溫川雪，畢志升，李洪鋒

心電RR間期散點(diǎn)圖在心臟及心血管系統(tǒng)的病變?cè)\斷中起到無可比擬的作用，特別是三維RR間期散點(diǎn)圖，能更直觀、清晰地反應(yīng)各種心血管疾病。但目前，動(dòng)態(tài)心電圖系統(tǒng)并不提供此應(yīng)用，對(duì)分析三維RR間期散點(diǎn)圖的文獻(xiàn)很少[1]。作者在二維RR間期散點(diǎn)圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析三維RR間期散點(diǎn)圖，試圖找到與臨床疾病之間的關(guān)聯(lián)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

美國國家衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health，NIH）的PhysionBank數(shù)據(jù)庫包含全世界各國不同研究機(jī)構(gòu)的40多個(gè)子庫。它以心電圖（ECG）信號(hào)為主，涉及健康人和患者的心肺活動(dòng)等多參數(shù)生物信號(hào)。

本文使用了PhysioBank網(wǎng)站中的五個(gè)數(shù)據(jù)庫，包括：心律失常抑制實(shí)驗(yàn)RR間期子研究數(shù)據(jù)庫（The CAST RR Interval Sub-Study Database）、正常竇性心律RR間期數(shù)據(jù)庫（Normal Sinus Rhythm RR Interval Database）、慢性心力衰竭RR間期數(shù)據(jù)庫（Congestive Heart Failure RR Interval Database）、心房顫動(dòng)（房顫）長時(shí)間記錄RR間期數(shù)據(jù)庫（The Long-Term AF Database）、心臟性猝死Holter數(shù)據(jù)庫（Sudden Cardiac Death Holter Database）。每個(gè)數(shù)據(jù)庫選取20～30例數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析，采樣頻率均為128 Hz，均含65 536個(gè)RR間期數(shù)據(jù)。

1.2 開發(fā)及運(yùn)行平臺(tái)

本文通過Matlab R2010a平臺(tái)編寫程序代碼，分別畫出其二維RR間期散點(diǎn)圖和三維RR間期散點(diǎn)圖。

1.3 程序?qū)崿F(xiàn)方法

在二維散點(diǎn)圖的基礎(chǔ)上，增加第三個(gè)RR間期，代表z軸，形成三維坐標(biāo)系，即以第n、n+1和n+2個(gè)RR間期分別作為三維坐標(biāo)系中的x軸、y軸和z軸坐標(biāo)。程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)候可以把全部數(shù)據(jù)分成三組，第一組為從1到n-2的數(shù)據(jù)，作為x軸坐標(biāo)；第二組為從2到n-1的數(shù)據(jù)，作為y軸坐標(biāo)；第三組為從3到n的數(shù)據(jù)，作為z軸坐標(biāo)，通過Matlab提供的plot3函數(shù)，分別將三組點(diǎn)集作為三維坐標(biāo)逐次畫上。

利用Kmeans聚類算法，對(duì)三維RR間期散點(diǎn)圖進(jìn)行分類，并對(duì)不同的類別用不同的顏色描繪[2]。由于三維RR間期散點(diǎn)圖的點(diǎn)是沿不同角度的射線分布，形成分支，因此Kmeans聚類算法的距離參數(shù)選擇余弦距離[3]。

1.4 繪制和分析三維RR間期散點(diǎn)圖方法

本節(jié)將描述5個(gè)數(shù)據(jù)庫的三維RR間期散點(diǎn)圖。實(shí)驗(yàn)首先給出正常竇性心率的三維RR間期散點(diǎn)圖，從3個(gè)不同角度觀察并分析散點(diǎn)圖的特征。然后分別給出心律失常、心房顫動(dòng)、心臟性猝死病例的三維RR間期散點(diǎn)圖并與正常竇性心率的三維RR間期散點(diǎn)圖進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于慢性心力衰竭病例，根據(jù)其與心律失常的復(fù)合情況分成3組討論：單純性心力衰竭、心力衰竭伴有心室早發(fā)性收縮、心力衰竭伴有房顫。實(shí)驗(yàn)表明，每種數(shù)據(jù)庫的三維RR散點(diǎn)圖具有各自的特征。

