基于分形的心电信号复杂度及其非线性动力学机制

体表心电图(electrocardiogram, ECG)信号是典型的非平稳谐和变频信号,属于非线性信号.传统的线性分析方法并不能很好地揭示ECG信号非线性本质.本研究采用多重分形理论,研究了大量样本同步十二导联心电图信号的奇异谱面积,经方差分析(analysis of variance, ANOVA)检验,该参数对所研究人群各导联均统计可分.结果显示,健康年轻人(healthy young, HY)十二导联ECG信号奇异谱面积的算术均值最大、离散度最小,而心梗(myocardial infraction, MI)患者十二导联ECG信号奇异谱面积算术均值最小、离散度最大,其他人群如心肌缺血(ischemia)患者、健康老年人(healthy old, HO)这两个值均处于中等大小水平.表明随着病变程度加深,心脏组织类分形结构受损或者发生结构改变,导致心电系统非线性动力学复杂程度降低,同时增加了心电信号传播的不规则性和各向异性.另外研究发现, ECG信号奇异谱面积在一定程度上反映了人体自主神经控制的强弱.随着年龄增长,奇异谱面积的十二导联均值逐渐减小,提示自主神经的自律控制功能逐渐减弱; ECG信号非线性复杂性下降,由多重分形趋向单重分形,意味着个体适应能力的降低.     

短时心率变异符号序列的熵分析方法

使用复杂性和非线性方法研究心率变异(heart rate variability, HRV)信号时序和结构中的规律, 对揭示心血管调节的潜在规律和生理本质具有重要的研究价值, 而研究适用于短时HRV信号的方法更具有重要的临床应用价值. 根据HRV信号方向信息的特点, 提出了符号序列的熵分析(sign series entropy analysis, SSEA)方法, 并将其应用于实际HRV信号的分析. 结果显示, SSEA方法能从短时HRV信号中敏感地检测出生理和病理状态的变化, 并且受信号噪声和非平稳性的影响较小, 为临床HRV信号或其他复杂生理信号分析提供了一个有效的方法.     

心脏电活动过程的非线性分析

非线性科学是国内外科学研究中的热点, 其研究涉及确定性和随机性、有序和无序、简单性和复杂性等范畴和概念上的认识与深化, 对于整个自然科学, 包括生命科学的发展都有着重大的影响. 生命体是自然界中最复杂的非线性系统之一. 非线性系统的一种极为重要的运动形态就是混沌, 它研究的是自然界非线性过程内在随机性所具有的特殊规律性. 而与混沌密切相关的分形是指一类极其零碎而复杂、但有其自相似性或自仿射性的体系, 混沌中的混沌吸引子就存在着无穷嵌套的自相似几何结构. 近20多年来, 国内外研究人员对生命循环系统的核心部分——心脏电活动的非线性特性做了深入的研究. 除了用关联维数、李雅普诺夫指数和柯氏熵等对心电信号(HRV, ECG)进行分析, 以及用多重分形谱面积特性参数对ECG信号进行分析并取得重要的进展外, 最近在短时HRV和高频心电信号数据的非线性参数的探索上也得到了满意的结果, 在临床观察疗效和早期诊断等方面具有广泛而重要的应用价值. 本文评述了心电信号非线性特性分析的现状和进展, 指出了以某些适用于短数据的非线性敏感特征量及其估计算法, 用于生理系统的动态过程和临床有效性研究是今后值得关注的研究方向.     

猫外膝体细胞对二阶信号刺激的时间反应特性

视觉系统不仅能通过亮度的不同, 还可以通过对比度、纹理等信息从背景环境中识别出物体. 视觉研究中常把前一种由亮度信息产生的信号称为一阶信号, 后一种由非平均亮度变化信息(如对比度、纹理等)产生的信号称为二阶信号. 视觉系统中二阶信号和一阶信号的处理是由相同还是不同的通路来完成的, 这是研究者们广泛关心的问题. 本研究采用在体胞外记录的方法研究了猫外膝体细胞对二阶信号刺激的时间频率反应特性. 结果显示, 大多数外膝体细胞对二阶信号存在调制反应, 但反应强度低于对应的一阶信号, 且两类信号反应差异的程度随时间频率的增高而逐渐增大, 同时二阶信号反应中的非线性成分与线性成分的比值要显著高于一阶信号反应. 结果还显示, 外膝体神经元中的Y细胞对二阶信号的反应强度要高于X细胞, 提示Y细胞可能在二阶信号的传递过程中起着更主要的作用. 结果揭示, 在猫外膝体上一阶信号和二阶信号的处理可能是由两类不同的传递通路来完成的.     

