專利名稱：用于從混沌時間序列中提取因果信息的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及用于從混沌時間序列中提取因果信息的方法和設備。更加準確地，本發(fā)明涉及用于從時變信號中分析第一系統(tǒng)的狀態(tài)的方法和設備，所述時變信號表示了由所述第一系統(tǒng)支配的第二系統(tǒng)產(chǎn)生的準周期事件之間的混沌序列的時間間隔。在本發(fā)明的典型的但是非排他的應用中，第一系統(tǒng)是自主神經(jīng)系統(tǒng)(ANS)，而第二系統(tǒng)是心臟系統(tǒng)。
背景技術：
心率變化(HRV)的測量已顯示是評估ANS對心臟系統(tǒng)的影響的有力手段。事實上，與其交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)子系統(tǒng)一起，ANS支配著身體中的心肌和每個臟器的不自主動作。
ANS不是可直接接近于隨意控制的。而是在自主反射和中央控制的基礎上多少有一點自主地運作。它的主要功能之一是維持體內(nèi)的內(nèi)環(huán)境平衡。ANS在有機體與其周圍環(huán)境的相互作用中進一步扮演自適應角色。
在許多疾病中，ANS的交感和/或副交感部受影響導致自主機能失調(diào)。于是具有關于ANS的活動和狀態(tài)的可靠的和代表性的測量就很重要。
有三種主要類別的方法用于從心率變化中恢復關于ANS的信息光譜分析(也叫時域分析)、統(tǒng)計學以及相關尺度(或任何有關的尺度)的計算。這些方法并不給出容易的可解釋的結(jié)果。此外，它們?nèi)狈煽啃?，并且不能精確地適合于它們的考慮的應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對克服現(xiàn)有技術的上述缺點，并且為此目的，建議一種方法，用于從時變信號中分析第一系統(tǒng)的狀態(tài)，所述時變信號表示了由所述第一系統(tǒng)支配的第二系統(tǒng)產(chǎn)生的準周期事件之間的混沌序列的時間間隔，所述方法包括以下步驟從時變信號中提取包絡信息；為時變信號構(gòu)造相空間；提取有關對應于相空間中的時變信號的點的相對位置的信息；聯(lián)合包絡與位置信息；以及基于這種聯(lián)合，提供有關第一系統(tǒng)的狀態(tài)的信息。
這樣一來，本發(fā)明就利用了時變信號的分形幾何，并且將包絡計算方案與重新構(gòu)造的相空間中的點的離差評估相聯(lián)合。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，這樣的聯(lián)合能夠強調(diào)混沌序列的時間間隔中的有效值的變化，同時不考慮非有效值的變化，這樣一來，就提供了有關第一基礎系統(tǒng)的狀態(tài)的精確信息。
通過計算時間間隔序列的兩個包絡，亦即在時間順序的方向上計算的第一上包絡和在與時間順序相反的方向上計算的第二上包絡，在本發(fā)明中可以獲得對第一系統(tǒng)的狀態(tài)變化的更加動態(tài)和易反應的響應。
本發(fā)明還可以區(qū)分ANS的交感和副交感部，并且借助于附加的權利要求16中限定的兩種不同的計算，可以描述這些部分中每一個的瞬時狀態(tài)。
在附加的權利要求2、4到15以及17中限定了根據(jù)本發(fā)明的方法的其他有益特征。
本發(fā)明進一步涉及用于執(zhí)行上述方法的計算機程序和設備，前者在附加的權利要求18中限定，后者在附加的權利要求19到37中限定。


參考附圖在下面給出本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細說明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖；圖2和3作為一般圖示分別顯示了如何可以從給定的時變信號中獲得兩種不同的包絡，一種在時間順序的方向上確定，而另一種在與時間順序相反的方向上確定；圖4概略地顯示了根據(jù)本發(fā)明的方法中獲得的相空間的例子；圖5顯示了源自心電圖的表示RR間隔的時變信號；圖6顯示了通過根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的曲線的疊加，并且每個所述曲線都表示據(jù)信是ANS的副交感部的瞬時狀態(tài)；圖7顯示了通過根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的兩個指標的時間變化；圖8顯示了通過根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的另一個指標的時間變化；圖9是實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的系統(tǒng)的方框圖。
具體實施例方式
參考圖1，用于分析ANS的狀態(tài)的方法包含步驟S1到S13。
