大鼠心血管信號(hào)處理及其在模擬微重力實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.pdf

1、當(dāng)在失重(微重力)環(huán)境停留一段時(shí)間后，由于一系列適應(yīng)性改變，航天員一般并無明顯心血管癥狀；但當(dāng)返回地面1G重力環(huán)境時(shí)，卻普遍出現(xiàn)明顯的心血管失調(diào)癥狀，不但直接威脅航天員返回、著陸時(shí)的安全，也影響其對(duì)地面重力環(huán)境的再適應(yīng)能力。目前，改善心血管失調(diào)的對(duì)抗措施分為兩類：即以運(yùn)動(dòng)為主的對(duì)抗措施和以重力為基礎(chǔ)的對(duì)抗措施；基于重力的對(duì)抗措施又可細(xì)分為連續(xù)性人工重力對(duì)抗(continuousartificialgravity，CAG)和間斷性人工重力

2、(intermittentartificialgravity，IAG)對(duì)抗兩類。研究表明通過在太空船安裝短臂離心機(jī)(shortarmcentrifuge，SAC)，以此實(shí)現(xiàn)的IAG可有效替代CAG的對(duì)抗作用。然而，在微重力環(huán)境下進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)受多方條件制約且費(fèi)用昂貴，同時(shí)在地面進(jìn)行臥床研究也受到方法學(xué)限制，而采用動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)，可以進(jìn)行多層次、多學(xué)科實(shí)驗(yàn)研究，補(bǔ)充人體實(shí)驗(yàn)之不足。 在心血管疾病及微重力心血管生理研究中，大鼠是最重要的

3、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物之一。利用大鼠模型，可以進(jìn)行從細(xì)胞、組織、器官到整體多個(gè)層次的觀察，但對(duì)其心率變異性(heartratevariability，HRV)與血壓變異性(bloodpressurevariability，BPV)的分析工作則開展較晚。再者，模擬失重是否會(huì)引起大鼠出現(xiàn)血壓調(diào)節(jié)障礙，通過每日短時(shí)站立訓(xùn)練是否能夠緩解心血管失調(diào)癥狀尚存在分歧，需要采用不同方法予以澄清。因此，本課題擬將整體實(shí)驗(yàn)與心血管信號(hào)處理相結(jié)合開展整合性研究，記錄清醒狀

4、態(tài)下血壓、心率活動(dòng)并進(jìn)行功率譜與非線性分析，以得出較全面而又確切的結(jié)論。 在HRV/SBPV的研究中，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析、譜分析等常規(guī)方法已經(jīng)不能夠充分挖掘其所包含的信息。隨著非線性分析方法的發(fā)展，越來越顯示出其在電生理信號(hào)分析中的優(yōu)勢(shì)，能提取出用常規(guī)方法所不能提取的信息。正是從以上的意義出發(fā)，我們利用了多種分析方法，特別是非線性分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行處理。 本文以Sprague-Dawley大鼠為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，將21只雄性大鼠按照體

5、重配對(duì)原則隨機(jī)分為三組：對(duì)照組(CON)、懸吊組(SUS)、站立組(SUS+STD)。SUS大鼠每日保持尾部懸吊狀態(tài)，以模擬微重力環(huán)境下的心血管功能失調(diào)；SUS+STD大鼠除每日懸吊外，進(jìn)行1小時(shí)站立訓(xùn)練，以此作微重力環(huán)境下的對(duì)抗措施。14日模擬期結(jié)束后，通過慢性植入的PE-50-PE-10聚乙烯導(dǎo)管，在清醒狀態(tài)下連續(xù)記錄大鼠的血壓數(shù)據(jù)。大鼠血壓數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡完成信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)。 在預(yù)處理過程中，首先使用小波分析方法濾除

