成謝鋒, 嚴(yán) 誌, 馬 勇, 張學(xué)軍, 黃麗亞

(1.南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210003; 2.射頻集成與微組裝技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，南京 210003;3.南京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，南京 210094)

運(yùn)動(dòng)與年齡對(duì)心音混沌特性影響規(guī)律的研究

成謝鋒1,2, 嚴(yán) 誌1, 馬 勇3, 張學(xué)軍1,2, 黃麗亞1,2

(1.南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210003; 2.射頻集成與微組裝技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，南京 210003;3.南京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，南京 210094)

研究心音混沌特征隨著運(yùn)動(dòng)與年齡變化的規(guī)律。心音是一種非平穩(wěn)的非線性信號(hào)，具有典型的混沌特性，利用自制的肩帶式心音采集裝置采集運(yùn)動(dòng)環(huán)境下和不同年齡段的心音信號(hào)，然后對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行相空間重構(gòu)，給出在靜息、運(yùn)動(dòng)中、運(yùn)動(dòng)后三種狀態(tài)下的心音信號(hào)混沌吸引子，討論運(yùn)動(dòng)與年齡對(duì)心音混沌特性的影響，重點(diǎn)分析心音關(guān)聯(lián)維數(shù)的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①運(yùn)動(dòng)前靜息期、運(yùn)動(dòng)中期、運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期的心音信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)具有顯著差異性，長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)會(huì)使心音混沌特征參數(shù)趨于相對(duì)穩(wěn)定。②隨著年齡的增加，受人體心血管系統(tǒng)衰老和病理性雜音的影響，心音信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)呈下降趨勢(shì)，衰老是心音混沌特性漸變?yōu)榱愕倪^(guò)程。

心音、混沌、關(guān)聯(lián)維數(shù)、運(yùn)動(dòng)、年齡

心音信號(hào)作為人體最重要的生理信號(hào)之一，是由心臟在舒張和收縮運(yùn)動(dòng)過(guò)程中心肌、血液、心血管及瓣膜等機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生的復(fù)合音，它能反映心臟心房、心室瓣膜與血管的運(yùn)動(dòng)狀況，通過(guò)心音的變化可以了解人體某些生理和病理的改變[1]。然而，心音本身是一種非平穩(wěn)的非線性信號(hào)，傳統(tǒng)的時(shí)頻線性分析方法并不能反應(yīng)生物信號(hào)在復(fù)雜度與不規(guī)則性方面的變化，故無(wú)法揭示其內(nèi)在的非線性本質(zhì)。GLASS等[2]的研究認(rèn)為健康的心臟具有一定程度的固有可變性，它對(duì)應(yīng)著混沌狀態(tài)，且這種可變性的變化是心臟狀態(tài)改變的前兆。

目前，基于心電信號(hào)混沌特征的相關(guān)研究已取得了一系列成果。由于關(guān)聯(lián)維數(shù)是混沌時(shí)間序列特征的一種重要定量分析參數(shù)，該參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化可以從一定程度上反映心臟的調(diào)節(jié)能力和復(fù)雜度，有相關(guān)的研究表明該參數(shù)已成為某些心血管疾病的一種新的檢測(cè)指標(biāo)[3]。對(duì)于健康人的心電信號(hào)而言，其關(guān)聯(lián)維值較高，而二聯(lián)律患者的心電信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)值比健康人的低, 同時(shí)呈現(xiàn)出隨著病情加劇數(shù)值不斷減小的趨勢(shì)[4]。研究者們普遍認(rèn)為，這是心血管系統(tǒng)交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)間相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果, 這種良性競(jìng)爭(zhēng)的波動(dòng)能夠讓心臟隨時(shí)承受意外變化, 說(shuō)明心臟健康有力，能有效地抵抗病發(fā)。然而當(dāng)HRV(Heart Rate Variability )信號(hào)的關(guān)聯(lián)維數(shù)下降時(shí), 說(shuō)明心臟對(duì)于外界意外變化的反應(yīng)減緩甚至無(wú)法做出及時(shí)的反應(yīng), 這也就意味著患者心臟抵抗疾病能力的下降。因此，關(guān)聯(lián)維數(shù)的研究應(yīng)成為預(yù)判心血管系統(tǒng)健康狀況與抗疾病能力的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容[5-6]。國(guó)內(nèi)外有學(xué)者利用非線性方法對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行分析：在心電運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)方面，NAKAMURA等[7]觀察到運(yùn)動(dòng)后交感神經(jīng)興奮或迷走神經(jīng)抑制會(huì)隨著分?jǐn)?shù)維降低，李霞等[8-9]通過(guò)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷實(shí)驗(yàn)下采集到的心電信號(hào)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致心率變異復(fù)雜性的改變，同時(shí)非線性參數(shù)能夠區(qū)分不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下心率變異性的變化。在心率信號(hào)變異性隨年齡增加而變化方面，BECKERS等[10-11]觀察了275例不同年齡人群的心電信號(hào)，發(fā)現(xiàn)心臟電活動(dòng)的非線性行為會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而減弱。

