魏 瓏,魏佑震,趙 捷,李合菊

(1.萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 萊蕪 271100；2.上海東方醫(yī)院，上海 200120；3.山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250014)

T波電交替(T-wave alternans，TWA)是心電信號中的一種變異現(xiàn)象，表現(xiàn)為規(guī)整的心律中T波形態(tài)、振幅和極性以ABAB…的形式逐拍交替變化，如圖1所示。T波交替是目前預(yù)測心臟性猝死和室性心律失常的一個無創(chuàng)的臨床指標(biāo)[1-3]。

當(dāng)前，具有病理意義的微伏級TWA檢測方法已經(jīng)有了一定的發(fā)展，如譜分析法[4-5]、相關(guān)分析法[6-8]、散點圖法[9]、漸量平均修正技術(shù)等[10-11]，其中譜分析是目前發(fā)展最為成熟的TWA檢測技術(shù)。它具有較高的敏感性和可靠性，在臨床研究中已被廣泛采用，并在CH2000、Heartwave等醫(yī)療器械中發(fā)揮作用。

圖1 TWA現(xiàn)象Fig.1 The phenomenon of TWA

1 譜分析算法與仿真

1.1 數(shù)據(jù)處理及T波矩陣對齊

表1 T波起點選取規(guī)則Table 1 Selection rule of the T-wave onset

1.2 譜分析算法

為了在頻域中反映出T波段幅度是否存在周期性變化，需要通過譜變換將上述所得的對齊T波矩陣(128×N)的幅度變化轉(zhuǎn)變成功率譜，疊加平均后得到對齊T波矩陣的功率譜曲線圖。若這128個點幅度高低周期變化，則其時域表達(dá)式為：

(1)

其中偶數(shù)序列的幅度為A，奇數(shù)序列的幅度為(A+δn)，增加的δn為序列之間的變化幅度。若對上述128個點組成的序列x(1)-x(128)作傅立葉變換FT可得：

(2)

WN=exp(-j2π/N)

(3)

(4)

經(jīng)過傅里葉變換(2)-(4)式可見，K=64處有一δ的累積值，對應(yīng)于功率譜圖上的0.5 cycle/beat(cpb)頻率處有一明顯的譜線，此譜線可作為TWA的標(biāo)識線。由于心電信號中的噪聲在功率譜中占很寬的頻帶，且在數(shù)據(jù)處理中不可能完全濾除，因此在心電信號功率譜曲線圖中較難分辨信號與噪聲。為了能夠確定心電信號中是否存在TWA現(xiàn)象，須引入T波交替率TWAR作為判據(jù)，即可以通過比較0.5 cpb處與噪聲的譜大小判定是否存在TWA，其公式為

(5)

其中定義背景噪聲落在0.44-0.49 cpb處，其平均值為SNB，方差為σNB，0.5 cpb處的能量為S0.5。TWA的交替幅度可以用平均交替幅度表示為

(6)

其中N為每心拍內(nèi)的采樣點數(shù)。(5)式中頻域方法判斷TWA陽性的交替比率TWAR參考標(biāo)準(zhǔn)為3，(6)式中幅度ASM判斷參考標(biāo)準(zhǔn)為1.9 μV。

1.3 算法驗證

實驗數(shù)據(jù)來自MIT-BIH心律失常數(shù)據(jù)、惡性室性心律失常數(shù)據(jù)及European ST-T心電數(shù)據(jù)。圖2給出了European ST-T心電數(shù)據(jù)e0105#起始時間為0:05:20的128拍心電的TWA功率譜圖。在圖中0.5 cycle/beat頻率處有一明顯的峰值線，作為T波交替顯著標(biāo)識線；作者同時仿真了該信號樣本的T波段幅度均值，如圖3所示，其中中間的實線圖代表全序列x(1)-x(128)T波段幅度均值，上面的虛線圖代表偶數(shù)拍序列x(2)，x(4)，…x(128)T波幅度均值，下面的點化線圖代表奇數(shù)拍序列x(1)，x(3)，…x(127)T波幅度均值。從圖中直觀證實了128個心拍中奇偶序列存在幅度差值，此樣本信號可能出現(xiàn)T波交替現(xiàn)象。