6、血壓信號(hào)中的噪聲干擾；隨后使用分段檢測(cè)最大值加手工校對(duì)的方法進(jìn)行血壓數(shù)據(jù)的收縮壓波峰及舒張壓波谷檢測(cè)，獲取收縮壓變異性數(shù)據(jù)序列(systolicbloodpressurevariability，SBPV)；然后再從收縮壓(systolicbloodpressure，SBP)時(shí)間序列中提取PP間期時(shí)間序列，進(jìn)行HRV分析。 在數(shù)據(jù)分析過程中，本文主要通過對(duì)血壓、心率數(shù)據(jù)的常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析，頻域常規(guī)譜、連續(xù)譜分析，以及遞歸定量分析、三維

7、折返圖分析等非線性方法對(duì)SBPV及HRV信號(hào)進(jìn)行分析處理。在統(tǒng)計(jì)學(xué)分析中，主要對(duì)各組大鼠的比目魚肌濕重、平均動(dòng)脈壓、平均收縮壓、瞬時(shí)心率等基本信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；在頻域分析中，使用周期圖法及三維譜分析方法對(duì)SBPV及HRV進(jìn)行譜分析；在非線性分析過程中，首先使用遞歸圖分析(recurrenceplotanalysis，RPA)對(duì)大鼠SBPV蘊(yùn)涵的非線性特征進(jìn)行定性分析；然后使用遞歸定量分析(recurrencequantfiication

8、analysis，RQA)計(jì)算遞歸百分?jǐn)?shù)(percentageofrecurrence，％REC)、確定線段百分?jǐn)?shù)(percentageofdeterminism，％DET)及(lengthindex，Lmax)指數(shù)三個(gè)非線性特征指數(shù)，對(duì)其進(jìn)行定量分析。最后，使用三維折返圖對(duì)HRV信號(hào)進(jìn)行量化分析處理。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一階導(dǎo)數(shù)閾值與模板匹配檢測(cè)算法具有較高的檢測(cè)準(zhǔn)確率，能夠較好地從血壓原始數(shù)據(jù)序列中生成SBPV；從SBPV數(shù)據(jù)中

9、提取的PP間期能夠作為心電圖RR間期的替代數(shù)據(jù)，生成HRV數(shù)據(jù)序列。通過對(duì)HRV、SBPV信號(hào)進(jìn)行周期圖譜估計(jì)及三維譜陣分析可將復(fù)雜的心率、血壓波動(dòng)信號(hào)分解為高頻(HighFrequency，HF)、低頻(LowFrequency，LF)與極低頻(VeryLowFrequency，VLF)三個(gè)不同頻率范圍的周期波動(dòng)成分。與CON相比，SUS大鼠體重?zé)o顯著變化，但右側(cè)比目魚肌濕重顯著降低(P＜0.01)，SUS+STD右側(cè)比目魚肌濕重較S

10、US顯著升高(P＜0.01)，但仍低于CON，表明懸吊后大鼠已出現(xiàn)模擬失重肌萎縮效應(yīng)，短時(shí)站立對(duì)其有一定對(duì)抗作用。2周模擬失重后，清醒大鼠的血壓值雖然無明顯改變，但反映交感對(duì)外周血管阻力調(diào)節(jié)的LF功率卻是降低的(P＜0.01)，SUS+STD的LF功率顯著升高(P＜0.01)與CON無明顯差異。與CON相比，SUS大鼠血壓非線性指數(shù)顯著降低(P＜0.05)；SUS+STD大鼠非線性指數(shù)較SUS顯著升高(P＜0.05)，但仍低于CON(無

11、顯著性差別)。暗示模擬微重力環(huán)境能夠致使大鼠心血管功能失調(diào)，采用每日短時(shí)站立訓(xùn)練對(duì)其有一定的調(diào)控作用。 對(duì)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知：尾部懸吊大鼠模型可作為有效的替代模型，用以模擬及研究人類太空飛行后心血管功能失調(diào)機(jī)理；采用每日1小時(shí)站立對(duì)抗措施，可有效防止清醒大鼠在解除模擬失重后出現(xiàn)心血管功能失調(diào)；使用周期圖譜估計(jì)及三維譜陣的分析方法能夠較好揭示模擬失重大鼠清醒狀態(tài)心率、血壓變化的特征；RPA、RQA及三維折返圖等非線性技術(shù)可以