霍鋮宇馬小飛 寧新寶

1)(常熟理工學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,常熟 215500)

2)(南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,生物醫(yī)學(xué)電子工程研究所,南京 210023)

基于有限穿越水平可視圖的短時睡眠心率變異性研究?

霍鋮宇1)?馬小飛2)寧新寶2)

1)(常熟理工學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,常熟 215500)

2)(南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,生物醫(yī)學(xué)電子工程研究所,南京 210023)

(2017年4月10日收到;2017年6月7日收到修改稿)

心率數(shù)據(jù)是最易于獲取的人體生理數(shù)據(jù)之一,基于心率變異性的睡眠分析是近年來各種用于日常健康管理的可穿戴設(shè)備功能的一個重要發(fā)展方向,需要不斷探索可以應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)睡眠分期時間窗(約30 s)的各類短時特征參數(shù).利用近期報(bào)道的有限穿越水平可視圖,并進(jìn)一步提出一種加權(quán)有限穿越水平可視圖,將不同睡眠狀態(tài)下的短時心率變異序列映射為網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而提取平均集聚系數(shù)、特征路徑長度、集聚系數(shù)熵、路徑分布熵、加權(quán)集聚系數(shù)熵和加權(quán)路徑分布熵等網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.結(jié)果表明,各網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值在醒覺、淺睡期、深睡期和快速眼動期的幅度水平具有顯著差異,體現(xiàn)了所述方法在基于短時心率變異數(shù)據(jù)的睡眠分期中的有效性.同時,進(jìn)一步研究了健康年輕人和中老年人在不同睡眠狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值,發(fā)現(xiàn)兩者雖然存在整體的水平差異,但是在不同睡眠狀態(tài)間的變化仍具有相同的趨勢,反映出相對于正常的年齡老化,睡眠調(diào)制對心臟動力學(xué)系統(tǒng)具有更顯著的影響,也說明所述方法可作為基于心率變異性的睡眠研究的一種新的輔助工具.

有限穿越水平可視圖,睡眠,心率變異性

1 引 言

睡眠是一種重要的生理活動,對于人體的物理和精神方面的自我恢復(fù)具有非常關(guān)鍵的作用[1].根據(jù)美國睡眠醫(yī)學(xué)學(xué)會(American Academy of Sleep Medicine,AASM)發(fā)布的規(guī)范,睡眠過程可以進(jìn)行分期,具體分為醒覺(wakefu lness,W),非快速眼動期(non-rapid eyemovement,NREM)和快速眼動期(rapid eyemovement,REM).其中,NREM階段根據(jù)不同腦電特征所體現(xiàn)的睡眠深度又可分為N1,N2,N3三個階段[2].在一些研究中,通常將N1和N2階段統(tǒng)稱為淺睡眠(light sleep,LS),而N3階段被稱為深睡眠(deep sleep,DS)或慢波睡眠(sloWwave sleep,SWS)[3,4].在早期的睡眠分期標(biāo)準(zhǔn)(Rechtschaffen and Kales Standard,R&K Standard)中,淺睡眠分為S1和S2兩個階段,深睡眠還依據(jù)腦電中δ波的比例進(jìn)一步劃分為S3和S4兩個階段[5,6].準(zhǔn)確的睡眠分期對于睡眠質(zhì)量的評估及睡眠相關(guān)疾病的診斷都具有重要的意義.目前用于睡眠分期的金標(biāo)準(zhǔn)是以腦電為基礎(chǔ)的多導(dǎo)睡眠圖(polysomnography,PSG)監(jiān)測,通常需要在醫(yī)院專門的睡眠實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,費(fèi)用高,設(shè)備復(fù)雜,在病人身上放置的電極較多,需要專業(yè)操作,給病人帶來的生理心理負(fù)荷大,常常會干擾其正常睡眠.對于普通人群,更適合的睡眠評估監(jiān)測手段是便攜化、低成本、不影響睡眠的非專業(yè)級設(shè)備,相應(yīng)的信號來源也以方便采集的非腦電信號為主.以往研究證實(shí),心率變異性(heart rate variability,HRV)和人體自主神經(jīng)的活動密切相關(guān),與睡眠也有著密切的聯(lián)系[7],在不同的睡眠期,相應(yīng)的HRV序列具有不同的信號特征,因此HRV也是獲得睡眠信息的重要途徑[8?10].相應(yīng)地,各類基于線性和非線性方法的睡眠狀態(tài)HRV特征參數(shù)的提取也得到了較為廣泛的研究[11].但是,許多基于HRV的睡眠狀態(tài)分析往往采用相對較長的時間窗(例如5 Min左右)[12?14],這與睡眠分期規(guī)范中30 s時長的分期基本單位并不符合.因此,從30 s左右的短時HRV序列中尋找有效的睡眠特征參數(shù),仍然有著重要的意義和價值[15].

