心內(nèi)心電圖分析的關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

曹俊爽 天津市南開(kāi)區(qū)中醫(yī)醫(yī)院 （天津 300102）

內(nèi)容提要： 心內(nèi)心電圖在多種疾病診斷與治療中均有不錯(cuò)的價(jià)值，比如腔內(nèi)心電圖定位技術(shù)在各類需外周靜脈中心靜脈導(dǎo)管（PICC）置管疾病中的應(yīng)用，證實(shí)效果令人滿意。心內(nèi)心電圖的應(yīng)用需心內(nèi)心電信號(hào)的支撐，而采集心內(nèi)心電信號(hào)時(shí)，屬于有創(chuàng)性操作，而心內(nèi)心電圖最為突出的波形為P波，而非QRS波。P波對(duì)心房肌除極期間的電位變化能很好地反映，而心房收縮（P波前）時(shí)心房完全充血，心房壁影響血阻抗信號(hào)最小，同時(shí)右心房血流速度低，獲取的血阻抗數(shù)值相對(duì)準(zhǔn)確。研究證實(shí)，血阻抗和血粘度有關(guān)，而血粘度又和血液炎癥狀況相關(guān)，可預(yù)測(cè)血管有無(wú)血栓形成，同時(shí)血粘度也可反映心臟血流動(dòng)力學(xué)情況，為此準(zhǔn)確測(cè)量P波，找出對(duì)應(yīng)時(shí)間血阻抗情況，可為臨床診治提供依據(jù)。如何才能準(zhǔn)確測(cè)量，這就有賴于心內(nèi)心電圖分析的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，本文展開(kāi)了綜述，旨在探究心內(nèi)心電圖分析關(guān)鍵技術(shù)情況。

心血管疾病是臨床常見(jiàn)疾病，且好發(fā)于中老年人群，而我國(guó)近幾年老齡化的加劇，老年人口增多，一定程度上導(dǎo)致心血管疾病發(fā)生率居高不下[1]。心血管疾病一方面影響患者身心健康，另一方面也會(huì)給家庭增加經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，甚至給醫(yī)院或社會(huì)帶來(lái)壓力。同時(shí)，大量的研究證實(shí)心血管疾病致殘率與致死率高，有效診斷與治療十分關(guān)鍵[2-4]。早期心電圖檢查主要是基于體表心電信號(hào)，即放置在體表的導(dǎo)聯(lián)采集信號(hào)，而近幾年心內(nèi)心電圖技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越重視心內(nèi)心電信號(hào)研究。其中體表心電圖以QRS波為主，而心內(nèi)心電圖則以P波（也就是心房收縮）最為突出[5-7]。P波反應(yīng)心房肌除極期間的電位改變情況，而血阻抗在P波前（心臟舒張結(jié)束時(shí)）測(cè)量可獲取最理想的結(jié)果。如何準(zhǔn)確測(cè)量P波，是心內(nèi)心電圖重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，這就有賴于相關(guān)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。本文就心內(nèi)心電圖分析的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述，主要是心電信號(hào)相關(guān)技術(shù)，包括預(yù)處理技術(shù)、基本檢測(cè)算法、HRV技術(shù)，具體如下。

1.預(yù)處理技術(shù)分析

心內(nèi)心電圖信號(hào)采集容易受到噪音的干擾，使得原始心電波形特征被掩蓋，造成心電波形混亂不清，無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別、判斷[8]。目前，從已有的文獻(xiàn)與臨床實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，主要的心電信號(hào)噪音有工頻干擾、運(yùn)動(dòng)偽跡、電極接觸等[9]。為了減少噪音干擾，有效去噪是關(guān)鍵一環(huán)，預(yù)處理技術(shù)就十分必要。比如基線漂移的抑制，可選擇兩種方法處理，其一為自適應(yīng)相干模板法，其二為數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)法[10]。前者是觀察心電信號(hào)、基線漂移等情況，于原始信號(hào)得到工頻干擾模版，然后減去模版，并濾掉基線漂移，這種操作簡(jiǎn)單，可快速達(dá)到目標(biāo)，清除基線的效果好，但可能會(huì)導(dǎo)致P波峰值削弱[11]。后者則是根據(jù)開(kāi)閉操作，估算漂移基線，原始信號(hào)與估算結(jié)果的差值便是去基線漂移信號(hào)。此法根據(jù)結(jié)構(gòu)元素不同，處理時(shí)間也有所差異，結(jié)構(gòu)元素較小，則運(yùn)算時(shí)間短，反之就較長(zhǎng)，有較好的性能，且對(duì)P波峰值影響小[12]。

