大鼠心血管信號處理及其在模擬微重力實驗中的應用.pdf

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

2、(intermittentartificialgravity，IAG)對抗兩類。研究表明通過在太空船安裝短臂離心機(shortarmcentrifuge，SAC)，以此實現的IAG可有效替代CAG的對抗作用。然而，在微重力環(huán)境下進行人體實驗受多方條件制約且費用昂貴，同時在地面進行臥床研究也受到方法學限制，而采用動物模型實驗，可以進行多層次、多學科實驗研究，補充人體實驗之不足。 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、實驗動物之一。利用大鼠模型，可以進行從細胞、組織、器官到整體多個層次的觀察，但對其心率變異性(heartratevariability，HRV)與血壓變異性(bloodpressurevariability，BPV)的分析工作則開展較晚。再者，模擬失重是否會引起大鼠出現血壓調節(jié)障礙，通過每日短時站立訓練是否能夠緩解心血管失調癥狀尚存在分歧，需要采用不同方法予以澄清。因此，本課題擬將整體實驗與心血管信號處理相結合開展整合性研究，記錄清醒狀

4、態(tài)下血壓、心率活動并進行功率譜與非線性分析，以得出較全面而又確切的結論。 在HRV/SBPV的研究中，統(tǒng)計學分析、譜分析等常規(guī)方法已經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分析中的優(yōu)勢，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，對實驗信號進行處理。 本文以Sprague-Dawley大鼠為實驗動物，將21只雄性大鼠按照體

5、重配對原則隨機分為三組：對照組(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；SUS+STD大鼠除每日懸吊外，進行1小時站立訓練，以此作微重力環(huán)境下的對抗措施。14日模擬期結束后，通過慢性植入的PE-50-PE-10聚乙烯導管，在清醒狀態(tài)下連續(xù)記錄大鼠的血壓數據。大鼠血壓數據通過數據采集卡完成信號模數轉換與存儲。 在預處理過程中，首先使用小波分析方法濾除

6、血壓信號中的噪聲干擾；隨后使用分段檢測最大值加手工校對的方法進行血壓數據的收縮壓波峰及舒張壓波谷檢測，獲取收縮壓變異性數據序列(systolicbloodpressurevariability，SBPV)；然后再從收縮壓(systolicbloodpressure，SBP)時間序列中提取PP間期時間序列，進行HRV分析。 在數據分析過程中，本文主要通過對血壓、心率數據的常規(guī)統(tǒng)計分析，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SBPV及HRV信號進行分析處理。在統(tǒng)計學分析中，主要對各組大鼠的比目魚肌濕重、平均動脈壓、平均收縮壓、瞬時心率等基本信息進行統(tǒng)計分析；在頻域分析中，使用周期圖法及三維譜分析方法對SBPV及HRV進行譜分析；在非線性分析過程中，首先使用遞歸圖分析(recurrenceplotanalysis，RPA)對大鼠SBPV蘊涵的非線性特征進行定性分析；然后使用遞歸定量分析(recurrencequantfiication

8、analysis，RQA)計算遞歸百分數(percentageofrecurrence，％REC)、確定線段百分數(percentageofdeterminism，％DET)及(lengthindex，Lmax)指數三個非線性特征指數，對其進行定量分析。最后，使用三維折返圖對HRV信號進行量化分析處理。 實驗結果表明，一階導數閾值與模板匹配檢測算法具有較高的檢測準確率，能夠較好地從血壓原始數據序列中生成SBPV；從SBPV數據中

9、提取的PP間期能夠作為心電圖RR間期的替代數據，生成HRV數據序列。通過對HRV、SBPV信號進行周期圖譜估計及三維譜陣分析可將復雜的心率、血壓波動信號分解為高頻(HighFrequency，HF)、低頻(LowFrequency，LF)與極低頻(VeryLowFrequency，VLF)三個不同頻率范圍的周期波動成分。與CON相比，SUS大鼠體重無顯著變化，但右側比目魚肌濕重顯著降低(P＜0.01)，SUS+STD右側比目魚肌濕重較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模擬失重肌萎縮效應，短時站立對其有一定對抗作用。2周模擬失重后，清醒大鼠的血壓值雖然無明顯改變，但反映交感對外周血管阻力調節(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顯著降低(P＜0.05)；SUS+STD大鼠非線性指數較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，采用每日短時站立訓練對其有一定的調控作用。 對上述實驗數據結果分析可知：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機理；采用每日1小時站立對抗措施，可有效防止清醒大鼠在解除模擬失重后出現心血管功能失調；使用周期圖譜估計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可以