在步驟S1中，獲得表示由患者的ANS支配的生物系統(tǒng)產(chǎn)生的準周期事件的第一時變信號或數(shù)據(jù)。所述生物系統(tǒng)是例如患者的心臟、呼吸或大腦系統(tǒng)。第一時變信號是原始信號，亦即非光滑的和非過濾的信號。這樣一來，這種信號的所有變化都保持著，包括微觀變化。
在步驟S2中，檢測第一時變信號中的準周期事件，并且計算這些準周期事件之間的時間間隔，以便形成第二時變信號或數(shù)據(jù)，稱作“時間間隔信號”，其取由計算的時間間隔的序列組成的離散值。這樣的時間間隔的序列已知是混沌的。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，步驟S1中獲得的時變信號是患者的心電圖(ECG)，而步驟S2中計算的時間間隔是RR間隔，亦即ECG的R波之間的間隔。經(jīng)由圖示，圖5顯示了這樣的RR間隔情況下的步驟S2中獲得的時間間隔信號的例子。圖5的信號中的每個點都對應計算的時間間隔。這樣的信號在本領域中被稱作分形。
實際上，實時執(zhí)行步驟S2，亦即，每次在第一時變信號中發(fā)生事件，該事件都被檢測，并且計算該事件和前一個之間的時間間隔。用同樣的方式，每次步驟S2計算時間間隔，都執(zhí)行由下面的步驟S3到S13形成的算法。
在步驟S3中規(guī)定時間窗口W。時間窗口W的上限L1是對應于步驟S2中計算的最后的時間間隔的時刻。設置下限L0，以便時間窗口W的寬度L1-L0對應于計算的時間間隔的預定數(shù)目N。換言之，窗口W包含最后(當前)計算的時間間隔和N-1個在先計算的時間間隔。預定的數(shù)目N對應于ANS的狀態(tài)將要被確定和顯現(xiàn)的時標。該數(shù)目可以由用戶選擇。其缺省值例如為40。
在步驟S4中，在窗口W中計算步驟S2中獲得的時間間隔信號的兩個凸或上包絡。在從時間窗口W的下限L0向上到上限L1的時間順序的方向上計算這些包絡中的一個。在從上限L1向下到下限L0的與時間順序相反的方向上計算另一個，然后按時間順序復位。經(jīng)由一般圖示，圖2和3分別顯示了對于窗口W中的給定的任意信號SIG，當在時間順序的方向上計算時的對應的上包絡Ec，以及當在與時間順序相反的方向上計算時的對應的上包絡Enc。如從這些附圖很明顯的那樣，兩種包絡是不同的，并且這樣一來，就包含了有關信號SIG的變化的不同的、補充的信息?；謴徒o定信號f(t)的上包絡由下式給出f(s)=max1≤t≤sf(t)]]>如在本發(fā)明的步驟S4中獲得的那樣的上包絡，每一個都是具有N個值的表格或向量的形式，每個所述值都對應于時間間隔信號所取的離散值中的一個。對應于在時間順序的方向上計算的上包絡的表格，在下文中將被稱作ForwHull，而對應于在與時間順序相反的方向上計算的上包絡的表格，則被稱作BackwHull。
和步驟S4并行執(zhí)行步驟S5到S10序列。步驟S5是為窗口W中的部分時間間隔信號構(gòu)造多維相空間。相空間的概念本身在數(shù)學物理學的領域中是已知的。例如在名稱為“Geometry from a Time Series”byPackard et al.，Physical Review Letters，Volume 45，Number 9，1September 1980的文獻中，以及在名稱為“Predicting Chaotic TimeSeries”by Farmer et al.，Physical Review Letters，Volume 59，Number8，24 August 1987的文獻中，描述了構(gòu)造相空間的方案以及該構(gòu)造的理由。本發(fā)明遵循前述的方案，并且同樣地，用下面的方式構(gòu)造相空間從窗口W中的時間間隔信號所取的值的序列中，所述值從下限L0到上限L1被指示為X1，X2，X3，…，XN，使用例如四個的時間延遲或移位，構(gòu)造例如三維的向量。這樣一來，典型地，第一向量將具有作為其第一成分的窗口W中的時間間隔信號的第一個值X1，作為其第二成分的窗口W中的時間間隔信號的第五個值X5，以及作為其第三成分的窗口W中的時間間隔信號的第九個值X9。第二向量將具有作為其第一成分的窗口W中的時間間隔信號的第二個值X2，以及作為其第二和第三成分的窗口W中的時間間隔信號的第六和第十個值X6、X10，等等。優(yōu)選地，為了獲得N個數(shù)目的這樣的向量，通過在序列的末尾重復最后的完整向量必要多的次數(shù)，完成向量的序列。獲得的向量列出如下X1X5X9,X2X6X10,X3X7X11,···,XN-8XN-4XN,XN-8XN-4XN,···,XN-8XN-4XN]]>盡管在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中向量的維數(shù)、亦即相空間的維數(shù)和時間延遲分別等于3和4，但是這些維數(shù)和時間延遲可以是不同的。然而當這樣的維數(shù)和時間延遲不同時，優(yōu)選保持它們的乘積等于12。