圖2 TWA功率譜Fig.2 The power spectrum of TWA

表2為TWA檢測結(jié)果，其中ASM為譜分析法交替幅度，單位為μV，可見部分樣本數(shù)據(jù)TWA幅度均大于陽性參考標(biāo)準(zhǔn)1.9 μV，因此認(rèn)定出現(xiàn)T波交替現(xiàn)象。由于T波交替僅在惡性心律失常的數(shù)據(jù)中才可能發(fā)現(xiàn)，因此為進(jìn)一步完善TWA檢測技術(shù)的發(fā)展，在臨床上采集大樣本的心律失常病人的心電數(shù)據(jù)并做長期的跟蹤很有必要。

圖3 TWA幅度均值Fig.3 The mean amplitude of TWA

記錄號數(shù)據(jù)來源起始時刻心拍數(shù)ASM/μVe0305ST-T0:05:0025658.70e0103ST-T0:20:3712822.75e0103ST-T0:40:08128335.42100MIT-BIH0:15:001280e0111ST-T0:37:4012842.50103MIT-BIH0:03:0025624.68e0105ST-T0:05:20128108.56e0105ST-T1:40:10128116.74611MIT-BIH0:04:2225635.66116MIT-BIH0:18:151280

2 TWA譜分析法檢測中對齊方式的

研究討論

2.1 兩種對齊方式比較

數(shù)字信號技術(shù)所識別的電交替為微伏量級信號，因此計算變量的選擇將影響交替信號的提取，其中對齊方式的不同將影響譜分析TWA檢測結(jié)果。好的對齊方式能夠降低噪聲，增大交替峰值。

本文比較了兩種對齊方式，一種是基于峰值對齊[13]，即各心拍峰值點對齊，左右加等長度窗，但心電波形的多樣化導(dǎo)致其特征點檢測較難準(zhǔn)確一致，從而使對齊效果變差，影響檢測結(jié)果；另一種是點乘最大對齊，即在前文算法驗證中所用。這種對齊方式是指心拍在一定的窗口M內(nèi)移動，取與模板心拍點乘最大的心拍序列為被測序列，從而使T波能夠最大程度地對齊。點乘對齊能夠減少心拍間內(nèi)差，以達(dá)到TWA檢測的最大交替峰值和最低噪聲[11]。

2.2 對齊方式仿真驗證

我們對這兩種對齊方式進(jìn)行仿真比較。在峰值對齊中，首先檢測峰值點，左右各加窗150 ms，然后對形成的T波矩陣進(jìn)行譜分析檢測；在點乘對齊中，首先從起點選取300 ms的T波段窗口，疊加128個心搏T波段，平均得到T波模板；然后在T波窗寬內(nèi)轉(zhuǎn)換為一系列心搏，方法為將每一心搏以速度為1 ms、寬度為起點前30 ms到起點后30 ms的窗口移動；最后將該系列心搏與得到的T波模板求點乘，選取點乘最大的序列作為研究的交替數(shù)據(jù)段。當(dāng)窗口M與移動速度同為1時，兩種對齊方式等效。本文采用譜分析法對上述兩種對齊方式進(jìn)行仿真討論，實驗數(shù)據(jù)來自European ST-T數(shù)據(jù)庫中的e0103號、e0105號、e0111號數(shù)據(jù)及MIT-BIH心律失常數(shù)據(jù)庫中的103號數(shù)據(jù)。檢測結(jié)果見表3。

表3 基于不同對齊方式的TWA檢測結(jié)果Table 3 TWA amplitude results based on different alignment strategy

