體表電位標(biāo)測(cè)圖進(jìn)行心室異位起搏點(diǎn)定位之分辨率及導(dǎo)聯(lián)密度影響的仿真研究

胡小剛 李心雅 彭屹#*

1(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044)2(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所，北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)院，北京 100005)

體表電位標(biāo)測(cè)圖進(jìn)行心室異位起搏點(diǎn)定位之分辨率及導(dǎo)聯(lián)密度影響的仿真研究

胡小剛1李心雅2彭屹2#*

1(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044)2(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所，北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)院，北京 100005)

基于自行構(gòu)建的全心臟電生理模型，利用體表電位標(biāo)測(cè)圖(BSPM)，進(jìn)行心室異位起搏點(diǎn)定位之分辨率以及導(dǎo)聯(lián)密度影響的仿真研究。在蒲肯野纖維網(wǎng)中選擇24個(gè)心室異位起搏點(diǎn)，二維橫向范圍內(nèi)(12.5 mm×16 mm)選取18個(gè)異位起搏點(diǎn)，在長(zhǎng)度為7.5 mm的縱向區(qū)域選取6個(gè)異位起搏點(diǎn)。計(jì)算每個(gè)異位起搏點(diǎn)存在時(shí)的QRS等積分標(biāo)測(cè)圖(BSPMQRS)，并分別在橫向和縱向區(qū)域內(nèi)，就每一個(gè)異位起搏點(diǎn)與其它配對(duì)點(diǎn)之間BSPMQRS的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)相關(guān)系數(shù)小于0.95，則認(rèn)為兩點(diǎn)可區(qū)分。在體表導(dǎo)聯(lián)密度對(duì)BSPM影響的探討中，均勻抽取導(dǎo)聯(lián)的同時(shí)保證剩余的導(dǎo)聯(lián)依然可以覆蓋整個(gè)胸廓。采用統(tǒng)計(jì)反演推算方法，根據(jù)較少導(dǎo)聯(lián)上的數(shù)值反推整體導(dǎo)聯(lián)的信息，并通過實(shí)際值和估算值的相關(guān)系數(shù)，以判斷較小的導(dǎo)聯(lián)密度是否有體現(xiàn)全局信息的能力。結(jié)果顯示，心室異位起搏點(diǎn)定位的橫向分辨率為(2.80±0.62) mm，縱向分辨率為(3.25±0.39) mm。導(dǎo)聯(lián)數(shù)目從252分別減少到132，72和36時(shí)，得到的相關(guān)系數(shù)分別為0.987±0.050，0.946±0.060 和0.852±0.080，心室異位起搏點(diǎn)定位分辨率也隨相關(guān)系數(shù)的減小而降低?？筛鶕?jù)應(yīng)用目的在導(dǎo)聯(lián)密度和相關(guān)系數(shù)間作出平衡。

體表電位標(biāo)測(cè)圖(BSPM)；心室異位起搏點(diǎn)；空間分辨率；電極密度

引言

心血管疾病嚴(yán)重危及人類健康，其中室性心律失常和心肌梗塞是致死致殘主要誘因[1]。臨床上常規(guī)的12導(dǎo)聯(lián)心電圖或者動(dòng)態(tài)心電圖(Holter)，由于受導(dǎo)聯(lián)數(shù)目限制，空間分辨率有限。體表電位標(biāo)測(cè)圖(body surface potential mapping, BSPM)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而興起的一種無(wú)創(chuàng)診斷技術(shù)，在軀干表面放置數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)導(dǎo)聯(lián)，同步記錄各部位的心電圖，由于導(dǎo)聯(lián)數(shù)眾多，分布范圍更廣，因此可以獲得較常規(guī)心電圖更多的信息，具有更高的空間分辨率[2]。

BSPM對(duì)心臟疾病的診斷和異位靶點(diǎn)定位方面的作用已經(jīng)得到了證實(shí)和應(yīng)用，其中比較具有代表性的，一是探討B(tài)SPM用于心室異位起搏點(diǎn)的定位[3-4]；二是通過擴(kuò)大胸廓表面電極記錄范圍，覆蓋常規(guī)心電圖的診斷盲區(qū)，以加強(qiáng)對(duì)于急性心肌梗塞的診斷[5-6]。后者相對(duì)比較成熟，已有臨床可用產(chǎn)品。。

