ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΤΙΚΗΣ ΕΝΤΡΟΠΙΑΣ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ

Transcript

1 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΤΙΚΗΣ ΕΝΤΡΟΠΙΑΣ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ 1 Εισαγωγή Η θεωρία του χάους αποτέλεσε σύλληψη των µαθηµατικών του τέλους του 19 ου αιώνα για την περιγραφή των διαταραχών και µεταβολών διαφόρων φυσικών φαινοµένων. Σύµφωνα µε την θεωρία του χάους τα φυσικά φαινόµενα µπορούν να χαρακτηριστούν ως ντετερµινιστικά (deterministic) ή στοχαστικά (stochastic). Ως ντετερµιστικά χαρακτηρίζονται τα φαινόµενα στα οποία κάθε κατάσταση είναι πλήρως προβλέψιµη από τις προηγούµενες καταστάσεις. Ως στοχαστικά χαρακτηρίζονται αντίθετα τα φαινόµενα στα οποία η πολυπλοκότητα των τιµών και η έλλειψη συνάφειας µεταξύ τους δηµιουργούν πλήρη σύγχυση, το χάος. Οι µαθηµατικοί ασχολούµενοι µε τα προβλήµατα τέτοιου είδους εισήγαγαν νέους µαθηµατικούς ορισµούς, οι οποίοι γρήγορα βρήκαν εφαρµογή σε πολλούς διαφορετικούς τοµείς των επιστηµών. Από τις σηµαντικότερες θεωρίες µε πολλές εφαρµογές και στην ιατρική είναι η εκτίµηση της κανονικότητας (ή πολυπλοκότητας) ακολουθίας τιµών στην µονάδα του χρόνου µε την χρήση του αλγόριθµου της προσεγγιστικής εντροπίας. Η προσεγγιστική εντροπία (µετάφραση του Αγγλικού όρου Approximate Entropy) σχετίζεται µε την γνωστή από την φυσική έννοια της εντροπίας. Στην φυσικοχηµεία η έννοια της εντροπίας χρησιµοποιήθηκε από τον δεύτερο νόµο της θερµοδυναµικής σύµφωνα µε τον οποίο «στις φυσικές και χηµικές µεταβολές η εντροπία αυξάνεται». ηλαδή στην φυσικοχηµεία η εντροπία αποτελεί το µέτρο της αταξίας ενός συστήµατος. Όσο αυξάνει η αταξία ενός συστήµατος (στην θερµοδυναµική: η κίνηση των µορίων) τόσο αυξάνει αντίστοιχα και η εντροπία του συστήµατος αυτού. Η έννοια της εντροπίας χρησιµοποιείται σήµερα στα µαθηµατικά για να εκφράσει την κανονικότητα (regularity) µιας χρονοσειράς (δηλ. σειράς αριθµών που εξελίσσεται στον χρόνο). Στην διεθνή βιβλιογραφία αναφέρεται ως ApEn από τα αρχικά των λέξεων Approximate Entropy. Επινοήθηκε από τον Pincus το 1991 και γρήγορα χρησιµοποιήθηκε στην ιατρική έρευνα σε τοµείς όπως η καρδιολογία (εκτιµήσεις καρδιογραφηµάτων RR intervals), ενδοκρινολογία (µετρήσεις ρυθµού έκκρισης ορµονών), πνευµονολογία (κινήσεις αναπνευστικών µυών), νευρολογία (εκτιµήσεις ηλεκτροεγκεφαλογραφηµάτων κ.τ.λ.) H προσεγγιστική εντροπία υπολογίζεται µε ένα πολύπλοκο µαθηµατικό αλγόριθµο ο οποίος ελέγχει αν οι διαφορές µεταξύ όλων των τιµών της χρονοσειράς υπερβαίνουν ένα δεδοµένο εύρος τιµών (φίλτρο) που έχει δηλωθεί από τον χρήστη. Οι διαφορές που είναι µικρότερες από το φίλτρο συµµετέχουν στην δηµιουργία ενός πηλίκου το οποίο στην συνέχεια δίνει την τιµή της προσεγγιστικής εντροπίας. Συνήθως η ApEn χρησιµοποιείται στην πράξη για την σύγκριση της κανονικότητας (πολυπλοκότητας ή τυχαιότητας) δύο ή περισσότερων χρονοσειρών. Οι χρονοσειρές είναι µεγάλες σειρές αριθµών που προέρχονται από φαινόµενα που µεταβάλλονται στην µονάδα του χρόνου. Σε αυτή την περίπτωση οι τιµές της χρονοσειράς µε την µεγαλύτερη ApEn εµφανίζουν την µικρότερη κανονικότητα δηλαδή την µεγαλύτερη πολυπλοκότητα. Άλλη εφαρµογή της ApEn είναι η µελέτη της µεταβολής της πολυπλοκότητας σε σχέση µε τον χρόνο µέσα στην ίδια χρονοσειρά. Αύξηση ή µείωση της ApEn σηµαίνει αντίστοιχα και αύξηση ή µείωση της πολυπλοκότητας των τιµών της σειράς. Την τελευταία δεκαετία η προσεγγιστική εντροπία γνώρισε ευρέα εφαρµογή σε πολλούς χώρους των βιοϊατρικών επιστηµών. ιάφορες παραλλαγές του αρχικού αλγόριθµου της προσεγγιστικής εντροπίας εµφανίστηκαν µε σηµαντικότερη την cross-apεn (17,20). Η cross-apεn συγκρίνει την πολυπλοκότητα δύο χρονοσειρών προς την πολυπλοκότητα δύο άλλων χρονοσειρών. Οι συγκρινόµενες χρονοσειρές µπορεί να προέρχονται από διαφορετικά µεγέθη π.χ. µπορεί να είναι δύο διαφορετικές ορµόνες. Σε αντίθεση µε την απλή ApEn που υπολογίζεται για µία µόνο χρονοσειρά, η τιµή της cross-apen προέρχεται από δύο διαφορετικές χρονοσειρές τις οποίες συγκρίνει σηµείο προς σηµείο σε όλο το µήκος τους. 1

