李方潔

100102 北京,中國中醫(yī)科學(xué)院望京醫(yī)院心內(nèi)科

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心電散點圖的重要概念、名詞術(shù)語及其內(nèi)涵

李方潔

100102 北京,中國中醫(yī)科學(xué)院望京醫(yī)院心內(nèi)科

[摘要]隨著對心電散點圖(Lorenz plot)圖形發(fā)生機制認(rèn)識的加深,相關(guān)概念與術(shù)語迅速增多,因此有必要對其含義進(jìn)行闡述。本文選取了目前臨床較常見的概念作一梳理,包括：RR間期差值散點圖,時間RR間期散點圖,心電吸引子,海量數(shù)據(jù),“兩端、兩線、八區(qū)”,心律失常“診斷四要素”(子圖數(shù)目、圖形形態(tài)、圖形位置、B線斜率),早搏前點,早搏主點,早搏后點,阻滯前點,阻滯后點,同質(zhì)同源吸引子以及同質(zhì)不同源吸引子等。

[關(guān)鍵詞]吸引子；海量數(shù)據(jù)；標(biāo)識標(biāo)線；診斷四要素 “心電散點圖”RR間期；迭代；非線性；二維?！癛R間期差值散點圖” RR間期差值；迭代；非線性；二維?！皶r間RR間期散點圖” 實時RR間期；時間順序；RR間期散點分層。盡管三者都用散點表達(dá)RR間期的變化,但與時間RR間期散點圖不同,心電散點圖與RR間期差值散點圖用迭代方法作圖,屬于非線性混沌方法,是依靠提取系統(tǒng)中的非線性信息來區(qū)分心律與心律失常。目前,逆向技術(shù)在心電散點圖與時間RR間期散點圖之間搭建了一座可以相互回放的橋梁,使大樣本心電數(shù)據(jù)的分析變得更加直觀和方便。

近年來,心電散點圖作為動態(tài)心電圖分析的新技術(shù)日益受到關(guān)注,隨著人們對其圖形機理的認(rèn)識逐步加深,發(fā)現(xiàn)了越來越多的臨床新信息,心電散點圖的相關(guān)概念與術(shù)語迅速增多,容易造成混淆。鑒于此,有必要對心電散點圖的重要概念、名詞術(shù)語及其內(nèi)涵進(jìn)行闡述和梳理,以促進(jìn)學(xué)術(shù)交流,并有助于對圖形的深入理解和掌握運用。

1命名沿革與背景

心電散點圖是利用迭代方法描記的連續(xù)心電RR間期圖,因圖形由散點組成,又稱散點圖(scatter plot或scatter map)。連續(xù)RR間期所代表的心臟節(jié)律是人體時間序列動態(tài)變化的重要表現(xiàn)形式,因此心電散點圖已成為運用非線性混沌理論研究生命科學(xué)的代表性方法之一。

心電散點圖在國外一直沿用Lorenz plot或Poincaré plot的名稱。美國動力氣象學(xué)家E.N.Lorenz與法國數(shù)學(xué)家J.H.Poincaré分別被稱為“混沌學(xué)之父”與“混沌理論的奠基人”,以他們的姓氏命名心電散點圖寓意著其表達(dá)和研究的對象是非線性動力系統(tǒng)。散點制作的方法具有迭代計算的獨特性質(zhì)：設(shè)二維坐標(biāo)系中橫坐標(biāo)x=n(動力學(xué)系統(tǒng)中的任意點與點的間隔),縱坐標(biāo)y=n+1；在這種迭代計算下作出的散點圖能反映非線性系統(tǒng)的特殊演變規(guī)律。目前已公認(rèn),連續(xù)心電信號屬非線性動力系統(tǒng),迭代計算所作出的散點圖對心律和心律失常的區(qū)分度是傳統(tǒng)動態(tài)心電圖不可比擬的。

