不可逆電消融手術(shù)中心電同步算法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚晰童，代 煜，張建勛，楊 灝，陳 通

（1.南開大學(xué) 人工智能學(xué)院，天津300350；2.天津市智能機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津300350）

以不影響正常細(xì)胞的基礎(chǔ)上最大程度殺滅癌癥細(xì)胞為目的，目前多種微創(chuàng)消融療法在臨床上得以運(yùn)用，包括間質(zhì)性激光凝固治療、化學(xué)消融、射頻消融等[1]，不可逆電穿孔IRE（IRreversible Electroporation）消融療法憑借其眾多優(yōu)勢(shì)脫穎而出[2]，其安全性已獲得理論驗(yàn)證[3]，并通過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證[1]。

由于IRE消融療法的原理是高壓陡脈沖造成癌組織和細(xì)胞發(fā)生不可逆凋亡[4]，必然要避免施加到人體的高壓陡脈沖對(duì)人體器官（如心臟）產(chǎn)生不良影響，目前普遍采用的方法是將消融時(shí)間點(diǎn)與心電信號(hào)同步，如AccuSync 公司心電同步儀，當(dāng)檢測(cè)到100 mV 以上脈沖后便認(rèn)為R 波出現(xiàn)，隨即產(chǎn)生一個(gè)5 V 或12 V 方波激發(fā)高壓陡脈沖，然而，在IRE消融手術(shù)中癌癥并發(fā)癥可能使得患者心電圖畸形，固定閾值定位R 波實(shí)時(shí)性好但精度低，而高壓陡脈沖施加時(shí)間錯(cuò)誤可能引起更嚴(yán)重的心律失常[5]；患者術(shù)中出現(xiàn)心律失常，因缺乏判斷機(jī)制而持續(xù)施放陡脈沖，將使患者病情加重，目前準(zhǔn)確度較高的R波定位算法[6-9]以及高精度心律失常檢測(cè)算法[10]，用于在此所述場(chǎng)景均存在延遲，不適于IRE消融手術(shù)同步這種要求極高實(shí)時(shí)性的場(chǎng)景，故在此設(shè)計(jì)了基于可消融區(qū)間預(yù)測(cè)的心電信號(hào)同步算法，并基于嵌入式系統(tǒng)改進(jìn)算法，使該療法更好地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

1 同步算法設(shè)計(jì)

在此提出的心電信號(hào)同步算法，以當(dāng)前已檢測(cè)到的R 波位置為預(yù)測(cè)基點(diǎn)，對(duì)下一個(gè)R 波位置進(jìn)行預(yù)標(biāo)定，從而精確且無延時(shí)定位下一個(gè)R 波位置，并基于下一個(gè)R 波的定位結(jié)果確定IRE消融區(qū)間。

1.1 預(yù)測(cè)基點(diǎn)定位算法

在此采用帶通濾波器算法[9]作為預(yù)測(cè)基點(diǎn)（即R波位置）定位算法，其優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，便于在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，且具有較高的準(zhǔn)確性[9]。

1.2 預(yù)定位算法設(shè)計(jì)

1.2.1 RR間期長(zhǎng)度預(yù)測(cè)

RR間期長(zhǎng)度即毗鄰R 波的時(shí)間差，反映了心室肌相鄰兩次興奮的時(shí)間間隔，其波動(dòng)是隨機(jī)的，也是特異的[11]；對(duì)患者RR間期長(zhǎng)度精確建模是困難的。

在此所采用的預(yù)標(biāo)定R 波的方法為

式中：mean（·）為均值運(yùn)算；N為預(yù)測(cè)區(qū)間長(zhǎng)度。

式中：median（·）為中值運(yùn)算。

式中：α為計(jì)算權(quán)值。

1.2.2 區(qū)間可消融性判定

預(yù)標(biāo)定下個(gè)R 波之前，需要對(duì)一定區(qū)間內(nèi)[i-N+1，i]的RR間期長(zhǎng)度波動(dòng)情況進(jìn)行區(qū)間可消融性判定，意義在于：①RR間期大幅波動(dòng)是造成較大預(yù)標(biāo)定誤差的主要原因，局部預(yù)測(cè)誤差如圖1所示，篩選出包含有這些包含較大波動(dòng)的預(yù)測(cè)區(qū)間，可以有效地提高預(yù)定位R 波的精度，②IRE消融手術(shù)期間多發(fā)病理性的心律失常，忽略易發(fā)展成室顫危及患者生命[5]，理想的做法是暫停治療，待心律恢復(fù)，再進(jìn)行下一步操作。在此以實(shí)時(shí)RR間期標(biāo)準(zhǔn)差、實(shí)時(shí)相鄰RR間期差值均方根，以及香農(nóng)熵SE（shannon entropy）作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 局部預(yù)測(cè)誤差Fig.1 Local prediction error