目前由室性心律失常引起的心源性猝死(sudden cardiac death, SCD)依舊為死亡的主要原因。在過去的幾十年，植入性和便攜式除顫技術(shù)不斷發(fā)展用以終止室性心動(dòng)過速和室顫等惡性心律失常事件。此外，抗心律失常藥物也在不斷研發(fā)。但這些治療手段的效果有時(shí)有限。導(dǎo)管射頻消融術(shù)(radiofrequency catheter ablation，RFCA)通常用于治療由異位起搏點(diǎn)引起的、而藥物治療無(wú)效的各種心律失常，是目前根治心律失常的唯一有效方法，對(duì)于異位起搏點(diǎn)的定位是實(shí)施此方法的關(guān)鍵。

當(dāng)前臨床RFCA治療中所采用的標(biāo)測(cè)系統(tǒng)雖然在異位起搏點(diǎn)定位分辨率方面有保證，但皆為有創(chuàng)方法，特別是心室異位起搏點(diǎn)的定位耗時(shí)較多，易引起嚴(yán)重的并發(fā)癥，且準(zhǔn)確率也有待提高[7-8]。BSPM由于其無(wú)創(chuàng)性并且比傳統(tǒng)的心電圖具有更高的空間分辨率，用于異位起搏點(diǎn)定位的思路是利用其形態(tài)特征。異位起搏點(diǎn)的存在會(huì)導(dǎo)致BSPM較正常生理狀態(tài)時(shí)發(fā)生改變，且異位起搏點(diǎn)位置不同，BSPM改變的形式亦存在差異。研究者試圖利用這些差異確定異位起搏點(diǎn)的位置。

但BSPM用于異位起搏點(diǎn)的定位尚未在臨床上得到應(yīng)用，還處在研究階段。出現(xiàn)這種情況的原因是多重的，除特異性和有效性需要進(jìn)一步大量的實(shí)驗(yàn)證明之外，標(biāo)測(cè)系統(tǒng)導(dǎo)聯(lián)數(shù)目眾多，也給應(yīng)用帶來(lái)困難。目前體表心電標(biāo)測(cè)中使用導(dǎo)聯(lián)的數(shù)目尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，大致的范圍在200個(gè)～400個(gè)之間。導(dǎo)聯(lián)數(shù)目多，雖有可能提高定位分辨率，也會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)聯(lián)噪聲，且增加成本。

基于美國(guó)可視人計(jì)劃數(shù)據(jù)集，我們前期構(gòu)建了高精度全心臟電生理傳導(dǎo)模型[9]。所建立的依據(jù)人體真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)的三維心臟電生理模型，可以仿真電興奮在心內(nèi)的傳播，生成BSPM。此模型仿真得到的由竇房結(jié)起搏的正常體表12導(dǎo)聯(lián)心電圖以及典型的異常心電圖，滿足正常心電的生理和典型病例的診斷標(biāo)準(zhǔn)，表明了模型的真實(shí)性和可靠性。本研究采用此模型仿真生成的BSPM，進(jìn)行兩個(gè)方面的探討。首先進(jìn)行心室異位起搏點(diǎn)定位空間分辨率的確定，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上探討體表導(dǎo)聯(lián)密度對(duì)BSPM質(zhì)量和異位起搏點(diǎn)空間分辨率的影響。