然而心電信號(hào)雖然對(duì)與血液循環(huán)和血液組織狀態(tài)相關(guān)的分析與診斷比較有效，但是卻不能全面地反映心血管系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能變化情況。心音作為一種心臟產(chǎn)生的聲學(xué)信號(hào)，從其產(chǎn)生機(jī)理及與心臟瓣膜狀態(tài)的關(guān)系可知，心音信號(hào)中恰恰包含了心臟瓣膜狀態(tài)的豐富信息，可以有效反應(yīng)心臟心力貯備的自我調(diào)節(jié)與變化過(guò)程。與此同時(shí)，心音信號(hào)采集具有方便、無(wú)延遲的優(yōu)點(diǎn)，可以隔著衣服對(duì)測(cè)試者的心音進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，并且無(wú)需通過(guò)電極與皮膚接觸，減少了心電運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中汗液對(duì)電極傳導(dǎo)系數(shù)的影響，從而使采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠，因此所提取的混沌特征參數(shù)能更加準(zhǔn)確地表征心臟系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與變化。

本文采用實(shí)驗(yàn)為主導(dǎo)的方式討論運(yùn)動(dòng)與年齡對(duì)心音混沌特性的影響，重點(diǎn)分析各種情況下心音關(guān)聯(lián)維數(shù)的變化規(guī)律。通過(guò)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷實(shí)驗(yàn)這一研究中常用的誘發(fā)潛在性心血管類相關(guān)疾病的方法，同時(shí)結(jié)合對(duì)不同年齡人群心音混沌特征發(fā)展趨勢(shì)的分析，發(fā)現(xiàn)隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行以及年齡的增長(zhǎng)會(huì)引起心臟自適應(yīng)能力的變化，運(yùn)動(dòng)后會(huì)使心音混沌特性增強(qiáng)，衰老是心音混沌特性漸變?yōu)榱愕倪^(guò)程。研究結(jié)果表明心音關(guān)聯(lián)維數(shù)可作為一種人體心血管疾病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)性提高的定量評(píng)估指標(biāo)，將其嘗試與臨床檢測(cè)相結(jié)合可以更深入地研究心臟狀態(tài)變化的機(jī)制。

1 心音信號(hào)混沌特征的表征方法

1.1 心音信號(hào)的相空間重構(gòu)

因?yàn)槿我饣煦鐣r(shí)間序列的判定與分析都是建立在重構(gòu)相空間的基礎(chǔ)上。對(duì)于心音信號(hào)而言，相空間重構(gòu)是提取其混沌特征信息的重要方法，也是分析心音信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)大小的第一步。根據(jù)Takens定理，若用x(t),t=1,2,…,N表示為心音信號(hào)的觀測(cè)序列。選擇合適的時(shí)延tau以及嵌入維數(shù)m重構(gòu)系統(tǒng)相空間，由x(t)得到一組新的向量序列：

X(t)={x(t),x(t+τ),...,x[t+(m-1)τ]}T(1)

