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第三章 技术方法
一、信号采集
从理论上讲,心电散点图需要采集的信号仅为连续心搏的RR间隔数值,即只需要代表心室除极的R波峰间距的连续数据,就可以制作出完整的心电几何图形,但目前心电散点图软件系统没有完全独立与信号采集、信号分析的硬件相结合,而是依附于动态心电分析仪中。目前绝大多数制作心电散点图数据源自动态心电图记录的连续RR间隔,能够分析到的信号数据量取决于动态心电图的记录时间。心电散点图软件依附于动态心电系统另一个重要意义在于这是一项新技术,层出不穷的未知图形时常扑面而来,我们必须用动态心电图这个已知的方法与之相互对照,诠释相对应的心电散点图,并时常产生出新的定义,促使这项技术不断发展。这也是当前心电散点图的研究与应用主要集中在大医院动态心电图医生手中的原因。
临床动态心电图一般记录24小时心电信号,可以提供10万次左右的RR间隔数据信息,可以称为海量心电大数据。动态心电图采集盒通常有三导联与十二导联的区别,一般情况下观察心律失常只要三导联即足够,观察心肌缺血时最好采用十二导联记录。三导联记录需要在受检者胸前贴放7个皮肤电极,而十二导联记录需要贴放10个皮肤电极。绝大多数受检者都能耐受24小时电极片的贴放,少数受检者较为敏感,可引起短暂皮肤发红。但大多数受检者都不太耐受超过24小时的皮肤电极接触。
随着信息技术日新月异的发展,长时间连续心电记录也日益成熟,从技术性能来说芯片对数据记录时间和数据贮量不造成限制,但多数体表记录盒的电池最多有效支持72小时记录,加之受检者的皮肤耐受问题,实际上这些看起来“不起眼儿”的小事是限制长时程或超长时程心电记录的瓶颈问题。
近年来有异军突起之势的远程心电传输技术发展迅速,从十多年前开始的短时间心电图记录的远程传输,到现在的长时间远程心电记录传输,这些心电记录可以集中回放,也可以通过手机蓝牙连接,进行实时传输,以此解决目前心电信号实时传输电池续航能力不足的问题。这意味着远程动态心电图时代的到来,意味着不久的将来,普通百姓在家中随时可将记录到的心电信息传输到医院或专业的诊断中心,进行专业化的诊断,并能在家中接到诊断报告。近些年来动态心电记录盒的小型化,尤其近几年来可穿戴医疗设备概念的提出和探索,使这一目标离我们更近了一步。可穿戴设备可进行长时间人体生理信号记录,因此要求“有可穿戴性”,包括设备要小巧轻便,与人体体表相容性强,操作简单,使用方便,记录效果达标,适于受检者长期佩戴。对于可穿戴心电设备,导联数越少,可穿戴性就越强。从这个意义而言,心电散点图这样只需要输入RR间隔数据,只需记录一个导联,在体表贴放两个电极,就能诊断常见心律失常的技术,可见心电散点图是可穿戴心电设备最好的“搭档”。
二、心电散点图的分析软件
近十余年来心电散点图软件功能发生了之前无可比拟的更新变化。最早的心电散点图商业软件见于20世纪90年代美国动态心电图系统,但无人问津,原因是心电散点图系统不仅不能与心电图进行逆向回放,也不能进行人工编辑修改,更重要的是没有人会看,不知该图形所云为何物。2005年我们完成了首都医学发展基金自主创新项目“心律失常Lorenz图智能化诊断模型”的研究工作,以1153例临床心电散点图与动态心电图对照观察结果为依据,制作了常见心律失常的诊断模型,为之后用心电散点图分析心律失常的系统研究奠定了基础。2011年在我们的建议下,DM S的心电散点图软件增加了逆向回放的功能,使心电散点图的研究犹如插上了翅膀,迅速腾飞。目前国内知名动态心电图品牌的系统中都有了实用型心电散点图编辑系统,在国际上远远处于领先地位。该系统既能显示心电散点图图形,供操作者辨识诊断,又能在人工辅助下进行修改,进行快速编辑,也能进行心搏计算及散点的坐标值定位,更重要的是能与后来使用开发出来的时间RR间期散点图、RR间期差值散点图系统之间进行切换,从而利用不同系统对不同类型心律失常的诊断优势,更加准确和快速地进行动态心电图分析。由于这些新技术的运用,许多原来不甚清楚的心律失常RR间期序列及其心电生理指标,如心房颤动时AVNFRP的变化、并行心律、心房扑动、逸搏及逸搏心律、起搏心律及窦性心律中未知的变化模式等都被展现出来。