1 材料和方法

圖1為本研究的流程圖。利用我們自行構(gòu)建的全心臟電生理模型，生成心室異位起搏點(diǎn)存在時(shí)不同時(shí)刻的BSPM。在心室內(nèi)選取多個(gè)異位起搏點(diǎn)，并仿真得到每個(gè)異位起搏點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的異常BSPM數(shù)據(jù)。在計(jì)算每一心動(dòng)周期QRS等積分標(biāo)測(cè)圖(BSPMQRS)的基礎(chǔ)上，計(jì)算每組配對(duì)BSPMQRS的相關(guān)系數(shù)，以確定心室異位起搏點(diǎn)定位的空間分辨率。在探討體表導(dǎo)聯(lián)密度的改變對(duì)BSPM的影響中，減少體表導(dǎo)聯(lián)密度，并利用較少的導(dǎo)聯(lián)信息，用統(tǒng)計(jì)反演算法估算高密度時(shí)的全導(dǎo)聯(lián)電壓值。通過估計(jì)值和其相對(duì)應(yīng)的實(shí)際值的相關(guān)系數(shù)，評(píng)價(jià)不同導(dǎo)聯(lián)密度下獲得的BSPM對(duì)整體信息的恢復(fù)能力。同時(shí)探討體表導(dǎo)聯(lián)密度的降低對(duì)BSPM進(jìn)行異位起搏點(diǎn)定位分辨率的影響。

圖1 本研究流程Fig. 1 The flow diagram of our work

1.1 仿真BSPM 和QRS等積分標(biāo)測(cè)圖

圖2 BSMP標(biāo)測(cè)點(diǎn)的空間位置示意Fig.2 The illustration of spatial arrangement for BSMP leads

所利用的全心臟電生理模型, 其構(gòu)建是基于美國(guó)可視人計(jì)劃數(shù)據(jù)集(http://www.nlm.nih.gov/ research/visible/ visible_human.html)之中男性解剖斷層圖像。通過圖像增強(qiáng)、組織分割和三維重建，建立了分辨率為0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm 的心臟結(jié)構(gòu)和胸前表面幾何模型；以單細(xì)胞動(dòng)作電位仿真為基礎(chǔ)，使用改進(jìn)的規(guī)則型算法，基于惠更斯原理的各向同性和各相異性波面型算法，分別完成了特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)、心房和心室電活動(dòng)的仿真，時(shí)間精度可達(dá)1 ms；結(jié)合雙域模型理論，使用偶極子等效心臟的電活動(dòng)，同時(shí)結(jié)合軀體模型，完成了心臟電活動(dòng)到體表心電的映射，可生成正常和異常情況下的BSPM。將BSPM的標(biāo)測(cè)點(diǎn)選在胸廓前表面，對(duì)于胸廓上的一點(diǎn)(設(shè)為Ps(x,y,z))，其在冠狀面上的投影Ps(x,z)就是一個(gè)體表電位標(biāo)測(cè)點(diǎn)。如圖2所示，沿x軸和z軸方向以橫向和縱向間隔各10 mm取點(diǎn)，總共取252個(gè)點(diǎn)(21×12)作為體表標(biāo)測(cè)點(diǎn)。

BSPM隨時(shí)間變化的過程是一種四維空間信號(hào)，其中有2個(gè)表示BSPM定位的坐標(biāo)、一個(gè)表示電勢(shì)幅度的坐標(biāo)和一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)。體表等電勢(shì)標(biāo)測(cè)圖電勢(shì)分布的基本表達(dá)方法，是以二維平面代表人體表面，用等勢(shì)線表達(dá)瞬時(shí)電勢(shì)分布。但是表達(dá)一個(gè)完整的心動(dòng)周期的變化過程需要很多張等勢(shì)圖，比如此仿真過程中一個(gè)QRS波持續(xù)200 ms，取仿真的時(shí)間步長(zhǎng)為5 ms，那么QRS過程中將得到41張BSPM圖，導(dǎo)致計(jì)算量過大，不便于觀察和綜合分析。臨床研究表明，個(gè)體積分圖與正常人群積分圖均值之間的相對(duì)偏差大小能有效反映心肌電活動(dòng)過程的異常程度[10-11]。根據(jù)臨床分析和實(shí)用需要，采用QRS等積分標(biāo)測(cè)圖構(gòu)造體表電勢(shì)分布圖，在有效壓縮數(shù)據(jù)量的同時(shí)，還保有心室興奮期間BSPM的整體代表性。

BSPM標(biāo)測(cè)圖中，對(duì)于第i個(gè)標(biāo)測(cè)點(diǎn)的心電信號(hào)fi(t)，在QRS波所對(duì)應(yīng)的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行積分

(1)

