事物中常见的两种行为方式为随机和周期，随机行为是指永远不重复自己，是不可预测的，无组织的；而周期行为是指在固定的时间周期范围内重复自己，具有高度的可预测性。在机体中像受精属于随机行为，而妇女的月经则是典型的周期行为。但也有一些行为介于两者之间，表现为看似为无组织的随机，但具有其内在的规律性，人们将这种现象称为混沌（chaos）。混沌是看似无序实则有序。目前的研究提示心脏的节律、脑电图等均呈混沌。凡是非线性过程都可能在一定条件下表现有混沌特征。

　　混沌现象具有以下特征：

　　1.确定性：混沌行为不仅受到一定程度的约束，而且有特定的行为方式；

　　2.非周期性：混沌行为永远不能够准确地重复自己，没有可辨别的周期使之在规律的间期重复。

　　3.运动范围有限性：混沌行为被约束在比较窄的范围内，表现为随机的，系统行为实际是有界限的，并非无界限地漫游。 

　　4.不稳定性：混沌现象敏感地依赖其初始状态，初始状态较小的差别将导致较大的结果差别，即“失之毫厘，谬之千里”，这种对初始状态的极度敏感使之表现为不稳定性和某种程度上的不可预测性。

        混沌提供了一种了解很多生物现象的新工具。随着一些非线性动力学概念和技术被用于解释人体的生理过程，使人们能更好地解释心律失常中的一些现象。

　　1.蝴蝶效应：1972年，美国麻省理工学院教授、混沌学开创人之一E.N. Lorenz在美国科学发展学会第139次会议上发表了题为《蝴蝶效应》的论文，他用下列语言描述了混沌现象：“巴西丛林一只蝴蝶偶然扇动翅膀，可能会在美国得克萨斯州掀起一场龙卷风”。 这反映了对初始状态的敏感，是混沌现象的经典表现（图1）。

图1. Lorenz实验：两条曲线的差异仅因初始输入的数据相差0.000127，最后出现了明显的差异

 2.分叉（分形）：是指事物在发展中不断地分裂成与原有物体相似的多个物体，具有自相似性，主要表现为倍周期分叉和无穷分叉（图2）。

图2.倍周期分叉

　　3.奇怪吸引子：相空间中，初始条件不同的许多轨道汇拢到特定的局部区域，该区域称为吸引子，分为（1）平庸吸引子：具有整维数的吸引子，包括零维、一维、二维吸引子；（2）奇怪吸引子：具有分维数的吸引子，反映对初始条件极为敏感，是混沌学的重要组成部分，演化过程具有终极性、稳定性、吸引性。

　　1. 混沌行为的量度

　　(1)Lyapunov指数

        Lyapunov指数用来描述系统运动的稳定性，周期运动是稳定的Lyapunov指数的λ＝0，混沌运动是不稳定的，Lyapunov指数的λ>0；衰减性周期运动，Lyapunov指数的λ<0。

　　(2)分维数

        描述的是空间或时间过程中混沌的复杂性的量度，分数维等为常用指标。

　　(3)混沌指数

        用心率信号功率谱分析结果提取，表示系统处于不同可能状态的状态数。该指数可反应心率变异的复杂程度。

　　2. 混沌行为的图形

　　描述混沌行为的图形主要有以下四种

　　(1)相平面图

        是动力学系统行为在状态空间的一种表示方法。X轴表示信号，Y轴表示其对应的一阶导数。

　　(2)延迟映射

        与相平面图法类似，但它分析的数据必须是离散的，X轴表示序列的当前值，Y轴表示序列延后的某个值，延迟可以平滑数据中的一些噪音，不像相平面图那样对噪音敏感。

　　(3)功率谱图

        功率谱图是用信号不同频率成分所对应的功率，表示各个频率成分对信号的贡献的频域分析方法。可以确定信号的混沌程度。

        混沌提供了一种了解很多生物现象的新工具。随着一些非线性动力学概念和技术被用于解释人体的生理过程，心脏的电与机械运动中的一些现象与机制也越来越需要应用非线性混沌理论来解释。用非线性动力学方法对心脏的研究始于上世纪八十年代初, Glass等人用不同的频率刺激离体小鸡胚胎的心脏细胞, 观察到细胞可以呈现出锁相、倍周期分叉等混沌运动状态，这鼓舞了很多的学者投入到心脏活动的非线性研究中，并取得了一定的进展。