近年來,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論已開始廣泛應(yīng)用于生理信號的分析[16?19].以往的研究表明,一種有效的探測HRV序列動力學(xué)特性的方法是把序列轉(zhuǎn)換成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[20?23].Lacasa等[24]提出的可視圖(visibility graph,VG)方法,是近年來得到廣泛應(yīng)用的一種比較典型的轉(zhuǎn)換方法.VG方法構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)能夠保留時間序列的一些內(nèi)在信息和特征,周期序列被映射為規(guī)則網(wǎng)絡(luò),隨機(jī)序列被映射為隨機(jī)網(wǎng)絡(luò),而具有分形自相似特性的序列則被映射為無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò).經(jīng)仿射變換或坐標(biāo)軸尺度變換后其可視性不變.Liu等[25]將VG方法作為一種特征提取手段應(yīng)用于腦電信號的睡眠分期;Long等[3]將VG方法應(yīng)用于睡眠過程心跳呼吸耦合序列分析;Hou等[26]將VG方法應(yīng)用于短時HRV序列的睡眠特征分析,所采用的幾個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果在不同睡眠階段體現(xiàn)出了一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,同時也觀察到了由HRV序列映射得到的可視圖的冪律形式的度分布,并且其平均路徑長度與節(jié)點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)系體現(xiàn)了“小世界網(wǎng)絡(luò)”的特性.

在標(biāo)準(zhǔn)VG的基礎(chǔ)上,Luque等[27]又提出了一種水平可視圖(horizontal visibility graph,HVG),該方法與VG方法具有一些相同的性質(zhì),如節(jié)點(diǎn)至少和左右相鄰點(diǎn)相連接,為無向網(wǎng)絡(luò),坐標(biāo)尺度變換或仿射變換后可視性不變等.HVG方法能夠反映隨機(jī)序列和混沌序列的差異,比VG的可視性準(zhǔn)則更嚴(yán)格而簡單,不再需要進(jìn)行直線的插值計(jì)算,進(jìn)一步提高了映射運(yùn)算的效率,近年來在時間序列的分析中也得到了廣泛的應(yīng)用,并相繼有研究者對其提出了各種改進(jìn),如加權(quán)的水平可視圖[28]、有限穿越水平可視圖等[29],并在氣液兩相流、腦電等時間序列的分析中獲得了較好的效果.因此,本文考慮基于改進(jìn)的HVG相關(guān)方法,對不同睡眠狀態(tài)的短時HRV數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以期在相對標(biāo)準(zhǔn)VG進(jìn)一步提高計(jì)算效率的前提下,獲得相類似或更有效的分析結(jié)果,從而為基于短時HRV數(shù)據(jù)的睡眠生理研究提供新的手段和途徑.

2 方 法

2.1 有限穿越水平可視圖

有限穿越水平可視圖(liMiMtied penetrable horizontal visibility graph,LPHVG)[29]是標(biāo)準(zhǔn)HVG的一個擴(kuò)展.其基本思想是:首先定義有限穿越視距Lp,然后將原始時間序列中的點(diǎn)定義為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),根據(jù)其幅度繪出相應(yīng)高度的直方條.基于HVG方法可視性準(zhǔn)則,兩個節(jié)點(diǎn)存在連接的條件是在兩個直方條之間繪出一條水平的可視線,且被位于兩者之間的其他直方條截?cái)嗟拇螖?shù)n≤Lp.圖1為一個長度N=10的HRV序列在有限穿越視距Lp=1情況下基于LPHVG方法映射生成網(wǎng)絡(luò)的示意圖.圖1(a)中雙向?qū)嵕€箭頭表示基于標(biāo)準(zhǔn)HVG方法的可視線,雙向虛線箭頭表示在有限穿越視距Lp=1情況下新增的可視線.圖1(b)則是據(jù)此生成的網(wǎng)絡(luò)圖,其中實(shí)線和虛線的含義與圖1(a)相同.

研究認(rèn)為,在噪聲的干擾下,HVG網(wǎng)絡(luò)中本應(yīng)相連的節(jié)點(diǎn)容易受到噪聲點(diǎn)隔斷,對建網(wǎng)效果產(chǎn)生影響,動力學(xué)特性被噪聲掩蓋[30,31].而LPHVG則具有相對更強(qiáng)的連接性,進(jìn)而在較小的時間尺度上具備一定的抗噪性能,同時不影響對序列長程波動趨勢的反映.

在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,我們對四個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行考察,分別為:平均集聚系數(shù)C、特征路徑長度L、集聚系數(shù)熵Ec和路徑分布熵Ed.

平均集聚系數(shù)C由Watts等在對“小世界網(wǎng)絡(luò)”的研究中引入,其定義為[32]

式中,V為所構(gòu)造的圖的節(jié)點(diǎn)集合,其中包含N個節(jié)點(diǎn);與節(jié)點(diǎn)i相連的節(jié)點(diǎn)數(shù)為ki,所有與節(jié)點(diǎn)i相連的節(jié)點(diǎn)之間實(shí)際所連的邊數(shù)為ei,其與這些節(jié)點(diǎn)之間可能連出的最大邊數(shù)ki(ki?1)/2的比值即為節(jié)點(diǎn)i的局部集聚系數(shù)Ci,反映了圖中的節(jié)點(diǎn)之間聚集成簇的程度.平均集聚系數(shù)C是圖中所有頂點(diǎn)的局部集聚系數(shù)的算術(shù)平均值.