2 Ο αλγόριθµος της ApEn που θα περιγραφεί σε αυτό το κείµενο χρησιµοποιήθηκε στην µεγάλη πλειοψηφία των δηµοσιευµένων εργασιών. 1.1 Παράµετροι προσεγγιστικής εντροπίας (ApEn) Η ApEn είναι ένας θετικός αριθµός της οποίας ο πλήρης συµβολισµός είναι ApEn (m, r, N). Ο συµβολισµός αυτός προέρχεται από τις παραµέτρους Ν, m και r (1,2,3) από τις οποίες εξαρτάται άµεσα η τιµή ApEn. Ο ρόλος των παραµέτρων αυτών είναι ο ακόλουθος: Ν: «Μήκος». Είναι το πλήθος των τιµών που απαρτίζουν την χρονοσειρά. Είναι ακέραιος αριθµός. Για αξιόπιστη τιµή ApEn το µέγεθος των χρονοσειρών (Ν) πρέπει να είναι µεγαλύτερο από 60 τιµές. m: «Παράθυρο». Είναι το πλήθος των γειτονικών τιµών µε τις οποίες συγκρίνεται κάθε τιµή της χρονοσειράς. Είναι ακέραιος αριθµός και λαµβάνει την τιµή 1 για σειρές τιµές. Π.χ. αν m=2 κάθε τιµή συγκρίνεται µε τις δύο επόµενες της, υπάρχουν δηλαδή δύο ζευγάρια σύγκρισης. Αν m=3 κάθε τιµή θα συγκριθεί µε τρεις επόµενες κ.α. Σε χρονοσειρές µεγαλύτερες από Ν=500 το m µπορεί να λαµβάνει τιµές µεγαλύτερες του 1. r: «Φίλτρο». Είναι ένας θετικός πραγµατικός αριθµός που µετριέται σε µονάδες τυπικής απόκλισης (SD). Η τιµή του r κυµαίνεται από 0,15 SD έως 0,25 SD. Συνηθέστερη τιµή είναι το r = 0,2 SD. Η τιµή r καθορίζει το πώς η τιµή ApEn θα επηρεαστεί από τον «θόρυβο» της χρονοσειράς. Λέγοντας θόρυβο ονοµάζουµε τις µικρές διακυµάνσεις των τιµών της χρονοσειράς που εξαρτώνται από την φυσιολογία του µελετούµενου συστήµατος. Μεγάλη τιµή r δίνει τιµή ApEn ανεπηρέαστη από τον θόρυβο. Μερικοί συγγραφείς(1) προτείνουν η τιµή του r να είναι τρεις φορές µεγαλύτερη από το µέσο µέγεθος του αναµενόµενου θορύβου. Μία τιµή ApEn από µόνη της δεν έχει καµία πρακτική σηµασία αφού εξαρτάται από τις τιµές m, r και Ν. εδοµένου ότι ο υπολογισµός της ApEn χρησιµοποιείται για την σύγκριση συστηµάτων θα πρέπει στις συγκρίσεις οι τιµές m, r και Ν να είναι κοινές για όλες τις συγκρινόµενες χρονοσειρές. Επιπλέον τα αριθµητικά δεδοµένα που χρησιµοποιούνται για τον υπολογισµό της ApEn πρέπει να λαµβάνονται σε ίσα χρονικά διαστήµατα. 1.2 Παραδείγµατα προσεγγιστικής εντροπίας Για την καλύτερη κατανόηση της έννοιας της ApEn δίνονται τα παρακάτω παραδείγµατα (1). Στα παραδείγµατα αυτά συγκρίνεται η ApEn µε τα βασικά µεγέθη της περιγραφικής στατιστικής : την µέση τιµή και την τυπική απόκλιση. Πρώτο παράδειγµα Έστω δυο χρονοσειρές A και B που αποτελούνται από 60 τιµές (Ν=60) και αντιστοιχούν π.χ. στην παλµική καρδιακή συχνότητα δύο διαφορετικών ατόµων. Σειρά Α: 90, 70, 90, 70, 90, 70, 90, 70, 90, 70, 90, 70, 90, 70, 90, 70, Σειρά Β: 90, 90, 70, 90, 90, 70, 70, 70, 70, 90, 70, 70, 90, 90, 70, 70, 70, Και οι δύο σειρές Α και Β αποτελούνται από το ίδιο είδος τιµών (90 και 70) ενώ έχουν και την ίδια µέση τιµή µ=80 και τυπική απόκλιση SD=10. Σύµφωνα λοιπόν µε τα βασικά µεγέθη της περιγραφικής στατιστικής (µ, SD, CV) δεν υπάρχει διαφορά ανάµεσα τις δύο σειρές. Μια δεύτερη µατιά όµως αποκαλύπτει ότι οι δύο σειρές έχουν τελείως διαφορετική διακύµανση των τιµών τους (Εικόνες 1 και 2). Η διαφορά στην διακύµανση εντοπίζεται από την προσεγγιστική εντροπία. Για την µέτρηση της ApEn χρησιµοποιoύνται οι παράµετροι m=1, r =0,2*SD, N=60. Στην σειρά Α µε την περιοδική διακύµανση των τιµών η ApEn Α ισούνται µε το µηδέν. Αντίθετα στην σειρά B όπου η περιοδική διακύµανση των τιµών διαταράσσεται, η ApEn είναι 2

3 µεγαλύτερη του µηδενός (ApEn B = 0,7). Έχουµε λοιπόν ApEn B > ApEn A. Η σειρά Β έχει µεγαλύτερη πολυπλοκότητα από την σειρά Α. Εικόνα 1 Σειρά Α. Παράδειγµα 1 Εικόνα 2 Σειρά Β. Παράδειγµα 1 εύτερο παράδειγµα Σειρά Γ: 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, Σειρά : 100, 50, 100, 50, 100, 50, 100, 50, 100, 50, 100, 50, 100, 50, 100, 50, Σε αυτό το παράδειγµα δίνονται δύο σειρές µε πολύ µεγάλη διαφορά στην µέση τιµή και την τυπική απόκλιση. Στην σειρά Γ µέση τιµή είναι µ Γ = 0,5 και η τυπική απόκλιση SD Γ = 0,5. Στην σειρά η µέση τιµή είναι µ = 75 και η τυπική απόκλιση SD = 25. Στις Εικόνες 3 και 4 φαίνεται η µεγάλη διαφορά στο µέγεθος των τιµών των δύο σειρών αλλά και η παρόµοια κανονικότητα τους. 3

4 Εικόνα 3 Σειρά Γ. Παράδειγµα Εικόνα 4 Σειρά. Παράδειγµα 2 Λόγω της ίδιας πολυπλοκότητας των δύο σειρών, η ApEn έχει την ίδια τιµή και στις δύο σειρές. Και εδώ οι ΑpEn Γ και ApEn υπολογίστηκαν µε τις παραµέτρους m=1, r=0,2*sd, N=60. εδοµένου ότι οι σειρές Γ και δεν έχουν µόνο την ίδια κανονικότητα αλλά και περιοδική διακύµανση, οι δύο ΑpEn έχουν τιµή µηδέν. Εδώ θα πρέπει να τονιστεί ότι η ApEn ελέγχει µόνο την κανονικότητα ενός συστήµατος και δεν µπορεί να αντικαταστήσει τα κλασικά µεγέθη της περιγραφικής στατιστικής (µέση τιµή, τυπική απόκλιση κ.α.) στην περιγραφή της κατανοµής µιας σειράς αριθµών. 4

5 1.3 O αλγόριθµος της ApEn Ο αλγόριθµος της προσεγγιστικής εντροπίας πρωτοδηµοσιεύτηκε το 1991 από τους Pincus et al στην δηµοσίευση τους «A regularity statistic for medical data analysis» (1). Στο άρθρο αυτό ο Pincus έδινε τα µαθηµατικά και το λογικό διάγραµµα της µεθόδου. Μια απλούστερη παραλλαγή του λογικού διαγράµµατος του Pincus δίνεται στο λογικό διάγραµµα εικόνας 5. Εικόνα 5 To λογικό διάγραµµα του αλγόριθµου της ApEn Ερµηνεία του αλγόριθµου της ApEn O τελικός υπολογισµός του ApEn γίνεται από ένα πηλίκο στον παρονοµαστή του οποίου βρίσκεται το µήκος της σειράς µείον το παράθυρο m (Ν-m). Ο αριθµητής αποτελείται από ένα πηλίκο, ο αριθµητής και ο παρονοµαστής του οποίου αποτελούνται από τα σύνολα των διαφορών µεταξύ των τιµών της χρονοσειράς που υπερβαίνουν το φίλτρο r. Συγκεκριµένα για τιµή παράθυρου m = 1 υπολογίζονται οι διαφορές της τρέχουσας τιµής µε κάθε µία από τις υπόλοιπες τιµές της χρονοσειράς. Κάθε διαφορά συγκρίνεται µε το φίλτρο r. Αν η απόλυτη τιµή 5