Lorenz plot是連續(xù)心電活動的空間軌跡截面圖,是用連續(xù)RR間期虛擬的視覺空間,稱“相空間”。相空間可虛擬成二維、三維……乃至N維,即“高維”。維度越高,心電散點圖所提供的信息就越多,對非線性系統(tǒng)本質(zhì)的揭示就越接近真實。本文中的Lorenz plot是二維空間截面圖。近年來出現(xiàn)了“RR間期差值散點圖”的概念,即通過對相鄰RR間期的差值迭代計算作圖。RR間期差值散點圖是心電動力學(xué)系統(tǒng)的另一個維度,已證實它能表征Lorenz plot以外的心電數(shù)據(jù)特征,如它對長時間心電圖記錄中的發(fā)作性心房顫動有較高的敏感性[1]、對聯(lián)律性心律失常的區(qū)分也有Lorenz plot不可替代的功能。除此之外,近年來關(guān)于“時間RR間期散點圖”[2]的臨床觀察證實,這一圖形對于動態(tài)心電圖數(shù)據(jù)中心律和心律失常的區(qū)分也有其獨特作用。時間RR間期散點圖是實時RR間期隨時間變化的散點趨勢圖,通過計算機技術(shù)的處理,與Lorenz plot系統(tǒng)之間實現(xiàn)了互相回放對照功能,稱為“逆向技術(shù)”。它被設(shè)計成能夠自如“收縮和拉伸”：不但可以“收縮”,以便觀察操作者宏觀掌握RR間期總體變化模式及其時間規(guī)律；而且可以“拉伸”,以便關(guān)注其某個具體的心搏模式。時間RR間期散點圖在挖掘心律失常的時間特征或關(guān)注某時段心律狀況時具有獨特優(yōu)勢。上述這些散點圖名稱不僅具有特定含義,也反映出它們各自不同的功能特點。今后隨著對現(xiàn)有圖形的深入解讀、其信息被挖掘殆盡時,勢必會拓展制作和認(rèn)識更高維度的圖形,圖形的命名將變得不容忽視。

用Lorenz plot描記RR間期散點圖的方法在20世紀(jì)90年代傳入我國以后,隨著對其理論內(nèi)涵的逐步深入理解以及為了追求使用與交流的方便,Lorenz plot方法描記的RR間期二維散點圖先后被稱為“Lorenz圖”“RR間期Lorenz圖”“RR-Loren散點圖”“RR間期散點圖”等,均指用迭代方法計算制作的二維RR間期散點圖,現(xiàn)一般稱之為“心電散點圖”。

2非線性方法與海量數(shù)據(jù)

非線性方法的特點是在相互關(guān)聯(lián)的大樣本或超大樣本海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱含于其中的規(guī)律,從而提取出傳統(tǒng)方法無法提取的有用信息。“海量數(shù)據(jù)”是指能夠提取到有用信息所需的數(shù)據(jù)量。用連續(xù)心電信號描記的心電散點圖是根據(jù)圖形特征對圖進(jìn)行定性,只有足夠數(shù)量的散點參與作圖,才能穩(wěn)定地表現(xiàn)圖形特征。這個圖形特征就是所要提取的非線性規(guī)律。由于數(shù)據(jù)條件不同,所需要的數(shù)據(jù)量的絕對值也不同。普通心電圖所提供的RR間期數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到“海量”,而24 h動態(tài)心電圖的數(shù)據(jù)量能達(dá)到要求,符合散點圖分析的適用范圍[3]。

在動態(tài)心電圖中,當(dāng)同一起源的心搏達(dá)到一定的量,描記的散點圖圖形清楚而穩(wěn)定,圖形特征不再因數(shù)據(jù)量的增加而改變時,就滿足了海量數(shù)據(jù)的要求。對于同一起源的心搏,心率越快,散點越密集,圖形就越清晰,海量數(shù)據(jù)所需的心搏數(shù)相對較少；而心率越慢,散點越稀疏,圖形就越模糊,所需的心搏數(shù)據(jù)量就越大。

3吸引子與心搏起源

“吸引子”這一數(shù)學(xué)概念,是用于表征系統(tǒng)特征的相空間結(jié)構(gòu),在實際應(yīng)用中以其截面的幾何圖形表示。吸引子是刻畫系統(tǒng)整體特性的概念,是系統(tǒng)演化過程的終極狀態(tài),具有終極、穩(wěn)定和吸引的特性,因此吸引子具有不可分割性,不同系統(tǒng)的吸引子不能相互融合成一個吸引子。在吸引子中,越靠近吸引源的內(nèi)部,吸引力越強；越遠(yuǎn)離吸引源的外緣,吸引力越弱,其吸引域的邊緣光滑。周期系統(tǒng)運行節(jié)律的吸引子,其相空間維數(shù)為整數(shù),稱為“平庸吸引子”(periodic vibration)；而非線性系統(tǒng)運行節(jié)律的吸引子具有分?jǐn)?shù)維,稱為“奇異吸引子”(strange attractor),是反映混沌系統(tǒng)運動特征的產(chǎn)物,表征混沌系統(tǒng)中無序穩(wěn)態(tài)的運動形態(tài)[4]。