基于微量量热技术与化学计量学表征的角类动物药质量生物评价研究

着眼于捕获微生物生长代谢过程中能量变化规律, 采用微量量热技术研究名贵角类动物药(鹿茸、鹿角、羚羊角)对大肠杆菌生长代谢的干预作用, 以热谱曲线相似性和生物热动力学参数如第一生长速率常数(k₁), 第一阶段最大发热功率(P₁)、达峰时间(T₁)、发热量(Q₁), 第二阶段最大发热功率(P₂)、达峰时间(T₂)、发热量(Q₂)为评价指标, 借助化学计量学对生物热动力学特征参数信息进行辨识与抽提. 结果表明, 羚羊角与空白样品之间的相似性较鹿茸、鹿角低; 鹿茸、鹿角可增加微生物生长代谢过程能量(热量), 而羚羊角与之相反. 由此提示, 运用微量量热技术结合化学计量学, 以热谱曲线相似性表征生物活性谱(定性), 以生物热动力学特征参数表征生物效价值(定量), 可实现定性定量评价不同角类动物药的生物活性.     

16导脑电信号分形强度的交叉分布

通过分析人闭目觉醒时的16导脑电信号(EEG)的多重分形特性, 发现人脑16导EEG信号具有不同强度的分形特性且存在稳定的分布现象, 强弱分布表现为在人脑的左右对应区域强弱相对、同侧相邻区域强弱交叉; 顶区、额区、前颞区、后颞区的左右对应区信号的分形强度左强右弱, 且左右差别较大; 在枕区、中央区、前额、中颞区分形强度右强左弱, 且左右差值较小. 通过对40名病人和10名健康人的分析和对比, 病人组和健康组的对应导联信号的多重分形强度虽然不同, 但其强弱分布的关系是不变的. 同一导联信号相比, 精神分裂症和抑郁症病人各导信号的多重分形强度大于健康人, 这表明人脑EEG信号的多重分形强度在诊断人脑非正常状态有潜在的应用价值.     

短时心率变异信号非线性程度的研究

用非线性自回归(nonlinear autoregressive, NAR)模型对一组健康人的短时心跳间期信号进行建模, 用模型最佳阶数来评价心率变异信号(heart rate variability, HRV)的非线性程度. 认为该方法可以有效地从短时心跳信号中提取出非线性信息, 从而反映心率变异性的强弱, 给临床应用提供了方便. 并与传统评价短时心率变异性强弱的时域方法进行了比较, 认为NAR模型的方法更能反映信号的整体复杂性并且不受信号非平稳性以及噪声的影响.     

非线性重力惯性波的间断周期解

飑线是重要的中尺度系统,一般认为它与重力惯性波密切有关。在飑线上存在着典型的风和气压的跃变现象,这种跃变现象在数学上可以看作为间断。本文在引入相角函数后将描述正压大气中重力惯性波的非线性偏微分方程组化为非线性常微分方程组,然后讨论在相图上奇异点(即系统的非平衡点且方程在该点有奇性)周围相轨线的性质,揭示了此时相轨线存     

自旋为2玻色-爱因斯坦凝聚体双光学势阱中的非阿贝尔约瑟夫森效应————等

研究光与物质相互作用以及揭示新奇量子现象, 并利用其奇异性质设计新型的量子器件, 是人们长期以来感兴趣的问题. 中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室(筹)刘伍明研究小组与中山大学合作者发现, 在包含自旋为2的冷原子玻色-爱因斯坦凝聚体的两个光学势阱中可以产生一种新颖的量子效应——非阿贝尔约瑟夫森效应. 他们进一步设计了可以观察这种非阿贝尔约瑟夫森效应的真实物理系统. 相对于阿贝尔情况, 非阿贝尔约瑟夫森效应具有不同的密度和自旋隧穿特征.     

基于带限信号恢复算法的近场声全息分辨率增强方法

提出了一种基于带限信号恢复算法的近场声全息空间分辨率增强方法. 该方法利用实测全息面声压信号的波数域带限特性, 采用带限信号恢复算法——Papoulis- Gerchberg方法(PGA)对全息面声压信号进行插值, 从而等效地增加了全息面声压数据, 减小了测量间隔, 一定程度上恢复由于测量间隔太大而损失了的高波数成分, 从而有效地提高了全息图像的分辨率. 单点激励固支板声全息实验表明, 该方法可以有效提高近场声全息图像的分辨率.     