式中:t=1,2,…,M，M=N-(m-1)τ，τ為延遲時(shí)間。那么這個(gè)由心音信號(hào)觀測(cè)值及其延遲的值所構(gòu)成的m維狀態(tài)空間即為重構(gòu)的相空間，它與原始的狀態(tài)空間是微分同胚的。選取合適的重構(gòu)參數(shù)—延遲時(shí)間τ和嵌入維數(shù)m是進(jìn)行相空間重構(gòu)的關(guān)鍵。

1.2 互信息法確定時(shí)間延遲τ

由于互信息法具有保持時(shí)間序列的非線性特征的優(yōu)點(diǎn)，故其在時(shí)間延遲τ的選取上比較有優(yōu)勢(shì)，通過(guò)計(jì)算心音信號(hào)觀測(cè)序列的互信息函數(shù)

(2)

取I(τ)的第一個(gè)極小值點(diǎn)作為心音信號(hào)觀測(cè)序列的最優(yōu)時(shí)延。

1.3Cao法計(jì)算最佳嵌入維數(shù)m

在計(jì)算心音時(shí)間序列嵌入維數(shù)m方面，Cao法只需要時(shí)延τ一個(gè)參數(shù)，且計(jì)算效果較好，故得到了廣泛的應(yīng)用，定義：

(3)

1.4GP算法快速求解關(guān)聯(lián)維數(shù)

在對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行了相空間的重構(gòu)之后，就可以提取關(guān)聯(lián)維數(shù)這一度量心音混沌時(shí)間序列相空間吸引子復(fù)雜度的定量指標(biāo)。根據(jù)心音信號(hào)的物理特性和Takens嵌入定理[12],本文采用GP方法進(jìn)行快速計(jì)算。

對(duì)于心音信號(hào)進(jìn)行相空間重構(gòu)之后的M個(gè)點(diǎn)，計(jì)算其有關(guān)聯(lián)的向量對(duì)數(shù)，它在一切可能的M2種配對(duì)中所占的比例稱為關(guān)聯(lián)積分：

(4)

式中:θ(?)為Heaviside單位函數(shù)：

(5)

2 心音信號(hào)的采集與預(yù)處理

心音是一種極其微弱的聲信號(hào)，本文采用課題組設(shè)計(jì)如圖1(a) 所示的肩帶式心音采集器進(jìn)行采集(專利號(hào)：CN2013093000306700)。該裝置可緊貼佩戴者胸前實(shí)時(shí)采集心音，并將心音信號(hào)通過(guò)無(wú)線發(fā)射方式傳輸至PC端進(jìn)行分析與處理，為采集運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的心音提供了有力的支撐。

本文共采集了2類測(cè)試對(duì)象的心音信號(hào)。一類為不同年齡段：青年10～28歲心音9例，中年35～60歲8例，老年60～80歲5例，三組心音共22例，男女皆有。所有受試者均為竇性心律，無(wú)心血管病史。要求受試者在靜息狀態(tài)下均勻平靜呼吸，持續(xù)采集時(shí)間2分鐘。

另一類為不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè)試對(duì)象：10位平均年齡為25.2歲的健康男性在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)前(平靜狀態(tài))，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中(持續(xù)5 min的恒定速度自行車訓(xùn)練)，以及運(yùn)動(dòng)后靜息3 min所采集到不同狀態(tài)下的心音共30例。其中運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為測(cè)試者在體力充沛且未進(jìn)行熱身的情況下，在設(shè)置相同阻力檔位的HS-YD1系列功率自行車上所進(jìn)行的。測(cè)試者在實(shí)驗(yàn)開始后迅速盡力加速至15 km/h，并保持該恒定速率騎行5 min，之后開始采集心音，持續(xù)采集數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)2 min。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的心音采集需盡最大可能減少人為誤差，在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)使肩帶式心音采集器支架牢固包裹測(cè)試者左肩，將心音傳感器緊貼人體心臟的中心位置即可，并確保傳感器放置部位、對(duì)傳感器所施加壓力在全部測(cè)試過(guò)程中盡可能一致，同時(shí)告知測(cè)試者盡量避免上半身的大幅度運(yùn)動(dòng)，以免影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。最后，采用課題組設(shè)計(jì)的心音雙正交小波對(duì)采集的全部心音信號(hào)進(jìn)行去噪預(yù)處理[11]。如圖1(b)、(c)、(d)所示分別為一測(cè)試者通過(guò)肩帶式心音采集裝置在運(yùn)動(dòng)前、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中、運(yùn)動(dòng)靜息后3分鐘所采集到心音，從波形上可見不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心音在幅值、頻率等方面是有明顯差異的。