目前功能最强的心电散点图分析软件含有RR间期散点图(本书后称:散点图)、RR间期差值散点图(本书后称:差值散点图)和时间RR间期散点图(本书后称:t-RR),并具有在各系统之间的切换功能。其中RR间期散点图、RR间期差值散点图属于相空间的二维图形,二者均由连续的RR间期迭代追踪作图而成,可表达连续心电信号动力学系统的部分非线性混沌特征。RR间期散点图是最早在临床进行观察,也是得到确定性研究结果和目前在临床动态心电分析中使用最多的方法。在此之后,RR间期差值散点图在临床应用上的独到之处也已见端倪。除此,作为RR间期变化趋势图的时间RR间期散点图方法取得了很有意义的研究结果,正在用于临床。因此,目前广义而言的心电散点图包括了上述三种方法,其中RR间期散点图是最经典的方法,本书大部分图例的解析均以这一图形为主。
(一)相空间图
1.RR间期散点图
RR间期散点图也称心电散点图、散点图、Lorenz图、Lorenz散点图、RR-Lorenz图、Lorenz-RR散点图或Poincaré截面图、Poincaré图等,是以“混沌理论之父”的Edward Norton Lorenz和“混沌理论的奠基人”Jules Henri Poincaré的姓氏命名的。散点图是在二维直角坐标系中对连续心搏RR间期按时间序列迭代追踪得到的图形,是一种将长时间心电信息集中在一张图形上的非数字化、非线性的数据高密度表达方式,是快速地将长时间心电数据用一张图形来表示的全RR间期一览图。在一定范围内,数据越大,图形越清晰,可信度越高。散点图主要表达RR间期及RR间期之间的关系,以及由不同RR间期关系变化的不同趋势所反映的诊断信息。
散点图作图方法(图3-1)是首先建立横轴为X、纵轴为Y的二维平面直角坐标系,散点图由系列中两个相邻的RR间期获得图形的动力学变化。X轴数值代表前RR间期(RR n)时间长度,Y轴数值代表紧邻其后的RR间期(RR n+1)的时间长度。在坐标系中,按时间顺序迭代追踪作图。
图3-1 散点图作图方法
散点图是以迭代的方法对连续RR间期按时间顺序进行追踪作图,建立横轴为X,纵轴为Y的二维坐标系,数据源自动态心电图记录的连续RR间期,X轴数值代表间期RR n,Y轴数值代表紧随其后的间期RR n+1。在坐标系中,按时间顺序不间断地追踪描记出X=RR n,Y=RR n+1的点
散点图源于大样本心电数据,目前临床多采用将24小时心搏作图模式。但有发作性或复合型心律失常存在时,由于众多的散点在二维坐标中相互重叠,一些有意义的心搏图形可能被包埋,而分时散点图(图3-2)可快速观察不同时段的图形,及时发现发作性心律失常,避免漏诊。散点图在软件中可分时段制作,称“分时散点图”,用以观察发作性心律失常在不同时段的表现和变化。
图3-2 分时散点图与24小时散点图对照
左图的24小时散点图图形特征为早搏,右图是其分时散点图,在不同时段图形发生变化,并清晰显示室性并行心律的特征
有时还可以采用坐标四个象限同时表达的作图模式(图3-3),多用于观察含有宽QRS波的图例诊断。设两个窄QRS波(包括窦性、室上性)所形成的RR间期为N,宽QRS波之前的“联律间期”为V。则N-N-N表达在第Ⅰ象限,N-N-V在第Ⅳ象限,N-V-N在第Ⅱ象限,在有连续宽QRS波出现时,将V-V-V表达在第Ⅲ象限。该模式可清晰地将宽QRS波分离出来,以观察宽QRS波相关的图形形态及与基础心律图形的关系,进行诊断和鉴别诊断。