描述睡眠脑电多重分形特性的一种新参数

对于人脑如此复杂的系统, 传统的非线性动力学方法, 如关联维、李雅普诺夫指数、近似熵及去趋势波动分析等, 使用单一参数并不能充分描述脑电信号的复杂行为. 而多重分形理论使用奇异谱描述脑电信号的非线性动力学行为则能够得到更多的信息. 使用多重分形理论对睡眠脑电信号零点穿越间期序列进行研究, 提出了一种描述奇异谱不对称性的新的多重分形参数Δ_asα, 并与通常使用的多重分形参数Δα, 进行了比较. 单向方差分析的结果表明, 相对于Δα, 新提出的参数Δ_asα 给出了更好的睡眠状态区分, 尤其在清醒状态与睡眠状态及睡眠阶段3与睡眠阶段4的区分中, 优势更为显著.     

功率倒谱技术在呼吸系统声传播特性分析中的应用

肺胸系统声传递函数是描述系统传播特性的重要参数,这方面的研究对于人们认识肺音特征及诊断某些肺部疾病等方面都具有十分重要的意义.最近,Cohen等人提出应用语音作为激励,利用传导语音信号估计呼吸系统声传播特性的新方法,其优点是不需要外加激励声源,不会造成系统的非线性及被测试者的不适感.但是,这种测量方法至少需要检测两路信号,且计算量大,很难实现实时处理.另外,文中检测到的音源信号(或参考信号)并非激励系统振动的真正音源信号,这也将会使实验结果有一定偏差.针对上述问题,本文在对传导     

热声振荡器的二端口网络模型及起振条件

热声发动机的起振过程是发生在非均匀声介质中的自激振荡过程, 揭示各影响因素之间的耦合关系是热声学基础研究的重要课题. 将热声发动机视为由主动网络与被动网络组成的热声振荡器. 相应地, 推导了组件对应的二端口Y参数, 采用负阻模型和反馈模型分别描述了驻波和行波热声发动机, 并给出了对应的二端口网络拓扑, 应用Nyquist失稳判据获得了热声振荡器的起振条件. 模型预测的起振参数, 特别是起振频率及模态特征与文献实验报道相符; 此外, 通过拓扑图论证了驻波热声发动机起振于负阻状态、热声——斯特林发动机存在高频模态. 该方法通过考察热声系统的频域响应, 实现了以解析方式反映发动机运行参数和系统结构对起振模态、起振温度的影响; 能避免使用经验频率设计热声系统, 在系统设计阶段提供热稳定性校核的途径.     

太阳风速度的混沌现象

随着非线性动力系统理论的发展,分形理论已成为研究自然界复杂现象的一个有力工具.分形在空间尺度上存在的标度不变性,同样可以在时间尺度上存在.一些作者已应用此法研究了太阳黑子数和地球变化磁场等太阳和空间参量的分维和混沌特征.对于太阳和地球之间的广阔区域,太阳风速度是描述行星际空间动力学的重要参数.本文的目的就是试图利用由行星际闪烁(IPS)观测得到的太阳风速度资料,探讨行星际空间系统的分维和混沌性质.     

胶束、液晶的Raman光谱研究

表面活性剂的缔合结构,包括胶束、微乳液、溶致液晶、囊泡等,它们的结构不同,其物化性能和应用范围不同.若能用简便方法能判断不同类型的缔合结构,在实际应用是非常重要的.Mitchell和Israelachvili利用表面活性剂分子结构数据所组成的聚结参数 V/A·L_c作为结构判据(式中V为表面活性烃链的分体积,L_c为其烃链长度,A为极性基团的截面积),就是一个典型的例子.表面活性剂分子的Raman光谱受到其烃链振动形式所控制.在2800～2970cm~(-1)范围内的C-H伸缩振动,对分子排列和所处微环境变化非常敏感.Amorin等人提出R=I_(2880)/I_(2850)为有序参数,其值越大,分子排列有序性越为好;另外把P=I_(2930)/I(2850)作为极性参数,其值越大,分子所处微环境的极性也越大.本文从研究表面活性剂/醇/水体系的Raman光谱,提出一个新的参数 R′=I_(2910)/I(2880),作为胶束和溶致液晶之间的判据.若该体系R′<1为胶束体系,R′>1则为溶致液晶体系.这个结论为多个不同体系所证实,并且从理论上进行探讨.1实验部分1.1药品十二烷基甜菜碱(C_(12)BE),十四烷基甜菜碱(C_(14)BE),十六烷基甜菜碱(C_(16)BE),它们的合成方法和提纯方法见文献[6].十二烷基磺酸钠(AS)和十六烷基三甲基溴化胺(CTAB),均是CP级,再重结晶两次.正丁醇(C_4OH)为AR级,     