圖1 有限穿越水平可視圖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建示例(有限穿越視距Lp=1) (a)節(jié)點(diǎn)可視性示意圖;(b)對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1.ExaMp le of the construction of a liMited penetrab le horizontal visibility graph(liMited penetrab le d istance Lp=1):(a)Illustration of visibility criteria based on a heartbeat interval tiMe series;(b)the correspond ing graph ex tracted froMtiMe series in(a)using the LPHVG algorithm.

特征路徑長度L用于衡量圖中兩個節(jié)點(diǎn)之間的典型距離,其定義為[32]

式中,V為所構(gòu)造的圖的節(jié)點(diǎn)集合,N為圖中包含的節(jié)點(diǎn)數(shù),dij為節(jié)點(diǎn)i和j之間的最短路徑長度.圖中所有節(jié)點(diǎn)對之間的最短路徑長度的平均值,即為特征路徑長度.

集聚系數(shù)熵Ec的定義來自于對各節(jié)點(diǎn)的集聚系數(shù)分布情況的描述.首先計(jì)算各節(jié)點(diǎn)i的集聚系數(shù)Ci的分布頻率PC,i,有

路徑分布熵Ed用于描述各節(jié)點(diǎn)間路徑的分布情況.首先對任意兩個節(jié)點(diǎn)間的路徑長度d的分布進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)[28](d的分布范圍是[1,N?1],N為節(jié)點(diǎn)數(shù)),并得到不同路徑長度d的分布頻率Pd,據(jù)此定義路徑分布熵Ed為

2.2 加權(quán)有限穿越水平可視圖

在上一節(jié)所述的LPHVG基礎(chǔ)上,我們進(jìn)一步提出一種加權(quán)有限穿越水平可視圖(weighted liMited penetrable horizontal visibility graph,WLPHVG)的構(gòu)造方法.與前述LPHVG方法相同,定義有限穿越視距Lp并判斷兩個節(jié)點(diǎn)之間的連接性.同時,設(shè)兩個節(jié)點(diǎn)i和j的幅度值分別為xi和xj,進(jìn)一步定義兩節(jié)點(diǎn)i和j之間的邊的權(quán)值Wij為[34]

在將時間序列映射為加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,經(jīng)綜合考察,提取兩個網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)進(jìn)行分析,分別為加權(quán)集聚系數(shù)熵ECw和權(quán)值分布熵Ew.

對于加權(quán)集聚系數(shù)熵,首先定義網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)i的加權(quán)集聚系數(shù)Cw,i為[35]

然后計(jì)算各節(jié)點(diǎn)i加權(quán)集聚系數(shù)Cw,i的分布頻率P Cw,i,

最后,定義加權(quán)集聚系數(shù)熵ECw為

對于權(quán)值分布熵,首先對圖中各條邊的權(quán)值分布范圍進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)(設(shè)劃分區(qū)間數(shù)為M),并計(jì)算各權(quán)值區(qū)間內(nèi)的邊數(shù)分布頻率[28].設(shè)第i個權(quán)值區(qū)間內(nèi)的邊數(shù)分布率為Pw,i,則權(quán)值分布熵Ew定義為

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文采用的數(shù)據(jù)來源于Sleep Heart Rate and Stroke VoluMe Data Bank[36],具體采用了該數(shù)據(jù)庫中包含的45個健康人竇性心律RR間期數(shù)據(jù)集(RR normal sinus rhythm),該組數(shù)據(jù)來源于具有竇性心律的健康人的睡眠過程.在各數(shù)據(jù)記錄對應(yīng)的標(biāo)識文件中,包含有數(shù)字組成的代碼組合,用于區(qū)分不同的睡眠周期、睡眠分期狀態(tài)(該數(shù)據(jù)庫中的非快速眼動(NREM)睡眠是根據(jù)R&K標(biāo)準(zhǔn)分為S1—S4四個階段)、是否為平穩(wěn)數(shù)據(jù)等.對每個數(shù)據(jù),本文根據(jù)標(biāo)識文件的對應(yīng)信息,在數(shù)據(jù)文件中截取具有連續(xù)30點(diǎn)長度(約30 s)且處于同一個睡眠分期狀態(tài)的平穩(wěn)的RR間期短數(shù)據(jù)段作為分析對象.總共獲取的各睡眠狀態(tài)下數(shù)據(jù)段數(shù)量如表1所列,其中,LS代表淺睡期(睡眠階段S1和S2),DS代表深睡期(睡眠階段S3和S4),REM代表快速眼動期,W代表醒覺狀態(tài).

表1 各睡眠狀態(tài)數(shù)據(jù)段數(shù)量統(tǒng)計(jì)Tab le 1.Statistics of the nuMber of segMents in each sleep stage.

3.2 結(jié)果與討論

采用第2部分所述的基于LPHVG及WLPHVG的方法,對四個不同睡眠狀態(tài)下的HRV數(shù)據(jù)組進(jìn)行了分析計(jì)算,在有限穿越視距Lp=1時,對應(yīng)的6個網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測度值的柱狀圖分布如圖2所示,圖中柱狀圖高度表示參數(shù)均值,誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)誤.