對(duì)于每次心室的興奮過程，將每個(gè)標(biāo)測(cè)點(diǎn)的積分結(jié)果Fi繪制積分的等值線，可得到一幅具有252個(gè)標(biāo)測(cè)點(diǎn)的BSPMQRS，以反映體表電勢(shì)的分布。

1.2 心室異位起搏點(diǎn)的選擇

蒲肯野纖維網(wǎng)由左右束支的遠(yuǎn)端分支在心內(nèi)膜下交叉形成，人類的蒲肯野纖維網(wǎng)值分布在心內(nèi)膜淺層，穿透心肌深度不超過2 mm。所采用心臟模型大小為330×264×235，分辨率為0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm，代表同一水平線和縱向線相鄰點(diǎn)之間的距離是0.5 mm。由于蒲肯野纖維網(wǎng)是具有縱深的立體結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于其上異位起搏點(diǎn)定位的精度，也需要在三維方向上求算。

當(dāng)異位起搏點(diǎn)在立體的蒲肯野纖維網(wǎng)上時(shí)，首先在二維平面12.5 mm×16 mm的范圍內(nèi)以1.5 mm等間隔共選取了18個(gè)橫向異位起搏點(diǎn)，分別計(jì)算得到它們各自的BSPM；同樣以1.5 mm的間隔，在長(zhǎng)度為7.5 mm的縱向線上選取6個(gè)縱向異位起搏點(diǎn)，分別計(jì)算得到它們各自的BSPM。

1.3 空間定位分辨率計(jì)算

分別在橫向和縱向區(qū)域內(nèi)計(jì)算定位分辨率。在這兩個(gè)區(qū)域中，每次選取一個(gè)異位起搏點(diǎn)作為中心點(diǎn)，成對(duì)計(jì)算它及其周圍各點(diǎn)的BSPM的相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)越接近1，表明BSPM的形態(tài)越相似，那么兩個(gè)異位起搏點(diǎn)的位置越接近，可以將此看成同一個(gè)點(diǎn)。相關(guān)系數(shù)越小，則認(rèn)為這兩個(gè)異位起搏點(diǎn)是有區(qū)別的。具體包括4個(gè)主要步驟。

步驟1：獲得每一個(gè)異位起搏點(diǎn)的BSPMQRS。取心動(dòng)周期為1 000 ms。對(duì)每一個(gè)異位起搏點(diǎn)，以5 ms的仿真步長(zhǎng)，在一個(gè)200 ms的QRS時(shí)段內(nèi)，分別計(jì)算得到18個(gè)橫向異位起搏點(diǎn)和6個(gè)縱向異位起搏點(diǎn)的BSPMQRS。

步驟2：計(jì)算圖與圖之間的相關(guān)系數(shù)。對(duì)于在同一區(qū)域(橫向或者縱向)內(nèi)已經(jīng)選定的心室異位起搏點(diǎn)，分別將其中每一個(gè)點(diǎn)作為中心起搏點(diǎn)，同時(shí)與本區(qū)域內(nèi)其他的異位起搏點(diǎn)配對(duì)。所以，對(duì)橫向區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)異位起搏點(diǎn)，會(huì)形成17種配對(duì)；而對(duì)于縱向區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)異位起搏點(diǎn)，會(huì)形成5種配對(duì)。

對(duì)于每對(duì)異位起搏點(diǎn)，這兩點(diǎn)BSPMQRS的相關(guān)系數(shù)(CC)以下式計(jì)算：

(2)

式中，n=252，表示導(dǎo)聯(lián)的個(gè)數(shù)，Xi表示的當(dāng)前異位起搏點(diǎn)BSPMQRS的第i個(gè)導(dǎo)聯(lián)上的值，Yi則表示除了當(dāng)前點(diǎn)之外其他點(diǎn)的BSPMQRS序列。

遍歷所有的異位起搏點(diǎn)，對(duì)于橫向區(qū)域，得到大小為18×18的相關(guān)系數(shù)矩陣；而對(duì)于縱向區(qū)域，則形成6×6的相關(guān)系數(shù)矩陣。