如上所述獲得的向量每一個都表示相空間中的點。本發(fā)明人已觀察到，不是隨機地分布，而是相空間的點形成成群的點，其每一個都表示ANS的共同平衡狀態(tài)。作為圖示，圖4顯示了在施加到患者的傾斜測試期間、亦即患者被從水平位置抬起到準垂直位置(80°角)的測試期間獲得的相空間。如能夠看到的那樣，這個相空間包括分開的兩群點CL1、CL2。這些成群的點CL1、CL2中的每一個都對應于上述水平和準垂直位置之一。
步驟S6是降低相空間的維數(shù)，以便得到有關點相對于彼此的位置的信息。更加具體地，步驟S6是將相空間的點、亦即對應于上述向量的點正交投影到能夠建立次序關系的較低維數(shù)的空間上。典型地，步驟S6將相空間的點投影到直線上，所述直線使這些點和直線之間的平均距離最小化。這樣的直線穿過成群的點，如圖4所示在參考標記SL處。它可以通過傳統(tǒng)的線性擬合方法獲得。直線被給定取向，這可以任意地選擇，但是優(yōu)選地根據(jù)直線最平行的相空間的軸來選擇。
一旦相空間的所有點都已被投影到上述直線上，步驟S7就計算投影的點之間的相對距離，同時考慮這些點的時間順序。具體地，步驟S7首先計算按時間順序的第一個點、亦即對應于第一個向量或點(X1，X5，X9)的投影點和按時間順序的第二個點、亦即對應于第二個向量或點(X2，X6，X10)的投影點之間的距離，然后計算按時間順序的第一個點和第三個點之間的距離，然后計算按時間順序的第一個點和第四個點之間的距離，等等。然后步驟S7計算按時間順序的第二個點和按時間順序的第三個點之間的距離，然后計算按時間順序的第二個點和第四個點之間的距離，然后計算按時間順序的第二個點和第五個點之間的距離，等等。然后步驟S7計算按時間順序的第三個點和第四個點之間的距離，然后計算按時間順序的第三個點和第五個點之間的距離，等等。這樣一來步驟S7就計算了N(N+1)/2個距離。由于給予點所位于的投影直線的取向，這些距離或正或負(零值被認為例如是正值)。所有的這些距離都設置在表格中，并且按照計算它們的順序在那里排列。這樣的表格表示了多維相空間中的成群的點之間的平均距離。
在步驟S8中，區(qū)分步驟S7中計算的正的和負的距離。更加具體地，創(chuàng)建第一和第二表格Tinc、Tdec，它們分別包括正的距離和負的距離的絕對值，每個這些表格Tinc、Tdec中的值都保持和它們初始表格中相同的順序，亦即時間順序。
步驟S8中創(chuàng)建的表格Tinc、Tdec可以具有不同的長度。在步驟S9中，從每個表格Tinc、Tdec中的最新(最近)時間位置開始，具有最高平均距離的N個連續(xù)值的第一個遇到的組被選擇并保存在表格中，其他的值被摒棄，這樣一來就將這些表格中的每一個的維數(shù)減少到N。進而，如果表格Tinc或Tdec中的這些保存的N個值中的一個低于預定值R，則它在對應的表格Tinc或Tdec中被N個值的組中的前一個值所取代。預定值R可以由用戶選擇。該值R表示被認為是對于用戶而言是有效值的第一時變信號中的事件之間的時間間隔的最小變化。在步驟S9末尾獲得的兩個表格在下文中將被稱作Cinc(包括正的距離的表格)和Cdec(包括負的距離的絕對值的表格)。
在步驟S10中，將表格Cinc和Cdec與上包絡ForwHull和BackwHull相聯(lián)合，以提供有關ANS的瞬時狀態(tài)的信息。為此目的，步驟S10執(zhí)行了兩種不同的計算，叫做CT1和CT2，其陳述如下CT1Coeffinc1＝B+(4-4A-5B+4AB)·Cinc-B·CdecCoeffdec1＝B-B·Cinc+(4A-4AB-B)·CdecANSigram‾1=1-2·normcoeff3·(Coeffinc‾1·ForwHull‾+Coeffdec‾1·BackwHull‾)]]>其中A和B是預定常數(shù)，其在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中每個都等于0.5，normcoeff是標準化系數(shù)，Coeffinc1·ForwHull是表格Coeffinc1和ForwHull的逐項乘積，而Coeffdec1·BackwHull是表格Coeffdec1和BackwHull的逐項乘積；CT2Coeffinc‾2=B3+4(1-B)·(1-A)·Cinc‾]]>Coeffdec‾2=B3+4(1-B)·A·Cdec‾]]>ANSigram‾2=1-2·normcoeff3·(Coeffinc‾2·ForwHull‾+Coeffdec‾2·BackwHull‾)]]>其中A和B是和CT1中相同的預定常數(shù)，normcoeff是和CT1中相同的標準化系數(shù)，Coeffinc2·ForwHull是表格Coeffinc2和ForwHull的逐項乘積，而Coeffdec2·BackwHull是表格Coeffdec2和BackwHull的逐項乘積。
