基于犬心外膜标测的心房肌传导性解析

【作 者】董岸男，孙莉倩，杨翠微

复旦大学信息科学与工程学院电子工程系，上海市，200433

房颤会使心房细胞的传导性降低，不同程度的房颤使传导性降低的程度也不同[1]。本文对犬的心外膜标测数据进行了分析，研究兴奋在心房心外膜表面的传播速度，并对电刺激诱发房颤前后的窦性心律和不同剂量乙酰胆碱下的窦性心律进行了标测，得到心房细胞传导性的变慢结论。

1 心外膜标测系统简介

心外膜标测技术是利用由多个(或多对)电极组成的电极阵片，在开胸状况下，对心脏电兴奋的起源和传播途径进行直接探测的方法。由于电极阵元与心外膜的直接接触，以及对心电信号的同步采样，因此显示记录的图形能客观而精确地反映心电兴奋及传播的过程[2]。心外膜标测系统如图1，由标测电极、多路放大器、模数转换器、信号处理分析软件、大屏幕显示器及打印机等部分组成。电极采得的心外膜信号经专用的多路放大器放大后，由模数转换器转换为数字信号，供计算机分析、处理。采集的信号可实时地在屏幕上滚动显示，并可由用户操作进行存储、冻结、回放等功能。同时，用户还可进入分析界面，直观地观察到心肌除极过程。

2 传导速度的算法设计

图1 心外膜标测系统结构框图Fig.1 The block diagram of Epicardial mapping system

传导速度是一个矢量，既有大小又有方向。因此，传导速度的确定要分为两个部分：传播方向的确定和每个通道处的速度值大小的确定。

2.1 传播方向的确定

本文中采用等时图的方法来确定兴奋信号在心房中的传播方向。这样可以把在同一电极片上的不同采集点之间的激动先后顺序变得一目了然，从而得到一片电极片上心电信号的传导顺序，进而得到激动在电极片上传播方向的大致趋势。

2.2 速度值大小的确定

由公式可知：速度=距离/时间。在电极片上电极点之间的距离是固定的；而在同一心动周期内，对选定通道进行激动时刻提取，激动时刻的时间差即为兴奋传播所需时间。

3 数据的结果与分析

本文采用的数据来源于动物实验，共用到了八条犬的全心房心外膜标测数据。而实验中所有例的动物得到的结果相似，由于版面的限制，这里采取一例予以讨论。以下文中涉及的一例数据均为此例数据。

3.1 传导速度值的确定

未注射乙酰胆碱时，心房传导速度是正常的。为了排除房颤对心房传导速度的影响，因此选择了还未经过电刺激心房的数据进行处理，见表1

表1 窦房结（11通道）附近的传导速度Tab.1 The conduction velocity near the sinus node (channel 11)

从表1中的数据分析可以看出：窦房结附近（11通道）（由图2得，10通道、22通道和7通道均在11通道附近）的传导速度大致为0.7 m/s，这与理论数据0.7 m/s[3]相一致，说明该测算方法有效，为后面的分析与处理提供了基础。

3.2 等时图的绘制

对于等时图的绘制，本文采用了在南京鼓楼医院做的动物实验所采集到的一例犬的心房波形，分别对于电刺激造成犬房颤前后两种数据进行了等时图的绘制。得到的结果如下：全心房标测总共有128个通道，共分布于8个电极片上，由于版面限制，本文重点介绍单片含通道数最多的B片，如图2。B电极片有44个通道，即1～44通道，每个数据的长度为20 s。

图2 电极片中的B片，可与以下图形参照对比。Fig.2 Patch B,reference of the figures below

图3是电刺激造成房颤前窦性心律下各组数据作出的等时图。可以看出这几组数据得出的通道间的传导顺序是从11通道（窦房结附近）开始，然后经过电极片中部，最后到达边缘部分的。

图4是电刺激造成房颤后恢复窦性心律后的各组数据做出的等时图，此也可看出这几组数据得出的通道间的传导顺序是从11通道（窦房结附近）开始，然后经过电极片中部，最后到达边缘部分的。由于房颤导致传导速度变慢，激动信号从窦房结发出到离窦房结较远的采集点需要的时间更长，因此房颤后的等时图中出现了比较大的数值。

图3 房颤前窦性心律下数据做出的等时图Fig.3 The Isochronic map under the data of sinus rhythm before AF

图4 房颤后恢复窦性心律后的数据做出的等时图Fig.4 The Isochronic map under the data of sinus rhythm after AF