        心脏解剖结构的本身就存在着混沌现象，不论是冠状动静脉还是特殊传导系统都存在着多种自相似和类分形结构（图3）。除此，心脏的机械活动和电活动受多重因素的影响，自主神经、体液等因素使心脏的收缩和心电活动呈非线性状态。因此，心电活动不可避免地存在混沌现象。

图3.心脏的冠状动脉和特殊传导系统都存在自相似和类分形结构

　　1．正常窦性心律中的混沌现象

        心脏的搏动看似很规则，似乎是周期性运动，但正常心脏的节律受神经体液因素的调节无时不在发生着变化。因此，正常的窦性心律中是否存在混沌行为曾经是一个颇有争议的问题。著名心脏病学家Goldberger与同事用混沌动力学方法研究了窦性心律，发现健康人的心动周期并非固定不变的，不同时相的心率变化具有自相似性，对心率变化进行的频谱分析显示出混沌过程特有的宽带谱。其他学者也发现正常人和不正常人群中心率的分数维不同，前者分维数明显大于后者。动物试验显示在室颤发生前，分维数显著下降，心梗后患者的分数维也明显降低。这都说明健康的心脏具有更大的心率可变性。其机制可能与自主神经在生理状态下和病理状态下的调节能力不同有关。窦性心律下混沌现象的减弱或消失提示患者的自主神经受到损害。窦律下的混沌现象也随着年龄的增长而逐渐减弱。

　　2．心房颤动中的混沌现象

        经典的观点认为房颤时心房的电活动表现为无序的、非周期性的微折返活动。但经过激光扫描成像技术标测，在房颤貌似杂乱无章的折返活动中存在着主导自旋波，这种主导波的波峰属于4－9赫兹的窄带频谱，而不似处于宽带谱内那些杂乱的子波，这种无序中有序的主导波是维持房颤的根本，表明在房颤发生时其内在存在主导节律的控制。有人据此理论将房颤分为了三类四种形式（图4）。

        I型：右心房被一个单一的前传波激动,激动常起源于右心耳,传导时间50～90ms,可能同时存在影响较小的局部传导延缓，约占40％。

        II型：右心房被单一的前传波激动,伴有较大的局部传导延缓(IIa), 或由两个不同的波激动, 两者之前存在一条功能性传导阻滞（IIb），约占32％。

        III型：右心房被3个或3个以上的多个小波激动,在多个小波之间有多条传导阻滞线或缓慢传导区，约占28％。

        很多心房颤动的病人上述三种形式的除极混合存在, 当某型激动的心房波数量高于心房波总数的50%时, 则将其划为该型。

图4. 激光扫描成像技术标测，房颤貌似杂乱无章的折返活动中存在着主导自旋波。

　　3．心室颤动中的混沌现象

        有关室颤的病理生理机制曾有很多动物和人体的研究，提出过很多的理论和猜想，也有人从非线性动力学的角度进行了探讨。

        从开胸狗室颤中得到的心电数据构成Poincare截面上的散点图,结果显示室颤更像一个随机的过程,而不像是一个确定的混沌行为。但与此矛盾的是在1秒心室颤动心率功率谱中观察到存在窄频带,发生室颤前心率变异的维数也比较小。这说明室颤又不同于随机的过程。目前有关室颤发生中是否存在混沌现象有一定的争议。目前认为当心肌组织具有不匀质性时，电的传导遇到不应期组织时将会产生旋转子( rotor)，发生室速； 旋转子相互碰撞、碎裂形成数目不等的子波，电波进一步碎裂,变得更加紊乱，形成室颤。室颤碎裂的子波具有自相似性和分叉特征。目前共识是在心肌梗死后，室颤发生之前，可见到心率变异性减低，分数维明显下降。有人利用动态心电图检测发现室颤后存活者的分数维下降，约在0.8-1.3之间，这些提示心率变异的低混沌维预示着有发生室颤的危险。

　　4．其他

        心脏的传导系统是一个典型的分叉表现，而分叉与混沌又似一枚硬币的两个面，因而在传导系统路径上，除上述提到的房颤、室颤存在混沌现象，房室传导阻滞、并行收缩、室性早搏等也存在着混沌现象。需要进一步的分析。

        对心脏传导系统中产生的心电现象混沌特征的分析有助于对心律失常发生机制的理解，以便寻找更加有益的防治方法。