根據(jù)本發(fā)明人，如由計算CT1在上面獲得的那樣的表格ANSigram1表示ANS的副交感部的狀態(tài)，而如由計算CT2在上面獲得的那樣的表格ANSigram2表示ANS的交感部的狀態(tài)。這樣一來，本發(fā)明不僅提供了有關ANS的狀態(tài)的信息，而且還能區(qū)分ANS的交感與副交感部。實際上，如在下文中將會很明顯的那樣，表格ANSigram1和ANSigram2中的每一個都將以連接表格的點的曲線的形式呈現(xiàn)給用戶。這種曲線的形狀將由用戶直接可解釋。例如，平坦的ANSigram1和ANSigram2曲線將指示ANS的低反應性，而在這些曲線中觀察到例如持續(xù)增加的斜度，則指示時間間隔中節(jié)奏的變化，亦即，在第一時變信號為ECG的情況下，心肌活動的變化。用戶還將具有下述可能性將這些曲線的形態(tài)和先前看到的曲線形態(tài)相比較，以精確識別影響患者的疾病。進而，曲線ANSigram1和ANSigram2中的一個從另一個的逐點減法，將給予用戶交感和副交感子系統(tǒng)之間的平衡的觀察，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)的所述平衡是非線性的。
在步驟S11中，計算第一指標ANSindex1，用于表示表格或曲線ANSigram1的復雜性指數(shù)，并且計算第二指標ANSindex2，用于表示表格或曲線ANSigram2的復雜性指數(shù)。指標ANSindex1和ANSindex2分別是這樣的數(shù)字，所述數(shù)字當相應的曲線ANSindex1和ANSindex2分別展示大的波動時為高，并且當曲線ANSindex1和ANSindex2分別展示小的波動時為低，亦即，幾乎是直線的。這些指標被典型地計算為標準化為外部的Bouligand維度，例如用下面的方式ANSindex1=Floor[(6+937512·(log(ANSlength1)logrange12+N2-1))·(5+1)]]]>ANSindex2=Floor[(6+187512·(log(ANSlength1)logrange12+N2-1.045))·(5+1)]]]>其中Floor指示整數(shù)部分，當參數(shù)為負時其返回零，ANSlength1和ANSlength2分別指示曲線ANSigram1的長度和曲線ANSigram2的長度，range1指示曲線ANSigram1的最后值和第一值之間的差，而range2指示曲線ANSigram2的最后值和第一值之間的差。
在步驟S12中計算指標ANSirisk，其表示在第一時變信號中的下個事件處(亦即，在ECG的情況下，在檢測的下個R波處)曲線ANSigram1和ANSigram2的形狀將會變化的風險或概率，這會意味著ANS狀態(tài)改變的概率。換言之，這個指標ANSirisk表示ANS活動的程度。指標ANSirisk的計算基于步驟S8中獲得的表格Tinc和Tdec之一，在和步驟S6有關的在上面指示的情況下，其中根據(jù)直線最平行的軸來選擇投影直線的取向，優(yōu)選地基于表格Tdec。典型地以下述方式確定這個指標ANSirisk首先，確定大于預定數(shù)rstart的表格Tdec中的值的數(shù)目a1，大于rstart+1的表格Tdec中的值的數(shù)目a2，大于rstart+2的表格Tdec中的值的數(shù)目a3，…，以及大于rstop的表格Tdec中的值的數(shù)目arstop-rstart，其中rstop也是預定數(shù)。然后，計算數(shù)目ai的加權平均ANSirisk=Σi=1rstop-rstarta1·(rstart+i)Σi=1rstop-rstart(rstart+i)]]>用于確定數(shù)rstart和rstop的優(yōu)選關系式給出如下rstart=|Floor(3.1|Rcenter-R|+2.1|Vcenter-N|+RstCenter-26)|]]>rstop＝Floor(-rstart+0.5|RstCenter-3.95-1.43rstart|+RstCenter+16)其中，優(yōu)選地，RstCenter＝21，Rcenter＝10，并且Vcenter＝30。
在步驟S13中，顯示曲線ANSigram1和ANSigram2以及指標ANSindex1、ANSindex2和ANSirisk。優(yōu)選地，還顯示第一時變信號。
然后算法返回到步驟S2，用于從患者獲得的時變信號中的下個事件。
現(xiàn)在來揭示和圖5到8相關的用根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的結(jié)果的例子。
在圖5中顯示了表示在5分鐘期間的健康患者的RR間隔的信號。在這個時期中的時刻t0和t1之間，向患者施加傾斜測試。如能夠看到的那樣，在時刻t0和t1之間，在RR間隔中發(fā)生了節(jié)奏的變化。然而，實際上，一旦信號的普通減少可辨識，只有時刻t0之后的某個時間，才能在RR間隔信號上檢測到這樣的節(jié)奏變化。在圖5的例子中，單獨使用傳統(tǒng)的手段，能夠觀察到的節(jié)奏變化已發(fā)生的時刻，大約為比較接近時刻t1的用t2指示的時刻。還據(jù)說對于某些患者，傾斜測試并不總是造成RR間隔中清楚的節(jié)奏變化，因此造成檢測變化的困難。
