長(zhǎng) 時(shí) 動(dòng) 態(tài) 心 電 圖 ECG 數(shù) 據(jù) 可 視 化

孫 燕, 田忠新, 李銀奎

(1. 青海民族大學(xué) a. 計(jì)算機(jī)學(xué)院; b. 數(shù)學(xué)學(xué)院, 西寧 810007; 2. 解放軍第四醫(yī)院, 西寧 810007)

長(zhǎng)時(shí)動(dòng)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(xué) a. 計(jì)算機(jī)學(xué)院; b. 數(shù)學(xué)學(xué)院, 西寧 810007; 2. 解放軍第四醫(yī)院, 西寧 810007)

動(dòng)態(tài)心電圖是便攜可穿戴醫(yī)療設(shè)備記錄的可以為心臟監(jiān)護(hù)提供高質(zhì)量信息的圖表。利用開(kāi)源工具，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)的ECG時(shí)鐘可視化分析處理，使用Python語(yǔ)言編程創(chuàng)建簡(jiǎn)單、明了的24 h Holter動(dòng)態(tài)心電數(shù)據(jù)的時(shí)鐘圖，細(xì)化實(shí)現(xiàn)了心率和QT波的可視化時(shí)鐘圖，反映了心率的變化或者ST段提升。經(jīng)驗(yàn)證，此方法可靠實(shí)用，為醫(yī)生和病人提供了一個(gè)觀測(cè)心臟功能的新視角。

心電圖; 心率變化; 長(zhǎng)時(shí)QT綜合癥; 開(kāi)源軟件; 可視化

0 引 言

動(dòng)態(tài)Holter[1]監(jiān)視儀是便攜式ECG記錄儀器。它對(duì)于心臟病人是非常重要的檢測(cè)病情的設(shè)備，因?yàn)樾呐K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(jiǎn)單一般普通的心電圖上。當(dāng)心臟病患者病人在被記錄一段時(shí)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(guò)手工測(cè)量的ECG數(shù)據(jù)來(lái)診斷病人心臟病況，工作量巨大。

一般來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)Holter監(jiān)視儀是從體表記錄心臟每一心動(dòng)周期所產(chǎn)生的電活動(dòng)變化圖形的技術(shù)，心臟的心機(jī)細(xì)胞充電放電的過(guò)程反映了心臟心房心室極化和除極及復(fù)極的過(guò)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(gè)立體的物體，如果全面反映心臟整體的電活動(dòng)，需要在體表安放12個(gè)電極，通過(guò)導(dǎo)聯(lián)線與心電圖機(jī)電流計(jì)的正負(fù)極相連，記錄心臟的電活動(dòng)，通過(guò)這12個(gè)電極反映心臟不同部位的電活動(dòng)并采集體表的導(dǎo)聯(lián)出的電信號(hào)，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(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性和復(fù)雜性，一般都是由專(zhuān)業(yè)內(nèi)科醫(yī)生解讀，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

美國(guó)抗粥樣硬化風(fēng)險(xiǎn)社區(qū)(Atherosclerosis Risk in Communities，ARIC)研究表明， 心電圖中的QT間期是臨床評(píng)估心室復(fù)極功能和心源性猝死(Sudden Ardiac Death， SCD)風(fēng)險(xiǎn)的重要預(yù)測(cè)指標(biāo)[2], QT間期延長(zhǎng)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(guān)。心肌細(xì)胞復(fù)極延長(zhǎng)多發(fā)生于無(wú)臨床癥狀的普通人群，不及時(shí)干預(yù)將導(dǎo)致心臟尖端扭轉(zhuǎn)性室性心動(dòng)過(guò)速(Torsade De Pointes，TDP)或心室纖顫[3]，危及生命，但在臨床治療中無(wú)癥狀，難以進(jìn)行早期預(yù)測(cè)和防治，其發(fā)病機(jī)制已成為近年來(lái)研究點(diǎn)[3]。本文將24 h的心電圖記錄按時(shí)鐘的形式可視呈現(xiàn)出來(lái)，讓醫(yī)生對(duì)于心臟的病理狀態(tài)快速準(zhǔn)確判斷；對(duì)普通人也是一目了然。

1 QT 時(shí)鐘

QT間期是指ECG信號(hào)從QRS波開(kāi)始到T波結(jié)束的這段時(shí)間，QTc是正確的QT間期心率，通常表示為：

(1)

(2)

式中：下標(biāo)B、F指Bazett[3]、Fridercia[4]更正的公式；RR指一個(gè)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(biāo)注圖

QT間期是典型10 s的ECG信號(hào)的反映，從24 h心電記錄去定義查看1 d中QT間期危險(xiǎn)時(shí)刻是困難的，因?yàn)閺囊粋€(gè)24 h Holter心電記錄大概包括12×104QTc數(shù)據(jù)點(diǎn)中讀取數(shù)據(jù)，加之必然的噪聲和注釋問(wèn)題會(huì)使大量的數(shù)據(jù)不能讀。消除噪聲通過(guò)中值濾波，繪制出長(zhǎng)時(shí)監(jiān)視器數(shù)據(jù)通常在笛卡爾坐標(biāo)系，時(shí)間坐標(biāo)軸是冗長(zhǎng)的，圖2所示表達(dá)了從午夜的一個(gè)24 h的時(shí)鐘，在每張這樣的心電圖上，人們從已有時(shí)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(méi)有數(shù)據(jù)的時(shí)鐘圖，主要呈現(xiàn)了將原來(lái)心電圖的水平軸變成了一個(gè)時(shí)鐘。