6 της διαφοράς είναι µικρότερη από το r τότε ελέγχεται και αν η διαφορά της προηγούµενης τιµής από την µεθεπόµενη είναι επίσης µικρότερη από το r. Αν και αυτή η διαφορά είναι µικρότερη από το r τότε ο αλγόριθµος προχωρά να ελέγξει τα δύο επόµενα ζευγάρια τιµών. Αντιθέτως αν m=2 τότε συγκρίνονται τρεις διαφορές µε το r δηλ. οι διαφορές της τρέχουσας τιµής µε τις δύο προηγούµενες της µε τους όρους πάντα που αναφέρθηκαν προηγουµένως. Στις περιπτώσεις που οι διαφορές είναι µικρότερες από r τότε αυξάνονται κατά µια µονάδα δύο αθροιστές (Α και Β σύµφωνα µε το λογικό διάγραµµα). Ο λογάριθµος του πηλίκου αυτών των δύο αθροιστών θα οδηγήσει τελικά στον υπολογισµό της ApEn. Φυσικά ο παραπάνω αλγόριθµος εκτελείται µε κατάλληλο λογισµικό. Πρέπει να τονιστεί ότι η χρήση της ApEn είναι συνυφασµένη µε την χρήση ηλεκτρονικών υπολογιστών. Οι πολύπλοκοι υπολογισµοί που απαιτεί ο αλγόριθµος της είναι αδύνατο να πραγµατοποιηθούν στο χέρι. 2 Εφαρµογές της ApEn στην ιατρική Oι πρώτες εφαρµογές της ApEn στην ιατρική έγιναν από τον ίδιο τον δηµιουργό του αλγόριθµου, τον Pincus, αµέσως µετά την επινόηση του το Οι πρώτες εφαρµογές, στις αρχές της δεκαετίας του 90, ήταν στην καρδιολογία. Συγκεκριµένα η ευκολία δηµιουργίας µεγάλων χρονοσειρών από τις µετρήσεις καρδιογραφηµάτων τόσο από πρακτική όσο και ιατρική άποψη οδήγησε πολλές ερευνητικές οµάδες καρδιολόγων να χρησιµοποιήσουν την ApEn παράλληλα µε τα άλλα στατιστικά εργαλεία. Aπό τα µέσα της δεκαετίας του 90 όµως και πέρα, η ApEn χρησιµοποιείται όλο και περισσότερο στην ενδοκρινολογία όπου βρίσκει και την ουσιαστικότερη ως τώρα εφαρµογή. Τα τελευταία δύο χρόνια οµάδες νευρολόγων, ως επί το πλείστον Κινέζοι, χρησιµοποίησαν την ΑpEn και στην νευρολογία και συγκεκριµένα στην αξιολόγηση ηλεκτροεγκεφαλογραφηµάτων. Στις επόµενες παραγράφους δίνεται µια συλλογή από το πλήθος των εργασιών που έχουν χρησιµοποιήσει την ApEn στην στατιστική τους ανάλυση. Από την σύντοµη παράθεση όλων αυτών των εργασιών ο αναγνώστης θα πάρει µια ιδέα από το µεγάλο εύρος των εφαρµογών της ApEn σε διαφόρους τοµείς της ιατρικής. 2.1 Εφαρµογές στην καρδιολογία Οι πρώτες καρδιολογικές µελέτες αφορούσαν τη µελέτη καρδιακών χτύπων νεογνικών καρδιογραφηµάτων. Στην πρώτη από αυτές (1991) οι Pincus et al (1) ανέλυσαν χρονοσειρές καρδιογραφηµάτων εµβρύων τόσο µε την ApEn όσο και µε την κλασσική στατιστική. Απέδειξαν ότι η ApEn δίνει παρόµοια αποτελέσµατα µε την τυπική απόκλιση των καρδιακών κτύπων (VAR), παρατηρήθηκε µάλιστα ότι στα νοσούντα νεογνά η ApEn ήταν µικρότερη δηλαδή οι καρδιακοί κτύποι ήταν οµαλότεροι από τους αντίστοιχους των υγιών εµβρύων. Την επόµενη χρονιά οι Pincus και Viscarello (4) ανέλυσαν χρονοσειρές καρδιακών ρυθµών σε έµβρυα τριών οµάδων γυναικών. Η πρώτη οµάδα αποτελούνταν από φυσιολογικές γυναίκες, η δεύτερη από γυναίκες µε έµβρυα σε διάφορη καταπόνηση και η τρίτη από γυναίκες που τα έµβρυα τους παρουσίασαν οξέωση. Η ΑpEn δεν παρουσίασε διαφορά µεταξύ των φυσιολογικών και παθολογικών εµβρύων εκτός από την περίπτωση των οξεωτικών εµβρύων όπου η ωριαία ApEn ήταν µικρότερη από τις υπόλοιπες οµάδες, γεγονός που υπονοεί ότι ο υπερβολικά φυσιολογικός εµβρυακός καρδιακός ρυθµός (FHR) σηµαίνει και µεγαλύτερη πιθανότητα οξέωσης. Οι Fleisher et al (5) µέτρησαν µε την ApEn τους καρδιακούς χτύπους 23 ατόµων υψηλού κινδύνου για καρδιακή νόσο. Στα άτοµα αυτά µετρήθηκαν οι απογευµατινοί καρδιακοί χτύποι προ χειρουργείου καθώς και για 80 ώρες κατά την διάρκεια της µετεγχειρητικής περιόδου. Κατόπιν οι ασθενείς χωρίσθηκαν σε δύο οµάδες: σε αυτούς που εµφάνισαν µετεγχειρητική δυσλειτουργία των κοιλιών της καρδιάς και σε αυτούς που δεν είχαν καµία επιπλοκή µετά το χειρουργείο. Αποδείχτηκε ότι η ApEn των καρδιακών χτύπων µετά το χειρουργείο ήταν υψηλότερη και εµφάνιζε ευαισθησία 88% και ειδικότητα 71% στις περιπτώσεις µετεγχειρητικής δυσλειτουργίας των κοιλιών της καρδιάς. Η ΑpEn που υπολογίστηκε προεγχειρητικά δεν είχε 6