圖6顯示了在時刻t0和t1之間的傾斜測試期間獲得的曲線ANSigram1的疊加。這些曲線中的每一個都是據(jù)信為在患者的心臟跳動之后的，或者，更加精確地，在已確定RR間隔之后的ANS的副交感部的瞬時狀態(tài)的“攝影”。在圖6中，曲線越黑，則時間上越近。能夠看出，曲線ANSigram1的形狀在時刻t0和t1之間進展迅速，這表明根據(jù)本發(fā)明的方法非常易反應。因為只有該曲線的形態(tài)重要，所以不需要尺度，然而為了顯示曲線預定了縱橫比。
圖7在同一幅圖上顯示了在上述5分鐘期間獲得的指標ANSindex1序列和指標ANSindex2序列。指標ANSindex1用叉表示，而指標ANSindex2用方塊表示。有意思的是，可以注意到，指標ANSindex1在傾斜的開始處增加，并且在患者處于80°位置的時刻t1之前很久，甚至在用傳統(tǒng)手段觀察到的前述時刻t2之前很久，達到峰值，而指標ANSindex2在傾斜的開始處增加很慢，直到第一峰值位于時刻t1之后很久。這樣一來，指標ANSindex1反應迅速而指標ANSindex2具有較慢的反應。一旦患者已到達80°處的位置，指標ANSindex1就減少，同時指標ANSindex2接管并展示不同的波。所有這些和當前已知的交感與副交感子系統(tǒng)的行為完全一致。具體地，指標ANSindex2中前述波的出現(xiàn)，能夠通過交感子系統(tǒng)釋放兒茶酚胺激素來解釋。
圖8顯示了上述5分鐘期間的指標ANSirisk的進展。能夠看出，這個指標在時刻t0和t1之間的傾斜時期的大致中間展示了峰值。實際上，與其如圖8所示的那樣顯示為曲線，倒不如可以以作為時間的函數(shù)的向上和向下移動的量規(guī)的形式將指標ANSirisk呈現(xiàn)給用戶。
如上所述的方法典型地通過適當編程的處理器執(zhí)行。如圖9所示，由參考符號1指示的處理器經(jīng)由適當?shù)慕涌?未顯示)連接到獲取單元2的輸出。獲取單元2與連接到患者的電極2a相聯(lián)系，并且執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生表示準周期事件的第一時變信號。獲取單元2例如是ECG單元。顯示單元3連接到處理器1，以顯示根據(jù)本發(fā)明的方法提供的結(jié)果，例如曲線ANSigram1和ANSigram2、這些曲線ANSigram1和ANSigram2之間的差、指標ANSindex1和ANSindex2、這些指標ANSindex1和ANSindex2的歷史記錄(見圖7)和/或指標ANSirisk以及第一時變信號。
實際上，對于相對于彼此布置單元1、2、3，多種實施例都是可能的。根據(jù)第一實施例，處理器1和顯示單元3是例如經(jīng)由USB端口連接到獲取單元2的膝上型計算機的部分。根據(jù)第二實施例，處理器1是插入式電子板的部分。根據(jù)第三實施例，處理器1、獲取單元2和顯示單元3是獨立設備的部分，所述獨立設備進一步包含主板、打印機、介質(zhì)記錄器(CD-ROM，…)、電池等等。根據(jù)第四實施例，處理器1和顯示單元3是手持裝置的部分，所述手持裝置例如蜂窩電話、Palm OS(注冊商標)裝置、PocketPC(注冊商標)裝置、任何個人數(shù)字助理等等。
進而，在一些實施例中，電極2a與獲取單元2之間的連接、獲取單元2與處理器1之間的連接和/或處理器1與顯示單元3之間的連接可以是無線連接，諸如Bluetooth(注冊商標)連接之類。
如上所述的本發(fā)明可以用在各種應用中，尤其是在期望ANS的評估用于診斷或預測過程的所有場合，涉及例如1)心臟病學——風險分層(用于心律不齊、冠心病、動脈高壓，……)——配制β阻斷藥——暈厥患者心房脈沖產(chǎn)生器指示——心肌梗塞預測因數(shù)2)內(nèi)分泌學——糖尿病學和風險評估
——家族性自主神經(jīng)異常評估3)麻醉學——鎮(zhèn)痛藥和安眠藥的更好配制——心臟保護監(jiān)視——脊髓麻醉和硬膜外麻醉期間暈厥風險評估4)婦科學和產(chǎn)科學——胎兒監(jiān)視，胎兒遇險檢測5)疼痛控制與治療——適應鎮(zhèn)痛藥劑量——結(jié)合PCA(患者控制痛覺喪失)——嬰幼兒疼痛評估6)睡眠疾病——SAS(睡眠呼吸暫停)檢測7)心臟移植——排斥檢測——心臟ANS神經(jīng)移植評估盡管在ANS的范圍內(nèi)在上面描述了本發(fā)明，但是對于本領域技術人員將會很明顯，可以將本發(fā)明的原理施加到與ANS不同的系統(tǒng)，尤其是不同的生物系統(tǒng)，假如原始時變信號中的事件是準周期的，并且假如對應的時間間隔序列是混沌的，亦即強烈依賴于初始條件的話。
權利要求
