T波對(duì)齊在T波交替譜分析中的對(duì)比研究*

魏 瓏,魏佑震,趙 捷,李合菊

(1.萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 萊蕪 271100；2.上海東方醫(yī)院，上海 200120；3.山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250014)

T波電交替(T-wave alternans，TWA)是心電信號(hào)中的一種變異現(xiàn)象，表現(xiàn)為規(guī)整的心律中T波形態(tài)、振幅和極性以ABAB…的形式逐拍交替變化，如圖1所示。T波交替是目前預(yù)測(cè)心臟性猝死和室性心律失常的一個(gè)無(wú)創(chuàng)的臨床指標(biāo)[1-3]。

當(dāng)前，具有病理意義的微伏級(jí)TWA檢測(cè)方法已經(jīng)有了一定的發(fā)展，如譜分析法[4-5]、相關(guān)分析法[6-8]、散點(diǎn)圖法[9]、漸量平均修正技術(shù)等[10-11]，其中譜分析是目前發(fā)展最為成熟的TWA檢測(cè)技術(shù)。它具有較高的敏感性和可靠性，在臨床研究中已被廣泛采用，并在CH2000、Heartwave等醫(yī)療器械中發(fā)揮作用。

圖1 TWA現(xiàn)象Fig.1 The phenomenon of TWA

1 譜分析算法與仿真

1.1 數(shù)據(jù)處理及T波矩陣對(duì)齊

表1 T波起點(diǎn)選取規(guī)則Table 1 Selection rule of the T-wave onset

1.2 譜分析算法

為了在頻域中反映出T波段幅度是否存在周期性變化，需要通過(guò)譜變換將上述所得的對(duì)齊T波矩陣(128×N)的幅度變化轉(zhuǎn)變成功率譜，疊加平均后得到對(duì)齊T波矩陣的功率譜曲線圖。若這128個(gè)點(diǎn)幅度高低周期變化，則其時(shí)域表達(dá)式為：

(1)

其中偶數(shù)序列的幅度為A，奇數(shù)序列的幅度為(A+δn)，增加的δn為序列之間的變化幅度。若對(duì)上述128個(gè)點(diǎn)組成的序列x(1)-x(128)作傅立葉變換FT可得：

(2)

WN=exp(-j2π/N)

(3)

(4)

經(jīng)過(guò)傅里葉變換(2)-(4)式可見，K=64處有一δ的累積值，對(duì)應(yīng)于功率譜圖上的0.5 cycle/beat(cpb)頻率處有一明顯的譜線，此譜線可作為TWA的標(biāo)識(shí)線。由于心電信號(hào)中的噪聲在功率譜中占很寬的頻帶，且在數(shù)據(jù)處理中不可能完全濾除，因此在心電信號(hào)功率譜曲線圖中較難分辨信號(hào)與噪聲。為了能夠確定心電信號(hào)中是否存在TWA現(xiàn)象，須引入T波交替率TWAR作為判據(jù)，即可以通過(guò)比較0.5 cpb處與噪聲的譜大小判定是否存在TWA，其公式為

(5)

其中定義背景噪聲落在0.44-0.49 cpb處，其平均值為SNB，方差為σNB，0.5 cpb處的能量為S0.5。TWA的交替幅度可以用平均交替幅度表示為

(6)

其中N為每心拍內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。(5)式中頻域方法判斷TWA陽(yáng)性的交替比率TWAR參考標(biāo)準(zhǔn)為3，(6)式中幅度ASM判斷參考標(biāo)準(zhǔn)為1.9 μV。

1.3 算法驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自MIT-BIH心律失常數(shù)據(jù)、惡性室性心律失常數(shù)據(jù)及European ST-T心電數(shù)據(jù)。圖2給出了European ST-T心電數(shù)據(jù)e0105#起始時(shí)間為0:05:20的128拍心電的TWA功率譜圖。在圖中0.5 cycle/beat頻率處有一明顯的峰值線，作為T波交替顯著標(biāo)識(shí)線；作者同時(shí)仿真了該信號(hào)樣本的T波段幅度均值，如圖3所示，其中中間的實(shí)線圖代表全序列x(1)-x(128)T波段幅度均值，上面的虛線圖代表偶數(shù)拍序列x(2)，x(4)，…x(128)T波幅度均值，下面的點(diǎn)化線圖代表奇數(shù)拍序列x(1)，x(3)，…x(127)T波幅度均值。從圖中直觀證實(shí)了128個(gè)心拍中奇偶序列存在幅度差值，此樣本信號(hào)可能出現(xiàn)T波交替現(xiàn)象。

圖2 TWA功率譜Fig.2 The power spectrum of TWA

表2為TWA檢測(cè)結(jié)果，其中ASM為譜分析法交替幅度，單位為μV，可見部分樣本數(shù)據(jù)TWA幅度均大于陽(yáng)性參考標(biāo)準(zhǔn)1.9 μV，因此認(rèn)定出現(xiàn)T波交替現(xiàn)象。由于T波交替僅在惡性心律失常的數(shù)據(jù)中才可能發(fā)現(xiàn)，因此為進(jìn)一步完善TWA檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，在臨床上采集大樣本的心律失常病人的心電數(shù)據(jù)并做長(zhǎng)期的跟蹤很有必要。