步驟3：設(shè)定相關(guān)系數(shù)的閾值。選取0.95作為相關(guān)系數(shù)的閾值[12]。當(dāng)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)不同異位起搏點(diǎn)的BSPMQRS的相關(guān)系數(shù)大于0.95，則認(rèn)為此兩點(diǎn)之間是無(wú)差別的，反之則認(rèn)為此兩點(diǎn)可以區(qū)分。

步驟4：計(jì)算異位起搏點(diǎn)的定位分辨率。對(duì)于一個(gè)中心點(diǎn)P，逐一求出它與相鄰各起搏點(diǎn)得到的BSPMQRS的相關(guān)系數(shù)后，以點(diǎn)的順序作為橫軸，相關(guān)系數(shù)作為縱軸，可得到如圖3所示的曲線。S1和S2是中心點(diǎn)P和左右兩相鄰點(diǎn)的歐式距離，當(dāng)這兩點(diǎn)和P點(diǎn)的BSPMQRS相關(guān)系數(shù)(CC)正好為0.95時(shí)，將(S1+S2)/2作為點(diǎn)P的空間分辨率。按照此步驟求出每點(diǎn)的空間分辨率后，再求此區(qū)域內(nèi)所有的異位起搏點(diǎn)的空間分辨率的平均值，作為此區(qū)域的異位起搏點(diǎn)的空間分辨率[13]。

圖3 不同異位起搏點(diǎn)間BSPMQRS相關(guān)系數(shù)計(jì)算Fig.3 Calculation diagram for the correlation coefficients for different ectopic pacemakers

1.4 電極密度的改變

如圖2所示，我們所構(gòu)造的體表導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)的導(dǎo)聯(lián)個(gè)數(shù)為252個(gè)，按照12行和21列分布。導(dǎo)聯(lián)抽取的原則在不減少導(dǎo)聯(lián)覆蓋面積的條件下，減少導(dǎo)聯(lián)密度。分別從行和列兩個(gè)方向均勻抽取，通過加大行或者列之間的間隔，使導(dǎo)聯(lián)密度減小。這樣，導(dǎo)聯(lián)的總數(shù)從252分別將至132、72和36。

1.5 統(tǒng)計(jì)反演算法

采用統(tǒng)計(jì)反演算法(statistical inverse deduction)[14]，通過較低密度導(dǎo)聯(lián)上的電壓估算全導(dǎo)聯(lián)上的電壓，判斷由此較少個(gè)數(shù)的導(dǎo)聯(lián)恢復(fù)全局信息的能力。包括4個(gè)主要步驟。

步驟1：首先構(gòu)建協(xié)方差矩陣K有

(3)

可把矩陣A看成是一個(gè)N維的列向量，每列的維數(shù)是M×1(在我們的研究中，M=252)，同時(shí)設(shè)心室去極化和復(fù)極化的持續(xù)時(shí)間為200 ms，仿真步長(zhǎng)為5 ms，可得到41個(gè)不同時(shí)刻的BSPM，即N=41。

步驟2：對(duì)協(xié)方差矩陣K和矩陣A進(jìn)行分塊。設(shè)低密度導(dǎo)聯(lián)為已知導(dǎo)聯(lián)，以下標(biāo)k表示；其他的電壓值待估的導(dǎo)聯(lián)為未知導(dǎo)聯(lián)，以下標(biāo)u表示。

矩陣A可表示為

(4)

式中，Akk和Auu為自協(xié)方差矩陣，Auk和Aku為交叉協(xié)方差矩陣。

根據(jù)協(xié)方差矩陣計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣T，則

(5)

步驟3：計(jì)算未知的導(dǎo)聯(lián)上的電壓。設(shè)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)為i，Aki和Aui分別是已知導(dǎo)聯(lián)的標(biāo)測(cè)值和估計(jì)值，則

(6)

式中，Aui的大小為(252- Mk)×41，其中Mk為已知導(dǎo)聯(lián)的數(shù)量。

步驟4：利用得到的Aui和已知的Aki計(jì)算得到的估算值矩陣與標(biāo)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)CC1，即

(7)