作為比較,我們也基于標(biāo)準(zhǔn)VG方法構(gòu)建無向圖并計(jì)算了相同的4個網(wǎng)絡(luò)參數(shù),結(jié)果如圖3所示.

由于計(jì)算結(jié)果的方差不齊,我們采用K ruskal-Wallis(KW)非參數(shù)檢驗(yàn)方法對分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn).零假設(shè)為:不同的睡眠/醒覺狀態(tài)組的網(wǎng)絡(luò)測度值來自于相同的分布.對圖2中分析結(jié)果的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)顯示,所有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的KW檢驗(yàn)的p＜1×10?200?0.01,故拒絕零假設(shè),可以認(rèn)為不同的睡眠/醒覺狀態(tài)組的網(wǎng)絡(luò)測度值總體水平不全相同.為進(jìn)一步分析各睡眠/醒覺狀態(tài)之間兩兩是否存在差異,同時基于Tukey-K ramer方法進(jìn)行了組間的多重比較,結(jié)果顯示,對上述各參數(shù)而言,任意兩個狀態(tài)間的檢驗(yàn)結(jié)果均滿足p?0.01,拒絕組間均值相等的零假設(shè),說明上述6個參數(shù)的計(jì)算結(jié)果對于不同的睡眠/醒覺狀態(tài)均存在顯著差異.

關(guān)于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時的有限穿越視距Lp,考慮到分析對象為短時數(shù)據(jù),穿越視距過大會造成細(xì)節(jié)丟失,所以我們主要對三個不同的有限穿越視距Lp=0,Lp=1和Lp=2進(jìn)行了分析測試.分析結(jié)果的柱狀圖基本模式是類似的,統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)也均顯示不同睡眠/醒覺狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)測度值總體水平不同.但是從組間多重比較結(jié)果來看,效果略有差異,例如當(dāng)Lp=0(即原始的HVG)時,平均集聚系數(shù)C對于REM狀態(tài)和W狀態(tài)間的差異不顯著.綜合考察結(jié)果發(fā)現(xiàn),穿越視距Lp=1下效果相對最好,可以認(rèn)為在抗噪聲能力和序列動力學(xué)特性探測能力方面達(dá)到了較好的平衡.

另外,與圖2結(jié)果相比,對于標(biāo)準(zhǔn)VG分析(即圖3中的結(jié)果),統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)顯示,所有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的KW檢驗(yàn)均滿足p?0.01,反映不同的睡眠/醒覺狀態(tài)組的網(wǎng)絡(luò)測度值總體水平不完全相同.但是在后續(xù)的組間多重比較中發(fā)現(xiàn),部分睡眠狀態(tài)間的差異不夠顯著,圖3中標(biāo)記為n.s.的即為統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)無顯著差異(p＞0.05)的睡眠狀態(tài)組.總體而言,本文采用的分析方法,與標(biāo)準(zhǔn)VG相比,在短時HRV序列的睡眠狀態(tài)分析這一應(yīng)用場景中可以認(rèn)為具有更優(yōu)的效果,且計(jì)算速度更快.

以下對圖2中的分析結(jié)果做進(jìn)一步的探討.從計(jì)算結(jié)果的柱狀圖上看,對于4個LPHVG網(wǎng)絡(luò)下的特征參數(shù),除了平均集聚系數(shù)C以外,其余3個參數(shù)在不同睡眠/醒覺狀態(tài)均呈現(xiàn)相類似的變化規(guī)律.平均集聚系數(shù)C在REM狀態(tài)下具有最小值,而在DS狀態(tài)具有最大值;特征路徑長度L及兩個熵測度則相反,在REM狀態(tài)及W狀態(tài)的平均值較高,隨著睡眠從LS向DS狀態(tài)的加深,其值也逐漸下降.另兩個WLPHVG參數(shù)各狀態(tài)之間的變化規(guī)律與無權(quán)網(wǎng)絡(luò)下的L,Ec和Ed相反,從醒覺W到淺睡LS再到深睡DS的變化趨勢是逐漸增大,REM狀態(tài)則反向變化.

圖2 睡眠HRV數(shù)據(jù)的LPHVG和WLPHVG網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算結(jié)果 (a)平均集聚系數(shù)C;(b)特征路徑長度L;(c)集聚系數(shù)熵Ec;(d)路徑分布熵Ed;(e)加權(quán)集聚系數(shù)熵ECw;(f)權(quán)值分布熵EwFig.2.Network paraMeters calcu lated froMsleep HRV series using LPHVG and WLPHVG algorithm:(a)Average clustering coeffi cient C;(b)characteristic path length L;(c)clustering coeffi cient entropy Ec;(d)distance d istribu tion entropy Ed;(e)weighted clustering coeffi cient entropy ECw;(f)weight distribution entropy Ew.