圖3 TWA幅度均值Fig.3 The mean amplitude of TWA

記錄號(hào)數(shù)據(jù)來(lái)源起始時(shí)刻心拍數(shù)ASM/μVe0305ST-T0:05:0025658.70e0103ST-T0:20:3712822.75e0103ST-T0:40:08128335.42100MIT-BIH0:15:001280e0111ST-T0:37:4012842.50103MIT-BIH0:03:0025624.68e0105ST-T0:05:20128108.56e0105ST-T1:40:10128116.74611MIT-BIH0:04:2225635.66116MIT-BIH0:18:151280

2 TWA譜分析法檢測(cè)中對(duì)齊方式的

研究討論

2.1 兩種對(duì)齊方式比較

數(shù)字信號(hào)技術(shù)所識(shí)別的電交替為微伏量級(jí)信號(hào)，因此計(jì)算變量的選擇將影響交替信號(hào)的提取，其中對(duì)齊方式的不同將影響譜分析TWA檢測(cè)結(jié)果。好的對(duì)齊方式能夠降低噪聲，增大交替峰值。

本文比較了兩種對(duì)齊方式，一種是基于峰值對(duì)齊[13]，即各心拍峰值點(diǎn)對(duì)齊，左右加等長(zhǎng)度窗，但心電波形的多樣化導(dǎo)致其特征點(diǎn)檢測(cè)較難準(zhǔn)確一致，從而使對(duì)齊效果變差，影響檢測(cè)結(jié)果；另一種是點(diǎn)乘最大對(duì)齊，即在前文算法驗(yàn)證中所用。這種對(duì)齊方式是指心拍在一定的窗口M內(nèi)移動(dòng)，取與模板心拍點(diǎn)乘最大的心拍序列為被測(cè)序列，從而使T波能夠最大程度地對(duì)齊。點(diǎn)乘對(duì)齊能夠減少心拍間內(nèi)差，以達(dá)到TWA檢測(cè)的最大交替峰值和最低噪聲[11]。

2.2 對(duì)齊方式仿真驗(yàn)證

我們對(duì)這兩種對(duì)齊方式進(jìn)行仿真比較。在峰值對(duì)齊中，首先檢測(cè)峰值點(diǎn)，左右各加窗150 ms，然后對(duì)形成的T波矩陣進(jìn)行譜分析檢測(cè)；在點(diǎn)乘對(duì)齊中，首先從起點(diǎn)選取300 ms的T波段窗口，疊加128個(gè)心搏T波段，平均得到T波模板；然后在T波窗寬內(nèi)轉(zhuǎn)換為一系列心搏，方法為將每一心搏以速度為1 ms、寬度為起點(diǎn)前30 ms到起點(diǎn)后30 ms的窗口移動(dòng)；最后將該系列心搏與得到的T波模板求點(diǎn)乘，選取點(diǎn)乘最大的序列作為研究的交替數(shù)據(jù)段。當(dāng)窗口M與移動(dòng)速度同為1時(shí)，兩種對(duì)齊方式等效。本文采用譜分析法對(duì)上述兩種對(duì)齊方式進(jìn)行仿真討論，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自European ST-T數(shù)據(jù)庫(kù)中的e0103號(hào)、e0105號(hào)、e0111號(hào)數(shù)據(jù)及MIT-BIH心律失常數(shù)據(jù)庫(kù)中的103號(hào)數(shù)據(jù)。檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 基于不同對(duì)齊方式的TWA檢測(cè)結(jié)果Table 3 TWA amplitude results based on different alignment strategy

從表3中可以觀察到點(diǎn)乘對(duì)齊方式所檢測(cè)的TWA幅值略大于峰值對(duì)齊的結(jié)果。在譜分析法檢測(cè)中已假定T波交替分布在整個(gè)T波段范圍上，而事實(shí)上真正的交替只是出現(xiàn)在其中的一小段上[14]，因此利用譜分析法所檢測(cè)到的TWA幅度較于真實(shí)幅度都有所降低。綜上所述，點(diǎn)乘對(duì)齊所測(cè)的略大的交替幅度更接近于真實(shí)幅度，這恰好驗(yàn)證了在TWA譜分析檢測(cè)中點(diǎn)乘對(duì)齊方式更為準(zhǔn)確。

3 結(jié) 語(yǔ)

譜分析法檢測(cè)電交替信號(hào)是目前發(fā)展最成熟的TWA檢測(cè)技術(shù)，它通過(guò)檢測(cè)拍頻域中0.5 cycle/beat頻率處的功率譜值來(lái)檢測(cè)T波交替。在檢測(cè)過(guò)程中T波對(duì)齊方式的不同將影響檢測(cè)結(jié)果。本文介紹了利用頻域譜分析檢測(cè)T波交替的方法，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，著重討論了兩種T波對(duì)齊方式對(duì)TWA譜分析檢測(cè)的影響并得出結(jié)論。T波交替變異現(xiàn)象詳細(xì)的發(fā)生機(jī)制和完善的檢測(cè)技術(shù)仍有待于今后進(jìn)一步研究。

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