目前临床普遍采用的动力障碍性疾病诊断仪器,如液体灌注式测压、电子恒压器等,需要清肠、禁食等前期处理,患者痛苦大,测得的生理参数也是在充盈状态下的数据,结果不够真实。这些因素不仅大大制约了临床对动力性疾病的诊查效果,也导致长期以来医学界对健康者和患者胃肠运动及其变化规律的了解不够全面,对胃肠道动力性能的评价缺乏科学、客观的标准。 本文以国家自然科学基金资助项目和国家高技术研究发展计划资助项目(863项目)为依托,研究了人体消化道生理信号无创检测技术,力图在正常生理状态下,获取实时监测数据,并进行了非线性动力学分析,以期在整体上对压力活动作深入了解。本研究预期对人类保健普查、消化系统动力性疾病的诊查,构建数字化医疗信息档案等发挥进一步的推动作用。 本文的具体研究内容主要包括以下几个方面: 1.介绍了消化道测压意义及国外相关的研究现状,并针对国内经济发展水平和实际需求,提出了适合于我们的人体消化道生理信号无创检测系统.探讨了该系统的组成、各功能模块设计、系统工作原理及数据处理和分析流程。 2.提出了基于概率神经网络的遗传算法搜索最优特征子集,用以表征结肠压力活动,并对结肠段特征进行了模式分类。然后用单因素方差分析和盒图,进行了胃段和小肠段的特征分类显著性检验。 3.为了了解胃消化间期压力活动的平方相位耦合结构,应用了兼备功率谱和高阶谱优良特性的对角切片谱,该方法包含相位信息,计算简单,二维图形显示,易于理解.针对我们感兴趣的频域范围,同时为了获得更高的频率分辨率,提出了基于小波和小波包变换的对角切片谱平方相位耦合分析方法。利用该方法,提取了1～12cpm范围内的胃消化间期压力活动的平方相位耦合关系。 4.结肠压力活动时间序列的自相关函数下降比指数规律还慢,呈双曲线缓慢下降,是一个典型的长记忆过程。本文应用了自相关分析、重标极差分析、功率谱分析和消除趋势波动分析研究了结肠压力活动及其替代模型和削波模型的长程相关性改变情况。结果表明,结肠将来的收缩活动对过去具有长期的记忆特性,即过去持续强有力的时相性收缩活动可能导致将来持续强有力的时相性收缩活动,反之亦然.而对异常结肠压力活动,这种长程相关特性则减弱,甚至消失。 5.研究了结肠压力活动的非线性混沌特性。结肠是一个复杂的动力学组织,其压力活动局部无规律,但整体上规整,有一定的节律,这正是混沌系统所表现的特征。研究表明,正常结肠压力活动具有混沌特性,其表征混沌特性的指标一相关维数为非整数而最大Lyapunov指数为正值；而异常结肠压力活动的混沌状态则可能遭到破坏。 6.最后简单研究了结肠压力活动的分形特征。用计盒法估计分形维数,结果显示正常结肠压力活动具有丰富的结构,其分形维数为非整数；而动力异常时的结肠压力活动波形更为“粗糙”,几何结构变得相对简单,表征其分形特征的分形维数变大；而消化间期结肠压力活动波动频率变缓,尖峰峰值变小,几何波形相对平坦,分形维数比正常结肠压力活动要低得多。 上述长程相关性分析、混沌特性分析和分形分析是从非线性理论的三个不同角度进行了结肠压力活动的非线性动力学分析。其中,混沌特性分析是从时间序列的相空间重构角度进行分析,分形分析则是从时间序列的几何结构和表面形貌进行分析,而长程相关性分析则是研究时间序列未来对过去的记忆特性。具有混沌特征和分形几何结构的时间序列一般都有长程相关特性,结肠压力活动就是这样的例子。 尽管本文提出了基于遗传算法和概率神经网络的特征分类方法,应用了诸如相位耦合分析、长程相关分析、混沌特性分析和分形分析等非线性动力学分析方法,但由于人体消化道生理信号无创检测系统距离临床应用还有一定差距,这些方法还有待于今后更多临床实验数据的验证。因此,在论文的最后,对整个论文的工作和研究成果进行了总结,并提出了下一步需要解决的问题和进一步研究工作内容。