圖1 肩帶式心音采集器及不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的心音Fig.1 shoulder belt type heart sound collector and heart sounds of different motion state

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析

3.1 心音信號(hào)的混沌特征參數(shù)計(jì)算

基于式(2)和(3)對(duì)心音信號(hào)延遲時(shí)間與最小嵌入維數(shù)計(jì)算的理論基礎(chǔ)，以圖2(a)所示的12 000點(diǎn)心音信號(hào)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行重構(gòu)參數(shù)的計(jì)算。圖2(b)為通過(guò)互信息法所得該心音信號(hào)的互信息圖，取該圖中I(τ)的第一個(gè)極小值點(diǎn)作為其最優(yōu)的時(shí)延tau=10。同時(shí)，圖2(c)為通過(guò)Cao法計(jì)算心音信號(hào)最小嵌入維數(shù)的E1(m)與E2(m)分布圖，可知隨著嵌入維數(shù)的增加，E1(m)在特定值m=8后保持不變，且E2(m)的值會(huì)與E1(m)趨同，此處所得到的m即為最小嵌入維數(shù)。

圖2 一段心音信號(hào)的混沌特征參數(shù)計(jì)算Fig.2 The chaotic characteristic parameters of heart sound signals

3.2 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化對(duì)心音混沌特征的影響規(guī)律

運(yùn)動(dòng)負(fù)荷方法是目前臨床上常用于冠心病和心肌缺血疾病的模擬與檢測(cè)的重要手段之一，一般采用特定的運(yùn)動(dòng)方式逐漸增加心臟的負(fù)荷，觀測(cè)運(yùn)動(dòng)生理信號(hào)特征參數(shù)的變化來(lái)進(jìn)行相關(guān)分析，從而評(píng)價(jià)心臟狀態(tài)與心肌缺血的程度。目前常用的運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)方法包括階梯運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)、活動(dòng)平板試驗(yàn)和踏車運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)等。

許多研究結(jié)果表明，在運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程中，人體心血管系統(tǒng)的交感神經(jīng)呈現(xiàn)興奮狀態(tài)，而副交感神經(jīng)呈現(xiàn)抑制狀態(tài)[8]。這導(dǎo)致了自主神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)心臟調(diào)節(jié)功能的不平衡，這種不平衡狀態(tài)會(huì)引發(fā)心臟系統(tǒng)狀態(tài)的改變。以上有關(guān)心血管調(diào)節(jié)方面的模擬, 可以通過(guò)分析和提取運(yùn)動(dòng)負(fù)荷實(shí)驗(yàn)中心臟的HRV信號(hào)得知。然而這些實(shí)驗(yàn)都是基于心電信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)的研究。因此，采用新型便攜裝置測(cè)量心音信號(hào)分析在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下心臟混沌參數(shù)的變化規(guī)律是一個(gè)新的研究?jī)?nèi)容。

對(duì)靜息、運(yùn)動(dòng)中、運(yùn)動(dòng)恢復(fù)后的10人共30個(gè)心音信號(hào)進(jìn)行混沌特征分析。首先分別求得每個(gè)心音信號(hào)的最優(yōu)時(shí)延和最小嵌入維數(shù)并進(jìn)行系統(tǒng)相空間重構(gòu)。如圖3(a)、(b)、(c)左側(cè)圖所示，為同一測(cè)試對(duì)象在靜息、運(yùn)動(dòng)中、運(yùn)動(dòng)后三種狀態(tài)下心音信號(hào)的吸引子重構(gòu)圖?？梢悦黠@看出不同狀態(tài)下心音的重構(gòu)吸引子在軌跡分布的復(fù)雜度以及分布區(qū)域大小方面有著顯著的區(qū)別。

