用于分析瓦尔萨尔瓦动作心率与血压时间序列数据的软件

我的研究涉及生理数据的分析方法开发。我的主要研究方向是用于评估心血管疾病以及心血管系统与激素系统相互作用所采集的数据。近年来的研究进展将机制建模与数据科学相结合，用于患者表型分类、构建替代模型以及开发数字孪生体。本研究开发了一款软件，能够以可重复的方式从瓦尔萨尔瓦动作（Valsalva maneuver）期间测得的心电图（ECG）和血压信号中提取生物标志物。瓦尔萨尔瓦动作是一种用于评估自主神经调控系统功能的生理测试。作为一名应用数学家，我的主要贡献在于利用多种编程语言（包括 MATLAB、C++、Fortran 和 R）开发计算方法。除了瓦尔萨尔瓦分析软件外，我的研究还包括开发整合影像学与血流动力学数据的计算模型，用于血管网络分析。该瓦尔萨尔瓦分析软件提供了一种算法，能够以可重复的方式提取所有已知的心率和血压生物标志物，并利用数学模型揭示无法直接测量的交感神经和副交感神经信号标志物。该软件可协助临床医生诊断自主神经功能障碍患者。

[讲师] 首先，使用数字血压袖带持续测量非优势手食指和中指的血压。将手置于心脏水平，以消除重力影响。将电极等距放置于心脏两侧。将白色心电图（ECG）导联置于心房左侧，黑色ECG导联置于心房右侧，红色ECG导联置于左侧肋笼下缘。完成仪器连接后，指导受试者通过向连接压力计的正压呼气末压力装置吹气，执行瓦尔萨尔瓦动作（Valsalva maneuver）。在执行瓦尔萨尔瓦动作前后，至少记录30秒稳定的信号。执行瓦尔萨尔瓦动作时，要求受试者持续呼气15秒，维持40毫米汞柱的压力。要以1000赫兹的采样率将LabChart中的信号导出至MATLAB，请使用鼠标选择需导出的信号段。在“导出为MATLAB”菜单中，选择包含心率（HR）、血压（BP）、心电图（ECG）以及（如已测量）胸内压的通道，此处为通道一至三。选择32位浮点格式，上采样至相同速率，并取消注释中的注释和事件标记。点击“确定”导出.MAP文件，或点击“取消”终止导出。从弹出菜单中选择图形参数，选择软件平台类型、图形字体大小、标记大小和线宽，然后点击“确定”接受设置并进入患者选择步骤。在“患者选择”菜单中，选择待分析的患者。使用鼠标从列表中选择任意数量的患者，点击“确定”进入下一步。在“操作选择”菜单中，按降序选择要执行的操作。选择操作步骤一后，选择患者信息。点击“确定”继续。在弹出菜单中输入患者信息，包括患者编号、年龄、性别、身高和体重，然后点击“确定”继续。新的弹出菜单将出现。在此菜单中，输入ECG、HR、BP和胸内压信号的通道顺序。若未测量胸内压，则输入零。屏幕上将显示一幅图形，包含ECG、心率和血压随时间变化的图示。选择待分析的数据，包括瓦尔萨尔瓦动作前后约30秒的数据段。将十字光标移至起始位置并单击鼠标一次，再移至结束位置单击第二次。所选数据将在图中以红色显示。点击“保存并退出”。在操作选择菜单中选择步骤二：心电图（ECG）。此时图形将显示ECG信号。若存在峰位错置，可在弹出菜单中点击“是”进行修正。在下一个菜单中点击“确定”，使用手形工具向右滚动，直至需要修正的峰出现在窗口中。若存在缺失峰、错位峰或多余峰标记，请滚动至该峰位置。按下键盘上的回车键，弹出菜单将提示：“是否要修正RS点？”点击“是”以修正点，或点击“否”返回操作菜单。随后出现一个菜单，选项为“点击要修正的点”。点击“确定”，将十字光标置于需要修正的点上。下一个菜单将提示：“添加或删除点？”若要添加点，点击“添加”，标记点将以红色或蓝色显示。程序将根据点击的精确位置将该点分类为R波或S波。若要删除点，点击“删除”，标记点将被移除。按下键盘回车键。当提示“是否要修正点？”时，若点击“否”，而R波与S波峰的数量不相等，系统将弹出新菜单提示：“R波与S波峰的数量必须相等，请检查数据。”