心内心电图分析的关键技术研究及应用

曹俊爽 天津市南开区中医医院 （天津 300102）

内容提要： 心内心电图在多种疾病诊断与治疗中均有不错的价值，比如腔内心电图定位技术在各类需外周静脉中心静脉导管（PICC）置管疾病中的应用，证实效果令人满意。心内心电图的应用需心内心电信号的支撑，而采集心内心电信号时，属于有创性操作，而心内心电图最为突出的波形为P波，而非QRS波。P波对心房肌除极期间的电位变化能很好地反映，而心房收缩（P波前）时心房完全充血，心房壁影响血阻抗信号最小，同时右心房血流速度低，获取的血阻抗数值相对准确。研究证实，血阻抗和血粘度有关，而血粘度又和血液炎症状况相关，可预测血管有无血栓形成，同时血粘度也可反映心脏血流动力学情况，为此准确测量P波，找出对应时间血阻抗情况，可为临床诊治提供依据。如何才能准确测量，这就有赖于心内心电图分析的关键技术研发与应用，本文展开了综述，旨在探究心内心电图分析关键技术情况。

心血管疾病是临床常见疾病，且好发于中老年人群，而我国近几年老龄化的加剧，老年人口增多，一定程度上导致心血管疾病发生率居高不下[1]。心血管疾病一方面影响患者身心健康，另一方面也会给家庭增加经济负担，甚至给医院或社会带来压力。同时，大量的研究证实心血管疾病致残率与致死率高，有效诊断与治疗十分关键[2-4]。早期心电图检查主要是基于体表心电信号，即放置在体表的导联采集信号，而近几年心内心电图技术的发展，越来越重视心内心电信号研究。其中体表心电图以QRS波为主，而心内心电图则以P波（也就是心房收缩）最为突出[5-7]。P波反应心房肌除极期间的电位改变情况，而血阻抗在P波前（心脏舒张结束时）测量可获取最理想的结果。如何准确测量P波，是心内心电图重点关注的问题，这就有赖于相关技术的研发与应用。本文就心内心电图分析的关键技术进行了综述，主要是心电信号相关技术，包括预处理技术、基本检测算法、HRV技术，具体如下。

1.预处理技术分析

心内心电图信号采集容易受到噪音的干扰，使得原始心电波形特征被掩盖，造成心电波形混乱不清，无法准确识别、判断[8]。目前，从已有的文献与临床实践中发现，主要的心电信号噪音有工频干扰、运动伪迹、电极接触等[9]。为了减少噪音干扰，有效去噪是关键一环，预处理技术就十分必要。比如基线漂移的抑制，可选择两种方法处理，其一为自适应相干模板法，其二为数学形态学法[10]。前者是观察心电信号、基线漂移等情况，于原始信号得到工频干扰模版，然后减去模版，并滤掉基线漂移，这种操作简单，可快速达到目标，清除基线的效果好，但可能会导致P波峰值削弱[11]。后者则是根据开闭操作，估算漂移基线，原始信号与估算结果的差值便是去基线漂移信号。此法根据结构元素不同，处理时间也有所差异，结构元素较小，则运算时间短，反之就较长，有较好的性能，且对P波峰值影响小[12]。

2.基本检测算法技术分析

心电图中P波检测准确与否，关乎心律分析的准确性，因心内心电图采集信号时为有创操作，在过去一段时间研究较少，多选择体表心电图检查，但体表心电图P波幅度低，无法有效分离噪音干扰，尤其是长时间动态心电监测中，体表心电图中的P波会被噪音掩盖或无明显表现[13]。心内心电图则直接在右心房采集信号，P波代替QRS复合波，成为最为突出的波形，为此可轻易检出P波情况。对于P波的检测基本算法主要有神经网络法、小波变换法及自适应滤波检测法等，但心内心电图信号QRS复合波能量较低，P波是最为突出的波形，采取传统的算法效果不佳，为此可参考体表心电图R波检测算法思路，主要可分为如下几种：第一，常规的时频域检测法。这类算法在国外的研究中最具代表，比如利用采样的心电图信号经带通滤波与逐点平方运算及一阶差分运算等处理，再经移动窗口求和，获得增强的信号，该信号可利用阈值检测器测定，测定幅度便可了解QRS波情况。第二，利用数学形态学法测定，采取数学形态学运算，修改局部信号的几何特征，之后检测所得结果基本无脉冲噪音的干扰。但是，因其信号修改后呈台阶状，若结构较长，则导致耗时过长。第三，根据小波变化测定，因心电图信号有尺度空间传播性的特征，可变换处理二进小波，测定其在尺度空间的信号模极大值，然后消除冗余与孤立，获取一对模极大值，二者过零点时便为R波[14]。该法测定的信号能描述各个心电波形特征，可区分QRS波和噪音及干扰等情况，从而提高了检测结果准确率。同时，因伪迹在一定时间段仅有升高或下降的沿，通过这种方式可有效消除其干扰[15]。不过，这种方法有个明显的缺陷在于其计算量较大，在实时检测中难度较高[16]。

3.HRV技术分析

HRV指的是心率波动性，也称之为心率变异性，是心电图监测中比较关注的指标，特别是一些报道中指出可将HRV分析作为心脏病猝死的预测指标，同时也可评价心脏自主神经均衡性与活动性及其相关病理改变情况，有广泛的应用前景。HRV信号涉及多类心血管调节信息，可提取与分析其对心脏交感神经、迷走神经等活动情况及对心血管系统的影响情况，则这种评估属于定量评估[17]。HRV检测技术广泛应用于国外临床，发现交感神经活动增强，HRV则下降，副交感神经活动增强，而HRV则增大，比如在心衰或心梗患者中，交感神经张力提高，迷走张力则降低；患有甲亢者，则交感张力会升高。伴随着交感张力的增强，迷走神经张力的降低，会有室颤阈值的降低，从而促使使得心电不稳定性增强，导致室颤、室速或猝死等发生，从而将其作为心脏猝死预测的独立因子[18]。