心臟動力學(xué)系統(tǒng)是一個處于自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控下的集成的生理系統(tǒng)輸出的典型例子,因此,睡眠狀態(tài)變化對心臟動力學(xué)系統(tǒng)輸出的HRV序列所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的影響,來源于自主神經(jīng)調(diào)控在不同睡眠狀態(tài)下的變化,其相互關(guān)系比較復(fù)雜,受到很多因素的影響[37].事實(shí)上,自主神經(jīng)調(diào)控的變化可以深刻影響睡眠發(fā)生和睡眠穩(wěn)態(tài),在睡眠過程中,隨著不同睡眠階段的變化(醒覺W、淺睡期LS、深睡期DS和快速眼動期REM),自主神經(jīng)調(diào)控在交感神經(jīng)系統(tǒng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)的交替支配中波動[38].從醒覺狀態(tài)到非快速眼動(NREM)狀態(tài)的睡眠,與逐漸增長的副交感神經(jīng)調(diào)制及逐漸下降的交感神經(jīng)調(diào)制相聯(lián)系,在NREM睡眠期間,隨著從淺睡到深睡的睡眠程度的加深,心率等參數(shù)均逐漸下降,而HRV則有所上升;與之相反,從NREM階段到REM睡眠階段,HRV會有顯著的降低,伴隨著交感迷走神經(jīng)平衡的變化,向著迷走神經(jīng)控制減弱及交感神經(jīng)調(diào)制增強(qiáng)的方向變化[39,40].在REM睡眠階段,心血管系統(tǒng)呈現(xiàn)某種“激活”狀態(tài),其活動水平甚至?xí)哂谛延X狀態(tài)[37],因此從NREM到REM狀態(tài)往往伴隨著非常顯著的參數(shù)變化.

結(jié)合圖2的分析結(jié)果,從W到LS再到DS狀態(tài),各參數(shù)值的變化是向同一個方向逐漸加深(遞增或遞減),到DS狀態(tài)時達(dá)到極大值或極小值,而從DS到REM狀態(tài),參數(shù)值則會發(fā)生反方向的顯著變化,其差異甚至?xí)笥贒S和W狀態(tài)的差異.這與上面提到的睡眠階段變化中的自主神經(jīng)調(diào)制過程的變化規(guī)律是相符合的.

圖3 睡眠HRV數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)VG網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算結(jié)果 (a)平均集聚系數(shù)C;(b)特征路徑長度L;(c)集聚系數(shù)熵Ec;(d)路徑分布熵EdFig.3.Network paraMeters calcu lated froMsleep HRV series using standard VG algorithm:(a)Average clustering coeffi cient C;(b)characteristic path length L;(c)clustering coeffi cient entropy Ec;(d)distance d istribu tion entropy Ed.

總體而言,HRV序列作為復(fù)雜的自主神經(jīng)調(diào)控過程的輸出,具有高度的復(fù)雜性,在不同的睡眠階段,序列的動力學(xué)特性必然存在差異.通過LPHVG和WLPHVG方法構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò),其網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值較為敏感地捕捉到了不同睡眠階段HRV序列動力學(xué)特性的差異,并且與現(xiàn)有的生理學(xué)認(rèn)知相符合.

此外,以前的研究表明,年齡的老化通常與生理功能的衰退和生理復(fù)雜性的降低相聯(lián)系.睡眠的動態(tài)過程也被發(fā)現(xiàn)隨著年齡老化而改變,例如,老年人通常會表現(xiàn)出更多的片段睡眠及更為頻繁的喚醒以及深度睡眠持續(xù)時間的減少[41,42].在睡眠調(diào)控和心臟調(diào)控之間所存在的復(fù)雜交互機(jī)制,以及這種交互機(jī)制是否隨著年齡老化會減弱,也是值得研究的問題.有一種觀點(diǎn)認(rèn)為,在不同的睡眠狀態(tài)下,對于健康的中老年人,其HRV序列的有關(guān)測度仍會像年輕人一樣有顯著的差異;另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為,由于與年齡相關(guān)的心臟系統(tǒng)的變異性和睡眠過程中自主神經(jīng)調(diào)控響應(yīng)能力的下降,對于健康的中老年人,其HRV序列的測度在不同睡眠狀態(tài)下的差別將會變得不明顯.

因此,我們將前文所述的LPHVG和WLPHVG方法應(yīng)用于不同年齡組的HRV數(shù)據(jù),對這一問題進(jìn)行研究.數(shù)據(jù)仍然來源于3.1節(jié)中所介紹的數(shù)據(jù)庫.在其中選取了10名年齡在25歲以下的健康年輕人樣本(年齡為20.4±2.8歲,均值±SD)和10名年齡在45歲以上的健康中老年樣本(年齡為50.2±4.8歲,均值±SD).由于前述的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)較多,為精簡敘述,從LPHVG和WLPHVG兩種方法構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中各選取一個相對應(yīng)的參數(shù),即集聚系數(shù)熵Ec以及加權(quán)集聚系數(shù)熵ECw進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示.

