孫 燕, 田忠新, 李銀奎

(1. 青海民族大學 a. 計算機學院; b. 數(shù)學學院, 西寧 810007; 2. 解放軍第四醫(yī)院, 西寧 810007)

長時動態(tài)心電圖ECG數(shù)據(jù)可視化

孫 燕1a, 田忠新2, 李銀奎1b

(1. 青海民族大學 a. 計算機學院; b. 數(shù)學學院, 西寧 810007; 2. 解放軍第四醫(yī)院, 西寧 810007)

動態(tài)心電圖是便攜可穿戴醫(yī)療設備記錄的可以為心臟監(jiān)護提供高質(zhì)量信息的圖表。利用開源工具，實現(xiàn)了長時的ECG時鐘可視化分析處理，使用Python語言編程創(chuàng)建簡單、明了的24 h Holter動態(tài)心電數(shù)據(jù)的時鐘圖，細化實現(xiàn)了心率和QT波的可視化時鐘圖，反映了心率的變化或者ST段提升。經(jīng)驗證，此方法可靠實用，為醫(yī)生和病人提供了一個觀測心臟功能的新視角。

心電圖; 心率變化; 長時QT綜合癥; 開源軟件; 可視化

0 引 言

動態(tài)Holter[1]監(jiān)視儀是便攜式ECG記錄儀器。它對于心臟病人是非常重要的檢測病情的設備，因為心臟病患者心臟的某些事件并不是發(fā)生并可以顯示在診所簡單一般普通的心電圖上。當心臟病患者病人在被記錄一段時間(24～48 h)之后，這些數(shù)據(jù)被醫(yī)生和研究人員提取和分析，他們通過手工測量的ECG數(shù)據(jù)來診斷病人心臟病況，工作量巨大。

一般來說，動態(tài)Holter監(jiān)視儀是從體表記錄心臟每一心動周期所產(chǎn)生的電活動變化圖形的技術，心臟的心機細胞充電放電的過程反映了心臟心房心室極化和除極及復極的過程，心房的除極在體表上反映為P波，而心室的除極在體表表現(xiàn)為QRS波。心臟是一個立體的物體，如果全面反映心臟整體的電活動，需要在體表安放12個電極，通過導聯(lián)線與心電圖機電流計的正負極相連，記錄心臟的電活動，通過這12個電極反映心臟不同部位的電活動并采集體表的導聯(lián)出的電信號，可以映射出心臟的健康或疾病狀態(tài)。記錄的心電圖及分析判斷具有很強的專業(yè)性和復雜性，一般都是由專業(yè)內(nèi)科醫(yī)生解讀，費時費力。

美國抗粥樣硬化風險社區(qū)(Atherosclerosis Risk in Communities，ARIC)研究表明， 心電圖中的QT間期是臨床評估心室復極功能和心源性猝死(Sudden Ardiac Death， SCD)風險的重要預測指標[2], QT間期延長與普通人群心血管疾病發(fā)病率和死亡率的增高密切相關。心肌細胞復極延長多發(fā)生于無臨床癥狀的普通人群，不及時干預將導致心臟尖端扭轉(zhuǎn)性室性心動過速(Torsade De Pointes，TDP)或心室纖顫[3]，危及生命，但在臨床治療中無癥狀，難以進行早期預測和防治，其發(fā)病機制已成為近年來研究點[3]。本文將24 h的心電圖記錄按時鐘的形式可視呈現(xiàn)出來，讓醫(yī)生對于心臟的病理狀態(tài)快速準確判斷；對普通人也是一目了然。

1 QT 時鐘

QT間期是指ECG信號從QRS波開始到T波結束的這段時間，QTc是正確的QT間期心率，通常表示為：

(1)

(2)