点击“确定”，程序将返回峰位修正步骤。在操作选择菜单中选择步骤三：心率。图形上方显示心率，下方显示ECG。若心率信号无伪迹，点击“保存并退出”，返回患者选择界面。若数据存在错误，点击“修正心率”。沿心率信号滚动并定位伪迹区域。当查看到需要修正的区域时，按下键盘回车键。在弹出的菜单“点击连接点”中点击“确定”。将十字光标对准伪迹前的第一个点，单击鼠标一次；再对准伪迹后的第一个点，再次单击鼠标。两点之间将通过线性样条连接。屏幕上将弹出菜单询问：“接受更改？”可选择“是”、“撤销”或“添加更改”。此时图形上方显示心率，下方显示ECG。确认无误后，点击“保存并退出”。在操作选择菜单中选择步骤四：呼吸。呼吸信号由QRS波群的幅度生成。点击“保存并退出”以保存图形。在操作选择菜单中选择步骤五：血压。将十字光标对准血压峰值并单击鼠标一次，再对准右侧下一个峰值并再次单击。图形将显示自动检测到的收缩压和舒张压信号。弹出菜单提示：“是否要修正收缩压点？”点击“是”继续，或点击“否”进入舒张压修正步骤。点击伪迹前最后一个正确的收缩压值，然后在应有血压的位置添加新点。再点击伪迹后第一个正确的点并按下回车键。一条红色虚线将显示修正后的收缩压。向右滚动至信号末端，按下回车键，继续修正舒张压。舒张压修正开始时，弹出菜单提示：“是否要修正舒张压点？”点击“是”进行修正，或点击“否”继续。点击“保存并退出”返回患者选择界面。在操作选择菜单中选择步骤六：瓦尔萨尔瓦动作（VM）各阶段。为标记瓦尔萨尔瓦动作的开始，将十字光标对准屏气起始点并单击一次；随后对准屏气结束点并单击一次，标记动作结束。弹出菜单提示：“接受指标？”点击“是”完成操作，或点击“否”检查由垂直线划分的各阶段自动检测结果。在操作选择菜单中选择步骤七：临床比值。图形上方显示收缩压，中间为心率，下方为RR间期。检查以圆形标记标注的特征值。若所有点均正确，点击“是”；否则点击“否”进行调整。屏幕上将出现“选择要移动的点”菜单。可选择一个、多个或全部点。点击“确定”继续，或点击“取消”跳过修改。运行步骤八：模型预测（标称值），生成包含四个图示的图形。左侧上方图示为随时间变化的收缩压，下方为胸内压，作为模型输入；右上方为实测心率与预测心率，右下方为预测的交感神经与副交感神经信号。接下来的敏感性分析与优化步骤无需用户干预，运行时间为2至5分钟。这些步骤将数学模型与数据进行校准，以估计交感神经与副交感神经的动态变化。完成敏感性分析与优化后，选择步骤11：绘制模型预测结果，弹出菜单提示：“选择要显示的模型预测”。选择“优化”以显示使用校准后模型的预测结果。结果图示布局与标称模型预测相同。点击右下角的“保存并退出”继续。打开“保存数据”菜单，提示“输入数据汇总文件名”。在文本框中输入首选文件名。第二个菜单出现，提示用户选择文件格式。可选择.XLSX或逗号分隔文件。保存的文件包含患者信息、临床标记、回归线以及标称或优化后的参数值。ECG信号修正成功消除了除一个数据集外所有数据集的心率修正需求，其中受试者八表现出不规则ECG模式。对受试者八进行心率修正后，得到平滑的心率信号，调整后与其他受试者一致。呼吸信号通过ECG数据中的QRS波群幅度推导得出，有效预测了胸内压变化。软件在胸内压计算中可交替使用QRS波。血压修正用于解决因传感器误差导致的漏搏和错误峰值检测问题。在瓦尔萨尔瓦动作期间，心率波动导致软件漏检峰值，需进行血压修正。收缩压和舒张压信号通过分段线性样条插值进行修正，确保血压波形的准确重建。软件成功识别了瓦尔萨尔瓦动作的各阶段和临床标记，但部分仍需手动修正。早期第四阶段的最大血压和最小心率错位已修正，提高了回归准确性。第二和第四阶段早期的回归线已计算完成，并包含R平方值以评估质量。