圖4中,空心正方形及實(shí)心圓形標(biāo)記表示計(jì)算結(jié)果的均值,誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)誤.緊靠標(biāo)記上方或下方的字母組合表示該年齡組不同睡眠狀態(tài)間的多重比較結(jié)果,若與某個睡眠狀態(tài)有顯著差異,則標(biāo)記該狀態(tài)的首字母.例如,圖4(a)中年輕人的W狀態(tài),經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),與LS,DS,REM狀態(tài)均有顯著差異,則標(biāo)記為LDR,其余以此類推.

由圖4可見,年輕人和中老年人的分析結(jié)果在參數(shù)值上存在一定的整體差異.圖4(a)中,除醒覺狀態(tài)外,中老年組的各睡眠狀態(tài)參數(shù)值Ec顯著高于年輕人組(Mann-Whitney-Wilcoxon TEST,p＜0.05);在圖4(b)中,中老年組的各睡眠狀態(tài)參數(shù)值ECw則顯著低于年輕人組(Mann-Whitney-Wilcoxon TEST,p＜0.05).年輕人和中老年人整體參數(shù)值大小關(guān)系的不一致性主要來源于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法的差異,LPHVG和本文定義的WLPHVG方法實(shí)際上是從不同的角度反映了時間序列的性質(zhì),相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)在數(shù)值上并不具有直接的可比性.值得注意的是,這兩種不同的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)都反映出隨著年齡的老化,中老年人的生理機(jī)能尤其是心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)在睡眠過程中的調(diào)制作用確實(shí)相對年輕人發(fā)生了一定的改變.然而,從不同睡眠狀態(tài)下參數(shù)值的變化趨勢來看,無論是年輕人還是中老年人,其趨勢是非常相似的.年輕人和中老年人在不同睡眠狀態(tài)下的參數(shù)值均呈現(xiàn)相類似且較為顯著的變化趨勢,反映了不同睡眠狀態(tài)對自主神經(jīng)調(diào)控的顯著影響.這一結(jié)果也在一定程度上表明,睡眠過程對于心臟活動的自主神經(jīng)調(diào)控影響并未顯著受到年齡老化的影響,在不同睡眠階段同樣呈現(xiàn)出顯著的分層現(xiàn)象,與文獻(xiàn)[41]的報(bào)道的結(jié)果相符.

圖4 健康年輕人和中老年人HRV數(shù)據(jù)的LPHVG和WLPHVG網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算結(jié)果比較 (a)集聚系數(shù)熵Ec;(b)加權(quán)集聚系數(shù)熵ECwFig.4. CoMparison of network paraMeters calculated froMsleep HRV series of healthy young and elder sub jects using LPHVG and WLPHVG algorithm:(a)C lustering coeffi cient entropy Ec;(b)weighted clustering coeffi cient entropy ECw.

當(dāng)然,更仔細(xì)地分析可以發(fā)現(xiàn),圖4(a)中對于中老年組,雖然從均值上看LS和DS狀態(tài)有所變化,但是統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果并不存在顯著差異,可能是由于中老年人睡眠質(zhì)量的下降和深度睡眠的相對缺失所引起.在圖4(b)中,中老年組的LS和DS狀態(tài)的差異則體現(xiàn)得更為明顯,統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果顯示兩狀態(tài)間存在顯著差異.這說明,本文提出的基于WLPHVG的分析方法,通過合理選擇權(quán)值的定義,考慮了HRV序列幅度變化和相連接的點(diǎn)之間的距離變化,在某些情況下可能具有更高的靈敏性,可以反映不同睡眠狀態(tài)下心臟動力學(xué)特性更細(xì)微的差異.

4 結(jié) 論

本文將有限穿越水平可視圖(LPHVG)及加權(quán)有限穿越水平可視圖(WLPHVG)方法應(yīng)用于不同睡眠狀態(tài)下的短時心率變異序列,將這些時間序列映射為網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而提取分析了若干網(wǎng)絡(luò)參數(shù).結(jié)果表明,基于這兩種方法構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò),在合適的有限穿越視距Lp=1下,其網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以有效地反映心率變異時間序列在不同睡眠/醒覺狀態(tài)間的特征差異,分析效果和計(jì)算速度均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)可視圖分析.據(jù)此進(jìn)一步分析了年輕人和中老年人在不同睡眠狀態(tài)下的心率變異數(shù)據(jù),結(jié)果表明,與健康年輕人相比,健康中老年人的參數(shù)值雖然在整體幅度上確實(shí)存在差異,但是在不同睡眠狀態(tài)下仍然具有比較相似的變化趨勢,仍能體現(xiàn)出不同睡眠狀態(tài)下自主神經(jīng)調(diào)控方式較為顯著的差異.

總體而言,LPHVG和WLPHVG方法為基于短時心率變異性的睡眠研究提供了新的手段,同時由于其映射方法簡單,計(jì)算復(fù)雜度低,在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建后獲得的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)也可以作為各類可穿戴設(shè)備睡眠檢測的輔助參數(shù).

