人體消化道生理信號無創(chuàng)檢測技術及其非線性動力學分析.pdf

1、目前臨床普遍采用的動力障礙性疾病診斷儀器,如液體灌注式測壓、電子恒壓器等,需要清腸、禁食等前期處理,患者痛苦大,測得的生理參數也是在充盈狀態(tài)下的數據,結果不夠真實。這些因素不僅大大制約了臨床對動力性疾病的診查效果,也導致長期以來醫(yī)學界對健康者和患者胃腸運動及其變化規(guī)律的了解不夠全面,對胃腸道動力性能的評價缺乏科學、客觀的標準。 本文以國家自然科學基金資助項目和國家高技術研究發(fā)展計劃資助項目(863項目)為依托,研究了人體消化道生

2、理信號無創(chuàng)檢測技術,力圖在正常生理狀態(tài)下,獲取實時監(jiān)測數據,并進行了非線性動力學分析,以期在整體上對壓力活動作深入了解。本研究預期對人類保健普查、消化系統(tǒng)動力性疾病的診查,構建數字化醫(yī)療信息檔案等發(fā)揮進一步的推動作用。 本文的具體研究內容主要包括以下幾個方面: 1.介紹了消化道測壓意義及國外相關的研究現狀,并針對國內經濟發(fā)展水平和實際需求,提出了適合于我們的人體消化道生理信號無創(chuàng)檢測系統(tǒng).探討了該系統(tǒng)的組成、各功能模塊設

3、計、系統(tǒng)工作原理及數據處理和分析流程。 2.提出了基于概率神經網絡的遺傳算法搜索最優(yōu)特征子集,用以表征結腸壓力活動,并對結腸段特征進行了模式分類。然后用單因素方差分析和盒圖,進行了胃段和小腸段的特征分類顯著性檢驗。 3.為了了解胃消化間期壓力活動的平方相位耦合結構,應用了兼?zhèn)涔β首V和高階譜優(yōu)良特性的對角切片譜,該方法包含相位信息,計算簡單,二維圖形顯示,易于理解.針對我們感興趣的頻域范圍,同時為了獲得更高的頻率分辨率,提

4、出了基于小波和小波包變換的對角切片譜平方相位耦合分析方法。利用該方法,提取了1～12cpm范圍內的胃消化間期壓力活動的平方相位耦合關系。 4.結腸壓力活動時間序列的自相關函數下降比指數規(guī)律還慢,呈雙曲線緩慢下降,是一個典型的長記憶過程。本文應用了自相關分析、重標極差分析、功率譜分析和消除趨勢波動分析研究了結腸壓力活動及其替代模型和削波模型的長程相關性改變情況。結果表明,結腸將來的收縮活動對過去具有長期的記憶特性,即過去持續(xù)強有力

5、的時相性收縮活動可能導致將來持續(xù)強有力的時相性收縮活動,反之亦然.而對異常結腸壓力活動,這種長程相關特性則減弱,甚至消失。 5.研究了結腸壓力活動的非線性混沌特性。結腸是一個復雜的動力學組織,其壓力活動局部無規(guī)律,但整體上規(guī)整,有一定的節(jié)律,這正是混沌系統(tǒng)所表現的特征。研究表明,正常結腸壓力活動具有混沌特性,其表征混沌特性的指標一相關維數為非整數而最大Lyapunov指數為正值；而異常結腸壓力活動的混沌狀態(tài)則可能遭到破壞。

6、 6.最后簡單研究了結腸壓力活動的分形特征。用計盒法估計分形維數,結果顯示正常結腸壓力活動具有豐富的結構,其分形維數為非整數；而動力異常時的結腸壓力活動波形更為“粗糙”,幾何結構變得相對簡單,表征其分形特征的分形維數變大；而消化間期結腸壓力活動波動頻率變緩,尖峰峰值變小,幾何波形相對平坦,分形維數比正常結腸壓力活動要低得多。 上述長程相關性分析、混沌特性分析和分形分析是從非線性理論的三個不同角度進行了結腸壓力活動的非線性動力學

7、分析。其中,混沌特性分析是從時間序列的相空間重構角度進行分析,分形分析則是從時間序列的幾何結構和表面形貌進行分析,而長程相關性分析則是研究時間序列未來對過去的記憶特性。具有混沌特征和分形幾何結構的時間序列一般都有長程相關特性,結腸壓力活動就是這樣的例子。 盡管本文提出了基于遺傳算法和概率神經網絡的特征分類方法,應用了諸如相位耦合分析、長程相關分析、混沌特性分析和分形分析等非線性動力學分析方法,但由于人體消化道生理信號無創(chuàng)檢測系統(tǒng)