2.基本檢測(cè)算法技術(shù)分析

心電圖中P波檢測(cè)準(zhǔn)確與否，關(guān)乎心律分析的準(zhǔn)確性，因心內(nèi)心電圖采集信號(hào)時(shí)為有創(chuàng)操作，在過(guò)去一段時(shí)間研究較少，多選擇體表心電圖檢查，但體表心電圖P波幅度低，無(wú)法有效分離噪音干擾，尤其是長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)中，體表心電圖中的P波會(huì)被噪音掩蓋或無(wú)明顯表現(xiàn)[13]。心內(nèi)心電圖則直接在右心房采集信號(hào)，P波代替QRS復(fù)合波，成為最為突出的波形，為此可輕易檢出P波情況。對(duì)于P波的檢測(cè)基本算法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波變換法及自適應(yīng)濾波檢測(cè)法等，但心內(nèi)心電圖信號(hào)QRS復(fù)合波能量較低，P波是最為突出的波形，采取傳統(tǒng)的算法效果不佳，為此可參考體表心電圖R波檢測(cè)算法思路，主要可分為如下幾種：第一，常規(guī)的時(shí)頻域檢測(cè)法。這類算法在國(guó)外的研究中最具代表，比如利用采樣的心電圖信號(hào)經(jīng)帶通濾波與逐點(diǎn)平方運(yùn)算及一階差分運(yùn)算等處理，再經(jīng)移動(dòng)窗口求和，獲得增強(qiáng)的信號(hào)，該信號(hào)可利用閾值檢測(cè)器測(cè)定，測(cè)定幅度便可了解QRS波情況。第二，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)法測(cè)定，采取數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算，修改局部信號(hào)的幾何特征，之后檢測(cè)所得結(jié)果基本無(wú)脈沖噪音的干擾。但是，因其信號(hào)修改后呈臺(tái)階狀，若結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)，則導(dǎo)致耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)。第三，根據(jù)小波變化測(cè)定，因心電圖信號(hào)有尺度空間傳播性的特征，可變換處理二進(jìn)小波，測(cè)定其在尺度空間的信號(hào)模極大值，然后消除冗余與孤立，獲取一對(duì)模極大值，二者過(guò)零點(diǎn)時(shí)便為R波[14]。該法測(cè)定的信號(hào)能描述各個(gè)心電波形特征，可區(qū)分QRS波和噪音及干擾等情況，從而提高了檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率。同時(shí)，因偽跡在一定時(shí)間段僅有升高或下降的沿，通過(guò)這種方式可有效消除其干擾[15]。不過(guò)，這種方法有個(gè)明顯的缺陷在于其計(jì)算量較大，在實(shí)時(shí)檢測(cè)中難度較高[16]。

3.HRV技術(shù)分析

HRV指的是心率波動(dòng)性，也稱之為心率變異性，是心電圖監(jiān)測(cè)中比較關(guān)注的指標(biāo)，特別是一些報(bào)道中指出可將HRV分析作為心臟病猝死的預(yù)測(cè)指標(biāo)，同時(shí)也可評(píng)價(jià)心臟自主神經(jīng)均衡性與活動(dòng)性及其相關(guān)病理改變情況，有廣泛的應(yīng)用前景。HRV信號(hào)涉及多類心血管調(diào)節(jié)信息，可提取與分析其對(duì)心臟交感神經(jīng)、迷走神經(jīng)等活動(dòng)情況及對(duì)心血管系統(tǒng)的影響情況，則這種評(píng)估屬于定量評(píng)估[17]。HRV檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)外臨床，發(fā)現(xiàn)交感神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng)，HRV則下降，副交感神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng)，而HRV則增大，比如在心衰或心?；颊咧?，交感神經(jīng)張力提高，迷走張力則降低；患有甲亢者，則交感張力會(huì)升高。伴隨著交感張力的增強(qiáng)，迷走神經(jīng)張力的降低，會(huì)有室顫閾值的降低，從而促使使得心電不穩(wěn)定性增強(qiáng)，導(dǎo)致室顫、室速或猝死等發(fā)生，從而將其作為心臟猝死預(yù)測(cè)的獨(dú)立因子[18]。