[1]Adnane M,Jiang Z,Yan Z 2012 Expert Syst.Appl.39 1401

[2]Iber C,Ancoli-Israel S,Chesson A,Quan S F 2007 The AASMManual for the Scoring of Sleep and Associated Even ts:Ru les,TerMinology and Technica l Specifi cations(Westchester,IL:AMerican AcadeMy of Sleep Med icine)pp16–30

[3]Long X,Fonseca P,Aarts R M,HaakMa R,Foussier J 2014 Appl.Phys.Lett.105 203701

[4]Long X,A rends J B,Aarts R M,HaakMa R,Fonseca P,Rolink J 2015 Appl.Phys.Lett.106 143702

[5]Rechtschaff en A,Kales A 1968 A Manua l of Standardized TerMinology,Techniques and Scoring SysteMfor Sleep Stages ofHuMan Subjects(Washington DC:Pub lic Health Service,USGovernMent Printing O ffi ce)pp1–57

[6]Ma Q L,Bian C H,Wang J 2010 Acta Phys.Sin.59 4480(in Chinese)[馬千里,卞春華,王俊 2010物理學(xué)報(bào)59 4480]

[7]Stein P K,Pu Y 2012 Sleep Med.Rev.16 47

[8]Bonnet MH,A rand D L 1997 E lectroencephalogr.C lin.Neurophysiol.102 390

[9]Huo C,Huang X,Zhuang J,Hou F,N i H,N ing X 2013 Physica A 392 3601

[10]Liu D Z,Wang J,Li J,Li Y,Xu WM,Zhao X 2014 Acta Phys.Sin.63 198703(in Chinese)[劉大釗,王俊,李錦,李瑜,徐文敏,趙筱2014物理學(xué)報(bào)63 198703]

[11]Eb rahiMi F,Setarehdan S K,Ayala-Moyeda J,Nazeran H 2013 CoMput.Methods PrograMs BioMed.112 47

[12]X iao M,Yan H,Song J,Yang Y,Yang X 2013 BioMed.Signal Process.Con trol 8 624

[13]V igo D E,DoMinguez J,Guin joan S M,ScaraMal M,Ru ff a E,Solerno J,Siri L N,Card inali D P 2010 Auton.Neurosci.154 84

[14]Huang R,Lai C,Lee S,Wang W,Tseng L,Chen Y,Chang S,Chung A,Ting H 2016 Sleep Breath.20 975

[15]SMith A L,Owen H,Reynolds K J 2013 J.C lin.Monit.CoMpu t.27 569

[16]Bashan A,Bartsch R P,Kantelhard t J W,Havlin S,Ivanov P C 2012 Nat.ComMun.3 702

[17]Hou F Z,Dai J F,Liu X F,Huang X L 2014 Acta Phys.Sin.63 040506(in Chinese)[侯鳳貞,戴加飛,劉新峰,黃曉林2014物理學(xué)報(bào)63 040506]

[18]Bartsch R P,Liu K K L,Bashan A,Ivanov P C 2015 PLOS One 10 e0142143

[19]Liu K K L,Bartsch R P,Lin A,Mantegna R N,Ivanov P C 2015 Front.Neural Circuits 9 62

[20]Jiang S,Bian C,Ning X,Ma Q D 2013 Appl.Phys.Lett.102 253702

[21]Hou F,Wang J,Wu X,Yan F 2014 Europhys.Lett.107 58001

[22]Wang M,T ian L 2016 Physica A 461 456

[23]X iao Q,Pan X,Li X L,Mutua S,Yang H J,Jiang Y,Wang J Y,Zhang Q J 2014 Chin.Phys.B 23 078904

[24]Lacasa L,Luque B,Ballesteros F,Luque J,Nuno J C 2008 Proc.Natl.Acad.Sci.USA 105 4972

[25]Liu Z,Sun J,Zhang Y,Rolfe P 2016 BioMed.Signal Process.Con trol 30 86

[26]Hou F Z,Li FW,Wang J,Yan F R 2016 Physica A 458 140

[27]Luque B,Lacasa L,Ballesteros F,Luque J 2009 Phys.Rev.E 80 046103

[28]Gon?alves B A,Carp i L,Rosso O A,RavettiMG 2016 Physica A 464 93

[29]Gao Z,CaiQ,Yang Y,Dang W,Zhang S 2016 Sci.Rep.6 35622

[30]Zhou T T,Jin N D,Gao Z K,Luo Y B 2012 Acta Phys.Sin.61 030506(in Chinese)[周婷婷,金寧德,高忠科,羅躍斌2012物理學(xué)報(bào)61 030506]

[31]Gao Z K,Hu L D,Zhou T T,Jin N D 2013 Acta Phys.Sin.62 110507(in Chinese)[高忠科,胡瀝丹,周婷婷,金寧德2013物理學(xué)報(bào)62 110507]

[32]Watts D J,Strogatz S H 1998 Nature 393 440

[33]Gao Z,Yang Y,Fang P,Zou Y,X ia C,Du M2015 Europhys.Lett.109 30005

[34]Zhu G,Li Y,Wen P 2014 CoMpu t.Meth.Prog.Bio.115 64

[35]Gao Z,Fang P,D ing M,Jin N 2015 Exp.Therm.F luid Sci.60 157

[36]Varoneckas G,Martinkenas A,Pod lipskyte A,Varoneckas A,Zilinskas A 2006 Proceedings of Med-e-Tel 2006 LuxeMbourg,G.D.of LuxeMbourg,Ap ril 5–7,2006 p371

