“嘀嗒，嘀嗒...”什么在响？是摆钟？不，那是人体的节律！人体中有三大主要节律进程：主心跳节律，呼吸节律和血压波动节律，它们之间存在一定程度的同步（这里的同步不是指频率上的严格的1:1，而是m:n，其中m和n均为整数）。本实验主要研究（1）三大节律相互之间的同步，重点是主心跳和呼吸之间的同步关系；（2）通过计算三大节律相彼此之间的转移熵(transfer entropy)，找出心肺系统中节律相互作用的不对称性，从中区分出驱动和响应的元素，从而明确耦合的方向性；（3）自搭电路，结合LabVIEW和Matlab设计一套描绘节律同步和耦合方向的软件及装置。下面介绍近期实验的进展：结合经验模式分解（Empirical Mode Decomposition，缩写为EMD ），讨论呼吸和心跳节律之间的同步问题。
1. 呼吸和心跳信号的传统分析方法
呼吸信号
心跳信号
2. EMD在心跳呼吸节律同步中的应用
EMD方法是Norden E. Huang于1998年提出的一种用于非线性、非平稳信号的分析方法。由于其摒弃了窗口函数这一概念，使得瞬时频率的计算得以实现。它实际上是将一个信号分解成一系列本征模式，从中提取出有用的信号。在局部频率处，前一模式严格大于较后一模式。这其中所采用的主要方法就是取局部极值点，利用三次样条插值画出极大极小包络，算中值然后相减，接着基于截至条件和最大步数不断重复以上过程。下图是利用EMD处理呼吸信号的图解：
3. 节律同步图像（CS）
通过寻找心跳信号的局部极大值，从而判断心跳的时刻，并以这些时刻作为横坐标，找出此时呼吸的相位，将其画在同一幅图上。通过寻找与X轴平行的线段来寻找同步的区域。如下图所示：
上图是没有经过滤波的同步图，下图是经过滤波的同步图。可以看出，开始的一段时间存在细微的同步。由于点数太少，还无法给出很直观的结果。
4. 阶段性总结
通过前面的讨论，传统的时频分析工具存在着致命的局限性。虽然目前EMD方法还不太完善，但它为我们打开了一条新的道路。相信通过对此方法的进一步研究有利于对心肺节律同步问题的更深认识！