步驟5：不同導(dǎo)聯(lián)密度下異位起搏點(diǎn)定位分辨率。按1.3中的方法計(jì)算各個(gè)密度下異位起搏點(diǎn)定位分辨率。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 19.0(SPSS Inc., Chicago, USA)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)。分析結(jié)果中如P<0.05，認(rèn)為被檢驗(yàn)指標(biāo)間存在顯著性差異。

2 結(jié)果

圖4為仿真得到的正常竇房結(jié)起博和存在心室異位起搏點(diǎn)時(shí)的BSPMQRS。圖4(a)為竇房結(jié)起搏的無(wú)異位起搏點(diǎn)的情形，而圖4(b)～(f)為竇房結(jié)起搏的同時(shí)還伴有心室異位起搏點(diǎn)的情形，而且各異位起搏點(diǎn)的位置不同?？梢?，不僅有無(wú)心室異位起搏點(diǎn)的BSPMQRS存在明顯的差異，而且異位起搏點(diǎn)在不同位置時(shí)的5張BSPMQRS的形態(tài)也顯現(xiàn)出差異。當(dāng)起搏點(diǎn)位于不同位置，興奮在體內(nèi)的傳導(dǎo)通路也不一樣，反映在體表的正是BSPMQRS形態(tài)上的差別，這是利用BSPMQRS形態(tài)上的差異區(qū)分異位起搏點(diǎn)位置的基礎(chǔ)。

圖4 不同情形的QRS等積分圖 (圖中的數(shù)字為等勢(shì)電壓值)。(a) 正常興奮傳導(dǎo); (b) 心室異位起搏點(diǎn)位于左束支蒲肯野纖維網(wǎng)區(qū)域Fig.4 BSPMQRS without and with ectopic pace makers (The numbers put on each sub-figure are equivalent voltage values). (a) Normal BSPMQRS without ventricular ectopic pacemaker; (b)～(f) The BSPMQRS with different ventricular ectopic pacemakers located in the Purkinje fibers

表1顯示了所選的18個(gè)橫向異位起搏點(diǎn)和6個(gè)縱向異位起搏點(diǎn)各自的定位分辨率，基于此，橫向和縱向方向上的分辨率分別為 (2.80±0.62)mm和 (3.25±0.39) mm，幾乎在相同的數(shù)值水平上。

表2為不同導(dǎo)聯(lián)密度下，橫向和縱向方向定位分辨率的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差?？梢?，隨著導(dǎo)聯(lián)密度的降低，反推法估算的相關(guān)系數(shù)持續(xù)降低，相比于總導(dǎo)聯(lián)為252(導(dǎo)聯(lián)間隔為1 cm)的情況，隨著導(dǎo)聯(lián)密度的減小，總導(dǎo)聯(lián)數(shù)降為132(橫向?qū)?lián)間隔為2 cm)時(shí)，相關(guān)系數(shù)在相當(dāng)高的水平，降至72個(gè)(橫向?qū)?lián)間隔為4 cm)時(shí)，相關(guān)系數(shù)在可以接受的水平，而降至36(橫向和縱向?qū)?lián)間隔分別為8 和4 cm)時(shí)，相關(guān)系數(shù)則顯得過低。同樣，異位起搏點(diǎn)定位分辨率也隨著導(dǎo)聯(lián)密度的降低而降低。

表1 對(duì)于所選心室異位起搏點(diǎn)的橫向和縱向定位分辨率

Tab.1 Horizontal and vertical resolutions of selected ventricular ectopic pacemakers

橫向異位起搏點(diǎn)橫向分辨率/mm縱向異位起搏點(diǎn)縱向分辨率/mm12.5013.7522.1523.0033.4133.0042.5243.7553.7553.0062.5063.0072.12--82.12--92.12--101.96--111.80--123.91--134.07--142.92--152.52--162.58--173.58--183.20--

表2 導(dǎo)聯(lián)密度對(duì)BSPM及其空間分辨率的影響

Tab.2 The influence of lead density on BSPM and spatial resolution

導(dǎo)聯(lián)數(shù)CC1橫向分辨率/mm縱向分辨率/mm2521.000±0.0002.80±0.623.25±0.391320.987±0.0502.92±0.513.83±1.81*720.946±0.0603.01±0.364.00±1.82*360.852±0.080*3.01±0.414.25±1.75*

注：*與導(dǎo)聯(lián)數(shù)目為252時(shí)相比，P<0.05。

Note:*Compared with that with 252 leads,P<0.05.

