基于主導頻峰方法的心外膜標測信號節律分析

【作 者】李文海，楊翠微, 復旦大學電子工程系，上海市，00433 上海市醫學圖像處理與計算機輔助手術重點實驗室，上海市，00433

基于主導頻峰方法的心外膜標測信號節律分析

【作 者】李文海1，楊翠微1,2
1 復旦大學電子工程系，上海市，200433
2 上海市醫學圖像處理與計算機輔助手術重點實驗室，上海市，200433

正常情況下心肌以一定的節律順序激動，而房顫時這種節律性就會發生改變。該文以心外膜標測信號為基礎，在與時域特征點法對比后，采用頻域主導頻峰的方法，分析了竇性心律和房顫情況下心房各部位激動節律情況。研究發現房顫時心房各部位的激動節律差異很大，個別部位自律性發生了明顯改變。結果表明主導頻峰法非常適用于房顫時心房標測信號的節律分析。另外該文還粗略探討了該方法在尋找房顫激動源方面的作用。

主導頻峰；心外膜標測；房顫；節律；自律性

0 前言

房顫（Atrial Fibrillation，簡寫AF）是臨床上常見的一種疾病，目前其電生理機制還不明朗[1]。房顫發生時，心房組織的傳導性，激動在心房內的傳導路徑均會發生改變[2]，而其節律也同樣會發生改變。為了探究房顫發生的電生理機制，國內外學者研制了心內膜標測系統、心外膜標測系統以及體表標測系統，以分析房顫時心房各部位信號。

目前，房顫的電生理機制主要有三種理論假說：多重子波學說、局灶學說和轉子學說。對于局灶學說，臨床上常常通過心房標測手段，利用主導頻峰（Dominant Frequency，DF）[3-4]的方法來尋找發放高頻激動的局灶源，最后使用射頻消融來摧毀局灶源，以期實現房顫的終止。而在這個尋找過程中，其主要的方法就是利用主導頻峰法分析心房各部位心肌組織的節律信息。因此主導頻峰在心房信號的節律性以及自律性分析中有著重要的應用作用。

該文以復旦大學電生理實驗室研制的128道心外膜標測系統為基礎[5]，用主導頻峰的方法來分析房顫發生前（竇性心律，簡稱竇律）、房顫時以及房顫發生后（竇律）心房各部位的激動信號，以研究房顫發生前后的心房肌不同位置激動節律以及自身自律性變化情況。并根據實驗特定條件，粗略估計了主導頻峰方法在尋找房顫局灶源上的應用。

1 激動節律計算方法

心電信號的激動節律，即心肌1 min激動多少次或者1 s激動多少次。它可以通過計算激動間隔的時長得到，這種方法需要提取時域信號的特征點以統計激動間隔，所以稱為特征點法；由于心電信號是一種類周期信號，故而也可以通過頻譜分析得到反映其節律的頻率成分，而這個頻率在頻域上是對應著最大峰的，所以這種方法稱為主導頻峰法。

1.1 特征點法

基于時域信號的特征點法是先提取心電信號的特征點，然后計算相鄰特征點之間的時長t0, t1, t2,…tn，最后對這些激動間隔時長求平均，得：

f 即激動頻率，它反映心肌的激動節律。

提取心電信號特征點的方法有多種，如最大峰值法、最大負向斜率法、局部重心法等，該文使用最大峰值法提取特征點。如圖1所示，豎長虛線所示是提取的特征點位置。利用提取的特征點對應的時刻信息，可以計算激動間隔的時長，然后根據式（1），即可計算出心肌的激動頻率。

圖1 最大峰值法提取特征點Fig.1 Extracting the feature points by the maximum peak

1.2 主導頻峰法

主導頻峰，是指在頻域上對應心電信號激動節律或節拍的頻率成分。它標志著信號的主導節律，且在頻域上呈現最大的峰值，故而稱為主導頻峰。主導頻峰能反映心肌組織的激動節律。例如，4 s內心肌組織興奮了12次，則其主導頻峰應為3 Hz，頻域上3 Hz處應該是一個最大的峰值。

如圖2(a)所示的心電信號[3,6]，主導頻峰的求解步驟是：

(1) 絕對值，整流見圖2(c)；

(2) 頻譜分析(FFT)，見圖2(d)；

(3) 找出頻譜中除0 Hz外的最大峰，它對應的頻率即是主導頻峰DF，見圖2(d)中標示。

對于既有正向成分又有負向成分的心電信號，如圖2(a)所示，要先進行整流是因為信號的負向成分相當于對正向成分縮減，然后添上一個相位角，二者疊加后會造成在低頻上的削弱，導致最大峰無法準確對應信號的節律。當用整流的方式消除這個削弱后，代表周期信號頻率的第一譜線就是最大峰，這也是主導頻峰名稱的由來。圖2(b)就是沒經整流的頻譜示意圖，不能得出正確的主導頻峰，而經過整流就得出正確反映信號節律的主導頻峰DF，如圖(2d)圖所示。