1.一種用于從時變信號中分析第一系統(tǒng)的狀態(tài)的方法，所述時變信號表示了由所述第一系統(tǒng)支配的第二系統(tǒng)產(chǎn)生的準周期事件之間的混沌序列的時間間隔，所述方法包括以下步驟a)從所述時變信號中提取包絡信息；b)為所述時變信號構(gòu)造相空間；c)提取對應于所述相空間中的所述時變信號的點的相對位置的信息；d)聯(lián)合所述包絡與所述位置信息；以及e)基于這種聯(lián)合，提供所述第一系統(tǒng)的狀態(tài)的信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，每次新的時間間隔在所述時變信號中出現(xiàn)，都重復所述步驟a)到e)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中，所述步驟a)包括在時間順序的方向上計算所述時變信號的第一上包絡；以及在與時間順序相反的方向上計算所述時變信號的第二上包絡。
4.根據(jù)權利要求1到3中任何一個所述的方法，其中，所述步驟b)包括使用用于所述相空間的確定的維數(shù)和確定的時間延遲，在所述時變信號采取的值的基礎上構(gòu)造向量。
5.根據(jù)權利要求1到4中任何一個所述的方法，其中，所述步驟c)包括將對應于所述相空間中的所述時變信號的所述點投影到能夠建立次序關系的較低維數(shù)的空間上；以及計算所述投影的點之間的距離。
6.根據(jù)權利要求1到4中任何一個所述的方法，其中，所述步驟c)包括將對應于所述相空間中的所述時變信號的所述點投影到直線上，所述直線使所述點和所述直線之間的平均距離最小化；以及計算所述投影的點之間的距離。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的方法，其中，所述步驟c)進一步包括區(qū)分所述計算的距離中的正的和負的距離。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，基于所述正的距離或所述負的距離，計算表示在下個事件處發(fā)生所述第一系統(tǒng)的狀態(tài)變化的概率的指標。
9.根據(jù)權利要求1到8中任何一個所述的方法，其中，所述步驟e)包括向顯示單元提供所述第一系統(tǒng)的狀態(tài)的所述信息。
10.根據(jù)權利要求1到9中任何一個所述的方法，其中，所述時變信號是原始信號。
11.根據(jù)權利要求1到10中任何一個所述的方法，其中，所述第一系統(tǒng)是自主神經(jīng)系統(tǒng)。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中，所述第二系統(tǒng)是心臟系統(tǒng)，所述準周期事件是心電圖的R波，并且所述混沌序列的時間間隔是源自所述心電圖的RR間隔。
13.根據(jù)權利要求11或12所述的方法，其中，所述步驟d)包括執(zhí)行第一聯(lián)合計算，提供表示所述自主神經(jīng)系統(tǒng)的副交感部的第一數(shù)據(jù)；以及執(zhí)行第二聯(lián)合計算，提供表示所述自主神經(jīng)系統(tǒng)的交感部的第二數(shù)據(jù)。
14.根據(jù)權利要求11或12所述的方法，其中，所述步驟d)包括執(zhí)行提供第一數(shù)據(jù)的第一聯(lián)合計算并執(zhí)行提供第二數(shù)據(jù)的第二聯(lián)合計算，這些第一和第二數(shù)據(jù)中的任何一個從另一個的逐點減法，表示了所述ANS的副交感和交感部之間的平衡。
15.根據(jù)權利要求13或14所述的方法，進一步包括計算表示由所述第一數(shù)據(jù)規(guī)定的第一曲線的復雜性指數(shù)的第一指標，和/或計算表示由所述第二數(shù)據(jù)規(guī)定的第二曲線的復雜性指數(shù)的第二指標。
16.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中，所述第一系統(tǒng)是自主神經(jīng)系統(tǒng)，所述步驟a)包括在時間順序的方向上計算所述時變信號的第一上包絡ForwHull；以及在與時間順序相反的方向上計算所述時變信號的第二上包絡BackwHull，所述步驟c)包括將對應于所述相空間中的所述時變信號的所述點投影到能夠建立次序關系的較低維數(shù)的空間上；計算所述投影的點之間的距離；以及區(qū)分所述計算的距離中的正的和負的距離，以及所述步驟d)包括執(zhí)行下述兩個聯(lián)合計算Coeffinc1＝B+(4-4A-5B+4AB)·Cinc-B·CdecCoeffdec1＝B-B·Cinc+(4A-4AB-B)·CdecANSigram‾1=1-2·normcoeff3·(Coeffinc‾1·ForwHull‾+Coeffdec‾1·BackwHull‾)]]>以及Coeffinc‾2=B2+4(1-B)·(1-A)·Cinc‾]]>Coeffdec‾2=B3+4(1-B)·A·Cdec‾]]>ANSigram‾2=1-2·normcoeff3·(Coeffinc‾2·ForwHull‾+Coeffdec‾2·BackwHull‾)]]>其中A和B是預定常數(shù)，normcoeff是標準化系數(shù)，而Cinc和Cdec則分別是表示所述正的和負的距離的向量，并且其中所述步驟e)中提供的所述信息包括向量ANSigram1和ANSigram2。