7 σηµαντική διαφορά ανάµεσα στις δύο οµάδες ασθενών. Aποδείχτηκε έτσι ότι η ApEn µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την διάκριση ασθενών ως προς την επιτυχή ή όχι µετεγχειρητική εξέλιξη της υγείας τους. Οι Dawes et al (6) µελέτησαν καρδιογραφήµατα εµβρύων αξιοποιώντας ένα τεράστιο όγκο αρχείων. Βρήκαν ότι η ApEn ήταν υψηλότερη στους φυσιολογικούς τοκετούς. Στο γενικό αυτό όµως συµπέρασµα, εξαίρεση αποτελεί η έλλειψη συσχέτισης µε τις περιπτώσεις ελλείµµατος της οµφαλιαίας αρτηρίας. Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν την καλή συσχέτιση µεταξύ των τιµών ApEn και των αποτελεσµάτων της κλασσικής στατιστικής. Η συσχέτιση όµως αυτή σε µερικές περιπτώσεις ήταν αρνητική. Έτσι η ApEn µειώνεται όταν το SD των διαστηµάτων RR αυξάνεται. Οι Tulpo et al (7) σύγκριναν τις τιµές ApEn µε τα διαγράµµατα Poincare για την ανάλυση των τιµών RR σε δύο διαφορετικές οµάδες ασθενών. Οι µετρήσεις έγιναν σε ασκούµενους ασθενείς και συγκρίθηκαν οι τρέχουσες τιµές RR µε παλαιότερες. Στην µία από τις δύο οµάδες ασθενών χορηγήθηκε ατροπίνη. Παρατηρήθηκε ότι οι τιµές ApEn δεν συµβαδίζουν µε τα αποτελέσµατα της δισδιάστατης ανυσµατικής ανάλυσης των διαγραµµάτων Poincare και δεν µπορούν οι δύο µαθηµατικές αναλύσεις να δώσουν τις ίδιες πληροφορίες για την λειτουργία του πνευµονογαστρικού νεύρου. Οι Timo et al (8) µέτρησαν την ApEn των διαστηµάτων RR καρδιογραφηµάτων υγιών ατόµων καθώς και ασθενών µε διαγνωσµένη στεφανιαία νόσο και έµφραγµα Q. Oι ασθενείς διαιρέθηκαν ανάλογα µε την ηλικία τους, ενώ η φαρµακευτική αγωγή διακόπηκε εγκαίρως πριν από την 24ωρη καταγραφή των ηλεκτροκαρδιογραφηµάτων. Αποδείχτηκε ότι η ApEn ήταν υψηλότερη στους µεταεµφραγµατικούς ασθενείς από ότι στους υγιείς. Παράλληλα αποδείχτηκε ότι το SD των διαστηµάτων RR δεν µεταβάλλονταν ανάλογα µε την αύξηση της πολυπλοκότητας των τιµών, σε αντίθεση µε την ApEn, γεγονός που αποδεικνύει ότι αποτελεί ένα χρήσιµο εργαλείο για τον υπολογισµό της πολυπλοκότητας των καρδιακών ρυθµών. Oι Jartti et al (9) µελέτησαν την επίδραση που είχε στο καρδιοαγγειακό και αναπνευστικό σύστηµα η ενδοφλέβια χορήγηση terbutaline σε δόσεις των 10 έως 30 mg/min. Με την χρήση της ApEn αναλύθηκαν το ηλεκτροκαρδιογράφηµα, η συστολική αρτηριακή πίεση στο δάκτυλο (SAP) καθώς και η αναπνευστική λειτουργία σε ύπτια και όρθια στάση πριν και µετά την τρίωρη χορήγηση του φαρµάκου. Με την χρήση του αλγόριθµου της ApEn υπολογίστηκε ότι η χορήγηση της terbutaline µείωσε την µεταβλητότητα των διαστηµάτων RR, την συστολική αρτηριακή πίεση και την συγκέντρωση του νατρίου στο αίµα. Συµπερασµατικά η ApEn επιβεβαίωσε ότι η terbutaline µειώνει την δραστηριότητα του παρασυµπαθητικού καρδιαγγειακού συστήµατος ενώ αντίθετα αυξάνει την λειτουργία του συµπαθητικού συστήµατος, την αναπνευστική λειτουργία, την οµαλότητα του καρδιακού ρυθµού καθώς επίσης και την πίεση του αίµατος. Οι Palazzolo et al (10), µελέτησαν την δραστηριότητα του συµπαθητικού και παρασυµπαθητικού συστήµατος σε πειραµατόζωα (σκύλους) που βρίσκονταν σε ανάπαυση και συστηµατική υπόταση. Oι ερευνητές ανέλυσαν µε την ApEn τα διαστήµατα RR του καρδιακού ρυθµού αφού πρώτα κατέστειλαν φαρµακολογικά το συµπαθητικό, παρασυµπαθητικό και το αυτόνοµο νευρικό σύστηµα. Στα ζώα που βρίσκονταν σε ανάπαυση η καταστολή του συµπαθητικού συστήµατος δεν είχε καµία επίδραση στην ApEn, ενώ αντιθέτως στα ίδια ζώα η καταστολή του παρασυµπαθητικού συστήµατος µείωσε την ΑpEn κοντά στο µηδέν. Η συστηµατική υπόταση αύξησε την ApEn στους σκύλους που δέχτηκαν αγωγή καταστολής του συµπαθητικού συστήµατος ενώ αντιθέτως µείωσε την ApEn στους σκύλους που δεν δέχτηκαν τέτοια αγωγή. Στους σκύλους µε καταστολή του παρασυµπαθητικού συστήµατος η υπόταση µείωσε την ApEn κοντά στο µηδέν. 2.2 Εφαρµογές στην πνευµονολογία Οι Βutler et al (11) χρησιµοποιώντας το πειραµατικό µοντέλο «Βaker Transform» προσπάθησαν να ερµηνεύσουν τον λόγο της συγκράτησης από τον πνεύµονα µεγάλης ποσότητας αέριου µίγµατος (aerosol) πέρα από αυτό που δικαιολογείται από τους µηχανισµούς της συµπίεσης του πνεύµονα λόγω της αδράνειας ή της καθίζησης λόγω της βαρύτητας. Πειραµατιζόµενοι σε πνεύµονες αρουραίων και χρησιµοποιώντας στις µετρήσεις τους την ApEn απέδειξαν την σηµασία του φαινοµένου της έκτασης και σύµπτυξης του πνεύµονα στον µηχανισµό ανάµιξης του αερίου µίγµατος µέσα σε αυτόν. 7

8 Οι Burioka et al (12) µελέτησαν την διακύµανση των αναπνευστικών κινήσεων σε διάφορα στάδια ύπνου µε την χρήση της ApEn. Απέδειξαν έτσι ότι κατά την διάρκεια του ύπνου τόσο οι αναπνευστικές κινήσεις όσο και τα σήµατα των ηλεκτροεγκεφαλογραφηµάτων είναι πιο φυσιολογικά κατά το στάδιο IV. Επιπλέον φάνηκε ότι η ΑpEn των αναπνευστικών κινήσεων σχετίζεται µε την ApEn των ηλεκτροεγκεφαλογραφηµάτων γεγονός που φανερώνει την ύπαρξη µη-γραµµικών δυναµικών διαδικασιών στην συνεργασία µεταξύ εγκεφάλου και πνευµόνων. 2.3 Εφαρµογές στην νευρολογία Εκτός από µελέτες ύπνου έχουν δηµοσιευτεί και άλλες εργασίες που αφορούν την λειτουργία του αυτόνοµου νευρικού συστήµατος. Οι Ansakorpi et al (13) µελέτησαν τις ανωµαλίες του καρδιοαγγειακού και του αυτόνοµου νευρικού συστήµατος που παρατηρούνται σε ασθενείς µε επιληψία του κροταφικού λοβού (TLE). Οι επιστήµονες µελέτησαν πλήθος 24ωρων καρδιογραφηµάτων προκειµένου να εκτιµηθεί η συνεχής ρύθµιση της καρδιοαγγειακής λειτουργίας από το αυτόνοµο νευρικό σύστηµα. Για τον σκοπό αυτό πειραµατίστηκαν σε 19 ασθενείς TLE µε αναποτελεσµατική θεραπεία, 25 ασθενείς µε καλά ρυθµιζόµενη TLE καθώς και σε 34 υγιείς µάρτυρες παρόµοιου φύλου και ηλικίας µε τους ασθενείς. Αποδείχτηκε ότι η ApEn ήταν µικρότερη στους ασθενείς TLE. Επιπλέον η ApEn ήταν µικρότερη στους ασθενείς TLE µε µη ρυθµιζόµενη θεραπεία από τους ασθενείς µε αποτελεσµατική θεραπεία. Οι Vailancourt et al (14) µελέτησαν την συχνότητα και την εξάρτηση από τον χρόνο της ισχύος του τρέµουλου που παρουσιάζουν οι ασθενείς µε νόσο Parkinson. Χρησιµοποιώντας την ApEn βρήκαν ότι δεν υπάρχουν διαφορές µεταξύ διαφόρων οµάδων ασθενών ατόµων σε ότι αφορά την συχνότητα και την ισχύς του τρέµουλου. Αντιθέτως υπήρχε στατιστικώς σηµαντική διαφορά στις µετρήσεις της ΑpEn µεταξύ ασθενών και υγιών ατόµων. Η εργασία τους έδειξε την σηµασία της µέτρησης της χρονοεξαρτώµενης ισχύος στην διάκριση υγιών και ασθενών στον γενικό πληθυσµό. Οι Huang et al (15) µελέτησαν ηλεκτροεγκεφαλογραφήµατα διαφόρων οµάδων ασθενών σε διαφορετική φάση εγκεφαλικής λειτουργίας (ηρεµία-διέγερση). Οι µετρήσεις τους επιβεβαίωσαν την χρησιµότητα της ApEn στην εκτίµηση χρονοσειρών από εγκεφαλογραφήµατα. Έτσι βρήκαν ότι οι εθελοντές µε εντονότερη εγκεφαλική λειτουργία είχαν υψηλότερη ApEn από τους εθελοντές που βρίσκονταν σε ηρεµία µε τα µάτια κλειστά. 2.4 Εφαρµογές στην ενδοκρινολογία Οι µελέτες που έχουν δηµοσιευτεί αφορούν τις ηµερήσιες εκκρίσεις των ορµονών ACTH, κορτιζόλης, τεστοστερόνης, LH, FSH και GH κ.α. Σε όλες τις ενδοκρινολογικές εργασίες που αναφέρονται παρακάτω η συµβολή των Pincus και Velduis ήταν καθοριστική. Σε µία από τις πρώτες δηµοσιεύσεις (16) για την χρήση της ApEn στην ενδοκρινολογία οι Pincus και Keefe παρουσίασαν τις σηµαντικές εφαρµογές που µπορεί να έχει η ApEn στην ενδοκρινολογία και ιδιαίτερα στις µελέτες του ρυθµού έκκρισης διαφόρων ορµονών. Απεδείχθη ότι η ApEn είναι κατάλληλη για την διάκριση ανεπαίσθητων µεταβολών στο ρυθµό έκκρισης ενώ παράλληλα µπορεί να διακρίνει εύκολα την διαφορά στην πολυπλοκότητα µεταξύ χρονοσειρών άνω των 180 τιµών µε συντελεστή µεταβλητότητας 8%. Οι χρονοσειρές δηµιουργήθηκαν από συνεχόµενες λήψεις ορού ανά 10 λεπτά επί 24 ώρες. Οι Roelfsema et al (17) χρησιµοποιώντας µια παραλλαγή της ApEn, την cross-apen, σύγκριναν τις χρονοσειρές ACTH και κορτιζόλης µεταξύ 20 ασθενών µε νόσο Cushing και αντίστοιχων µαρτύρων. Παρατήρησαν ότι στους µάρτυρες υπήρχε θετική συσχέτιση µεταξύ της ApEn των δύο ορµονών και της ηλικίας, κάτι που δεν αποδείχθηκε και για τους ασθενείς. Το φύλο δεν φάνηκε να παίζει κανένα ρόλο. Γενικά οι τιµές ApEn των ασθενών ήταν µεγαλύτερες από αυτές των µαρτύρων. Αρκετές εργασίες έχουν δηµοσιευτεί για την 24ωρη έκκριση της ορµόνης LH τόσο σε γυναίκες όσο και σε άνδρες. Σε ότι αφορά τους άνδρες αναφέρουµε ενδεικτικά δύο εργασίες. Οι Pincus et al (18) 8

