[논문 리뷰] Is Human Atrial Fibrillation Stochastic or Deterministic?

Konstantinos N. Aronis, Ronald D. Berger외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 25.

Complex Systems and Time Series Analysis참고 문헌 64인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 심내전기기록을 이용한 순서 패턴 통계 및 인과 엔트로피 복잡도 평면 분석을 통해 인간 심방 fibrillation(AF)이 결정론적 또는 확률론적 메커니즘에 의해 유도되는지 조사한다. 저자들은 AF에서 결정론적 성향을 강력하게 규명하여, 무작위 잡음이 아닌 비선형 역학적 동역학이 기반에 존재함을 시사하며, 이는 더 효과적인 레이저 아블레이션 전략 개발에 기여할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 인간 심방 fibrillation(AF)이 결정론적 또는 확률론적 과정에 의해 유도되는지 규명하는 것.
• 심내전기기록을 이용해 AF 동역학에서 저차원 혼돈의 존재를 평가하는 것.
• 실험적 잡음과 짧은 시간 시리즈가 AF에서 결정론성 탐지에 영향을 미치는지 평가하는 것.
• 심장 부정맥에서 결정론적 동역학과 확률론적 성향을 정량적으로 구분할 수 있는 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 심내전기기록 시간 시리즈를 상징적 시퀀스로 변환하기 위해 Bandt-Pompe 상징적 역학 방법을 적용하는 것.
• 결정론의 척도로 사용되는 누락된 순서 패턴 수를 평가하는 것.
• 시간 시리즈 길이 증가에 따른 누락된 순서 패턴의 감쇠 속도를 분석하여 결정론적 구조를 유추하는 것.
• 결정론적 과정와 확률론적 과정를 구분하기 위해 인과 엔트로피 복잡도 평면을 구성하는 것.
• 결정론적 가설에 대한 검증을 위해 서로 가공된 데이터 테스트를 수행하는 것.
• 다양한 상징적 역학 지표를 조합하여 잡음과 제한된 데이터에 대한 강건성을 향상시키는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인간 심방 fibrillation은 결정론적 과정인지, 확률론적 과정인지 생성되는가?
• RQ2 잡음과 짧은 기록 기간에도 불구하고 인간 AF 전기기록에서 저차원 결정론적 동역학을 탐지할 수 있는가?
• RQ3 AF 데이터의 순서 패턴 통계적 성질이 비선형 결정론적 동역학의 존재를 뒷받침하는가?
• RQ4 인과 엔트로피 복잡도 평면은 결정론적 AF 동역학과 확률론적 대안을 신뢰성 있게 구분할 수 있는가?
• RQ5 기본 메커니즘에 대한 이해 부족으로 인해 기존 아블레이션 접근 방식이 어느 정도 실패하는가?

주요 결과

• AF 기록에서 누락된 순서 패턴 수는 확률론적 과정에 비해 유의미하게 낮았으며, 이는 결정론적 성향을 시사한다.
• 시간 시리즈 길이 증가에 따른 누락된 순서 패턴 감쇠 속도는 잡음이 아닌 결정론적 동역학과 일치하였다.
• 인과 엔트로피 복잡도 평면 분석 결과, AF 데이터는 결정론적 시스템의 특징을 보이는 영역에 위치하였으며, 확률론적 시스템과는 다를 바가 있었다.
• 결과는 실험적 잡음과 짧은 시간 시리즈에 대해 강건하여, 연구 결과의 신뢰성을 뒷받침한다.
• 이 연구는 인간 AF가 무작위 과정이 아닌 결정론적 비선형 동역학에 의해 지배된다는 강력한 증거를 제공한다.
• 이러한 발견은 AF가 비선형 동역학 시스템 원리에 기반한 표적 치료에 적합할 수 있음을 시사하며, 아블레이션 결과 향상에 기여할 수 있다.