基于心率转移动力学和马尔可夫模型揭示心衰伴肾功能下降患者的自主神经功能障碍

本研究针对心衰(HF)患者肾功能早期损伤检测难题，创新性地采用一阶马尔可夫模型和心率(HR)转移动力学分析，发现肾功能下降(eGFR降低)患者表现出心率单调性转变减少、强直性波动增加的特征。提出的转移动态稳定性指数(TSI)可作为自主神经功能障碍的新型生物标志物，为心肾综合征的早期诊断提供新思路。

　　

在心血管疾病领域，心衰(HF)与慢性肾病(CKD)的共病现象日益受到关注。约半数心衰患者会发展为慢性肾病，这两种疾病通过复杂的生理交互作用形成恶性循环，被称为心肾综合征。然而，早期识别心衰患者的肾功能损伤仍面临重大挑战，传统检测方法往往在肾功能显著下降后才能发现问题。更棘手的是，这两种疾病都伴随着自主神经系统(ANS)功能紊乱，但现有基于心率变异性(HRV)的评估方法难以捕捉与肾功能下降相关的非线性、方向性心率动态特征。

针对这一临床痛点，来自Khalifa University的Namareq Widatella团队开展了一项创新研究。他们从358例慢性心衰患者的5分钟心电图(ECG)数据入手，通过一阶马尔可夫模型和心率转移动态分析，首次系统揭示了肾功能不同阶段患者的心率调控模式差异。这项发表在《BioData Mining》的研究，为早期发现心衰患者的肾功能损伤提供了全新的数字化评估思路。

研究团队采用了几个关键技术方法：从MUSIC队列获取的358例慢性心衰患者ECG数据，通过R波峰值检测获取RR间期(RRI)；基于CKD-EPI方程计算估算的肾小球滤过率(eGFR)并进行分组；构建3×3马尔可夫转移矩阵分析心率加速/减速转变概率；创新提出转移动态稳定性指数(TSI)；采用长度为3的序列进行心率转移动力学模式分析。

研究结果部分，作者通过多个维度揭示了重要发现：

在"频率HRV参数与肾功能相关"部分，研究显示调整混杂因素后，低频(LF)功率与eGFR相关性最强(β=3.1)，高频(HF)和极低频(VLF)功率也呈显著正相关。这提示自主神经调节能力随肾功能下降而减弱。

"转移概率区分正常与S3期"部分通过马尔可夫模型分析发现，肾功能正常组保持心率单调性转变(-1→-1,1→1)的概率显著高于S3期患者(0.44±0.11 vs 0.36±0.11)，而强直性转变(-1→1,1→-1)在S3期明显增加。这种转变模式反映了自主神经调控稳定性的丧失。

"方向稳定性与LF功率"部分揭示TSI与LF功率呈正相关(r=0.36)，表明低频振荡与心率方向稳定性存在内在联系。S3期患者表现出明显的TSI下降趋势，显示其心率调控更加紊乱。

"模式分析条形图"部分通过长度为3的心率转变序列分析，发现正常肾功能组更频繁出现单调模式(-1-1-1,111)，而S3期患者交替模式(-11-1,1-11)显著增多，进一步验证了自主神经调控的失序状态。

研究结论与讨论部分指出，这项研究首次将心率转移动力学与肾功能损伤相关联，提出的TSI指标和模式分析方法为心肾综合征的早期识别提供了全新视角。特别值得注意的是，TSI与转折点百分比(PIP)的强负相关(r=-0.97)提示这些动态特征可能反映了超越自主神经控制的固有心脏起搏特性。这些发现不仅具有重要临床意义——可能开发出基于可穿戴设备的心肾风险早期预警系统，同时也为理解心肾交互的自主神经机制提供了新见解。该研究的局限性在于样本全部来自心衰人群，未来需要在非心衰人群中验证这些指标的普适性。随着人工智能技术的发展，这类可解释的心率动态特征有望成为"数字生物标志物"的新范式，推动个性化医疗的进步。