為了直觀顯示心率HR和間期QT特征，需要計(jì)算心率HR及間期QT的值，這需要從Holter記錄即無(wú)標(biāo)注的心跳周期一個(gè)周期一個(gè)周期標(biāo)注(即標(biāo)注每一跳的每一個(gè)導(dǎo)聯(lián)的心電記錄)，心電圖標(biāo)注工作從Q波開(kāi)始R和T，到合并所有導(dǎo)聯(lián)到單個(gè)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(jì)算得出結(jié)果。具體過(guò)程是：通過(guò)統(tǒng)計(jì)標(biāo)注過(guò)的心電記錄抽取相關(guān)的值，計(jì)算出HR和QTc值，使用開(kāi)源Python語(yǔ)言寫(xiě)出的軟件庫(kù)編程得到適合國(guó)內(nèi)使用的時(shí)鐘圖。

圖2 QT時(shí)鐘

圖3所示為將QTc和HR[8-11]從導(dǎo)聯(lián)合并的數(shù)據(jù)集被計(jì)算出來(lái)，同時(shí)噪聲和過(guò)線的數(shù)據(jù)被移除。圖中的數(shù)據(jù)來(lái)源在仿真部分介紹。圖3中QT時(shí)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(xiǎn)值的區(qū)域，由紅色區(qū)域顯示，它的生成來(lái)自修改過(guò)適合國(guó)內(nèi)醫(yī)生使用的MIT開(kāi)源軟件庫(kù)。

2 ECG 軟件時(shí)鐘庫(kù)

ECG時(shí)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(xiě)，是為24 h頭尾數(shù)據(jù)合并為圓圈的時(shí)鐘軸，生成ECG間隔值的輸入數(shù)據(jù)是.CSV文件，理想的標(biāo)注數(shù)據(jù)文件應(yīng)該是每一條記錄{時(shí)間，值}。ECG時(shí)鐘軟件的結(jié)構(gòu)是由一些Python類(lèi)組成：其中ECGClock[2]是主類(lèi)，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(zhǎng)是臨床惡性心律失常和心源性猝死的重要危險(xiǎn)因素之一,并且無(wú)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(guān)系人們生命的心臟指標(biāo)QT值，我們創(chuàng)建一個(gè)子類(lèi)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(lèi)得到HRClock。通過(guò)開(kāi)源軟件庫(kù)中的ECGFigure類(lèi)控制生成更多的*Clock子圖(*根據(jù)自己需要命名)。QT時(shí)鐘可以從圖2和圖3中看出。

3 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

仿真實(shí)驗(yàn)使用開(kāi)源工具python編程實(shí)現(xiàn)的ECG時(shí)鐘，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自LQTS數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集由The telemetric and Holter ECG warehouse initiative (THEW)完成。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(kù)可以將噪音濾去，并顯示心率，軟件庫(kù)使用ECGClock主類(lèi)生成心率圖。如圖4所示，它的右半部分中藍(lán)色的部分是正常人健康的心跳范圍，表達(dá)了健康人口的典型心臟心率范圍；藍(lán)色的細(xì)線是心率的基本線；玫紅線是早搏LQT3男性的心率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，可以實(shí)現(xiàn)QT間期變化時(shí)鐘圖。因?yàn)闊o(wú)癥狀QT間期延長(zhǎng)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(fù)責(zé)調(diào)控的心室肌肉細(xì)胞膜復(fù)極化離子通道的基因突變，常見(jiàn)3種：LQT1是位于第11對(duì)染色體P15.5的KVLQT1基因；LQT2是位于第7對(duì)染色體q35～36的HERG基因；LQT3是位于第3對(duì)染色體SCN5A基因，它們都是不適時(shí)的鈉離子通道的再次開(kāi)放和延遲整流鉀離子電流的下降導(dǎo)致了心肌細(xì)胞復(fù)極化過(guò)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(xiǎn)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(shí)現(xiàn)了如上所述的各種LQT情況可視。表明由式(1)計(jì)算的基本線和吃藥后QTcB間期對(duì)比圖。圖6表明由式(2)QTcF計(jì)算的LQT1和LQT2男性和女性心律失常的對(duì)比圖。

就實(shí)驗(yàn)仿真圖再說(shuō)明：圖4刻畫(huà)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(gè)事件發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)；圖5刻畫(huà)了QTcB基本QTcB間期和藥物治療后的QTcB間期，并標(biāo)注了下午4:16的QTcB間期，這種標(biāo)識(shí)讓我們對(duì)一些異常的點(diǎn)有更加深刻的印象；圖6刻畫(huà)了QTcF間期的LQT1和LQT2之男性和女性對(duì)比，分別用不同的顏色表示出來(lái)，讀圖簡(jiǎn)明直觀。同時(shí)通過(guò)對(duì)比2類(lèi)4個(gè)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(jié)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(biāo)注了4:16的QTcB間期

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

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)源軟件及數(shù)據(jù)構(gòu)建了適合國(guó)內(nèi)自己ECG數(shù)據(jù)可視化軟件庫(kù)。通過(guò)醫(yī)院驗(yàn)證，軟件可靠實(shí)用；軟件庫(kù)可視化效果符合人們已經(jīng)根深蒂固的時(shí)間邏輯，進(jìn)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(duì)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11661066)

孫 燕(1973-)，山東青島人，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；圖像語(yǔ)音信號(hào)處理。

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