式中：下標B、F指Bazett[3]、Fridercia[4]更正的公式；RR指一個心跳周期[5-6]。

典型的ECG波形圖如圖1所示。

圖1 典型ECG波形圖及QT間期標注圖

QT間期是典型10 s的ECG信號的反映，從24 h心電記錄去定義查看1 d中QT間期危險時刻是困難的，因為從一個24 h Holter心電記錄大概包括12×104QTc數(shù)據(jù)點中讀取數(shù)據(jù)，加之必然的噪聲和注釋問題會使大量的數(shù)據(jù)不能讀。消除噪聲通過中值濾波，繪制出長時監(jiān)視器數(shù)據(jù)通常在笛卡爾坐標系，時間坐標軸是冗長的，圖2所示表達了從午夜的一個24 h的時鐘，在每張這樣的心電圖上，人們從已有時間邏輯可以分清早上和晚上不同的區(qū)域并以此做出判斷。QT間期沒有數(shù)據(jù)的時鐘圖，主要呈現(xiàn)了將原來心電圖的水平軸變成了一個時鐘。

為了直觀顯示心率HR和間期QT特征，需要計算心率HR及間期QT的值，這需要從Holter記錄即無標注的心跳周期一個周期一個周期標注(即標注每一跳的每一個導聯(lián)的心電記錄)，心電圖標注工作從Q波開始R和T，到合并所有導聯(lián)到單個列表保存每一心跳RR值及QT間期最壞的可能值。將值代入公式計算得出結果。具體過程是：通過統(tǒng)計標注過的心電記錄抽取相關的值，計算出HR和QTc值，使用開源Python語言寫出的軟件庫編程得到適合國內(nèi)使用的時鐘圖。

圖2 QT時鐘

圖3所示為將QTc和HR[8-11]從導聯(lián)合并的數(shù)據(jù)集被計算出來，同時噪聲和過線的數(shù)據(jù)被移除。圖中的數(shù)據(jù)來源在仿真部分介紹。圖3中QT時鐘范圍300～400是心臟的正常的QTc間期值的區(qū)域，由綠色區(qū)域顯示;500～600是QTc危險值的區(qū)域，由紅色區(qū)域顯示，它的生成來自修改過適合國內(nèi)醫(yī)生使用的MIT開源軟件庫。

2 ECG 軟件時鐘庫

ECG時鐘軟件最初由MIT發(fā)行，它用Python軟件和大家熟知的Matplotlib組件[12]編寫，是為24 h頭尾數(shù)據(jù)合并為圓圈的時鐘軸，生成ECG間隔值的輸入數(shù)據(jù)是.CSV文件，理想的標注數(shù)據(jù)文件應該是每一條記錄{時間，值}。ECG時鐘軟件的結構是由一些Python類組成：其中ECGClock[2]是主類，有增加記錄、注釋、保存生成的圖文件的功能。

心臟QT間期延長是臨床惡性心律失常和心源性猝死的重要危險因素之一,并且無臨床發(fā)病癥狀，通常是臨終前的致命性心律失常特征。為了分析關系人們生命的心臟指標QT值，我們創(chuàng)建一個子類QTClock，也可以將ST段情況根據(jù)需要也可以做STClock，將心率變化也可由ECGClock主類得到HRClock。通過開源軟件庫中的ECGFigure類控制生成更多的*Clock子圖(*根據(jù)自己需要命名)。QT時鐘可以從圖2和圖3中看出。

3 實驗仿真結果

仿真實驗使用開源工具python編程實現(xiàn)的ECG時鐘，實驗數(shù)據(jù)來自LQTS數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集由The telemetric and Holter ECG warehouse initiative (THEW)完成。實驗結果表明，心率范圍變化可以使用同心圓不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)，利用編程將濾波器的算法加入到軟件庫可以將噪音濾去，并顯示心率，軟件庫使用ECGClock主類生成心率圖。如圖4所示，它的右半部分中藍色的部分是正常人健康的心跳范圍，表達了健康人口的典型心臟心率范圍；藍色的細線是心率的基本線；玫紅線是早搏LQT3男性的心率。

