大样本海量心电数据分析的新理念和新方法

李方洁

●心电散点图专题报道

大样本海量心电数据分析的新理念和新方法

李方洁

李方洁，中国中医科学院望京医院心内科主任医师，医学博士，博士生导师。担任中华中医药学会内科心病委员会委员，中国心电学会常委和心电散点图工作委员会主任委员，中国心电信息学会常委。曾在日本九州大学医学部循环内科从事非线性方法用于心律失常诊断的研究。回国后先后主持相关科研课题8项，其中“心律失常Lorenz图智能化诊断模型的研究”获得科技成果和科技进步奖。发表相关学术论文50余篇，是国家级继续教育“非线性技术方法在心律失常诊断中的应用”项目负责人和北京市科学技术委员会“大样本心电数据心电散点图诊断方法的推广应用”项目负责人。

绝大多数心律失常都具有发作性、间歇性和同一类型心律失常反复发作的特性。因此尽可能多地记录和处理患者的心电信息对提高心律失常诊断水平十分重要。半个世纪前诞生的动态心电图技术不仅使获取大样本海量心电数据成为现实，也对传统的数据处理方法提出挑战。近年来日益受到关注的心电散点图为大样本海量心电数据的分析打开了新视野，提供了新理念。

1 心电散点图与动态心电图

动态心电图是一个庞大的原始心电信息数据库，用不同的方法对这些数据进行处理，可得到对心律失常、心肌缺血以及心率变异性（HRV）、心率震荡、心率减速力、QT离散度、T波电交替等的分析结果。这些处理方法具有共同点：一是必须依赖原始心电波形的每一个波，包括P-QRS-T波群；二是从“微观”（局部）到“宏观”（整体），即采用分析常规心电图的方法，只是由计算机代替人，识别每一个波形并进行诊断之后计算出其总和，给出诊断报告。这是传统动态心电图的分析模式。

心电散点图是对原始心电数据中的心搏间隔进行处理得到的有用图形，其处理结果不受原始心电波形的影响，只取决于对波形间期的识别。目前在临床应用的心电散点图系统是通过识别心室除极间隔（R-R间期）来获得图形。尽管如此，对传统心电图中需依赖P-QRS-T波群进行区分的窦性、房性和室性心律，甚至记录噪音产生的伪差，在由海量数据制作的心电散点图上都有各自的图形特征，揭示心脏电系统中的各个环节间都存在特异性内在关系及其变化规律。这些规律“隐身”在海量数据中，心电散点图方法使其“浮出水面”，成为诊断心律失常有用的信息，表明心电散点图是一种不依赖局部心电波形图，而依赖海量数据的分析方法，具有从整体（宏观）现象推断局部（微观）变化的功能（图1）。

2 心电散点图的分类

心电散点图是对连续R-R间期进行迭代计算所描绘出的几何图形，也称Poincare图或Lorenz图。法国数学家“混沌理论的奠基人”Poincare曾在理论上提出这一方法的可行性，而美国麻省理工学院Lorenz曾用这一方法发现了混沌现象，被誉为“混沌之父”。

迭代计算作图是心电散点图方法的核心，只有通过迭代，才能提取出“隐身”在海量数据中的心搏变化的规律。目前，心电散点图有狭义与广义之分。狭义指R-R间期散点图（也称Lorenz图、Poincare图、Lorenz散点图），是对R-R间期进行迭代的图形；广义可理解为，用迭代方法制作的任何心电节律间期散点图，包括R-R间期散点图和用R-R间期差值进行迭代的R-R间期差值散点图（图2）。

近年来R-R间期时间散点图也习惯地被涵盖在心电散点图的称谓之中，R-R间期时间散点图以时间为横坐标，以实时R-R间期为纵坐标，将图形“浓缩”后，成为散点状的R-R间期变化趋势图。虽然R-R间期时间散点图并非迭代而成，但不同心律的R-R间期“浓缩”后被“过滤”成易于区分的条状图形，可直观显示R-R间期的变化趋势和R-R间期的长度分布（图3）。

目前的心电散点图分析系统将R-R间期时间散点图与R-R间期散点图“连动”，可在R-R间期时间散点图的关注点处，获得与之对应的R-R间期散点图，相得益彰，日益成为心电散点图分析技术中的重要手段。