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，所述步驟d)進一步包括計算下述兩個指標ANSindex1=Floor[(6+937512·(log(ANSlength1)logrange12+N2-1))·(5+1)]]]>ANSindex2=Floor[(6+187512·(log(ANSlength2)logrange22+N2-1.045))·(5+1)]]]>其中Floor指示整數(shù)部分，如果參數(shù)為負則其返回零，ANSlength1和ANSlength2分別指示由向量ANSigram1規(guī)定的第一曲線的長度和由向量ANSigram2規(guī)定的第二曲線的長度，range1指示所述第一曲線的最后值和第一值之間的差，range2指示所述第二曲線的最后值和第一值之間的差，而N則指示等于向量ANSigram1和ANSigram2的維數(shù)的預定數(shù)。
18.一種計算機程序，用于在處理器中植入時，從時變信號中分析第一系統(tǒng)的狀態(tài)，所述時變信號表示了由所述第一系統(tǒng)支配的第二系統(tǒng)產(chǎn)生的準周期事件之間的混沌序列的時間間隔，所述計算機程序包含用于執(zhí)行根據(jù)權利要求1到17中任何一個所述的方法的指令代碼。
19.一種設備，用于從時變信號中分析第一系統(tǒng)的狀態(tài)，所述時變信號表示了由所述第一系統(tǒng)支配的第二系統(tǒng)產(chǎn)生的準周期事件之間的混沌序列的時間間隔，所述設備包含處理裝置，其被編程以執(zhí)行根據(jù)權利要求1到17中任何一個所述的方法。
20.一種設備，用于從時變信號中分析第一系統(tǒng)的狀態(tài)，所述時變信號表示了由所述第一系統(tǒng)支配的第二系統(tǒng)產(chǎn)生的準周期事件之間的混沌序列的時間間隔，所述設備包括用于從所述時變信號中提取包絡信息的裝置；用于為所述時變信號構(gòu)造相空間的裝置；用于提取對應于所述相空間中的所述時變信號的點的相對位置的信息的裝置；用于聯(lián)合所述包絡與所述位置信息的裝置；以及用于基于這種聯(lián)合提供有關所述第一系統(tǒng)狀態(tài)信息的裝置。
21.根據(jù)權利要求20所述的設備，進一步包含下述裝置，所述裝置用于每次新的時間間隔在所述時變信號中出現(xiàn)，都重復所述包絡信息提取、相空間構(gòu)造、位置信息提取、信息聯(lián)合以及信息提供步驟。
22.根據(jù)權利要求20或21所述的設備，其中，用于提取包絡信息的所述裝置包括用于在時間順序的方向上計算所述時變信號的第一上包絡的裝置；以及用于在與時間順序相反的方向上計算所述時變信號的第二上包絡的裝置。
23.根據(jù)權利要求20到22中任何一個所述的設備，其中，用于構(gòu)造所述相空間的所述裝置包括下述裝置，所述裝置用于使用用于所述相空間的確定的維數(shù)和確定的時間延遲，在所述時變信號采取的值的基礎上構(gòu)造向量。
24.根據(jù)權利要求20到23中任何一個所述的設備，其中，用于提取位置信息的所述裝置包括用于將對應于所述相空間中的所述時變信號的所述點投影到能夠建立次序關系的較低維數(shù)的空間上的裝置；以及用于計算所述投影的點之間的距離的裝置。
25.根據(jù)權利要求20到23中任何一個所述的設備，其中，用于提取位置信息的所述裝置包括用于將對應于所述相空間中的所述時變信號的所述點投影到直線上的裝置，所述直線使所述點和所述直線之間的平均距離最小化；以及用于計算所述投影的點之間的距離的裝置。
26.根據(jù)權利要求24或25所述的設備，其中，用于提取位置信息的所述裝置進一步包括用于區(qū)分所述計算的距離中的正的和負的距離的裝置。
27.根據(jù)權利要求26所述的設備，進一步包含下述裝置，所述裝置用于基于所述正的距離或所述負的距離，計算表示在下個事件處發(fā)生所述第一系統(tǒng)的狀態(tài)變化的概率的指標。
28.根據(jù)權利要求20到27中任何一個所述的設備，其中，用于提供信息的所述裝置包含顯示單元，其用于顯示所述第一系統(tǒng)的狀態(tài)的所述信息。
29.根據(jù)權利要求20到28中任何一個所述的設備，其中，所述時變信號是原始信號。
30.根據(jù)權利要求20到29中任何一個所述的設備，其中，所述第一系統(tǒng)是自主神經(jīng)系統(tǒng)。
31.根據(jù)權利要求30所述的設備，其中，所述第二系統(tǒng)是心臟系統(tǒng)，所述準周期事件是心電圖的R波，并且所述混沌序列的時間間隔是源自所述心電圖的RR間隔。