RR間期標(biāo)準(zhǔn)差SDNN（standard deviation of NN interval）為

相鄰RR間期差值均方根rMSSD（root mean square of successive differences）為

當(dāng)i≤Wbl時(shí)，其中Wbl為基線擬合窗寬度，有

當(dāng)i>Wbl時(shí)，

式中：RRmedian為若干個(gè)RR的中值；RRbaseline為RR間期的波動(dòng)基線，當(dāng)Wbl=64時(shí)，RR間期波動(dòng)基線擬合效果最佳，實(shí)時(shí)SDNN算法為

實(shí)時(shí)SDNN算法與RR間期預(yù)測(cè)誤差圖的關(guān)系如圖2（a）（b）所示。

由于RR間期受到外部刺激和內(nèi)部調(diào)節(jié)的影響，處于實(shí)時(shí)波動(dòng)的狀態(tài)，因此確定rMSSDi的閾值是相對(duì)復(fù)雜的，為簡(jiǎn)化算法，改進(jìn)式（6）為

改進(jìn)后rMSSD 波動(dòng)如圖2（c）所示。

除以上2種評(píng)價(jià)指標(biāo)外，在此還提出了基于香農(nóng)熵的區(qū)間可消融性評(píng)價(jià)算法，混雜在穩(wěn)定竇性心律中的室性心律失常和竇性心律失常，導(dǎo)致該區(qū)間內(nèi)的香農(nóng)熵較小，甚至趨近于0，香農(nóng)熵SE算法為

計(jì)算香農(nóng)熵首先需要將區(qū)間[i-Wse+1，i]中的RR間期排序，認(rèn)為其中最大和最小的nd個(gè)RR間期為異常值并將其從序列中刪除，將剩余RR間期分散到nbin個(gè)段中，每個(gè)段中的概率分布p（j）為

式中：Nj為第j個(gè)分段中所包含的RR間期數(shù)量，與RR間期波動(dòng)的對(duì)比如圖2（d）所示。當(dāng)心律平穩(wěn)，香農(nóng)熵接近于1，此時(shí)對(duì)應(yīng)預(yù)測(cè)誤差較??；當(dāng)心律失常出現(xiàn)，香農(nóng)熵迅速下降至一個(gè)較小的值，此時(shí)易于判斷區(qū)間可預(yù)測(cè)性。

圖2 SDNN，rMSSD和香農(nóng)熵對(duì)預(yù)測(cè)區(qū)間的判定效果Fig.2 Judgment results of SDNN，rMSSD and SE on prediction interval

區(qū)間可消融性判定流程如圖3所示，其中，flag為功能模塊選擇標(biāo)志位，當(dāng)flag=0時(shí)執(zhí)行區(qū)間可預(yù)測(cè)性判定運(yùn)算；Cs，Cr，Ce為3個(gè)指標(biāo)的閾值；Td為當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)到準(zhǔn)確消融點(diǎn)檢索區(qū)間Z的延時(shí)，區(qū)間Z為

圖3 區(qū)間可預(yù)測(cè)判斷算法Fig.3 Prediction algorithm for prediction interval

式中：δ為常數(shù)，與預(yù)測(cè)誤差有關(guān)。

1.3 消融區(qū)間預(yù)標(biāo)定算法

IRE消融區(qū)域應(yīng)在不應(yīng)期范圍內(nèi)，此時(shí)心肌不響應(yīng)外部電刺激或產(chǎn)生興奮的閾值要遠(yuǎn)高于正常范圍[13]，然而，對(duì)于R 波降支的中下部為易顫期，當(dāng)此時(shí)施加閾值以上的刺激，容易引發(fā)室顫[13]，因此，理想的IRE消融區(qū)間為下一個(gè)R 波后50～200 ms 范圍內(nèi)，即控制高壓陡脈沖的施放位置處于不應(yīng)期并避開易顫期，陡脈沖釋放點(diǎn)、不應(yīng)期、易感期之間的關(guān)系如圖4所示，圖中箭頭位置為消融區(qū)域理想起點(diǎn)。

圖4 陡脈沖釋放點(diǎn)、不應(yīng)期、易感期之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between steep pulse release point，refractory period，and susceptibility period