关于HRV的分析方法主要有频域分析、时域分析及非线性分析等类型，其中频域分析与时域分析相对常规，时域分析相对简单，其分析结果可对植物神经系统调控心率实施初步评价，比如几何分析。时域分析能利用多种统计定量描述心动周期的改变，HRV分析中的心率变异信号多以PP间期常见，而一般心电检查采集的信号多源自体外，这种情况下P波发生时，难以检测出，临床多采取RR间期进行替代。相比而言，心内心电图信号P波十分突出，心率变异信号可直接利用PP间期描述。为了确保时域分析准确度，需注意一些问题，比如HRV时域分析一般以长程24h最佳，尤其是急性心梗预后判断中；各项指标无法相互替代，也不能交叉对比，应直接测定PP间期差值、相邻PP间期值，或瞬时心率变化，各自所得无法直接对比；不同时程HRV分析也不能直接对比。频域分析则比较复杂，利用PP间期的时间序列信号以数学变换法变换至频率域，形成频谱曲线，然后进行分析，可分为有参数与无参数两种情况[19]。频域分析也叫心率变异频域分析，是新近发展起来的技术，可研究心率波动频率和幅度规律，从而探究心率和心脏自主神经张力波动频率函数，在心肌缺血或充血性心衰的猝死风险预测上有不错的价值。若存在心肌缺血或充血性心衰，患者的自主神经功能紊乱，容易造成心律失常，从而导致猝死风险升高。采取频域分析，能检测各类心血管疾病自主神经功能情况，从而为预防猝死提供指导性证据。功率谱密度（PSD）是频域分析主要的参数，指的是功率分布对频率的函数，根据该函数能了解功率谱情况，从而分析交感神经、迷走神经活动，还可了解其变化是否均衡。通过有效的方式评估，可得到一致的PSD曲线，比如参数模型法与非参数模型法，在临床逐渐应用起来。

此外，关于HRV检测期间，其信号的获取是一个比较关键的步骤，因为这种信号主要反映的是窦房结调节自主神经情况，为此临床上多认为P-P间期可作为心动周期持续时间的指标[20]。HRV信号采集时，先将逐次心跳QRS波检出，准确测出每个P波后，然后计算P-P间期，最后转换成HRV信号。

4.心内心电信号P波检测技术

对于心内心电图检查中，当进行心电信号预处理后，便可进行P波检测，检测时先对移动积分完的增强信号进行检查，利用基于变阈值的方法逐步推进检测，同时更新检查的阈值[21]。因标记P波在增强信号，最后还需结合原始信号，将移动积分信号波峰对应到原始信号上。为了保障检测准确性，初步检测后，可添加一种漏检P波或去P波假阳性的方式，主要是调整双峰的步骤，即检测第一个P波→检测其余P波→添加漏检的P波→调节P波在原始信号上的位置→去除多检的P波→检查是否有双峰并调节到左侧峰上→完成检查[22]。具体的步骤与方法如下：

4.1 检测第一个P波

计算积分信号中间（1/2处）均值，于信号起始1.5s内找出信号最大值，若该值＞2倍的均值，则将最大值点作为积分信号初始P波位置，若不足2倍均值，则于后1.5s再找出最大值，直到符合＞2倍均值位置。将该值点作为P波初始位置，标记后，确定初始阈值。

4.2 检测其余P波

以4s作为一段区域记录数据，于最后一个检测P波点后的不应期内，找出最小值最为新检测区下限，将下一个4s数据作为检测区上限，将前检测所得的P波幅值均值×0.3作为阈值。在检测区找出所有幅值＞该阈值的点，找出连续上升和下降部分，波峰间最大值可作为P波初始位置。

4.3 添加漏检的P波

因心律失常，导致频率、P波幅度急剧下降，P波峰点对应极值点特征无法满足预定阈值标准，这样就会发生漏检。通过计算PP均值间期、所有P波增幅，满足＞1.66倍间隔均值，可降低阈值，采取0.125倍进行复检，达到阈值波峰则将其判断为P波。此处，1.66与0.125可适当调整，根据实际情况设计。

4.4 对 P波在原始信号位置进行合理调整

前述步骤通常在积分信号区域完成，得到的P波也在积分信号区域，为此需在原始信号上找出波峰对应的位置[23]。因原始信号P波峰点一般位于移动积分信号上升沿，应适当在积分信号峰点前面范围寻找，适当考虑P波导致情况。

4.5 去除多检的P波

根据人体生理特点，检查P波波峰是否漏检，若双P波间隔＜200ms，则去掉幅值较小的P波。

4.6 检查是否有双峰并调节到左侧峰上

双峰指的是若两个波峰距离是d，则两个波峰幅值分别为A1与A2，其中幅值较大的为A1，满足d0＜d＜d1、A1/A2＜R0（d0、d1为双峰最小距离与最大距离，R0为两个波峰能成为双峰最大比例），且规定d0=0.05s、d1=0.15s、R0=2.0，若满足这样的条件，不管左侧是否大于右侧，则将当前标记调节至左侧波峰。

5.结束语

心电图检查在临床应用广泛，但关于心内心电图的研究在国内还处于前期阶段，存在一些问题与不足需要解决，其中心电信号相关技术，比如P波的采集与分析。首先应对心内心电图进行预处理，尽量将噪音干扰去除，然后在去除噪音的信号上完成P波检测，根据经典算法，结合自身信号特点改进，最后根据检测的P波位置，获取HRV信号，并将结果用相关软件分析，可获取良好的结果。