圖2 主導頻峰法Fig.2 Dominant frequency method

考慮到不論是竇性還是房顫，還是其他類型的心律失常信號，其最小激動頻率不低于30次/min，最大激動頻率不會超過1 200次/min，所以第3步尋找最大峰時，可以限定在0.5～20 Hz這個范圍內。

2 實驗結果與分析

該文研究的數據來自復旦大學心臟電生理實驗室在動物實驗中采集的心房信號。在實驗中利用實驗室自主研發的128道心外膜標測系統，以犬作為實驗對象，(1) 將犬開胸懸吊心包，在犬心房外膜縫上8片電極片；(2) 靜脈注射乙酰膽堿；(3) 在右心耳處進行20 Hz電刺激，以誘發房顫。128個電極點分布于8片電極片上，幾乎覆蓋整個心房，以期實現全心房標測。系統通過前置放大器放大信號，并用3～600 Hz的帶通濾波器濾掉部分干擾和噪聲。采集時采樣頻率為2 kHz，16位A/D轉換。

該文首先將使用主導頻峰法所得的激動頻率與特征點法所得頻率進行對比，然后分析了房顫前、房顫中以及房顫后心肌組織的激動節律情況，最后分析了全心房不同位置以及房顫不同時段的激動節律情況，從而初步研究和分析竇性及房顫時心肌組織的激動節律。

2.1 兩種方法的對比

圖3所示是隨機選取的一段時長為5 s的信號(共128路)，分別使用主導頻峰法和特征點法統計了不同通道激動節律的對比結果。

圖3 兩種方法結果對比Fig.3 Comparison of the two methods

觀察圖3(a)可知，竇律時，兩種方法的結果相差很小，而且主導頻峰方法所得的結果呈一條直線，而特征點法所得結果稍有波動，主導頻峰法表現出更穩定的計算效果，這與“竇性時心房各部位的激動節律保持一致”相符合。而由圖3(b)可知，兩種方法所得結果有一定的差異，而且部分通道的差異很大。這是因為房顫時信號較雜亂，特征點提取困難，所以導致計算所得的結果可能存在較大偏差，尤其是部分通道的信號存在較大心室干擾[7-8]。另一方面，當信號的規整性較差時，用主導頻峰的方法所得結果不一定非常準確[3]。以上因素，導致圖3(b)中兩種方法所得結果存在差異。為了驗證兩者的準確度，任意選取3組數據，每組128條數據，每條數據時長5 s，計算激動次數。以純人工肉眼識別（以下稱手工法）的結果為標準，上述兩種方法與手工法結果相同（誤差允許范圍±10%）的數據條數的統計結果如表1所示，從表1可以看出主導頻峰所得的結果與人工所得結果基本一致。這說明應用于房顫信號時主導頻峰法的準確性較高。

表1 兩種方法與手工法結果相同的個數統計表Tab.1 The number of the same result compared with manual method

2.2 同一位置不同時刻節律性分析

圖4展示了房顫發生前(Pre-AF)、房顫發生時(AF)和房顫停止后(Post-AF)同一位置心肌激動信號主導頻峰結果。

通過圖4可知，房顫發生前以及房顫發生后，激動呈竇律，信號較規整，心肌的激動很有規律，頻率低；而房顫發生時，心肌組織的激動頻率很高，激動的節律已經被打亂。同時觀察圖4(a)和(c)，可以看出，諧波分量很明顯，也很規則，這是因為心房信號本身很規整；但是房顫時(圖4(b))，諧波成分已經不再突出，諧波間存在很大的其他頻率成分分量，這也說明了房顫時節律的不規整性。

圖4 房顫前、房顫中以及房顫后主導頻峰示意圖Fig.4 The dominant frequency results of Pre-AF, AF and Post-AF

主導頻峰能夠反映信號的節拍或頻率，而主導頻峰與諧波成分(圖5中橢圓標記)以外的頻率成分則能說明信號的雜亂程度，信號越雜亂，這部分頻率成分的能量越高。如圖5所示：(a)、(b)、(c)所示房顫信號的雜亂度越來越高，主導頻峰和諧波所占能量比重卻是越來越低，尤其是圖5(c)幾乎看不出諧波頻率，其他雜波頻率成分很高。反之，信號越規整，這部分頻率成分的能量越低，例如竇律時除了主導頻峰和它的諧波成分，其他成分非常低，幾乎可忽略，如圖4中的(a)和(c)。