連續(xù)RR間期序列的心電散點圖是“混沌吸引子”(奇異吸引子),表現(xiàn)出混沌的很多特征[5]。心電散點圖有單一分布圖形,也有多分布圖形,即在一份散點圖中有多個子圖分布,每個子圖都是一個獨立吸引子的幾何圖形(圖1)。臨床已證實,多分布圖形的動力是心律起源的變化。如果記錄全程心律起源不變,則只會形成一個分布在45°等速線上的吸引子圖形[6]。這是“同源性心律”的圖形表征。心律起源一旦發(fā)生變化,即產(chǎn)生新的吸引子,形成多分布圖形。吸引子的數(shù)目與RR間期的變化幅度無關(guān),而與心律起源的變化有關(guān)。顯著性竇不齊時,RR間期變化可以很大,使散點離散度增大,吸引子幾何圖形的面積因此增大,表現(xiàn)為“吸引力”降低,但不能“分裂”出另外的吸引子圖形。一些房性早搏的聯(lián)律間期可能與竇律RR間期非常接近,在心電圖上難以區(qū)分,但由于心律起源不同,必然形成不同的吸引子圖形,這些圖形可以相互遠(yuǎn)離或部分重疊,吸引子之間的距離取決于RR間期變化的程度與趨勢。分布在45°等速線的吸引子具有“同源同質(zhì)性”,即組成散點的心搏同源、組成吸引子的散點同質(zhì)。

圖1　不同起源心搏的吸引子

心電散點圖是用連續(xù)RR間期序列作成的,每個散點都由前后相鄰的兩個RR間期形成。如兩個RR間期為同一起源的心搏,為“同源心搏散點”,則這些散點隸屬同一系統(tǒng),聚集成同一個吸引子圖形。連續(xù)的竇性心律圖形是最常見的“同源同質(zhì)”吸引子,竇性心率的變異性,即RR間期序列的變化趨勢有共性,散點圖上心率變異性正常的竇性RR間期序列圖形呈“棒球拍形”。房速、室速或逸搏心律形成的圖形也屬“同源同質(zhì)”吸引子,盡管目前對這些異位心搏RR間期序列的變化趨勢研究尚少,但由其本身的規(guī)律已見端倪。與連續(xù)發(fā)生的異位心搏不同,單次發(fā)生的異位心搏散點屬于“不同源心搏散點”,其形成的圖形屬“同質(zhì)不同源”吸引子,即組成吸引子的各散點成分相同,但組成散點的心搏成分不同。

當(dāng)心律起源發(fā)生變化時,必然會出現(xiàn)“不同源散點”,如竇性RR間期與異位心搏聯(lián)律間期形成的散點、聯(lián)律間期與代償間期、代償間期與竇性RR間期,都屬于不同源散點,每種組合都能形成獨特的吸引子,均屬于“同質(zhì)不同源”吸引子,它們之間不會相互融合。“同質(zhì)不同源”吸引子不在45°等速線上,而是分布在加速區(qū)或減速區(qū)的不同位置(將在“5 子圖的命名及其涵義”中述及)。

心電散點圖中的吸引子圖形對區(qū)分心搏起源有重要意義。臨床已證實不同心律失常形成的吸引子的數(shù)目、分布位置及形態(tài)均有所不同,以此作為判斷心搏起源的重要指標(biāo)。

4標(biāo)識標(biāo)線及其意義

在散點圖形中設(shè)置必要的標(biāo)識標(biāo)線,有助于初學(xué)者理解圖形意義,也有助于分析者快速判斷圖形所反映的心律失常的性質(zhì)?！皟啥?、兩線、八區(qū)”(圖2)可概括其內(nèi)容。

圖2　心電散點圖的標(biāo)識標(biāo)線

“兩端”：① 近端——靠近坐標(biāo)原點的方向；② 遠(yuǎn)端——遠(yuǎn)離坐標(biāo)原點的方向。越是靠近近端的散點,心率越快；越是靠近遠(yuǎn)端的散點,心率越慢。心動過速時圖形趨向近端,心動過緩時圖形趨向遠(yuǎn)端。

“兩線”：① 45°線(等速線)——與x軸和y軸各成45°夾角,分布在等速線上的散點為“等速散點”,組成該點的兩RR間期等長,反映這一時刻無心率加速或減速發(fā)生。② 心率線——垂直于等速線的背景虛線,是快速對散點所反映的心率進(jìn)行大致判斷的線性標(biāo)志。