低浓度颗粒流Boltzmann方程的同伦分析方法解

同伦分析方法(homotopy analysis method, HAM)是求解强非线性问题的有力手段. 针对颗粒流的动理学理论中的非线性微分积分方程——?Boltzmann方程, 采用 HAM方法选取局域Maxwell速度分布函数作为初始猜测解, 得到了低浓度颗粒流的Boltzmann方程的一阶近似解, 与传统的Chapman-Enskog方法得到的一阶近似解表达式的结构一致, 初步显示了HAM方法求解Boltzmann方程的有效性, 为一般Boltzmann方程的HAM方法求解奠定了基础.     

短时心率变异性信号的基本尺度熵分析

心率变异性信号的复杂性能够反映出心脏的生理功能和健康状态, 从短时的心率变异性信号中探测到复杂性特征具有重要的现实意义. 提出一种基本尺度熵方法来探讨时间序列的复杂性. 该方法对于低维的混沌序列logistic映射, 其基本尺度熵的计算结果与Lyapunov指数的计算结果非常相似, 并且叠加上随机Gauss噪声依然显示方法的有效性. 通过用低维的3个非线性确定性混沌系统检验, 表明该方法有效. 我们把它应用到短时心率变异性信号, 该方法能够很有效的区分出不同的生理、病理信号, 由于方法简单、运算快速、有一定的抗干扰能力使其能够为实际的应用提供方便.     

视黄酸通过促进磷酸化的Smad1 降解抑制骨形态发生信号的持续

骨形态发生蛋白(BMP)信号通路在胚胎发育和器官形成中发挥正常功能需要其与其他信号通路的交互作用.不同于FGF/MAPK 和Wnt/GSK3 信号通路对BMP 信号通路的调节已经得到阐释, BMP/Smad 和视黄酸受体(RAR)间的交互作用还没有被很好地理解. 中国科学院上海生命科学研究院生物化学与分子生物学研究所景乃禾研究小组研究发现, 视黄酸可通过降低磷酸化的Smad1(pSmad1)的表达水平抑制BMP 信号持续. 视黄酸通过其核受体介导的转录作用, 可强化pSmad1 与其泛素E3 连接酶的相互作用, 促使pSmad1 泛素化和蛋白酶体降解. 该调节过程依赖于视黄酸导致的Gadd45 表达增加和MAPK 活性增强.在鸡胚胎神经发育期间, 视黄酸/视黄酸受体通路也可抑制BMP 信号以拮抗BMP 介导的神经前体细胞的增殖和分化. 而且, 视黄酸和BMP 信号间的交互作用参与了鸡胚背部神经管的正常发育. 上述研究结果揭示了视黄酸通过调节pSmad1 稳定性进而抑制BMP 信号的分子机制. 相关研究论文发表在2010 年11 月2 日Proc Natl Acad Sci USA, 107(44): 18886—18891 上.     

合成孔径雷达提取海浪方向谱的参数化方法

应用合成孔径雷达 (SAR)海浪方向谱参数化提取方法 ,克服了由于方位方向的截止造成的信息损失和SAR图象谱 1 80°方向模糊的缺点 .利用本方法对ERS 1卫星SAR波模式资料进行了数值实验 ,该方法的结果在方向上与同步散射计获得的风速方向基本相同 .     

分形衬底上的金属薄膜及其非线性V-I特性

自80年代以来,对分形现象的研究取得了很大的进展.这种现象的本质正逐渐被人们所揭示,并已在一些领域中得到了应用。但是由于分形结构的复杂性和对条件的敏感性,使得在实验上实现严格的自相似体系,其难度很大.然而,在物理学和其它研究领域中,更多的还是那些具有无规分形(Random fractal)结构的体系,它们包含着丰富的物理内容和深刻的含意。因此,更有效地研究、制备和应用这些体系的意义十分重要.