圖5 不同規整程度的房顫信號Fig.5 AF signal with different kinds of regularity

2.3 全心房不同時刻節律性分析

竇律時，心房各部位的的DF均接近，如圖3(a)所示，心肌組織的激動節律具有很好的一致性，這是因為竇律時整個心房在在同一起源點——竇房結的領導下依次激動，心房各部位心肌細胞的激動節律沒有發生明顯變化。

而房顫時，左右心房不同位置的DF差異非常大，圖6展示了房顫時全心房主導頻峰偽彩色圖結果。從圖6中可以看出，各部位的激動節律很明顯不同，此時心房不在原起源點竇房結的帶領下步調一致地激動，而是受自律性異常增高的心肌影響，出現雜亂的節律。這些自律性異常增高的心肌有可能就是房顫時的驅動灶（源）。

圖6 房顫時全心房主導頻峰偽彩色圖Fig.6 Pseudo-color result of dominant frequency in different parts of atria during atrial fibrillation

圖7是一條犬房顫不同時間段右心耳主導頻峰偽彩圖，其中(a)是房顫剛開始，(b)是房顫已經持續一段時間，(c)是房顫即將結束的時候。從圖7中可以看出，房顫剛開始時，大片區域的激動節律是一致的，只有少數地方的激動頻率過于異常；隨著房顫持續進行，較多區域的激動頻率異常增高；而當房顫即將結束時，大片區域的節律又逐漸恢復一致。在這整個過程中，心房肌某些位置的節律性發生了很大的改變[8]，特別是圖中DF很大的地方。

圖7 房顫不同階段右心耳主導頻峰偽彩色圖Fig.7 The pseudo-color map of dominant frequency in right atrial appendage during AF

實驗中，犬的房顫是在注射乙酰膽堿之后通過在右心耳通道26附近（圖6所示位置）采用20Hz的電刺激誘發產生的，觀察圖6以及圖7的(a)(b)可以看出，通道26附近的主導頻峰值很明顯高于周圍部位。觀察其他時間段內主導頻峰偽彩色圖，也有類似規律，說明該處心肌自律性明顯增高，這種變化與電刺激應該是有很大關聯。電刺激導致了該處自律性變化，由于該處節律比周圍高，它有可能已經成為一個類似于“源”的局灶[8]，所以這也粗略說明了主導頻峰方法在尋找房顫的激動源上有一定的應用價值。由于實驗中是對犬人為誘發的房顫，所以在尋找“源”上面還需要其他方法進一步研究和驗證。

3 結論

本文采用頻域的主導頻峰法與時域的特征點法進行對比來研究心外膜標測時心房信號的激動節律，發現主導頻峰法的結果更準確。竇律時，心房各部位心肌組織的節律性一致，而房顫時，心房各部位的激動節律差異很大，個別部位自律性發生了明顯改變。主導頻峰法對房顫時心房標測信號的節律分析非常適用。另外本文還粗略探討了主導頻峰法在尋找房顫激動源上面的作用。

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Analysis of the Rhythm of Atrial Epicardial Mapping Data Based on Dominant Frequency

【Writers】LI Wenhai1, YANG Cuiwei1,2
1 Electronic Engineering Department of Fudan University, Shanghai, 200433
2 Key Laboratory of Medical Imaging Computing and Computer Assisted Intervention of Shanghai, Shanghai, 200433

If heart function is normal, the atrial cells are excited in a stable rhythm. But this would change during atrial fibrillation. In this paper, after comparing with the method of characteristic point, we use the dominant frequency method to analyze the activation pattern under sinus and atrial fibrillation rhythm in different parts of atria based on epicardial mapping system. It is found that the activation rhythm changes a lot in different parts of atria, and the automaticity of atrial cells change obviously in somewhere. The result shows that dominant frequency method is very suitable for the analysis of atrial fibrillation signal. What's more, we also roughly discuss the role of this method in exploring the driving sources during atrial fibrillation.

dominant frequency, epicardial mapping, atrial fibrillation, rhythm, automaticity

R541.75

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.02.001

1671-7104(2015)02-0079-04

2014-12-08

國家自然科學基金（61071004）；

上海市自然科學基金（15ZR1403400）

楊翠微， E-mail: yangcw@fudan.edu.cn