混沌与心电学的结合

第三节　混沌与心电学的结合

混沌是数学的一个分支，在它的理论创始阶段，就已有人多次尝试建立疾病的数学模型，并开始了对心律失常的数学建模探索。在生命科学领域中，混沌与心电学的最初姻缘也来自于对心律紊乱的研究。早在1946年，Katz的第2版《心电图》学中就出现过“混沌心动”(Chaotioheart action)一词，当时是指异位起搏点引起期前收缩性心律，出现复杂而不规则的心电图表现。而70年代开始Glass等对胚胎鸡心脏自律细胞进行周期性电刺激的实验，则是真正意义上对心脏节律活动中混沌现象的研究。它是混沌理论问世以来短短的历史中最受注目的研究项目之一。实验是在具有自律性的胚胎鸡心肌细胞团上，通过插入细胞内的微电极给予电脉冲刺激，当刺激改变时，心搏模式出现了混沌特征——倍周期分岔(Period－doubling bifurcation)。他们于1981年开始在《Science》等杂志上发表了这一系列的研究结果。Glass说，“在刺激和一小块鸡心之间可以建立许多不同的节律，我们使用非线性数学，能极好地了解不同节律和它们的排序”。

与此同时，Kitney和Rompelman(1980)及Akselrod等(1981)、Kobayashi和Musha(1982)描述了正常心率的多变性。Goldberger及其同事(1985，1986)、West和Goldberger(1987)、Goldberger和Rigney(1988)对此提出假说，认为心率的这种涨落与混沌有关。1988年Goldberger和Rigney在总结上述观点时说，心搏骤停是从正常心搏的分形、混沌动态到垂死心脏的病态周期的一种分岔(Bifurcation)现象。

由于Katz曾将不规则的节律描述为“混沌心动”，此后，明显不规则的节律曾经都被视为心脏猝死的前兆。20世纪80年代，众多学者的实验研究结果对这一观点提出质疑，问题的焦点是心室颤动是否属于混沌。Goldberger等在1986～1988年间，对开胸麻醉的犬心脏进行电刺激诱发室颤，观察心率变化的频谱，发现室颤与窄带的频谱相关，而通常混沌现象表现为宽频带谱。Goldberger等在1985～1987年期间还讨论了室颤与窦性节律的属性问题，结果认为心脏的窦性节律是混沌而室颤不是混沌，原因是心脏的窦房结被多元性非线性机制所控制，包括自主神经张力变化、激素、前后负荷等诸多因素。在同期的1986年，另一位学者观察到左心室功能紊乱导致猝死的患者均有心率变异(heart rate variability;HRV)降低。这一资料支持窦性节律是混沌的观点。在随后的多项研究中，对HRV的认识逐渐达到了今天的水准。