圖3 某一測(cè)試者在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下心音吸引子相圖與關(guān)聯(lián)積分分布 Fig.3 Under different motion state attractor phase diagram and the correlation integral distribution for heart sounds of a tester

然后采用GP方法進(jìn)行心音信號(hào)的關(guān)聯(lián)維數(shù)的計(jì)算，圖3(a)、(b)、(c)右側(cè)圖分別為同一測(cè)試對(duì)象在靜息、運(yùn)動(dòng)中、運(yùn)動(dòng)后三種狀態(tài)下心音信號(hào)所對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)積分lnCm(r)-lnr分布曲線，自上而下嵌入維數(shù)m由2逐漸增大到20，Δm=2。確定該分布圖中的標(biāo)度區(qū)，即lnCm(r)與lnr關(guān)系的曲線圖在飽和區(qū)域所存在的線性相關(guān)部分，用最小二乘法擬合上述區(qū)域中的點(diǎn)，所得到的擬合直線斜率即為心音信號(hào)的關(guān)聯(lián)維數(shù)D。若系統(tǒng)為存在混沌特性，那么隨著嵌入維數(shù)m的增加，關(guān)聯(lián)維數(shù)也有所增加，但當(dāng)m增加到一定程度時(shí)，關(guān)聯(lián)維數(shù)會(huì)逐漸呈現(xiàn)收斂的趨勢(shì)。圖4所示為同一測(cè)試對(duì)象在靜息、運(yùn)動(dòng)中、運(yùn)動(dòng)恢復(fù)后三種狀態(tài)下心音關(guān)聯(lián)維數(shù)隨嵌入維數(shù)變化趨勢(shì)圖，當(dāng)嵌入維數(shù)m>16后，曲線趨于穩(wěn)定，分別計(jì)算m=16,18,20時(shí)的關(guān)聯(lián)維數(shù)，然后計(jì)算三者的平均值，作為心音關(guān)聯(lián)維數(shù)D的值。

圖4 某一測(cè)試者心音關(guān)聯(lián)維數(shù)隨嵌入維數(shù)變化趨勢(shì)圖Fig.4 Heart sounds correlation dimension with the embedding dimension change trend chart for a tester

圖5 10位測(cè)試者心音關(guān)聯(lián)維數(shù)在靜息、運(yùn)動(dòng)中、運(yùn)動(dòng)后三種狀態(tài)下的變化示意圖Fig.5 Change of correlative dimension of heart sound on rest, during movement, after movement for 10 testers

計(jì)算10位測(cè)試者在靜息、運(yùn)動(dòng)中、運(yùn)動(dòng)恢復(fù)后三種狀態(tài)下的心音信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)測(cè)試者靜息時(shí)心音信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)較高，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)聯(lián)維數(shù)下降，下降比例為12.3%～53.8%，這是因?yàn)槿嗽谶\(yùn)動(dòng)的過(guò)程中心率加快，自主神經(jīng)中的交感神經(jīng)部分變得興奮而迷走神經(jīng)部分受到了抑制，這種變化破壞了人體自主神經(jīng)的平衡，使心臟心率變異性減弱，進(jìn)而模擬出近似心臟受疾病影響的狀態(tài)。這導(dǎo)致了心血管系統(tǒng)心臟調(diào)節(jié)的能力降低，使心臟混沌性減弱，進(jìn)而引起了心音關(guān)聯(lián)維數(shù)的下降。最后，在運(yùn)動(dòng)結(jié)束恢復(fù)3分鐘的過(guò)程中，測(cè)試者的心音關(guān)聯(lián)維數(shù)開始逐漸恢復(fù)，上升比例為7.8%～48.5%。這是因?yàn)榛謴?fù)階段有一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，心率需要逐漸降低，心臟在進(jìn)行不斷的調(diào)節(jié)使交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)之間達(dá)到新的平衡，在這個(gè)過(guò)程中影響心血管變化狀況的因子增多,調(diào)節(jié)過(guò)程變得復(fù)雜，心血管系統(tǒng)的混沌性再次得到強(qiáng)化。經(jīng)調(diào)查，測(cè)試對(duì)象中愛好運(yùn)動(dòng)的人在靜息時(shí)的心音關(guān)聯(lián)維數(shù)最大(D=5.57)，運(yùn)動(dòng)中、運(yùn)動(dòng)恢復(fù)后的心音關(guān)聯(lián)維數(shù)變化范圍較小，所以，運(yùn)動(dòng)會(huì)使心音混沌特性增強(qiáng)，長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)會(huì)使心音混沌特征參數(shù)趨于相對(duì)穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)帶來(lái)健康。