图3-3 单象限与四象限散点图作图方法的表达
图3-4 房颤伴室内差异性传导的单象限与四象限散点图
左图为单象限图,差异性传导的宽QRS波被房颤的扇形掩埋,无法观察其图形特征;右图为四象限图,宽QRS波前点(RR n为窦律,RR n+1为宽QRS波的联律间期)的散点被提到Ⅳ象限中,其差异性传导的形态特征清晰可见
2.RR间期差值散点图
RR间期差值散点图,也称差值散点图(图3-5和图3-6),与散点图一样属于相空间图,不同之处是以相邻两RR间期之差获得图形的动力学变化。差值散点图的作图方法是建立二维平面坐标系,原点在坐标的中心。将数据中的连续RR间期的差值(RR n+1-RR n)迭代追踪作图。
图3-5 差值散点图作图方法(窦性心律)
窦性心律大致匀齐,因此RR间期的差值靠近坐标原点,窦性心律吸引子位于坐标正中央的坐标原点处
图3-6 差值散点图作图方法(窦性心律伴室性早搏)
图形中央坐标原点处是窦性心律吸引子,吸引子P 1(RR 2-RR 1)、(RR 3-RR 2)是早搏前点;吸引子P 2(RR 3-RR 2)、(RR 4-RR 3)是早搏主点;吸引子
P 3(RR 4-RR 3)、(RR 5-RR 4)是早搏后点;P 4(RR 5-RR 4)、(RR 6-RR 5)是早搏次后点
同样一份数据,其散点图与差值散点图的图形截然不同,如图3-7中的左图与右图,图3-8中的左图与右图。
图3-7 正常窦性心律的散点图与差值散点图
同一份数据制作的图形,左图是散点图,右图是差值散点图
图3-8 室性早搏的散点图与差值散点图
同一份数据制作的图形,左图是散点图,右图是差值散点图
(二)时间RR间期散点图
时间RR间期散点图,也称t-RR图(图3-9),是记录过程中全部实时RR间期变化的趋势图。图中的横坐标是从记录开始到记录结束的时间过程,纵坐标是与时间相对应的实时RR间期。目前使用的t-RR图软件其横坐标能够在人工辅助下“自由伸缩”,当图形被“紧缩”时有利于观察心率的整体状况,当图形被“拉伸稀释”时有利于观察局部细节。t-RR图能够全屏显示24小时的连续RR间期,也可以分时段显示连续RR间期,对于重点关注的时段进行检查。同时,利用逆向技术可在t-RR图与散点图之间自由切换,了解该RR间期在散点图中的位置,确定不同时段所包含的不同心律及心律失常。t-RR图在心律失常诊断中亦有不可替代的独特优势。
图3-9 t-RR图与散点图的自由切换
持续性心房颤动的t-RR图:上层是24小时连续RR间期,图中蓝色竖条的宽度在横坐标上是1小时,选取这1小时条图进行“放大”,即成为中层的连续RR间期条图,右上方是与中层条图相对应的1小时散点图,下方的心电图是在该时段中可操作自由滚动的实时动态心电图片段
三、逆向技术
目前临床应用最多的是散点图和t-RR图,其次是差值散点图。三种作图方法各具优势,散点图侧重于表现RR间期之间的关系;t-RR图可实现时间与作为相空间图的散点图的联动,并通过对坐标的调整操作,获得心率的分层信息,从而更快地识别不同性质的心律和心律失常;差值散点图主要表现相邻RR间期差值的变化,目前观察总结得较少,但在室上性心律失常与室性心律失常,以及二联律、三联律的区分方面显示出优势(图3-10)。
图3-10 散点图、差值散点图及t-RR图的对照
最上层的的频发房性早搏心电图分别用散点图(中左图)、差值散点图(中右图)和t-RR图(下层图)表达
(李方洁)
参考文献
李方洁,向晋涛.心电散点图.北京:人民卫生出版社,2014.