“八區(qū)”：① 基本加速區(qū)——有限度地偏離等速線x軸一側(cè)的區(qū)域。② 基本減速區(qū)——有限度地偏離等速線y軸一側(cè)的區(qū)域?；炯铀賲^(qū)與基本減速區(qū)的散點與等速線上的散點屬于同一個吸引子,被吸引在有限的范圍內(nèi)。③ 加速區(qū)——位于等速線與x軸之間的三角區(qū),該區(qū)的散點被稱為“加速散點”(前RR間期>后RR間期),為加速吸引子圖形。④ 快加速區(qū)——位于加速區(qū)的近端,為“早搏前點”(將在“5 子圖的命名及其涵義”中述及)的吸引子圖形。⑤ 慢加速區(qū)——位于加速區(qū)的遠(yuǎn)端,為“阻滯后點”(B圖)或“早搏后點”(D圖)的吸引子圖形。⑥ 減速區(qū)——位于等速線與y軸之間的三角區(qū),該區(qū)的散點為“減速散點”(前RR間期<后RR間期),為減速吸引子圖形。⑦ 快減速區(qū)——位于減速區(qū)的近端,為“早搏主點”的吸引子圖形(C圖)。⑧ 慢減速區(qū)——位于減速區(qū)的遠(yuǎn)端,為“阻滯前點”的吸引子圖形(C圖)。

5子圖的命名及其涵義

在多分布的心電散點圖(圖3)中,每個“子圖”都是一個獨立的吸引子。最初對子圖的命名是根據(jù)其散點在一次異位早搏周期中出現(xiàn)的先后,按A、B、C、D……的順序命名的(圖3)。每一個子圖都分布在特定的位置范圍內(nèi),其中A圖位于45°線上,由“同源同質(zhì)”的RR間期組成；B圖位于快加速區(qū)、C圖位于快減速區(qū)、D圖位于慢加速區(qū),都是偏離45°線、由“同質(zhì)不同源”的散點組成的吸引子。通過解讀早搏性心律失常的散點圖,證實多數(shù)室上性早搏圖形由A、B、C三個子圖組成,稱為“三分布”圖形；而大多數(shù)室性早搏的圖形是由A、B、C、D四個子圖組成,稱為“四分布”圖形,因此二者分別被認(rèn)為是室上性早搏和室性早搏的代表性圖形[7]。

圖3　子圖的命名與B線

如圖3所示,A圖是早搏聯(lián)律間期前的兩相鄰竇律RR間期(N—N—N)；B圖是早搏前的竇律RR間期與早搏聯(lián)律間期(N—N-V/S),即“早搏前點”,意為形成B圖的兩相鄰RR間期是以異位R波之前的竇律R波為中心,分別位于其前和其后；C圖是早搏聯(lián)律間期與代償間期(N-V/S—N),即“早搏主點”,意為形成C圖的兩相鄰RR間期是以異位R波為中心,分別位于其前和其后；同理,D圖被稱為“早搏后點”(V—N—N)[8]。隨著臨床觀察范圍的擴(kuò)大,人們發(fā)現(xiàn)三分布圖形中B圖的意義不盡相同,與早搏三分布圖形相比,這些圖形中的B圖與C圖不是分別分布在近端的快加速區(qū)與快減速區(qū),而是都分布在圖形遠(yuǎn)端的慢加速區(qū)與慢減速區(qū),曾稱為“特殊三分布”(圖4)。這種“特殊三分布”圖形源于一次傳導(dǎo)阻滯的RR間期變化周期。早搏圖形的B圖反映在大致勻齊的RR序列(A圖)中突然出現(xiàn)短縮的RR間期,代表“早搏前點”(N—N-V/S)；而傳導(dǎo)阻滯圖形中的B圖反映一次延長的RR間期回到大致勻齊的RR序列(A圖)中,代表“阻滯后點”(N——N—N)。與此對應(yīng),早搏圖形中的C圖代表“早搏主點”(N-V/S—N),而阻滯圖形中的C圖相當(dāng)于“阻滯前點”(N—N——N)。因此,知曉和正確理解現(xiàn)階段圖形的命名及其涵義有助于加深對多分布圖形發(fā)生機制的理解,提高心律失常圖形的分析能力。