3.3 年齡變化對(duì)心音混沌特征的影響規(guī)律

年齡是心血管疾病的一個(gè)獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)因子。關(guān)于年齡對(duì)HRV的影響，國(guó)外研究者已經(jīng)做了大量的研究，并取得了豐富的成果。GOLDBERGER等[14]在PNAS一篇綜述中，指出健康生理控制系統(tǒng)中的非線性復(fù)雜性會(huì)隨著年齡增長(zhǎng)和疾病的出現(xiàn)而顯著下降，這意味著個(gè)體適應(yīng)能力的降低。該結(jié)論源自對(duì)人體心臟節(jié)律(HRV)和步態(tài)(gait)的研究成果。楊小冬認(rèn)為心肌在迷走神經(jīng)及交感神經(jīng)的調(diào)節(jié)下會(huì)表現(xiàn)出變力性、變時(shí)性和變傳導(dǎo)性等多方面特性，同時(shí)，年齡對(duì)自主神經(jīng)功能的影響主要體現(xiàn)在迷走神經(jīng)上。

上述法律人士同時(shí)表示，在司法實(shí)踐中，罰金刑經(jīng)常會(huì)遇到執(zhí)行難問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，有不少法院會(huì)以從輕處罰作為交換條件，促使被告人在正式宣判之前先繳納罰金，從而解決“判了白判”的問(wèn)題。所以，開庭前催罰金也就成了不少法院（尤其是基層法院）的普遍做法。

綜上，從人體生理的角度可以認(rèn)為，隨著年齡的衰老，迷走神經(jīng)將會(huì)退化，對(duì)心肌的調(diào)節(jié)作用將會(huì)減弱，使得心肌收縮功能下降，同時(shí)心臟的自適應(yīng)能力也隨之下降。這引發(fā)了心臟系統(tǒng)狀態(tài)變量觀測(cè)值時(shí)間序列中所包含的信息量減少，引起了心血管混沌參數(shù)的下降。

一般認(rèn)為，當(dāng)參與輸出信號(hào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)因素增加或者系統(tǒng)的復(fù)雜性增加時(shí)，系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)維數(shù)會(huì)呈現(xiàn)較高的數(shù)值，這也意味著系統(tǒng)中點(diǎn)與點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)程度變得更加緊密；而當(dāng)關(guān)聯(lián)維數(shù)比較小時(shí)，說(shuō)明參與輸出信號(hào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)因素減少，系統(tǒng)的復(fù)雜性降低。本文對(duì)采集到的不同年齡段人群的心音信號(hào)進(jìn)行混沌特性分析，計(jì)算出3組年齡段22個(gè)心音的關(guān)聯(lián)維數(shù)，并用作圖法作線性擬合直觀表現(xiàn)出關(guān)聯(lián)維數(shù)隨年齡增加的變化趨勢(shì)。如圖6所示的心音關(guān)聯(lián)維數(shù)隨年齡變化趨勢(shì)圖。

圖6 心音關(guān)聯(lián)維數(shù)隨年齡變化趨勢(shì)圖Fig.6 Heart sounds correlation dimension change tendency with the age

從圖6可見，心音關(guān)聯(lián)維數(shù)與年齡有明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系, 并且其線性回歸方程的P值小于0.01,具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。隨著年齡的增長(zhǎng)，心音的關(guān)聯(lián)維數(shù)總體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性擬合可得到心音關(guān)聯(lián)維數(shù)隨年齡變化的預(yù)測(cè)方程是：

Y=4.519 77-0.039 8X

(6)