9 µέτρησαν την συγκέντρωση στον ορό της LΗ και της τεστοστερόνης σε δύο διαφορετικές οµάδες ανδρών. Η πρώτη οµάδα αποτελούνταν από νεαρούς άνδρες και η δεύτερη από ηλικιωµένους. Από κάθε άτοµο ελάµβαναν συνεχή δείγµατα αίµατος ανά 2,5 min κατά την διάρκεια περιόδου ύπνου µε µέση διάρκεια 7 ωρών. Οι µετρήσεις της µέσης τιµής και της τυπικής απόκλισης των συγκεντρώσεων των δύο ορµονών δεν έδειξαν κάποια διαφορά ανάµεσα στις δύο οµάδες σε αντίθεση µε την ApEn. Έτσι για την LH η ΑpEn ήταν υψηλότερη στα νεαρά άτοµα µε στατιστικά σηµαντική διαφορά ενώ αντιθέτως η τεστοστερόνη εµφάνισε ApEn υψηλότερη στα ηλικιωµένα άτοµα µε επίσης στατιστικά σηµαντική διαφορά. Οι Bergenghal et al (19) µελέτησαν την έκκριση LH σε νεαρούς και ηλικιωµένους άνδρες που βρίσκονταν σε κατάσταση δίαιτας. Χρησιµοποιώντας την ApEn απέδειξαν ότι στην περίοδο νηστείας στους νεαρούς άνδρες εµποδίζεται η έκκριση LH ενώ παράλληλα αυξάνεται η κανονικότητα της (δηλαδή έχουν χαµηλότερο ApEn) από ότι τους ηλικιωµένους άνδρες. Στις γυναίκες η 24ωρη έκκριση της LH µελετήθηκε τόσο µόνη της όσο και σε σχέση µε την έκκριση της οιστραδιόλης και λεπτίνης. Οι Licinio et al (20) χρησιµοποιώντας την ApEn απέδειξαν ότι τα επίπεδα της λεπτίνης σχετίζονται άµεσα µε τα επίπεδα LH και οιστραδιόλης. Επιπλέον η νυχτερινή έκκριση της λεπτίνης σχετίζεται µε την νυχτερινή έκκριση LH. Οι Matt et al (21) µελέτησαν την ηµερήσια έκκριση LH σε νεαρές και µεσήλικες γυναίκες πριν την εµµηνόπαυση. Η ApEn στις µεσήλικες γυναίκες ήταν µικρότερη, απόδειξη ότι στις µεσήλικες γυναίκες η 24ωρη έκκριση της LH είναι οµαλότερη. Επιπλέον οι Pincus et al (22) µέτρησαν τις εκκρίσεις των FSH και LH σε άνδρες και γυναίκες διαφόρων ηλικιών. Ο υπολογισµός της ApEn απέδειξε ότι στις γυναίκες η έκκριση FSH εµφανίζει µεγαλύτερη κανονικότητα από την LH. Στις νεαρές γυναίκες η ApEn της FSH ήταν υψηλότερη κατά µέσο όρο από την ApEn της LH, ενώ αντίθετα στις γυναίκες που βρίσκονταν στην εµµηνόπαυση η διαφορά αυτή ήταν αµελητέα. Στους άνδρες η ApEn της FSH σε σχέση µε την ApEn της LH εµφάνισε αρνητική συσχέτιση στατιστικά σηµαντική και εξαρτώµενη από την ηλικία. Τέλος η ΑpEn χρησιµοποιήθηκε ευρέως σε µελέτες ηµερήσιας έκκρισης GH. Oι Van Den Berg et al (23) µελέτησαν την 24ωρη έκκριση της αυξητικής ορµόνης σε ασθενείς µε ενεργή µεγαλακρία καθώς και σε ασθενείς µε πρόσφατη ή παλαιότερη χειρουργική επέµβαση. Μεγαλύτερη ApEn εµφάνισαν οι ασθενείς µε ενεργή µεγαλακρία. Οι χειρουργηµένοι ασθενείς είχαν χαµηλότερη ApEn για την GH σε σχέση µε τους µη χειρουργηµένους. Από τους πρόσφατα χειρουργηµένους ασθενείς το 30% είχαν φυσιολογική ΑpEn (ίδια µε τους µάρτυρες). Το ποσοστό αυτό ανέβαινε όσο περνούσαν τα χρόνια από την επέµβαση. Η ίδια οµάδα ερευνητών µελέτησε την περίπτωση δύο ασθενών µε µεγαλακρία εκ των οποίων ο ένας χειρουργήθηκε ενώ στον δεύτερο έγινε συντηρητική αντιµετώπιση. Τρία µε πέντε χρόνια µετά την θεραπεία µέτρησαν την ApEn της ηµερήσιας έκκρισης GH και στους δύο ασθενείς. Συγκρίνοντας αυτές τις τιµές ApEn µε την ApEn φυσιολογικών µαρτύρων βρέθηκε ότι η ApEn των ασθενών είναι σηµαντικά µεγαλύτερη από τους φυσιολογικούς µάρτυρες. Οι Friend et al (24) χρησιµοποίησαν την ApEn για να µελετήσουν την συσχέτιση µεταξύ της ποσότητας της εκκρινόµενης GH, της ηµίσειας ζωής της GH καθώς και της συχνότητας έκκρισης της. Η συσχέτιση και στις τρεις συγκρίσεις αποδείχθηκε εξαιρετικά χαµηλή. Παράλληλα η ApEn αποδείχθηκε εξαιρετικά χαµηλή σε µετρήσεις που έγιναν επί συνεχόµενες ηµέρες σε διάφορα άτοµα µε µεγάλη ποικιλία ηλικίας και σωµατικής κατανοµής. Την έκκριση της GH µελέτησαν επίσης και οι Gevers et al (25) σε οµάδες αρσενικών και θηλυκών αρουραίων στους οποίους είχε προηγηθεί καταστολή των γονάδων µε χειρουργική επέµβαση ή φαρµακευτική αγωγή. Οι χρονοσειρές που δηµιούργησαν αναλύθηκαν µε το ΑpEn. Με βάση την ApEn η κατάταξη των ζώων από την µεγαλύτερη ApEn προς την µικρότερη ήταν η ακόλουθη: άθικτο θηλυκό, θηλυκά µε χορήγηση GnRH, θηλυκά µε έλλειψη ωοθήκης, αρσενικά µε έλλειψη όρχεων, αρσενικά µε χορήγηση GnRH και τέλος άθικτα αρσενικά. Αυτές οι παρατηρήσεις επιβεβαίωσαν την αρχική υπόθεση των ερευνητών για την επίδραση των φυλετικών ορµονών στην έκκριση GH. Οι Garcia-Rudaz et al (26) µελέτησαν την έκκριση GH σε έφηβες µε σύνδροµο πολυκυστικών ωοθηκών. Για τον σκοπό αυτό πειραµατίστηκαν σε 13 έφηβες µε πολυκυστικό σύνδροµο τις οποίες συνέκριναν µε 10 µάρτυρες µε παρόµοιο δείκτη µάζας σώµατος. Και στις δύο οµάδες έγιναν πολυάριθµες 9