由以上两组图形可以得到：在窦性心律下，等时图可以给出兴奋传播的大致路径；但是在房颤情况下，即当存在多个兴奋源时，由于不能确定兴奋源的所在，则此方法失效的结论。

3.3 电刺激前后速度变化对比

高频电刺激会对心房肌细胞的传导速度产生影响[5]，本文以在南京鼓楼医院做动物实验取得的一例犬的心房波形的数据进行了验证。此处比较了电刺激诱发房颤前后20 s长的窦性心数据，得到速度曲线如图5所示（图中Pre代表房颤前窦性心律下的传导速度，Post代表房颤后恢复窦性心律后的传导速度）。

图5 电刺激诱发房颤前后（窦性心律）全通道的传导速度对比Fig.5 The conduction velocity comparison of all channels before and after AF caused by high-frequency electrical stimulation under the sinus rhythm

从图5中可以看到，除了个别通道外，几乎所有的Pre数据均在Post数据之上（11通道是速度计算的基点，因此没有波形）。这说明电刺激诱发房颤后，心肌细胞的传导性下降。这里验证了电刺激后传导速度会下降，说明了电刺激诱发的房颤会对心房细胞的传导速度产生一定的影响。由于分析的只是房颤后恢复窦性心律后的20 s数据，分析数据的时间长度较短，关于房颤对细胞传导性的影响是否可恢复，还有待进一步的研究。

3.4 不同剂量乙酰胆碱下传导速度的对比

不同剂量的乙酰胆碱，对心房兴奋信号的传导速度的影响是不同的[4]。本文采用了一例在南京鼓楼医院做动物实验取得的犬的心房波形数据，来观察不同剂量乙酰胆碱对心房传导速度的影响，得到了如图6所示的结果。

图6 不同剂量乙酰胆碱下部分通道的平均传导速度Fig.6 The average conduction velocity of a part of channels under different doses of acetylcholine

由图6看出不同剂量乙酰胆碱对心房兴奋信号传导速度的影响：随着乙酰胆碱剂量的增加，心房兴奋信号传导速度有了较为明显地下降，而且下降趋势与乙酰胆碱剂量地增加趋势是呈正相关的。

由图6中的数据，本文验证了乙酰胆碱有减缓心房兴奋信号传导速度的作用，并得出了随着注射乙酰胆碱剂量的增加，心房兴奋信号的传导速度会越来越慢的结论。

但是通过处理不同的几例动物实验的数据，发现了以下两个问题：

第一个是激动时刻的特征提取的准确性对速度的计算有着较大的影响。算法中要以特征提取的时间点来计算两个通道的时间差，因此如果特征提取的点选取的位置不正确，就会得到错误的时间差，从而得到错误的速度值。另外一点就是波形采集得不理想，在波形中会采集到持续的抖动信号或者突然的晃动信号，这对特征提取都是致命的。这样作出的特征提取会产生很大的偏差，反映到算法中就是会导致两个数组的维数不一样，从而不能计算速度值。解决的办法是，使用GUI程序自己修饰特征提取点，或者是用相邻的通道的数据进行平均后代替。

第二个就是在处理数据时出现的速度值都比较高，与理论速度值0.7 m/s有差异。对于这个问题，经过查阅资料以及与导师的讨论，认为因为数据采集时采用的是二维的标测系统，而实际上心房兴奋信号是以三维的形式传导的，因此可能会存在优势传导通路，使得传导速度较快；也可能是因为出现作为基点的通道和很多通道相对于窦房结是同时激动的、或者是激动时刻很近，这样得出的传导速度也会很快。

4 总结

本文所涉及的研究以心外膜电标测技术为基础，得到心房激动时刻。选取B片44个通道，进行每个通道的电信号平均传导速度的计算，然后就每个通道房颤前后的平均速度进行对比，观察房颤对心房电信号平均传导速度的影响。在得到前面结果的前提下，还对不同剂量下的乙酰胆碱对心房电信号的平均传导速度的影响进行了分析。结果表明，不同乙酰胆碱剂量会对心房肌的传导性产生影响。

[1]姚焰,杨跃进.心房颤动的临床表现 [J].中国实用内科杂志.2006,26(3): 165—166.

[2]周拓.基于心外膜标测技术的房颤电信号处理方法研究[D].复旦大学电子工程系.2010

[3]姚泰,吴博威.生理学（第六版）[M].2002

[4]张昌伟,水志刚,孙宗全,等.乙酰胆碱对人心房肌脱敏作用的研究 [J].华中科技大学学报(医学版),2008,37(6): 805—807.

[5]Morillo C A,Klein G J,Jones D L,et al.Chronic rapid atrial pacing: structural，functional，and electrophysiological characteristics of a new model of sustained atrial fibrillation [j].circulation,1995,91(5): 1588—1595.