3 討論和結(jié)論

室性心律失常引起的SCD在世界范圍內(nèi)都是致死的主要原因，但目前的診斷工具難以準(zhǔn)確判別SCD的風(fēng)險(xiǎn)因素，心律失常發(fā)生過程中心臟電興奮的體內(nèi)標(biāo)測(cè)也存在局限性，以及對(duì)于特定患者在特定時(shí)刻室性心動(dòng)過速和室顫的發(fā)生機(jī)制也缺乏全面的了解。目前，有研究提出利用高頻超聲、伽馬刀等不必進(jìn)行體內(nèi)操作、無(wú)創(chuàng)的心臟組織消融治療方法[15-17]，以期使得室性心律失常的診斷和治療完全無(wú)創(chuàng)化，還有可能借此就心臟的電生理活動(dòng)隨時(shí)間的變化進(jìn)行檢測(cè)。這些技術(shù)發(fā)展依賴的基礎(chǔ)，是對(duì)心室異位起搏點(diǎn)的無(wú)創(chuàng)精確定位，而在這方面BSPM幾乎是目前唯一的無(wú)創(chuàng)方法。

BSPM用于定位心室異位起搏點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面，一是正常和異常BSPM的比較，二是異常BSPM間的比較，本研究偏于后者。我們所建模型定位的空間分辨率與文獻(xiàn)[18]相當(dāng)，再一次驗(yàn)證了所建模型的有效性。但目前只選擇了一個(gè)心室區(qū)域的異位起搏點(diǎn)，對(duì)定位分辨率的探討還需要結(jié)合更多的部位，特別是結(jié)合臨床上關(guān)鍵的位置進(jìn)行更加深入的研究。

在利用BSPM的基礎(chǔ)上，Wang等提出了ECGI (electrocardiographic imaging)方法，其應(yīng)用范圍不僅涉及心臟電活動(dòng)在體表的呈現(xiàn)，也可對(duì)心臟內(nèi)部電活動(dòng)實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)成像[19-20]。ECGI是利用BSPM重建心臟電生理細(xì)節(jié)的一種無(wú)創(chuàng)方法，利用CT獲取受試者心臟和胸廓的真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)，再根據(jù)個(gè)體化導(dǎo)聯(lián)分布獲取BSPM數(shù)據(jù)。通過BSPM和時(shí)間序列，對(duì)心外膜和心內(nèi)膜進(jìn)行實(shí)時(shí)成像。利用它可以無(wú)創(chuàng)地得到每一時(shí)刻心內(nèi)膜和心外膜的電壓分布情況，在一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)完成對(duì)心室異位起搏點(diǎn)的定位。雖然該系統(tǒng)的定位分辨率只有4～6 mm，距離臨床應(yīng)用有一定差距，但體現(xiàn)了一種方向。CT的應(yīng)用在體現(xiàn)個(gè)性化的同時(shí)，有助于在建模方面體現(xiàn)個(gè)性化，從而有可能幫助減少標(biāo)測(cè)誤差。事實(shí)上，正是成像技術(shù)的發(fā)展使個(gè)體化活體建模成為可能，加之無(wú)創(chuàng)消融技術(shù)對(duì)無(wú)創(chuàng)異位起搏點(diǎn)定位技術(shù)的需求，給BSPM的研究提供了新的機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)。我們?cè)诜抡嬷械膶?dǎo)聯(lián)數(shù)目與ECGI相當(dāng)，定位分辨率相對(duì)好一些，其可能的原因是ECGI算法需要映射心內(nèi)膜和心外膜的電位分布，算法的復(fù)雜性導(dǎo)致誤差源增多。