圖5 高精度心電同步算法流程Fig.5 Algorithm flow chart for synchronizing IRE ablation with ECG signals

若滿足區(qū)間可消融性，在區(qū)間Z 中檢測(cè)是否存在脈沖滿足閾值Ce，將此脈沖的峰值點(diǎn)標(biāo)定為R 波實(shí)際位置，以此標(biāo)定點(diǎn)后延時(shí)20 ms，作為實(shí)際消融區(qū)間起點(diǎn)，Ce為

式中：median（·）為中值運(yùn)算；n為Ce的計(jì)算時(shí)程；β為比例系數(shù)；Rest為臨近R 峰值幅值的估計(jì)。Tire為當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)到IRE消融區(qū)間起點(diǎn)的延時(shí)，初始值為50 ms；Tz為進(jìn)入?yún)^(qū)間Z 后的持續(xù)時(shí)間，如持續(xù)時(shí)間超出Z的最大范圍，則認(rèn)為此次預(yù)測(cè)失敗，放棄此次消融，并提示心律異常。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 區(qū)間可預(yù)測(cè)條件驗(yàn)證

當(dāng)其他參數(shù)如表1所示時(shí)，對(duì)可用預(yù)測(cè)計(jì)算時(shí)程[i-N+1，i]的判定具有最高的敏感度和正確率。

表1 判定參數(shù)Tab.1 Decision parameters

為驗(yàn)證算法的優(yōu)化效果，實(shí)時(shí)采集10 段數(shù)據(jù)，每段數(shù)據(jù)30 min，對(duì)算法優(yōu)化前后數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)直方圖如圖6a所示。圖中，誤差棒選擇為10 段數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，在此以均方根誤差RMSE（root mean square error）作為預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的衡量標(biāo)準(zhǔn)，即：

考慮到實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)可能不具代表性，故在此選擇MIT-BIH 心律失常數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。取100 號(hào)～124 號(hào)數(shù)據(jù)庫中的前30 min 數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)下采樣至200 Hz 后，對(duì)比優(yōu)化前后的標(biāo)定效果，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6b所示。

2.2 消融區(qū)間預(yù)標(biāo)定算法驗(yàn)證

表2 中的數(shù)據(jù)經(jīng)過測(cè)試，在估計(jì)R 峰實(shí)際峰值時(shí)具有最佳的精確度和敏感度[9]，在此采用敏感度SEN 作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其算法為

圖6 優(yōu)化前后算法精度對(duì)比Fig.6 Comparison of algorithm precision before and after optimization

表2 判定參數(shù)Tab.2 Decision parameters

式中：TP表示正確檢測(cè)；FN表示誤檢的情況。

為對(duì)比算法的優(yōu)劣，在此將目前IRE消融手術(shù)配套的心電同步設(shè)備的算法，表述為固定閾值對(duì)QRS波群位置進(jìn)行檢測(cè)：當(dāng)在放大100倍的心電信號(hào)中檢測(cè)到峰值大于100 mV的脈沖，則認(rèn)為R 波出現(xiàn)。

試驗(yàn)對(duì)象選擇實(shí)時(shí)采集的10×30 min 心電信號(hào)，統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果見表3，由表可知，雖然所提出方法存在漏檢現(xiàn)象，但誤檢現(xiàn)象較少，出現(xiàn)的2個(gè)誤檢與R 波定位算法有關(guān)[9]；達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

表3 算法敏感性對(duì)比Tab.3 Algorithm sensitivity comparison

3 結(jié)語

以IRE消融手術(shù)的實(shí)際需求作為背景，根據(jù)目前臨床上所采用的心電同步設(shè)備不能準(zhǔn)確地定位IRE消融區(qū)間，以及在患者IRE消融術(shù)中出現(xiàn)嚴(yán)重心律失常時(shí)缺乏保護(hù)的問題，提出了基于區(qū)間RR間期波動(dòng)的可消融性條件，以提高同步精度并為患者提供保護(hù)；一種消融區(qū)間精確標(biāo)定算法被提出。算法經(jīng)過實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)與MIT-BIH 心律失常數(shù)據(jù)庫的共同驗(yàn)證，預(yù)標(biāo)定均方根誤差<5 ms，同步算法的準(zhǔn)確度達(dá)到99.9%。算法通過嵌入式平臺(tái)驗(yàn)證，較好地滿足了在如IRE消融手術(shù)這種強(qiáng)干擾環(huán)境下監(jiān)測(cè)、同步心電信號(hào)的需求。