從表3中可以觀察到點乘對齊方式所檢測的TWA幅值略大于峰值對齊的結(jié)果。在譜分析法檢測中已假定T波交替分布在整個T波段范圍上，而事實上真正的交替只是出現(xiàn)在其中的一小段上[14]，因此利用譜分析法所檢測到的TWA幅度較于真實幅度都有所降低。綜上所述，點乘對齊所測的略大的交替幅度更接近于真實幅度，這恰好驗證了在TWA譜分析檢測中點乘對齊方式更為準(zhǔn)確。

3 結(jié) 語

譜分析法檢測電交替信號是目前發(fā)展最成熟的TWA檢測技術(shù)，它通過檢測拍頻域中0.5 cycle/beat頻率處的功率譜值來檢測T波交替。在檢測過程中T波對齊方式的不同將影響檢測結(jié)果。本文介紹了利用頻域譜分析檢測T波交替的方法，并進(jìn)行仿真驗證，著重討論了兩種T波對齊方式對TWA譜分析檢測的影響并得出結(jié)論。T波交替變異現(xiàn)象詳細(xì)的發(fā)生機(jī)制和完善的檢測技術(shù)仍有待于今后進(jìn)一步研究。

[1] FURLANELLO F, GALANTI G, MANETTI P. Microvolt T-wave alternans as predictor of electrophysiological testing results in professional competitive athletes [J]. Ann Noninvasive Electrocardiol, 2004, 9(3): 201-206.

[2] VERRIER R L, IKEDA T. Ambulatory ECG-based T-wave alternans monitoring for risk assessment and guiding medical therapy: Mechanisms and clinical applications[J]. Progress in Cardiovascular Diseases, 2013, 56(2):172-183.

[3] 王歆月. 微伏級T波電交替及其對心源性猝死的預(yù)測價值的臨床應(yīng)用[J]. 醫(yī)學(xué)理論與實踐，2013,26(23)：3107-3109.

[4] 王娟，黃忠朝，劉正春. 基于增強的譜分析和奇異值分解的T波交替檢測[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2012，46(1):177-181.

[5] ARMOUNDAS A A, MELA T, MERCHANT F M. On the estimation of T-wave alternans using the spectral fast fourier transform method[J]. Heart Rhythm, 2012, 9(3): 449-456.

[6] BURATTINI L, BINI S, BURATTINI R. Correlation method versus enhanced modified moving average method for automatic detection of T-wave alternans[J].Computer Methods and Programs in Biomedicine, 2010, 98(1): 94-102.

[7] 魏瓏，趙 捷，徐舫舟，等. 基于相關(guān)分析方法的非穩(wěn)態(tài)心電 T波交替檢測研究[J]. 現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程進(jìn)展，2009,9(16)：3131-3134.

[8] 嚴(yán)抗輝，萬向奎，李明貴，等. 非穩(wěn)態(tài)T波交替檢測：一種改進(jìn)的相關(guān)分析方法研究[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2013,30(4)：860-865.

[9] STRUMILLO P,RUTA J.Poincaré mapping for detecting abnormal dynamics of cardiac repolarization[J]. IEEE Eng Med Biol Mag, 2002, 21 (1): 62-65.

[10] 張石，佘黎煌，徐中強. 心電T波電交替檢測算法綜述[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2010，29(3):446-453.

[11] CUESTA F,MICT P, ABOY M. Enhanced modified moving average analysis of T- wave alternans using a curve matching method : a simulation study[J]. Medical & Biological Engineering & Computing, 2009 ,47 (3) : 323 - 331.

[12] MARTíNEZ J P, OLMOS S. Methodological principles of T wave alternans analysis:a unified framework [J]. IEEE Transactions on Bio-medical Engineering,2005,52(4) :599-613.

[13] 趙捷, 華玫． 基于T波最大值的T波電交替分析法[J]．生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2005，22(5):951-955.

[14] NARAYAN S M, BOTTERON G W, SMITH J M. T-wave alternans spectral magnitude is sensitive to ECG beat alignment strategy[J]. IEEE Trans on Computer in Cardiology, 1997, 24(3): 593-596.