[論文レビュー] Is Human Atrial Fibrillation Stochastic or Deterministic?

Konstantinos N. Aronis, Ronald D. Berger+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2018

Complex Systems and Time Series Analysis参考文献 64被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、心内電位記録を用いた記号的ダイナミクスを用いて、ヒトの心房細動（AF）が決定論的か確率的かのメカニズムによって生じるかを調査している。順序パターン統計と因果エントロピー複雑度平面の分析を通じて、AFに強い決定論的要因が存在することが示され、ランダムノイズではなく非線形ダイナミクスが背後に存在することを示唆しており、より効果的な焼却術的戦略の立案に寄与する可能性がある。

ABSTRACT

Atrial fibrillation (AF) is the most common cardiac arrhythmia in human beings, and is associated with significant morbidity and mortality. The current standard of care includes interventional catheter ablation in selected patients, but the success rate is limited. The major limitation of the current approach to AF is the lack of fundamental understanding of its underlying mechanism. Specifically, it remains unclear whether human AF dynamics are a deterministic or a stochastic process. Here we assess for determinism in human AF by evaluating the properties of the symbolic representation of intracardiac electrical recordings obtained from patients. Specifically, we evaluate (a) the number of the missing ordinal patterns, (b) the rate of missing ordinal pattern decay for increased length of the time series, and (c) the causal-entropy complexity plane of the Bandt-Pompe symbolic representation. When used together, these are powerful tools to detect determinism, even in the presence of experimental noise and brief time series.

研究の動機と目的

• ヒトの心房細動（AF）が決定論的か確率的プロセスによって駆動されているかどうかを特定すること。
• 心内電位記録を用いてAFダイナミクスに低次元のカオスが存在するかを評価すること。
• 実験的ノイズおよび短時間系列がAFにおける決定論的性の検出を損なうかどうかを評価すること。
• 心不全性不整脈における決定論的ダイナミクスと確率的性の区別を定量的フレームワークで提供すること。

提案手法

• 心内電位時系列を記号的系列に変換するため、Bandt-Pompeの記号的ダイナミクス法を適用すること。
• 決定論的性の指標として、欠落する順序パターンの数を評価すること。
• 時間系列長の増加に伴う欠落順序パターンの減衰率を分析し、決定論的構造を推定すること。
• 因果エントロピー複雑度平面を構築し、決定論的プロセスと確率的プロセスを区別すること。
• サrogateデータテストを用いて、確率的帰無仮説に対する発見の妥当性を検証すること。
• 複数の記号的ダイナミクス指標を組み合わせ、ノイズおよび限られたデータに対する耐性を高めること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒトの心房細動は決定論的プロセスか確率的プロセスによって生成されているか？
• RQ2 ノイズおよび短い記録期間の下でも、ヒトのAF電位記録に低次元の決定論的ダイナミクスを検出できるか？
• RQ3 AFデータにおける順序パターンの統計的性質は、非線形決定論的ダイナミクスの存在を支持するか？
• RQ4 因果エントロピー複雑度平面は、決定論的AFダイナミクスと確率的代替案を信頼性高く区別できるか？
• RQ5 標準的な焼却アプローチが、AFの背後にあるメカニズムを十分に理解していないがために、どの程度失敗しているか？

主な発見

• AF記録における欠落する順序パターンの数は、確率的プロセスの期待値よりも顕著に低く、決定論的性を示唆している。
• 時間系列長の増加に伴う欠落順序パターンの減衰率は、ノイズではなく決定論的ダイナミクスと整合的である。
• 因果エントロピー複雑度平面の分析により、AFデータは確率的系ではなく決定論的系に特徴的な領域に位置づけられた。
• 結果は実験的ノイズおよび短い時間系列に対しても頑健であり、発見の信頼性を裏付けた。
• 本研究は、ヒトのAFがランダムプロセスではなく決定論的で非線形なダイナミクスによって支配されている強力な証拠を提供している。
• これらの発見は、AFが動的システムの原則に基づく標的介入に適応可能である可能性を示唆しており、焼却術の成績向上に寄与する可能性がある。