10 αιµοληψίες ανά 20 λεπτά επί 12 ώρες κατά την διάρκεια της νύχτας. Mε την χρήση της ApEn προσδιορίστηκε η κανονικότητα στην έκκριση της GH. Παρατηρήθηκε ότι οι ασθενείς έφηβες είχαν οµαλότερη έκκριση GH (χαµηλότερη ApEn) από τους µάρτυρες. 4 Xρήση του αλγόριθµου της ApEn στο εργαστήριο µας Παρακάτω παρουσιάζουµε περιληπτικά δύο αδηµοσίευτες εργασίες που πραγµατοποιήθηκαν στο εργαστήριο µας την τελευταία τριετία. Αφορούν τους τοµείς της κλινικής χηµείας και ενδοκρινολογίας. 4.1 Χρήση της ApEn στον εσωτερικό έλεγχο ποιότητας των βιοχηµικών αναλυτών ιερευνήθηκε η εφαρµογή της ApEn στον εσωτερικό έλεγχο ποιότητας των αναλυτών κλινικής χηµείας. Ως εσωτερικός έλεγχος ποιότητας ονοµάζεται ο έλεγχος της επαναληψιµότητας των αναλύσεων που γίνεται καθηµερινά από τους χειριστές των αναλυτών στα βιοχηµικά εργαστήρια. Αφορά µια σειρά από κανόνες στατιστικής που ελέγχουν τους αναλυτές για την ύπαρξη τυχαίων ή συστηµατικών σφαλµάτων. Πραγµατοποιείται µε την χρήση κατάλληλων υλικών ελέγχου που µετριούνται ως προς διάφορες παραµέτρους παρόµοια µε τα υπόλοιπα δείγµατα ασθενών. Στο εργαστήριο µας αναζητήθηκε η δυνατότητα της ApEn να εντοπίζει συστηµατικά σφάλµατα στις καθηµερινές µετρήσεις των υλικών ελέγχου. Τα συστηµατικά σφάλµατα παραβιάζουν την οµαλότητα των καθηµερινών µετρήσεων και ως εκ τούτου υποθέσαµε ότι η τιµή της ApEn µπορεί να επηρεαστεί. Οι πειραµατισµοί έγιναν τόσο µε πραγµατικές τιµές ελέγχου όσο και µε εικονικές τιµές που δηµιουργήθηκαν από Η/Υ. Βρέθηκε λοιπόν ότι η ApEn µπορεί να εντοπίσει συστηµατικά σφάλµατα ακόµα και όταν αυτά είναι πολύ µικρά και δεν µπορούν να εντοπιστούν από τις καθιερωµένες στατιστικές µεθόδους. Παράλληλα η ApEn εντόπισε διαφορές στην οµαλότητα των τιµών ελέγχου ορισµένων αναλυτών σε διαφορετικές εποχές (καλοκαίρι-χειµώνα). Μελετήθηκε τέλος αν η κανονικότητα των µετρήσεων µπορεί να αποτελέσει ένα τρίτο µέγεθος για την αξιολόγηση των βιοχηµικών αποτελεσµάτων παράλληλα µε την επαναληψιµότητα και την ακρίβεια. Σε ότι αφορά το τελευταίο, αποδείχτηκε ότι η ApEn δεν µπορεί να αποτελέσει µε σιγουριά ένα τρίτο στατιστικό µέγεθος δίπλα στην µέση τιµή και την τυπική απόκλιση που ως τώρα χαρακτήριζαν µια χρονοσειρά τιµών ελέγχου. 4.2 Εφαρµογές σε µελέτες έκκρισης ορµονών ιερευνήθηκε κατά πόσο µικρές, απότοµες, άρρυθµες διακυµάνσεις της στάθµης της LH στον ορό εκφράζουν την ακεραιότητα του άξονα υποθάλαµος-υπόφυση. Για τον σκοπό αυτό µελετήθηκαν 16 γυναίκες µε πολυκυστικό σύνδροµο ωοθήκης στην πρώτη φάση του κύκλου οι οποίες υποβλήθηκαν σε συνεχή αιµοληψία 60 λεπτών. Στα δείγµατα ορού (60 ανά λεπτό) προσδιορίστηκε η LH µε ραδιοανοσολογική µέθοδο. Οι γυναίκες χωρίστηκαν σε 3 οµάδες ανάλογα µε το επίπεδο διέγερσης µε GnRH. Η πρώτη οµάδα (οµάδα ελέγχου, n=6) δεν υποβλήθηκε σε διέγερση ενώ αντιθέτως η δεύτερη (n=5) και η τρίτη οµάδα (n=5) διεγέρθηκαν µε 10µg GnRH και 100µg GnRH αντίστοιχα. Στην συνέχεια ο αλγόριθµος της ApEn εφαρµόστηκε στις παραγόµενες σειρές LH 60 τιµών χρησιµοποιώντας δύο διαφορετικά φίλτρα r. Το πρώτο ήταν σταθερό για όλες τις σειρές (r fixed =0,7). Το r αυτό υπολογίσθηκε ως όριο κάτω από το οποίο οι τιµές ApEn 60 επαναλαµβανόµενων µετρήσεων LH έτειναν στο µηδέν σταθµίζοντας µε αυτό τον τρόπο την επίδραση της διέγερσης (εξωτερικός θόρυβος). Το δεύτερο r που χρησιµοποιήθηκε ήταν συνάρτηση της διασποράς της κάθε σειράς (r=0,2sd) σταθµίζοντας έτσι τον εξωτερικό θόρυβο των µετρήσεων. 10