2 結(jié)果

2.1 正常竇性心律的三維RR間期散點(diǎn)圖（圖1）

圖1是來自正常竇性心律RR間期數(shù)據(jù)庫的一例健康人的正常竇性心律，男，35歲。其中，圖1A仰角33°，方位角11°（即x軸平行于觀察者，繞z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)33°，觀察者在XOY平面上方11°）；圖1B仰角0°，方位角90°（即投影到XOY平面）；圖 1C 仰角 135°，方位 45°，即從點(diǎn)（1.5，1.5，1.5）向點(diǎn)（0，0，0）沿體對(duì)角線方向觀察。可見，正常竇性心律只有一個(gè)穩(wěn)定的心率源，20例散點(diǎn)圖均呈現(xiàn)單一分布，圖形呈彗星或棒狀。

圖1 正常竇性心律的三維RR間期散點(diǎn)圖

2.2 心律失常的三維RR間期散點(diǎn)圖（圖2）

圖2是其中一例心律失常的三維RR間期散點(diǎn)圖，來自心律失常抑制實(shí)驗(yàn)RR間期子研究數(shù)據(jù)庫，患者女，60歲。其中，圖2A、2B、2C的觀察角度與圖1相同，圖2D在圖2A的基礎(chǔ)上同時(shí)畫出正常竇性心律散點(diǎn)圖，用黑色點(diǎn)表示。從該數(shù)據(jù)庫隨機(jī)選取20例患者數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，均呈現(xiàn)多分布，即多個(gè)吸引子，與圖2相似。表征心律失常有多個(gè)心率源，作者根據(jù)其吸引子的不同，使用Kmeans聚類算法，把所有點(diǎn)分成多個(gè)類，用不同顏色描繪。在20例患者中，8例的散點(diǎn)圖收斂成3類，10例的散點(diǎn)圖收斂成4類，2例收斂成5類。

2.3 心房顫動(dòng)的三維RR間期散點(diǎn)圖（圖3）

圖3是來自長時(shí)間房顫數(shù)據(jù)庫的病例，監(jiān)測(cè)總時(shí)長24 h，其中房顫總時(shí)長為51 h 37 s。根據(jù)點(diǎn)集角度的偏差，被分為4類。圖3A、3B、3C的觀察角度與圖1相同，圖3D在圖3A的基礎(chǔ)上同時(shí)畫出正常竇性心律散點(diǎn)圖，用黑色點(diǎn)表示。從圖3D可見，紅色類與正常竇性心律重疊較多。從該數(shù)據(jù)庫選取20例患者數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。各例數(shù)據(jù)的房顫持續(xù)時(shí)間從1 h到24 h不等，可收斂成4～6類不等。各個(gè)類呈在靠近原點(diǎn)的方向上匯聚，每個(gè)類聚集程度不高，波動(dòng)范圍較大，使圖形看起來比較散亂、“臃腫”，與圖3相似。所有散點(diǎn)圖中，8例的點(diǎn)集收斂成4類，9例收斂成5類，3例收斂成6類。

圖2 心律失常的三維RR間期散點(diǎn)圖

圖3 心房顫動(dòng)的三維RR間期散點(diǎn)圖

2.4 心臟性猝死的三維RR間期散點(diǎn)圖（圖4）

圖4數(shù)據(jù)來自心臟性猝死holter數(shù)據(jù)庫，患者信息不詳，點(diǎn)集被分為4類，其他類繞著綠色類對(duì)稱分布。圖4A、4B、4C的觀察角度與圖1相同，圖4D在圖4A的基礎(chǔ)上同時(shí)畫出正常竇性心律散點(diǎn)圖，用黑色點(diǎn)表示。與正常竇性心律重疊被的部分主要是位于頂部和尾柄部。從該數(shù)據(jù)庫隨機(jī)選取20例患者數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，發(fā)現(xiàn)收斂成4～7類不等，與圖4散點(diǎn)圖相似。相對(duì)于其他病例，每個(gè)類的密集度不高，較松散，收斂程度較差，可見心率不穩(wěn)定。

圖4 心臟性猝死的三維RR間期散點(diǎn)圖

2.5 慢性心力衰竭三維RR間期散點(diǎn)圖（圖5）

從慢性心力衰竭數(shù)據(jù)庫選取30例患者數(shù)據(jù)，考慮到心臟疾病的復(fù)雜性[4，5]，現(xiàn)把心力衰竭的數(shù)據(jù)分成A、B、C三組，每組含10個(gè)病例，觀察時(shí)長均為24 h。A組：心力衰竭Ⅱ～Ⅲ級(jí)，監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)沒有伴隨明顯的心律失常。B組：心力衰竭Ⅲ～Ⅳ級(jí)，監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)，心室早發(fā)性收縮占總時(shí)長約20%～25%，其余時(shí)長心律正常。C組：心力衰竭Ⅲ～Ⅳ級(jí)，監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)不同程度的房顫。

