The oscillations observed in many time series, particularly in biomedicine, exhibit morphological variations over time. These morphological variations are caused by intrinsic or extrinsic changes to the state of the generating system, henceforth referred to as dynamics. To model these time series (including and specifically pathophysiological ones) and estimate the underlying dynamics, we provide a novel wave-shape oscillatory model. In this model, time-dependent variations in cycle shape occur along a manifold called the wave-shape manifold. To estimate the wave-shape manifold associated with an oscillatory time series, study the dynamics, and visualize the time-dependent changes along the wave-shape manifold, we propose a novel algorithm coined Dynamic Diffusion map (DDmap) by applying the well-established diffusion maps (DM) algorithm to the set of all observed oscillations. We provide a theoretical guarantee on the dynamical information recovered by the DDmap algorithm under the proposed model. Applying the proposed model and algorithm to arterial blood pressure (ABP) signals recorded during general anesthesia leads to the extraction of nociception information. Applying the wave-shape oscillatory model and the DDmap algorithm to cardiac cycles in the electrocardiogram (ECG) leads to ectopy detection and a new ECG-derived respiratory signal, even when the subject has atrial fibrillation.


翻译:在许多时间序列中观测到的振动序列,特别是在生物医学中观察到的振动序列,在时间上呈现形态变异。这些形态变异是由对生成系统状态的内在或外部变化造成的,从今以后被称为动态。为了模拟这些时间序列(包括特别是病理学序列)并估计基本动态,我们提供了一个新的波形形状变异模型。在这个模型中,周期形变异会与一个称为波形结构图的元件发生。为了估计与波形时序序列相关的波形形形变异,研究动态变化,并直观地显示波形元结构结构变化,我们建议采用一种新奇特的算法,通过对所有观测到的振动图集应用完善的传播图(DM)算法。我们从理论上保证DDMmap 算法在拟议模型下恢复的动态信息。将拟议的模型和算法应用于在一般气压序列中记录的血液压力(ABP)信号,甚至由波状阵状阵列测算后,将EC-气压图解算结果。

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