實驗結果還表明，可以實現(xiàn)QT間期變化時鐘圖。因為無癥狀QT間期延長是目前心臟致死的主要表現(xiàn)，將QT間期可視化是內(nèi)科醫(yī)生需要。LQT分遺傳性和繼發(fā)性，遺傳基因發(fā)出突變的LQT基因是負責調(diào)控的心室肌肉細胞膜復極化離子通道的基因突變，常見3種：LQT1是位于第11對染色體P15.5的KVLQT1基因；LQT2是位于第7對染色體q35～36的HERG基因；LQT3是位于第3對染色體SCN5A基因，它們都是不適時的鈉離子通道的再次開放和延遲整流鉀離子電流的下降導致了心肌細胞復極化過程延遲[13]。

圖4 QTcB藥物治療和心率(base:基本QTcB間期，drug:吃藥后QTcB間期，healthy:健康QTcB間期范圍，danger:危險QTcB間期范圍，baseline:基本QTcB心率，HR_LQT1_male:男性LQT1心率，normal:正常人心率范圍)

QT間期可視化如圖5、6所示。圖5實現(xiàn)了如上所述的各種LQT情況可視。表明由式(1)計算的基本線和吃藥后QTcB間期對比圖。圖6表明由式(2)QTcF計算的LQT1和LQT2男性和女性心律失常的對比圖。

就實驗仿真圖再說明：圖4刻畫了QTcB藥物治療[14-15]和心率，各種值可以從圖中讀出并顯性給人一個事件發(fā)生的時間點；圖5刻畫了QTcB基本QTcB間期和藥物治療后的QTcB間期，并標注了下午4:16的QTcB間期，這種標識讓我們對一些異常的點有更加深刻的印象；圖6刻畫了QTcF間期的LQT1和LQT2之男性和女性對比，分別用不同的顏色表示出來，讀圖簡明直觀。同時通過對比2類4個數(shù)據(jù)(male female)(LQT1 LQT2[16-17])在一張圖上，而這種比較的最后的結論用普通的心電圖需要(male LQT1;male LQT2；female LQT1；female LQT2)4張心電圖。

圖5 QTcB 基本QTcB間期和藥物治療后的QTcB間期，并標注了4:16的QTcB間期

圖6 QTcF間期的LQT1和LQT2之 男性和女性對比(healthy:健康間期LQT1間期和LQT間期)

4 結 語

通過開源軟件及數(shù)據(jù)構建了適合國內(nèi)自己ECG數(shù)據(jù)可視化軟件庫。通過醫(yī)院驗證，軟件可靠實用；軟件庫可視化效果符合人們已經(jīng)根深蒂固的時間邏輯，進而為普通大眾和醫(yī)生提供了看心電圖的新視角，讓普通大眾對心臟的功能也一目了然。

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Long-termECGVisualizationofCardiacMonitoringData

SUNYan1a,TIANZhongxin2,LIYinkui1

(1a. School of Computer; 1b. School of Mathematics, Qinghai Nationalities for University, Xining 810007, China;2. Fourth Hospital of The People’s Liberation Army, Xining 810007, China)

With the wide and rapid advent of portable/wearable medical devices, the collected long-term health data corpus provides a great opportunity to improve the quality of cardiac care. Based on the previous work on ECG clock and an open source tool, we researched how to create easy-to-interpret plots for cardiac information over along period. ECG clock library was drawn from a dataset of 24-hour Holter recordings. In relevant cardiac diagnose, normally physicians and researchers focus on the heart rate and QT dynamics which were tested in hospital,and the result show reliability. It can provide new insights into circadian patterns of cardiac function in individuals and groups.

electrocardiogram; heart rate variability; long QT syndrome; open-source software; visualization

TH 126.2； TP 391.9

A

1006-7167(2017)11-0024-04

2017-04-10

國家自然科學基金項目(11661066)

孫 燕(1973-)，山東青島人，副教授，研究方向：計算機應用；計算機網(wǎng)絡；圖像語音信號處理。

Tel.: 13709746897; E-mail:sy0623@163.com