關(guān)于HRV的分析方法主要有頻域分析、時(shí)域分析及非線性分析等類型，其中頻域分析與時(shí)域分析相對(duì)常規(guī)，時(shí)域分析相對(duì)簡(jiǎn)單，其分析結(jié)果可對(duì)植物神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控心率實(shí)施初步評(píng)價(jià)，比如幾何分析。時(shí)域分析能利用多種統(tǒng)計(jì)定量描述心動(dòng)周期的改變，HRV分析中的心率變異信號(hào)多以PP間期常見(jiàn)，而一般心電檢查采集的信號(hào)多源自體外，這種情況下P波發(fā)生時(shí)，難以檢測(cè)出，臨床多采取RR間期進(jìn)行替代。相比而言，心內(nèi)心電圖信號(hào)P波十分突出，心率變異信號(hào)可直接利用PP間期描述。為了確保時(shí)域分析準(zhǔn)確度，需注意一些問(wèn)題，比如HRV時(shí)域分析一般以長(zhǎng)程24h最佳，尤其是急性心梗預(yù)后判斷中；各項(xiàng)指標(biāo)無(wú)法相互替代，也不能交叉對(duì)比，應(yīng)直接測(cè)定PP間期差值、相鄰PP間期值，或瞬時(shí)心率變化，各自所得無(wú)法直接對(duì)比；不同時(shí)程HRV分析也不能直接對(duì)比。頻域分析則比較復(fù)雜，利用PP間期的時(shí)間序列信號(hào)以數(shù)學(xué)變換法變換至頻率域，形成頻譜曲線，然后進(jìn)行分析，可分為有參數(shù)與無(wú)參數(shù)兩種情況[19]。頻域分析也叫心率變異頻域分析，是新近發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，可研究心率波動(dòng)頻率和幅度規(guī)律，從而探究心率和心臟自主神經(jīng)張力波動(dòng)頻率函數(shù)，在心肌缺血或充血性心衰的猝死風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)上有不錯(cuò)的價(jià)值。若存在心肌缺血或充血性心衰，患者的自主神經(jīng)功能紊亂，容易造成心律失常，從而導(dǎo)致猝死風(fēng)險(xiǎn)升高。采取頻域分析，能檢測(cè)各類心血管疾病自主神經(jīng)功能情況，從而為預(yù)防猝死提供指導(dǎo)性證據(jù)。功率譜密度（PSD）是頻域分析主要的參數(shù)，指的是功率分布對(duì)頻率的函數(shù)，根據(jù)該函數(shù)能了解功率譜情況，從而分析交感神經(jīng)、迷走神經(jīng)活動(dòng)，還可了解其變化是否均衡。通過(guò)有效的方式評(píng)估，可得到一致的PSD曲線，比如參數(shù)模型法與非參數(shù)模型法，在臨床逐漸應(yīng)用起來(lái)。

此外，關(guān)于HRV檢測(cè)期間，其信號(hào)的獲取是一個(gè)比較關(guān)鍵的步驟，因?yàn)檫@種信號(hào)主要反映的是竇房結(jié)調(diào)節(jié)自主神經(jīng)情況，為此臨床上多認(rèn)為P-P間期可作為心動(dòng)周期持續(xù)時(shí)間的指標(biāo)[20]。HRV信號(hào)采集時(shí)，先將逐次心跳QRS波檢出，準(zhǔn)確測(cè)出每個(gè)P波后，然后計(jì)算P-P間期，最后轉(zhuǎn)換成HRV信號(hào)。

4.心內(nèi)心電信號(hào)P波檢測(cè)技術(shù)

對(duì)于心內(nèi)心電圖檢查中，當(dāng)進(jìn)行心電信號(hào)預(yù)處理后，便可進(jìn)行P波檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)先對(duì)移動(dòng)積分完的增強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行檢查，利用基于變閾值的方法逐步推進(jìn)檢測(cè)，同時(shí)更新檢查的閾值[21]。因標(biāo)記P波在增強(qiáng)信號(hào)，最后還需結(jié)合原始信號(hào)，將移動(dòng)積分信號(hào)波峰對(duì)應(yīng)到原始信號(hào)上。為了保障檢測(cè)準(zhǔn)確性，初步檢測(cè)后，可添加一種漏檢P波或去P波假陽(yáng)性的方式，主要是調(diào)整雙峰的步驟，即檢測(cè)第一個(gè)P波→檢測(cè)其余P波→添加漏檢的P波→調(diào)節(jié)P波在原始信號(hào)上的位置→去除多檢的P波→檢查是否有雙峰并調(diào)節(jié)到左側(cè)峰上→完成檢查[22]。具體的步驟與方法如下：