图1 不同心律的心电散点图。A.正常窦性心律图形；B.窦性心律伴房性期前收缩图形；C.窦性心律伴室性期前收缩图形。

图2 R-R间期散点图与R-R间期差值散点图。同一份窦性心律伴室性期前收缩的心电数据制成的图形，A.R-R间期散点图，B. R-R间期差值散点图。

图3 R-R间期时间散点图与R-R间期散点图。A、B表达一份心电数据，A.R-R间期时间散点图，B.R-R间期散点图。

3 不同心律的心电散点图

3.1窦性心律图形正常的窦性心律图形呈“棒球拍形”（图1A），“球拍”的长轴沿坐标中的45°线（距X轴和Y轴各为45°角的斜线）纵向分布。在靠近坐标原点一端（近端），图形分布较窄，越是远离原点的方向（远端），图形分布越宽。图形揭示窦性心率的变化规律：R-R间期有心率依赖性，即相邻R-R间期的变化有一定比例，心率减慢时，R-R间期变化比例增大，心率加快时，R-R间期变化比例降低。窦性心律的图形面积反映自主神经总能量，长度代表24h心率的总体变异度，是交感神经与迷走神经张力共同作用的结果，宽度代表相邻R-R间期的差异，表达瞬时心率变化，反映迷走神经活性。

窦性心律图形可呈多态性，分别可表现为图形面积改变，图形长度、宽度改变，图形形态改变等。在心电图正常的成人中，年轻人和健康人的图形多呈“棒球拍形”，而高龄和患有各种疾病的人群中，多呈现各种各样非棒球拍形，如“彗星形”、“鱼雷形”、“粗、细棒状”、“类棒球拍状”、“扩张形”、“梭形”、“雨滴状”等（图4）。

3.2 心律失常的心电散点图心律失常图形特点是脱离45°线之外的图形分布。区分不同心律失常的指标主要有“子图”的数目、形态、位置与线形图形的斜率等，其中最受到关注的线性图形仍然是B图（多分布图形中最靠近X轴的线状图形）的长轴（B线）及其斜率（图5）。依据上述指标，临床常见心律失常都能得到区分（图6）。

图4 不同窦性心律的心电散点图。

图5 B线斜率。B线是多分布图形中最靠近X轴的子图的长轴，斜率是其与X轴之间的夹角。

4 分析软件的功能

近年来随着临床研究的深入和应用的快速普及，督促分析软件功能的更新与突破，实现R-R间期散点图与实时波形及R-R间期时间散点图之间的逆向回放技术，使典型的心电散点图形得到诊断确认，使存在混淆的心电散点图得到鉴别诊断，如传导阻滞与室上性期前收缩未下传的图形均呈“远端三分布”，如果没有逆向回放技术就无法鉴别。

图6 不同患者24h动态心电数据的心电散点图。A.正常窦性心律；B.窦性合并室上性期前收缩；C.窦性心律合并室性期前收缩；D.窦性心律合

并室上性期前收缩伴心室内差异性传导；E.窦性心律合并室性期前收缩三联律；F.无休止室性期前收缩二联律；G.持续性心房颤动；H.持续性心房扑动，房室按不同比例传导；I.心房颤动伴短偶联间期室性期前收缩；J.四象限图形，是心房颤动伴心室内差异性传导；K.心房颤动伴心房扑动；L.窦性心律伴二度窦房传导阻滞。

5 展望

RR序列的心电散点图为海量心电数据提供了新理念、新方法、新手段，由于其数据高密度和整体化表达方式，开阔了分析者的视野，使心律失常的分析由过去只关注孤立的几个心电波形，演进成先从整体，再到局部的分析过程。从心电散点图看宏观，从动态心电图看微观，二者互补的分析模式将大大提高数据的分析速度与准确率。

心电散点图反映出人体RR序列是一个非线性的混沌系统，其中包含了传统方法未能表达的生理病理信息，如心脏各部位不应期及对心律失常诊断的作用，心率变异性的多态性模式，这些信息与临床疾病的关系等都有待进一步挖掘。由于RR序列是非线性的混沌系统，具有分数维，目前的二维图形，不能描述其动力学变化的全部特征，进行软件更新，提高图形维度可获得更多目前未知的系统变化的动力学信息。

2013-12-02）

（本文编辑：杨丽）

100000中国中医科学院望京医院心内科

E-mail：lifangjie5166@163.com