在所進(jìn)行的導(dǎo)聯(lián)密度對(duì)BSPM的影響實(shí)驗(yàn)中，導(dǎo)聯(lián)數(shù)目從最初的252降到72時(shí)，兩者BSPM的相關(guān)系數(shù)還保持在將近0.95，提示對(duì)于我們所建模型，降低導(dǎo)聯(lián)密度在一定程度上是可行的。導(dǎo)聯(lián)密度的降低可使導(dǎo)聯(lián)安裝更加便利，特別是適合急診時(shí)使用。但從表2的結(jié)果我們還注意到，雖然橫向定位分辨率隨導(dǎo)聯(lián)密度減少變化不大，但縱向定位分辨率對(duì)導(dǎo)聯(lián)密度比較敏感，不僅分辨率降低，而且離散度增大。雖然我們生成BSPM的算法考慮了電興奮傳導(dǎo)的各向異性，但這種現(xiàn)象的產(chǎn)生提示我們對(duì)于算法的進(jìn)一步探討和改進(jìn)，并在實(shí)際應(yīng)用中，繼續(xù)探討導(dǎo)聯(lián)密度敏感區(qū)域，通過區(qū)別對(duì)待的方式，比如對(duì)于靶向區(qū)域使用高密度導(dǎo)聯(lián)而在其他部位使用較低密度導(dǎo)聯(lián)，在導(dǎo)聯(lián)密度和保證分辨率水平兩方面做出平衡。

本研究基于自行構(gòu)建的全心臟電生理模型，就BSPM區(qū)分心室異位起搏點(diǎn)的定位分辨率以及導(dǎo)聯(lián)密度對(duì)于BSPM的影響進(jìn)行了探討，為BSPM的實(shí)際應(yīng)用提供了一些依據(jù)。如何提高定位分辨率，以及進(jìn)一步確立根據(jù)應(yīng)用目的在導(dǎo)聯(lián)密度和相關(guān)系數(shù)間作出平衡的原則，需要進(jìn)行更加深入和廣泛的工作。

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A Simulation Study Applied to Evaluation of Body Surface Potential Mapping in Ventricular Ectopic Pacemaker Separation and Influence of Lead Density

Hu Xiaogang1Li Xinya2Peng Yi2#*

1(SchoolofElectricalEngineering,BeijingJitotongUniversity,Beijing100044,China)2(InstituteofBasicMedicalSciencesChineseAcademyofMedicalSciences,SchoolofBasicMedicinePekingUnionMedicalCollege,Beijing100005,China)

Based on our constructed whole heart electrophysiological model, a simulation study was performed to evaluate body surface potential mapping (BSPM) in the ventricular ectopic pacemaker separation and the influence of lead density. 24 ventricular ectopic pacemakers were selected located in the area of the Purkinje fibers, among them 18 in a horizontal ventricular section within the region of 12.5 mm×16 mm and 6 in a vertical line with the length of 7.5 mm. For each ectopic pacemaker in the same region, correlation coefficients of QRS integral map of BSPM (BSPMQRS) between itself and every other ones were calculated. The two selected ventricular ectopic pacemakers were considered to be separable if the correlation coefficient was less than a threshold of 0.95. Lead density was reduced by evenly deleting the columns or rows in the lead array under the condition that the remaining leads covering the same area as the original ones. Using the method of statistical inverse deduction, the values of the whole leads were estimated based on the potentials on the leads with lower density. And the correlation coefficients between the estimated potentials and the simulated ones were calculated. The resolutions for ventricular ectopic pacemaker separation with lower lead density were evaluated as well. Results showed that the resolution for horizontal ventricular section was (2.80±0.62) mm. And the resolution for the vertical line was (3.25±0.39) mm. When the lead numbers were changed from the original 252 to 132, 72 and 36, the correlation coefficients of the estimated potentials and the simulated ones were 0.987±0.050，0.946±0.060 and 0.852±0.080, respectively. At the same time, resolution of separating ventricular ectopic pacemakers decreased with the reduction of lead density. In addition to proving the validation of our constructed model, the usability tests provide delighting information about the influence of lead density on the performance of BSPM.

body surface potential mapping (BSPM); ventricular ectopic pacemaker; spatial resolution; lead density

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 03.008

2016-02-01， 錄用日期:2016-05-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(81071225, 81471746)

R318

A

0258-8021(2016) 03-0310-07

# 中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)會(huì)員(Member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: pengyi@pumc.edu.cn