[37]Tobaldini E,Nobili L,Strada S,Casali K R,B raghiroli A,Montano N 2013 Fron t.Physio l.4 294

[38]Trinder J,K leiMan J,Carrington M,SMith S,Breen S,Tan N,K iMY 2001 J.Sleep Res.10 253

[39]Baharav A,Kotagal S,G ibbons V,Rubin B K,Pratt G,K arin J,Akselrod S 1995 Neurology 45 1183

[40]Versace F,Mozzato M,de Min Tona G,Cavallero C,Stegagno L 2003 Bio l.Psychol.63 149

[41]SchMitt D T,Stein P K,Ivanov P C 2009 IEEE Trans.BioMed.Eng.56 1564

[42]C rasset V,MezzettiS,Antoine M,LinkoWskiP,Degaute J P,van de Borne P 2001 Circu lation 103 84

PACS:05.45.Tp,89.75.Hc,87.19.HhDOI:10.7498/aps.66.160502

*Pro ject supported by the Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions of China(G rant No.15KJD 310002),the National Natu ral Science Foundation of China(G rant No.61402057),and Jiangsu Overseas Research&Training PrograMfor University ProMinent Young&Midd le-aged Teachers and Presidents(2016).

?Corresponding au thor.E-Mail:hcy@cslg.edu.cn

Research of short-terMheart rate variability du ring sleep based on liMited penetrab le horizontal v isib ility graph?

Huo Cheng-Yu1)?Ma Xiao-Fei2)Ning Xin-Bao2)

1)(School of Physics and E lectronic Engineering,Changshu Institu te of Technology,Changshu 215500,China)
2)(Institu te of BioMed ical E lectronic Engineering,School of E lectronic Science and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023,China)

10 Ap ril 2017;revised Manuscrip t

7 June 2017)

Heart rate is one of theMost easily accessed huMan physiological data.In recent years,the analysis of sleep function based on heart rate variability has become a neWpopular feature ofwearable devices used for daily health management.Consequently,it is needed to exp lore various types of short-terMcharacteristic paraMeters which can be app lied to the heartbeat interval tiMe series Within the standard sleep staging tiMe Window(about 30 s).U tilizing the recently reported liMited penetrable horizontal visibility graph(LPHVG)algorithm,together With a weighted liMited penetrable horizontal visibility graph(WLPHVG)algorithMproposed in this paper,the short-terMheartbeat interval tiMe series in diff erent sleep stages aremapped to networks respectively.Then,6 characteristic parameters,including the average clustering coeffi cient C,the characteristic path length L,the clustering coeffi cient entropy Ec,the distance distribution entropy Ed,the weighted clustering coeffi cient entropy ECwand the weight distribution entropy Eware calcu lated and analyzed.The resu lts shoWthat the values of these characteristic parameters are significantly diff erent in the states of wakefulness,light sleep,deep sleep and rapid eye MoveMent,especially in the case of the liMited penetrable distance Lp=1,indicating the eff ectiveness of LPHVG and WLPHVG algorithMin sleep staging based on short-terMheartbeat interval time series.In addition,a p reliMinary coMparison between proposed algorithMand the basic visibility graph(VG)algorithMshoWs that in this case,the LPHVG and WLPHVG algorithMare superior to the basic VG algorithMboth in perforMance and in calculation speed.Meanwhile,based on the LPHVG and WLPHVG algorithm,the values of network parameters(the clustering coeffi cient entropy Ecand the weighted clustering coeffi cient entropy ECw)are calculated froMheartbeat interval tiMe series of healthy young and elder sub jects in diff erent sleep stages,to further study the aging eff ect on and sleep regulation over cardiac dynaMics.It is found that despite an overall level diff erence between the values of Ecand ECwin young and elder groups,the stratifi cation patterns across diff erent sleep stages alMost do not break down With advanced age,suggesting that the eff ect of sleep regulation on cardiac dynaMics is significantly stronger than the eff ect of healthy aging.In addition,coMpared With the clustering coeffi cient entropy Ecbased on LPHVG algorithm,the weighted clustering coeffi cient entropy ECwbased on WLPHVG algorithMshoWs higher sensitivity to discriMinating subtle diff erences in cardiac dynaMics aMong diff erent sleep states.Overall,it is shown that With the siMp lemapping criteria and loWcoMputational coMp lexity,the p roposed method could be used as a neWauxiliary tool for sleep studies based on heart rate variability,and the corresponding network paraMeters cou ld be used in wearable device as neWauxiliary paraMeters for sleep staging.

liMited penetrable horizontal visibility graph,sleep,heart rate variability

10.7498/aps.66.160502

?江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:15K JD 310002)、國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:61402057)和江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師和校長境外研修計(jì)劃(2016年度)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:hcy@cslg.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會C h inese P hysica l Society

http://Wu lixb.iphy.ac.cn