32.根據(jù)權利要求30或31所述的設備，其中，所述聯(lián)合裝置包括用于執(zhí)行第一聯(lián)合計算的裝置，提供表示所述自主神經(jīng)系統(tǒng)的副交感部的第一數(shù)據(jù)；以及用于執(zhí)行第二聯(lián)合計算的裝置，提供表示所述自主神經(jīng)系統(tǒng)的交感部的第二數(shù)據(jù)。
33.根據(jù)權利要求30或31所述的設備，其中，所述聯(lián)合裝置包括用于執(zhí)行提供第一數(shù)據(jù)的第一聯(lián)合計算的裝置和用于執(zhí)行提供第二數(shù)據(jù)的第二聯(lián)合計算的裝置，這些第一和第二數(shù)據(jù)中的任何一個從另一個的逐點減法，表示了所述ANS的副交感和交感部之間的平衡。
34.根據(jù)權利要求32或33所述的設備，進一步包括用于計算表示由所述第一數(shù)據(jù)規(guī)定的第一曲線的復雜性指數(shù)的第一指標的裝置，和/或用于計算表示由所述第二數(shù)據(jù)規(guī)定的第二曲線的復雜性指數(shù)的第二指標的裝置。
35.根據(jù)權利要求20或21所述的設備，其中，所述第一系統(tǒng)是自主神經(jīng)系統(tǒng)，所述包絡信息提取裝置包括用于在時間順序的方向上計算所述時變信號的第一上包絡ForwHull的裝置；以及用于在與時間順序相反的方向上計算所述時變信號的第二上包絡BackwHull的裝置，所述位置信息提取裝置包括用于將對應于所述相空間中的所述時變信號的所述點投影到能夠建立次序關系的較低維數(shù)的空間上的裝置；用于計算所述投影的點之間的距離的裝置；以及用于區(qū)分所述計算的距離中的正的和負的距離的裝置，以及所述聯(lián)合裝置包括用于執(zhí)行下述兩個聯(lián)合計算的裝置Coeffinc1＝B+(4-4A-5B+4AB)·Cinc-B·CdecCoeffdec1＝B-B·Cinc+(4A-4AB-B)·CdecANSigram‾1=1-2·normcoeff3·(Coeffinc‾1·ForwHull‾+Coeffdec‾1·BackwHull‾)]]>以及Coeffinc‾2=B2+4(1-B)·(1-A)·Cinc‾]]>Coeffdec‾2=B3+4(1-B)·A·Cdec‾]]>ANSigram‾2=1-2·normcoeff3·(Coeffinc‾2·ForwHull‾+Coeffdec‾2·BackwHull‾)]]>其中A和B是預定常數(shù)，normcoeff是標準化系數(shù)，而Cinc和Cdec則分別是表示所述正的和負的距離的向量，并且其中所述信息提供裝置包括用于提供向量ANSigram1和ANSigram2的裝置。
36.根據(jù)權利要求35所述的設備，其中所述聯(lián)合裝置進一步包括用于計算下述兩個指標的裝置ANSindex1=Floor[(6+937512·(log(ANSlength1)logrange12+N2-1))·(5+1)]]]>ANSindex2=Floor[(6+187512·(log(ANSlength2)logrange22+N2-1.045))·(5+1)]]]>其中Floor指示整數(shù)部分，如果參數(shù)為負則其返回零，ANSlength1和ANSlength2分別指示由向量ANSigram1規(guī)定的第一曲線的長度和由向量ANSigram2規(guī)定的第二曲線的長度，range1指示所述第一曲線的最后值和第一值之間的差，range2指示所述第二曲線的最后值和第一值之間的差，而N則指示等于向量ANSigram1和ANSigram2的維數(shù)的預定數(shù)。
37.根據(jù)權利要求19到36中任何一個所述的設備，進一步包括用于獲取患者身上的所述準周期事件的裝置。
全文摘要
一種用于從時變信號中分析諸如自主神經(jīng)系統(tǒng)之類的第一系統(tǒng)的狀態(tài)的方法，所述時變信號表示了由所述第一系統(tǒng)支配的諸如心臟系統(tǒng)之類的第二系統(tǒng)產(chǎn)生的準周期事件之間的混沌序列的時間間隔，所述方法包括以下步驟從時變信號中提取包絡信息(S4)；為時變信號構(gòu)造相空間(S5)；提取對應于相空間中的時變信號的點的相對位置的信息(S6，S7)；聯(lián)合包絡與位置信息(S10)；以及基于這種聯(lián)合，提供有關第一系統(tǒng)的狀態(tài)的信息(S13)。
文檔編號G06F19/00GK1788265SQ03826693
公開日2006年6月14日 申請日期2003年6月27日 優(yōu)先權日2003年6月27日
發(fā)明者梅爾文·熱雷米·拉菲特, 奧林·索瓦若, 瑪麗恩·費夫爾-熱努拉茲, 斯里尼·納格什瓦爾 申請人:梅爾文·熱雷米·拉菲特, 奧林·索瓦若, 瑪麗恩·費夫爾-熱努拉茲, 斯里尼·納格什瓦爾