[論文レビュー] Multifractal analysis of normal RR heart-interbeat signals in power spectra ranges

Danuta Makowiec, A Dudkowska+2 more|ArXiv.org|Feb 23, 2007

Complex Systems and Time Series Analysis参考文献 24被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、波形変換モジュラス最大値法（WTMM）および多分顕性デトレンドフラクタルフラクチュエーション解析（MDFA）を用いて、低周波（LF）、非常に低周波（VLF）、超低周波（ULF）帯における正常なRRインターバル信号の多分顕性特性を分析した。睡眠中にはVLF帯で心拍変動性が低下する一方、ULF帯では複雑性が増加する傾向が認められ、大規模および小規模なフラクチュエーションに対する感受性の違いを反映した、手法依存のスケーリング指数分布の差が観察された。

ABSTRACT

Power spectral density is an accepted measure of heart rate variability. Two estimators of multifractal properties: Wavelet Transform Modulus Maxima and Multifractal Detrended Fluctuation Analysis are used to investigate multifractal properties for the three strongly physiologically grounded components of power spectra: low frequency (LF), very low frequency (VLF) and ultra low frequency (ULV). Circadian rhythm changes are examined by discrimination of daily activity from nocturnal rest. Investigations consider normal sinus rhythms of healthy 39 subjects which are grouped in two sets: 5-hour wake series and 5-hour sleep series. Qualitative arguments are provided to conjecture the presence of stochastic persistence in LF range, loss of heart rate variability during night in VLF range and its increase in ULF.

研究の動機と目的

• RRインターバル信号の多分顕性特性が、日中の覚醒状態と夜間の睡眠状態の間でどのように変化するかを調査すること。
• 心拍変動性における生体物理学的根拠を持つ周波数帯（LF、VLF、ULF）と多分顕性スケーリング行動を関連付けること。
• ECG由来RR系列における二つの多分顕性推定手法（WTMMとMDFA）の性能および感受性を比較すること。
• 信号統合（累積RRインターバル）が多分顕性スペクトルおよびスケーリング行動に与える影響を評価すること。
• 日周リズムが、長距離相関を含めた多分顕性複雑性に測定可能な変化を引き起こすかどうかを評価すること。

提案手法

• RRインターバル時系列からのホルダー指数推定のため、多スケール係数を計算する波形変換モジュラス最大値法（WTMM）の適用。
• 複数のqモーメントにおけるパーティション関数およびスケーリング指数の計算のため、多分顕性デトレンドフラクタルフラクチュエーション解析（MDFA）の使用。
• パーティション関数P(q,a)から多分顕性スペクトルτ(q)を計算し、線形フィットを用いてスケーリング行動を推定。
• 非定常性の影響を最小限に抑えるために、39名の健康被験者のRRデータを5時間の覚醒期間と5時間の睡眠期間に分離。
• 生のRRインターバルと統合されたRR系列の比較により、累積ダイナミクス下での多分顕性構造の変化を評価。
• 多分顕性スペクトル内の濃度点を特定するため、τ(q)の線形化を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LF、VLF、ULF周波数帯における覚醒状態と睡眠状態のRRインターバル信号の多分顕性特性に、どのような差が認められるか？
• RQ2 WTMMおよびMDFA手法が、心拍変動性における多分顕性スケーリングの推定において、一貫性のある結果をもたらすか、あるいは相違する結果を示すか？
• RQ3 RRインターバルの統合が多分顕性スペクトルに影響を及ぼすか。その場合、長距離相関ダイナミクスにどのように反映されるか？
• RQ4 LF帯に確率的恒続性の証拠があるか。また、睡眠中の変動性の変化と比較して、その特徴は何か？
• RQ5 VLFおよびULF帯における多分顕性スペクトルは、心原発性突然死の予測因子であるLFおよび全死亡率の予測因子であるVLF/ULFと、既知の生理的予測要因と一致するか？

主な発見

• VLF帯では、覚醒状態の多分顕性スペクトルは幅広く、より高いホルダー指数（h ∈ (0.6, 0.8)）に集中している一方、睡眠状態では幅が狭く左シフト（h ∈ (0.3, 0.6)）しており、これは夜間休息時に変動性が低下していることを示している。
• VLF帯におけるWTMM解析では、覚醒状態のスペクトルがh < 0.2に集中しており、大振幅フラクチュエーションに対する感受性が向上していることが示唆される。一方、MDFAでは、覚醒時においてh = 0.3およびh = 0.6に二つの密集クラスタが観察された。
• ULF帯では、WTMMおよびMDFAの両手法とも、ホルダー指数がh = 0.2付近に集中しており、MDFAの結果は既知のDFAスケーリング（覚醒時α_DFA = 1、睡眠時α_DFA = 0.8）と整合的である。
• 統合RR系列では、WTMMスペクトルが生の系列と比較してh = 1だけ右シフトするが、MDFAスペクトルはほとんど変化しないことから、累積ダイナミクスに対する手法特異的な反応が示された。
• ULF帯の睡眠系列では、WTMMスペクトルが覚醒系列よりも広く、低h値における左翼優位性が認められ、休息時における粗さおよび複雑性の増加が示唆された。
• 生のRR系列におけるULF帯の多分顕性スペクトルはh = 0.2に中心を置き、WTMMスペクトルがMDFAと比較して広がっていることから、ウェーブレットベースの解析が微細スケールのフラクチュエーションに対してより感受性が高いことが示された。