4.1 檢測(cè)第一個(gè)P波

計(jì)算積分信號(hào)中間（1/2處）均值，于信號(hào)起始1.5s內(nèi)找出信號(hào)最大值，若該值＞2倍的均值，則將最大值點(diǎn)作為積分信號(hào)初始P波位置，若不足2倍均值，則于后1.5s再找出最大值，直到符合＞2倍均值位置。將該值點(diǎn)作為P波初始位置，標(biāo)記后，確定初始閾值。

4.2 檢測(cè)其余P波

以4s作為一段區(qū)域記錄數(shù)據(jù)，于最后一個(gè)檢測(cè)P波點(diǎn)后的不應(yīng)期內(nèi)，找出最小值最為新檢測(cè)區(qū)下限，將下一個(gè)4s數(shù)據(jù)作為檢測(cè)區(qū)上限，將前檢測(cè)所得的P波幅值均值×0.3作為閾值。在檢測(cè)區(qū)找出所有幅值＞該閾值的點(diǎn)，找出連續(xù)上升和下降部分，波峰間最大值可作為P波初始位置。

4.3 添加漏檢的P波

因心律失常，導(dǎo)致頻率、P波幅度急劇下降，P波峰點(diǎn)對(duì)應(yīng)極值點(diǎn)特征無(wú)法滿足預(yù)定閾值標(biāo)準(zhǔn)，這樣就會(huì)發(fā)生漏檢。通過(guò)計(jì)算PP均值間期、所有P波增幅，滿足＞1.66倍間隔均值，可降低閾值，采取0.125倍進(jìn)行復(fù)檢，達(dá)到閾值波峰則將其判斷為P波。此處，1.66與0.125可適當(dāng)調(diào)整，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)。

4.4 對(duì) P波在原始信號(hào)位置進(jìn)行合理調(diào)整

前述步驟通常在積分信號(hào)區(qū)域完成，得到的P波也在積分信號(hào)區(qū)域，為此需在原始信號(hào)上找出波峰對(duì)應(yīng)的位置[23]。因原始信號(hào)P波峰點(diǎn)一般位于移動(dòng)積分信號(hào)上升沿，應(yīng)適當(dāng)在積分信號(hào)峰點(diǎn)前面范圍尋找，適當(dāng)考慮P波導(dǎo)致情況。

4.5 去除多檢的P波

根據(jù)人體生理特點(diǎn)，檢查P波波峰是否漏檢，若雙P波間隔＜200ms，則去掉幅值較小的P波。

4.6 檢查是否有雙峰并調(diào)節(jié)到左側(cè)峰上

雙峰指的是若兩個(gè)波峰距離是d，則兩個(gè)波峰幅值分別為A1與A2，其中幅值較大的為A1，滿足d0＜d＜d1、A1/A2＜R0（d0、d1為雙峰最小距離與最大距離，R0為兩個(gè)波峰能成為雙峰最大比例），且規(guī)定d0=0.05s、d1=0.15s、R0=2.0，若滿足這樣的條件，不管左側(cè)是否大于右側(cè)，則將當(dāng)前標(biāo)記調(diào)節(jié)至左側(cè)波峰。

5.結(jié)束語(yǔ)

心電圖檢查在臨床應(yīng)用廣泛，但關(guān)于心內(nèi)心電圖的研究在國(guó)內(nèi)還處于前期階段，存在一些問(wèn)題與不足需要解決，其中心電信號(hào)相關(guān)技術(shù)，比如P波的采集與分析。首先應(yīng)對(duì)心內(nèi)心電圖進(jìn)行預(yù)處理，盡量將噪音干擾去除，然后在去除噪音的信號(hào)上完成P波檢測(cè)，根據(jù)經(jīng)典算法，結(jié)合自身信號(hào)特點(diǎn)改進(jìn)，最后根據(jù)檢測(cè)的P波位置，獲取HRV信號(hào)，并將結(jié)果用相關(guān)軟件分析，可獲取良好的結(jié)果。