圖5A、5B和5C為A組一例心力衰竭Ⅱ～Ⅲ級(jí)患者的三維RR間期散點(diǎn)圖，患者41歲，男性。A組的10個(gè)病例呈現(xiàn)的三維RR散點(diǎn)圖，與圖5A、5B和5C高度相似，表現(xiàn)為與正常心律分布相似，均存在少量遠(yuǎn)離“棒狀”的散點(diǎn)，散點(diǎn)分布根據(jù)個(gè)體有差異，沒有統(tǒng)一規(guī)律。投影到二維平面，中心呈“細(xì)棒型”。

圖5D、5E和5F來自B組一例心力衰竭Ⅲ～Ⅳ級(jí)的患者，61歲，男性，24 h監(jiān)測(cè)結(jié)果中，其心室性早發(fā)收縮心律占總時(shí)長的20.5%。B組的10個(gè)心力衰竭病例均伴隨心室早發(fā)性收縮，其三維RR間期散點(diǎn)圖均呈現(xiàn)多分布。在Kmeans聚類算法下，7例的散點(diǎn)圖收斂成5類，其余3例收斂成4類。散點(diǎn)明顯集中在“棒狀”下方，分布范圍較正常心率窄，與圖5D、5E和5F相似。

圖5G、5H和5I來自C組一例心力衰竭Ⅲ～Ⅳ級(jí)的患者，男性，24 h監(jiān)測(cè)結(jié)果中，其房顫總時(shí)長為15 h 54 min。C組的10個(gè)心力衰竭伴有房顫的病例中，房顫有陣發(fā)性和持續(xù)性，時(shí)長從2 min到16 h不等。其圖形與單純的房顫圖形相似。表現(xiàn)為各類波動(dòng)范圍較大，收斂程度較差，可聚類成4～5類。房顫時(shí)長與收斂程度直接相關(guān)，房顫時(shí)長越長，各類的聚集性越差。

圖5 慢性心力衰竭三維RR間期散點(diǎn)圖

3 討論

本實(shí)驗(yàn)中每個(gè)樣本的數(shù)據(jù)有65 536個(gè)RR間期，數(shù)據(jù)量足夠讓散點(diǎn)圖呈現(xiàn)終極、穩(wěn)定和吸引的特性[6]。當(dāng)樣本心率有多個(gè)不同心率起源活動(dòng)時(shí)，其吸引子不同，散點(diǎn)會(huì)聚集成3～7類不等，與正常心律重疊位置有各自特征。其中心房顫動(dòng)和心臟性猝死每類較松散。心力衰竭的散點(diǎn)圖受其復(fù)合心律影響較大。

現(xiàn)有的商業(yè)系統(tǒng)能直接導(dǎo)出二維散點(diǎn)圖，但當(dāng)出現(xiàn)復(fù)雜心律異常時(shí)，多個(gè)心率源的散點(diǎn)互相重疊、干擾，造成信息丟失，不利于挖掘各種病例的散點(diǎn)特征[7]。如圖6A、6B散點(diǎn)都集中分布在對(duì)角線上部，差異不明顯，不能體現(xiàn)出散點(diǎn)圖與某種疾病的關(guān)聯(lián)性。對(duì)于一些心率源較復(fù)雜的重癥病例，二維散點(diǎn)圖沒有明顯規(guī)律，失去了臨床輔助診斷意義。

圖6 二維RR間期散點(diǎn)圖

本文通過Matlab平臺(tái)繪制三維立體RR間期散點(diǎn)圖，可以選擇不同觀察角度， 多角度對(duì)比各病例的特點(diǎn)，清晰地查看二維散點(diǎn)圖重疊的部分。本文分別畫出正常竇性心律、慢性心力衰竭、心房顫動(dòng)、心律失常，心臟性猝死病例的三維RR間期散點(diǎn)圖，并通過Kmeans算法將點(diǎn)分成幾個(gè)類別。對(duì)這4個(gè)病例的散點(diǎn)圖進(jìn)行描述，與正常竇性心律進(jìn)行對(duì)比和總結(jié)，結(jié)果顯示這幾個(gè)不同病例的圖形分布有明顯的差異，都聚集成多個(gè)子類。

三維RR間期散點(diǎn)圖具有豐富的參數(shù)待挖掘，比如各個(gè)聚類的吸引子的位置，吸引子與疾病的嚴(yán)重程度的關(guān)系，各吸引子之間的位置關(guān)系等或?qū)㈦[藏著更多的信息。

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