11 Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα βρέθηκε ότι τόσο η µέση τιµή όσο και η διασπορά των τιµών της LH αυξάνει ανάλογα µε την διέγερση της GnRH (p<0,05). Το ίδιο παρατηρήθηκε και για την τιµή του ApEn fixed υπολογιζόµενο µε σταθερό φίλτρο r fixed =0,7 (p<0,05). Αντίθετα, όταν ο υπολογισµός έγινε µε µεταβαλλόµενο r=0,2sd, βρέθηκε ότι η ApEn µειώνεται καθώς αυξάνεται η διέγερση, µε αποτέλεσµα η µέση τιµή της ΑpEn για την οµάδα χωρίς διέγερση να είναι σηµαντικά υψηλότερη από την οµάδα διέγερσης µε 100 µg GnRH (p<0,05) αποκαλύπτοντας έτσι ότι η αυξηµένη διέγερση προκαλεί οµαλότητα στο σύστηµα έκκρισης LH. Από τα παραπάνω προκύπτει το συµπέρασµα ότι ο προσδιορισµός της ApEn µε σταθερό φίλτρο συµπληρώνει τα πορίσµατα της κλασσικής στατιστικής και αποκαλύπτει ότι η διέγερση αυξάνει την διασπορά του συστήµατος. Επίσης η ApEn αποτελεί µέθοδο για τον έλεγχο του εσωτερικού θορύβου της µεθόδου. Όµως η εκτίµηση της τάξης ενός συστήµατος βασίζεται στον υπολογισµό της ApEn µε µεταβαλλόµενο φίλτρο. Σύµφωνα µε αυτήν την υπόθεση ενώ η διασπορά των τιµών της LH αυξάνεται αναλογικά µε την διέγερση, η διέγερση οδηγεί το σύστηµα έκκρισης LH σε µεγαλύτερη τάξη. Καταλήγουµε λοιπόν ότι η διέγερση µε GnRH µπορεί να οδηγεί σε αυξηµένη παραγωγή της LH, αλλά η µεγαλύτερη τάξη τείνει να είναι πιο οµοιόµορφη σε σχέση µε τις µικρές, απότοµες, άρρυθµες, διακυµάνσεις που χαρακτηρίζουν την φυσιολογική λειτουργία του άξονα υποθάλαµος-υπόφυση. 5 Συζήτηση Όλα τα παραπάνω αποδεικνύουν το µεγάλο εύρος των εφαρµογών της ApEn σε διάφορα πεδία της βιοϊατρικής έρευνας. Από την σύντοµη ανασκόπηση της βιβλιογραφίας που έχει παρατεθεί αποκαλύπτεται η µεγάλη ανάγκη της ιατρικής έρευνας για την εκτίµηση της κανονικότητας διαφόρων χρονοσειρών. Το εύρος της βιβλιογραφίας αποκαλύπτει άλλωστε την ραγδαία είσοδο της ApEn σε πολλούς διαφορετικούς τοµείς της ιατρικής. Έτσι ενώ στις αρχές της δεκαετίας του 90 χρησιµοποιήθηκε η ApEn κυρίως στην καρδιολογία, κατόπιν είχαµε ραγδαία χρήση στην ενδοκρινολογία ώσπου να φτάσουµε στην τρέχουσα δεκαετία όπου η ApEn χρησιµοποιείται πλέον ευρέως και σε νευρολογικές µελέτες. Πάντως από όλες τις εφαρµογές της ApEn ο τοµέας της ενδοκρινολογίας έχει το περισσότερο ενδιαφέρον. Σίγουρα στο µέλλον θα χρησιµοποιηθεί ακόµα περισσότερο για τη µελέτη της 24ωρης έκκρισης περισσότερων ορµονών και την διάγνωση παθήσεων. Σε ότι αφορά την εφαρµογή της ApEn προτείνεται m=1, r=0,2 SD και πλήθος τιµών (Ν) τουλάχιστον 60. Βέβαια για την ορθή χρήση της ApEn ο αναγνώστης πρέπει να λαµβάνει υπόψη τους περιορισµούς που έχουν ήδη περιγραφεί. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δίνεται όταν συγκρίνονται µεταξύ τους τιµές ApEn. Σε αυτή την περίπτωση όλες οι ΑpEn πρέπει να έχουν τις ίδιες παραµέτρους Ν, m και r. Πιστεύουµε ότι ο αλγόριθµος της ApEn θα βοηθήσει κλινικές και εργαστηριακές ερευνητικές οµάδες να αποκτήσουν ένα ακόµα χρήσιµο µαθηµατικό εργαλείο δίπλα στα άλλα εργαλεία της κλασσικής στατιστικής. Η ApEn δίνει τώρα την ευκαιρία να αναλυθεί εκ νέου ένας µεγάλος αριθµός δεδοµένων που βρίσκονται ανεκµετάλλευτα στα αρχεία κλινικών και εργαστηρίων. Είναι λοιπόν καιρός να δούµε και Ελληνικές εργασίες να χρησιµοποιούν τις µοντέρνες µαθηµατικές θεωρίες που εδώ και µια δεκαετία βρίσκουν εφαρµογή σε πολλά άρθρα του ξένου επιστηµονικού τύπου. 11

12 Περίληψη Η προσεγγιστική εντροπία (Approximate Entropy: ApEn) είναι ένας πραγµατικός µη αρνητικός αριθµός που συγκρίνει την κανονικότητα διαφορετικών χρονοσειρών µε βάση σαφείς προϋποθέσεις. Τέτοιες χρονοσειρές µπορεί να είναι οι χτύποι καρδιογραφηµάτων είτε ακόµα οι ηµερήσιες εκκρίσεις ορµονών. Ο αλγόριθµος της ApEn επινοήθηκε το 1991 από τον Αµερικανό Steve Pincus και αξιοποιήθηκε ευρέως στην ιατρική για την σύγκριση παθολογικών και φυσιολογικών συστηµάτων. Στο άρθρο αυτό παρουσιάζονται περιληπτικά οι σηµαντικότερες εφαρµογές της ApEn από την διεθνή βιβλιογραφία ενώ περιγράφονται συνοπτικά και δύο σχετικές µελέτες που πραγµατοποιήθηκαν στο εργαστήριο µας. Οι εφαρµογές αφορούν την αξιολόγηση «ύποπτων» καρδιογραφηµάτων και εγκεφαλογραφηµάτων, την µελέτη του ρυθµού έκκρισης ορµονών καθώς επίσης και άλλα ερευνητικά πεδία όπως είναι οι κινήσεις των αναπνευστικών µυών. Από µαθηµατική άποψη, η προσεγγιστική εντροπία εκφράζει την πιθανότητα που έχουν οι τιµές της χρονοσειράς να είναι και να παραµένουν µέσα σε προκαθορισµένα όρια τα οποία αποτελούν το λεγόµενο φίλτρο του αλγόριθµου (r). Προκειµένου να επιτευχθεί ο έλεγχος της κανονικότητας ο αλγόριθµος δεν χρησιµοποιεί τις ίδιες τις τιµές αλλά τις απόλυτες διαφορές µεταξύ τους. To πλήθος των διαφορών για τις οποίες θα συγκριθεί µε το φίλτρο κάθε τιµή της χρονοσειράς αποτελεί το λεγόµενο παράθυρο της µεθόδου (m). Για τον ορθό υπολογισµό του ApEn απαιτούνται χρονοσειρές τουλάχιστον 60 τιµών. Μεγαλύτερη τιµή ApEn σηµαίνει µικρότερη κανονικότητα. Αυτό σηµαίνει ότι το σύστηµα παρουσιάζει µεγάλη αταξία και οι τιµές της χρονοσειράς διαφέρουν πολύ η µία από την άλλη. Αντίθετα µικρότερη τιµή ApEn σηµαίνει µεγαλύτερη οµαλότητα. Για να συγκριθούν δύο τιµές ApEn από διαφορετικές χρονοσειρές θα πρέπει να έχουν τις ίδιες τιµές r, m και Ν. Όπου Ν το σύνολο των τιµών της χρονοσειράς. Για αυτό ο πλήρης συµβολισµός της ApEn είναι ApEn(m, r, N). Η ευαισθησία της ApEn καθορίζεται από τον ερευνητή επιλέγοντας τις παραµέτρους Ν, m και r. Για Ν < 500 (το συνηθέστερο στις ιατρικές εργασίες) χρησιµοποιείται υποχρεωτικά παράθυρο m=1. Το φίλτρο r έχει καθιερωθεί να ισούνται µε 0,2 * SD. Όπου SD είναι η τυπική απόκλιση της χρονοσειράς. Λέξεις κλειδιά: Προσεγγιστική εντροπία, Κανονικότητα, Χρονοσειρά, ApEn 12