6診斷四要素、B線斜率及意義

心律失常診斷的“診斷四要素”是通過長期臨床觀察總結(jié)出來的四項重要指標(biāo)[9],包括子圖數(shù)目、圖形形態(tài)、圖形位置、線形圖形的斜率。關(guān)于線形圖形的斜率,目前研究最多的是B線(圖3)。

在圖3的多分布心電散點圖中,A圖的長軸稱為A線、B圖的長軸稱為B線、C圖的長軸稱為C線……斜率是指圖形長軸與x軸的夾角(y/x)。A圖位于等速線上,A線斜率=1；B圖(此處指早搏前點的B圖,不包括特殊三分布圖形的B圖)位于等速線與x軸之間的加速區(qū)中,B線的斜率為0～1。臨床觀察表明：B線斜率與心搏起源呈高度相關(guān),室性早搏的B線斜率趨向于0,室上性早搏的B線斜率遠(yuǎn)離0,但<1。

圖4　三分布心電散點圖的不同類型

經(jīng)與動態(tài)心電圖診斷結(jié)果對照,顯示98%(199/203)的室上性早搏B線斜率在0.132～0.803；84%(164/195)的室性早搏B線斜率<0.132；100%(27/27)的差異性傳導(dǎo)B線斜率在0.165～0.407。該研究是通過預(yù)探索設(shè)定了B線斜率標(biāo)準(zhǔn),室上性早搏與室性早搏圖形的B線斜率相比有顯著不同。在諸多可能的原因中,動態(tài)心電圖本身對寬QRS波診斷的特異性應(yīng)考慮在內(nèi)。因此,不能單獨根據(jù)B線斜率診斷心搏起源,而需要結(jié)合“診斷四要素”綜合分析,并借助逆向技術(shù)回放形成散點的實時心電圖,以及根據(jù)作圖原理進(jìn)行邏輯分析最終做出判斷。

近年來,有研究者利用幾何畫板模擬心律失常散點圖[10]并對其數(shù)學(xué)特征進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)心電散點圖中蘊含了更多新的信息,其中對B線的新一輪剖析與認(rèn)識指出,B線的近端和遠(yuǎn)端散點分別是單發(fā)室早的“早搏前點”和“二聯(lián)律點”,而B線垂直于x軸是并行心律的特征。這些模擬結(jié)果可以得到傳統(tǒng)動態(tài)心電圖診斷以及根據(jù)散點圖作圖原理進(jìn)行邏輯分析結(jié)果的支持。

7結(jié)語

心電散點圖命名的演變表明,這是一個正處于不斷發(fā)展中的新生領(lǐng)域,充滿勃勃生機與活力,未來擁有廣闊的發(fā)展空間。對名詞術(shù)語的修正與發(fā)展演變,也折射出對這項新技術(shù)所帶來的新信息的認(rèn)識由淺入深、由外延到內(nèi)涵不斷深化的過程。

本文對以往未加系統(tǒng)闡述的一些新概念及其內(nèi)涵進(jìn)行了表述,如非線性方法與海量數(shù)據(jù)、吸引子、標(biāo)識標(biāo)線、B線及其斜率的定義和意義、對B線的最新認(rèn)識等。掌握這些概念將有助于臨床醫(yī)生正確閱讀和理解心電散點圖。

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心電散點圖

專題主持/劉鳴

The important concepts, terms and their connotations of Lorenz plotLiFang-jie(Department of Cardiology, Wangjing Hospital Affiliated to China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China)

[Abstract]With deepening understanding of the graphic mechanism of Lorenz plot, the related concepts and terminologies have been increasing rapidly and their connotations require to be expounded. This paper focuses on explaining several common clinical concepts at present, including RR interval difference Lorenz plot, t-RR scatterplot, electrocardio-attractor, big data, “two ends, two lines, and eight regions”, “four diagnostic essentials” for arrhythmia (number of subgraphs, graphic shapes, locations of graphs, and B linear slope), preceding point of premature beat, main point of premature beat, following point of premature beat, preceding block point, following block point, homogeneous attractors with the same origin, homogeneous attractors with different origins, etc.

[Key words]attractor; big data; marks and graticules; four diagnostic essentials

收稿日期：(2015-04-06)(本文編輯：顧艷)

DOI：10.13308/j.issn.2095-9354.2015.03.001

[中圖分類號]R540.4

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]2095-9354(2015)03-0153-05

作者簡介：李方潔,主任醫(yī)師,主要從事心內(nèi)科與心電學(xué)診斷的研究,E-mail：lifangjie5166@163.com

基金項目：北京市自然科學(xué)基金資助項目(7112148)