令Y=0，則X=113.562 1，即人的心音關(guān)聯(lián)維數(shù)約在113歲的時(shí)候趨向于0，每年心音關(guān)聯(lián)維數(shù)平均降低0.039 8%，心音的混沌特性完全消失，這也證明通常描述人類的最長(zhǎng)壽命大約是125歲[13]是有一定理論基礎(chǔ)的。

中青年人群心音的非線性混沌特征呈現(xiàn)較高的數(shù)值,說(shuō)明該年齡層次，心音信號(hào)中S1、S2幅值較強(qiáng)，影響心血管變化狀況的因子較多,調(diào)節(jié)過(guò)程比較復(fù)雜，心臟系統(tǒng)表現(xiàn)出更強(qiáng)的混沌狀態(tài)，從而令心臟非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜化。而老年人心血管系統(tǒng)心臟調(diào)節(jié)能力降低，導(dǎo)致心音信號(hào)中S1和S2強(qiáng)度減弱，同時(shí)受異常病理性心臟雜音影響，導(dǎo)致心血管系統(tǒng)的混沌特征減弱，趨向有序運(yùn)動(dòng)，故衰老是心音混沌特性漸變?yōu)榱愕倪^(guò)程。

3 結(jié) 論

心音是一種不用直接接觸人體皮膚就可以采集的人體生理信號(hào)，并且使用我們?cè)O(shè)計(jì)的肩帶式心音傳感器能夠穿戴方便快速采集靜息、運(yùn)動(dòng)中、運(yùn)動(dòng)后三種狀態(tài)下的心音信號(hào)。通過(guò)研究運(yùn)動(dòng)與年齡對(duì)心音混沌特性的影響，我們獲得一些有益的結(jié)論：

(1)由靜息進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后的心音信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)值變小12.3%～53.8%，運(yùn)動(dòng)恢復(fù)狀態(tài)后心音信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)值上升比例為7.8%～48.5%，這說(shuō)明測(cè)試對(duì)象的心臟自動(dòng)調(diào)節(jié)能力因人而異, 愛好運(yùn)動(dòng)的人在靜息時(shí)的心音關(guān)聯(lián)維數(shù)較大，運(yùn)動(dòng)中、運(yùn)動(dòng)恢復(fù)后的心音關(guān)聯(lián)維數(shù)變化范圍較小。所以，運(yùn)動(dòng)過(guò)程會(huì)使心音混沌特性增強(qiáng)，堅(jiān)持運(yùn)動(dòng)會(huì)使心音混沌特征參數(shù)趨于穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)帶來(lái)健康。

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[15] http://wenwen.sogou.com/z/q270913157.htm.

Influences of exercise and age on heart sound chaotic characteristics

CHENG Xiefeng1,2, YAN Zhi1, MA Yong3, ZHANG Xuejun1,2, HUANG Liya1,2

(1. College of Electronic Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China;2. National and Local Joint Engineering Laboratory of RF Integration and Technology Micro-Assembly Technology, Nanjing 210003, China;3. School of Computer Science, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Here, the chaotic characteristics of heart sound influenced by exercise and age were discussed. Heart sound was a kind of non-stationary and nonlinear signals with typical chaotic characteristics. A homemade shoulder belt heart sound-sampling device was used to collect heart sound signals under different movement states and different ages, then they were reconstructed in phase space, the chaotic attractor’s of heart sound signals were given under the states of resting, in exercise and after exercise. The effects of exercise and age on chaotic characteristics of heart sound signals were discussed and analyzing the laws of heart sound correlation dimension was focused on. The test results showed that ① the correlation dimensions of heart sound before exercise, in exercise and after exercise have obvious differences, long-term exercise makes the chaotic characteristic parameter of heart sound approach into a stable level; ② with increase in age, due to the effects of human cardiovascular system growing older and pathological murmurs, the correlation dimension of heart sound decreases; growing older is a process of chaotic characteristics of heart sound gradually becoming zero.

heart sound; chaos; correlation dimension; exercise; age

國(guó)家自然科學(xué)基金(61271334;61373065)

2015-07-28 修改稿收到日期：2016-01-02

成謝鋒 男，教授,博士生導(dǎo)師，1956年4月生

U467.1；TN911.7

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.01.026