G., Monfill G. E. Nonlinear methods for heart rate variability assessment. In: Malik M., Camm A. J. (Eds.) Heart rate variability. Armonk, Futura. 1995. p. 87–98.

50. Sugihara G., Allan W., Sobel D., Allan K. D. Nonlinear control of heart rate variability in human infants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996. V. 93. no. 6. p. 2608–2613.

51. Zwiener U., Hoyer D., Luthke B., Schmidt K., Bauer R. Relations between parameters of spectral power densities and deterministic chaos of heart-rate variability. J. Auton. Nerv. Syst. 1996. V. 57. no. 3. p. 132–135.

52. Braun C., Kowallik P., Freking A., Hadeler D. et al. Demonstration of nonlinear components in heart rate variability of healthy persons. Am. J. Physiol. 1998. V. 275. no. 5 (Pt 2). p. H1577–1584.

53. Cugini P., Curione M., Cammarota C., Bernardini F. et al. Evidence that the information entropy estimating the nonlinear variability of human sinusal R-R intervals shows a circadian rhythm. J. Clin. Basic Cardiol. 1999. V. 2. no. 2. p. 275–278.

54. Pikkujamsa S. M., Makikallio T. H., Sourander L. B., Goldberger A. L. et al. Cardiac interbeat interval dynamics from childhood to senescence: comparison of conventional and new measures based on fractals and chaos theory. Circulation. 1999. V. 100. no. 4. p. 393–399.

55. Van Leeuwen P., Bettermann H. The status of nonlinear dynamics in the analysis of heart rate variability. Herzschr Elektrophys. 2000. no. 11. p. 127–130.

56. Флейшман А. Н. Медленные колебания кардиоритма и феномены нелинейной динамики: классификация фазовых портретов, показателей энергетики, спектрального и детрентного анализа. Матер. 3-го Всерос. Симп. "Теоретические и прикладные аспекты нелинейной динамики, хаоса и фракталов в физиологии и медицине". Новокузнецк. 2001. с. 49–61.

57. Rao R. K. A., Yeragani V. K. Decreased chaos and increased nonlinearity of heart rate time series in patients with panic disorder. Auton. Neurosc. Basic and Clin. 2001. V. 88. no. 1–2 p. 99–108.

58. Brenna n M., Pala n i swa m i M., Kamen P. Poincarй plot interpretation using a physiological model of HRV based on a network of oscillators. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2002. V. 283. no. 5. p. H1873–1886.

59. Машин В. А. Связь тангенса угла наклона линии регрессии графа сердечного ритма с периодической и нелинейной динамикой ритма сердца на коротких стационарных отрезках. Биофизика. 2006. Т. 51. № 3. с. 534–538.

60. Майоров О. Ю., Фенченко В. Н. Глобальная реконструкция динамической системы вариабельности сердечного ритма. Международный симпозиум по вариабельности сердечного ритма. Ижевск. 2008. c. 35.

61. Майоров О. Ю., Фенченко В. Н. Повышение надежности исследований биоэлектрической активности (ЭЭГ, ЭКГ и вариабельности сердечного ритма) методами нелинейного анализа. Клин. информ. и Телемед. 2009. T.5. Вып.6. c.10–17.

62. Aubert A. E., Verheyden B., Beckers F., Tack J., Vandenberghe J. Cardiac Autonomic Regulation under Hypnosis Assesse by Heart Rate Variability: Spectral Analysis and Fractal Complexity. Neuropsychobiology. 2009. V.60. p.104–112.

63. Goldberger A. L., Rigney D. R. Sudden death is not chaos. In: S. Krasner (ed.) The Ubiquity of Chaos. American Assoc. for the Advance of Science, Washington. D.C. 1990. p. 23–34.

64. Poon C. S., Merrill C. K. Decrease of cardiac chaos in congestive heart failure. Nature. 1997. V. 389. no. 6650. p. 492–495.

65. Hausdorff F. Dimesion und Ausseres Mass. Matematishe Annalen, 1919. № 79. p. 157–179.

66. Grassberger P., Procaccia I. Characterization of Strange Attractors. Phys. Rev. Lett. 1983. V.50. p. 346–349.

67. Bassingthwaihgte J. B., Raymond G. M. Evaluation of the dispersional analysis methods for fractal time series. Ann. Biomrd. Eng. 1995. V.23. no. 4. p. 491–505.

68. Feder J. Fractals. Plenum Press. New York. 1988.

69. Dubovikov M. M, Starchenko N. S., Dubovikov M. S. Dimension of the minimal cover and fractal analysis of time series. Physica A. 2004. V. 339. p. 591–608.

70. Старченко Н. В. Локальный анализ хаотических временных рядов с помощью индекса фрактальности. Автореф. дисс. канд. физ.-мат. наук. Москва. 2005.

71. Dubovikov M. M., Starchenko N. S. Variation index and its applications to analysis of fractal structures. Sci. Almanac Gordon. 2003. № 1. p. 1–30.

72. Dacorogna M. M., R. Gencay, U. A. MGuller, R. B. Olsen, O. V. Pictet. An Introduction to High-Frequency Finance. San Diego. Academic Press. 2001.

73. Peters E. E. Fractal Market Analysis. Applying Chaos Theory to Investment and Economics. New York. Wiley. 1994.

74. Yulmetyev R., F. Gafarov, P. Hanggi, R. Nigmatullin and S. Kayumov. Possibility between earthquake and explosion seismogram differentiation by discrete stochastic non-Markov processes and local Hurst exponent analysis. Phys. Rev. E64. 2001. 066132 р.1–13.

75. DeBoer R. W., Karemaker J. M., Strakee J. Hemodynamic fluctuations and baroreflex sensitivity in humans. A beat-to-beat model. Amer. J. Physiol. 1987. Iss. 253. p. h680–689.

76. Гринченко В. Т., А. Г. Рудницкий. Модель взаимодействия сердечно-сосудистой и респираторной систем. Акустичний вісник. 2006. т. 9. №3. с.16–26.

77. Eyal S., Akselrod S. Bifurcation in a Simple Model of the Cardiovascular System. Method Inform. Med. 2000. Iss. 39. p. 118–121.

78. McSharry P. E., McGuinness M. J., Fowler A. C. Confrontibg a Cardiovascular System Model with Heart Rate and Blood Pressure Data. Computers in Cardiology. 2005. Iss.32. p. 587–590.

79. Proklov M. D., Ponomarenko V. I. Recovery of Time-Delay System with Two Delays from Time Series. Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 2004. vol. 7 no. 4. p. 400–404.

80. Frank O. Die Grundform des arteriellen Pulses. Zeitung fur Biologie. 1999. Iss. 37. s.483–586.

81. Patterson S. W., Piper H., Starling E. H. The regulation of the heart beat. J. Physiol. 1914. V. 48. p. 465–513.

Повнотекстова версія http://kit-journal.com.ua/uk/viewer_uk.html?doc/2010_7/6-12_Mayorov.pdf