13 PRESENTATION AND APPLICATIONS OF APPROXIMATE ENTROPY IN MEDICINE Summary Approximate entropy (ApEn) is a real positive number which compares the regularity of different time-series of numbers always under certain circumstances. Such time-series can be the beats of EEG or even the daily secretion of hormones. Τhe algorithm of ApEn invented in 1991 by the American Steve Pincus and it has already been used for the compare between physiological and non-physiological reasons. In this article we ll present concisely the most important applications of ApEn from the international bibliography. We will present also two relevant studies from our laboratory. The applications have to do with the evaluation of suspicious EEG and ECG, the study of pulsatile hormones secretion and other scientific fields such as the movements of breathing muscles. By mathematical point of view, approximate entropy states the possibility that the values of timeseries are and stay within certain limits. These limits are the so-called filter of the algorithm (r). In practice the algorithm checks the differences between the values and not the values themselves because the target of ApEn is the check of regularity (complexity) of a system. The number of differences of each value which will be compared with the filter of the algorithm are the so-called window of the method (m). The right computerization of ApEn demands 60 values at least (N). Higher ApEn means wide disorder. In that case the values of time-series differs one from each other too much. On the contrary, lower ApEn means regularity. Whatever we want to compare two or more values of ApEn, all ApEn calculations must use the same r, m and N. N is the total number of values of the timeseries.. For that reason the ApEn values are symbolized as ApEn(m, r, N). The sensitivity of ApEn algorithm is specified by the researcher himself by choosing the parameters N, m and r. For N < 500 (the most usual in medical papers) we use the window m=1. The filter r is always equal to 0,2 * SD. SD is the standard deviation of the time-series. Keywords: Approximate Entropy, ApEn, regularity, complexity, time-series 13

14 Bιβλιογραφία 1. Pincus S, Gladstone I, Ehrenkanz R. A regularity statistic for medical data analysis. Journal of Clinical Monitoring,1991, 7(4): Pincus S, Kalman R, Not all (possibly) 'random' sequences are created equal, Proceedings of National Academy of Science, USA. 1997, 94(8): Pincus S, Golderberger A, Physiological time-series analysis: what does regularity quantify?, American Journal of Physiology, 1994, 266(4/2): H1643-H Pincus S, Viscarello R, Approximate Entropy: A regularity Measure for Fetal Heart Rate Analysis, Gynecology, 1992, 79(2): Fleisher A, Pincus S, Rosenbaum S, Approximate entropy of Heart Rate as a Correlate of Postoperative Ventricular Dysfunction, Anesthesiology, 1993, 78(4): Dawes S, Moulden M, Sheil Ο, and Redman C, Approximate Entropy, a Statistic of Regularity, Applied to Fetal Heart Rate Before and During Labor, Gynecology, 1992, 80(5): Tulpo M, Makikallio T, Timo E, Seppanen T and Huikuri H., Quantitative beat-to-beat analysis of heart rate dynamics exercise, The American Physiological Society, 1996, Timo H., Makikallio M, Seppanen Τ, Niemela Μ, Juhani Α, Tulppo Μ., Heikki Μ., Huikuri F, Adnormalities in Beat to Beat Complexity of Heart rate Dynamics in Patients With a Previous Myocardial Infarction, J Am Coll Cardiol, 1996, 28(4): Jartii T, Kuusela T, Kaila T, Tahvanainen K, Valimaki I, The dose-response effects of terbutaline on the variability, approximate entropy and fractal dimension of heart rate and blood pressure, Br J Clin Pharmacol 1998, 45(3): Palazzolo J, Estafanous F, Murray P, Entropy measures of heart rate variation in conscious dogs, Am. J. Physiol. 1998, 274(5/1):H Butler P, Tsuda A, Effect of convective stretching and folding on aerosol mixing deep in the lung, assessed by approximate entropy, The American Physiological Society, 1997, 83(3): Burioka N, Cornelissen G, Halberg G, Kaplan D, Suyama H, Sako T, Shimizu E., Approximate entropy of human respiratory movement during eye-closed waking and different sleep stages, Chest, 2003, 123(1): Ansakorpi H, Korpelainen J, Huikuri H, Tolonen U, Myllyla V, Isojarvi J, Heart rate dynamics in refractory and well controlled temporal lobe epilepsy, Neurol Neurosurg Psychiatry, 2002, 72(1): Vaillancourt D, Slifkin A, Newell K, Regularity of force tremor in Parkinson s disease, Clin Neurophysiol, 2001, 112(9): Huang H, Chen Q, Zhen A, Study of EEG approximate entropy in different brain functional states, Zhongguo Ying Yong Sheng Li Xue Za Zhi 2000, 16(4): Pincus S, Keefe D, Quantification of hormone pulsatility via an approximate entropy algorithm, The American Physiological Society, 1992, 262(5/1):E Roelfsema F, Pincus S, Veldhuis J, Patients with Cushing s disease secrete adrenocorticotropin and cortisol jointly more asynchronously than healthy subjects, Journal of endocrinology and metabolism, 1998, 83(2): Pincus S, Padmanabhan V, Lemon W, Randolph J, Rees Midgley A, Follicle-stimulating hormone is secreted more irregularly than luteinizing hormone in both humans and sheep, J Clin Invest, 1998, 101(6): Bergenghal M, Aloi J, Irahmanesh A, Mulligan T, Veldhuis J, Fasting suppresses luteinizing hormone (LH) secretion and enhances orderliness of LH release in young but not older men, Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, 1998, 83(6): Licinio J, Negrao A, Mantzoros C, Kaklamani V, Wong M, Bongiorno P, Mulla A, Cearnal L, Veldhuis J, Flier J, McCannn S, Gold P, Synchronicity of frequently sampled, 24-h concentrations of circulating leptin, 14

15 luteinizing hormone, and estradiol in healthy women, The National Academy of Sciences, 1998, 95(3): Matt D, Kauma S, Pincus S, Johannes D, Veldhuis E, Characteristics of luteinizing hormone secretion in younger versus older remenopausal women, Am J Obstet Gynecol, 1998, 178(3): Pincus S, Veldhuis J, Mulligan T, Iranmanesh A, Evans W, Effects of age on the irregularity of LH and FSH serum concentration in women and men, Τhe American Physiological Society, 1997, 273(5/1):E Van den Berg G, Pincus S, Frolich M, Veldhuis J, Roelfsema F, Van Dulken H, Reduced disorderliness of growth hormone release in biochemically inactive acromegaly after pituitary surgery, J Endocrinol Invest, 1998, 138(2): Friend K, Iranmanesh A, Veldhuis J, The orderliness of the growth hormone (GH) release process and the mean mass of GH secreted per burst are highly conserved in individual men on successive days, Journal of clinical endocrinology and metabolism, 1996, Gevers E, Pincus S, Robinson I, Veldhuis J, Differential orderliness of the GH release process in castrate male and female rats, Am. J. Physiol, 1998, 274(2), Garcia-Rudaz M, Ropelato M, Escobar M, Veldbuis J, Barontini M, Amplified and orderly growth hormone secretion characterizes lean adolescents with polycystic ovary syndrome, Eur J. Endocrinol, 2002, 147(2):