述评——重视心电散点图的临床应用
2015-12-04 23:04
心电散点图（简称：散点图）是近年来日益受到关注用于长时程心电数据分析的新方法，是数学思想、计算机技术与心电学相结合的产物，散点图以传统心电学中前所未有的整体观视角，采用非线性混沌的方法学，对RR间期序列进行诠释。 近年来大量临床积累表明，散点图提供了很多未知的新信息，不仅能够自成体系地对长时程心电数据进行宏观定性分析，还能简化动态心电图的分析过程，强化动态心电图的诊断与鉴别诊断功能。因此临床医生应了解散点图的理论基础，认识常见的图形、知晓图形意义。动态心电图工作者应学习非线性混沌理论，系统掌握散点图的技术方法，达到“四会”：会作图、会看图、会分析、会应用散点图解决疑难动态心电图的诊断与鉴别诊断问题。并以上述工作为基础，开展应用软件的智能化研究和解析散点图中出现的未知新信息，包括将散点图形与临床疾病相联系，进行相关研究，也是实际应用的重要方面。
图2. 不同窦性心律的心电散点图
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一 心电散点图
散点图也称Lorenz图（Lorenz plot），或Poincare图(Pincare plot)。分别以“混沌理论之父”、美国麻省理工学院教授、动力气象学家E.N.Lorenz(1917-2008)和混沌理论的奠基者、法国数学物理学家J.H.Poincare(1854—1912)的姓氏命名。心电散点图是连续心电活动的空间轨迹截面图。因图形由散点组成，又称散点图（Scatter plot、Scatter map）。连续RR间期所代表的心脏节律是人体时间序列动态变化的重要表现形式,因此心电散点图已成为用非线性混沌理论研究生命科学的代表性方法学之一。
长期以来，散点图曾被误认为只是心率变异性（HRV）分析的一个辅助方法，而忽略了它所提供的令人惊异和兴奋不已的前所未见的心电生理信息。散点图是“混沌吸引子”（能表现混沌系统特征的几何图形），表现出混沌的很多特征，由此揭示：同一性质的心律属于同一系统，聚集成同一个“吸引子”，有相似的RR间期关系，具有共性图形；不同性质的心律属于不同系统，有不同的RR间期关系，分别聚集成不同的“吸引子”，具有图形差异。根据图形特征，可以推算出其RR间期序列特点，进而分析出其所代表的心律性质。散点图的这一功能，在某种意义上打破了动态心电图诊断必须依赖心电波形的束缚，意味着仅仅根据心脏的节律，也有可能对心律的性质做出判断。这对于长时程大样本数据的分析有举足轻重的意义。
散点图的功能特点是在相互关联的海量（大样本或超大样本）数据中发现隐含于其中的规律，提取出传统方法无法提取的有用信息。其中的关键词是“相互关联”和“海量数据”。连续记录的动态心电图属于相互关联的数据，而“海量数据”是一个相对的概念，是指能够提取到有用信息所需的数据量。散点图根据图的形态对图形进行定性，所以需要足够数量的散点参与作图，才能稳定地表现图形特征。这个图形特征就是要提取的规律与信息。由于数据条件不同，所需要的数据量的绝对值不同。广义上讲，普通心电图所提供的RR间期数据量远远达不到“海量”，而24h动态心电图的数据量已达到“海量”要求，属于散点图分析的适用范围(图1)。
图1 海量数据图示
A是24h RR间期海量数据制作的散点图，其图形特点清晰，呈“棒球拍形”；B、C、D分别是同一份数据中截取的5、20和40min RR间期的散点图，图形特点不完整，说明不够海量数据；E是同一份数据中截取的60min的散点图，图形轮廓清晰，与A图特点一致，说明达到海量数据
二 心电散点图与动态心电图
动态心电图是一个海量信息数据库，有理想的信息储存和回放功能，使其明显有别于普通心电图。但动态心电图的分析功能仍延用了普通心电图的分析理念与模式，只是用计算机代替了人工。动态心电图主要分析模式是：波形分类和对相邻RR间期变化的计算功能，前者用于室性波形与室上性波形的区分，后者用于正常节律与早搏、逸搏节律的区分。动态心电图善于识别高尖和宽大的波形，将其与窄小的室上性波形区分开。但由于灵敏度高，选择性受到影响，记录中的噪音常被归为“室性波形”。动态心电图对室上性心律失常的识别是依靠对相邻RR间期变化比例的计算，但对RR间期纷繁复杂的室上性心律失常，其自动识别受到局限。
同样针对海量数据，散点图与动态心电图在分析理念与分析模式上有根本性不同，散点图以大数据量为基础和优势，是借助于计算机，快速地将长时程RR间期信息集中在一枚图形上的可视性、非数字化、非线性的数据高密度表达方式，是真实RR间期分布全图，无论数据量有多大，都能在一张图上看到全部RR间期的分布。散点图表达心律的唯一方式就是RR间期序列变化关系，在一定条件下，数据量越大，图形越清晰，识别越容易。大量对照研究结果显示，临床窦性心律和常见心律失常都有特异性散点图图形（图2-3），揭示在长时间RR间期系列中，每种心律都具有特征性的内在相互关联性节律，这是散点图带来的几乎令人难以置信的新的电生理信息。其实许多心电生理特性都反映在RR间期的变化上，如果不是解读RR间期序列，而是孤立地分析每个心电波形或少数RR间期，就无法获得这些信息。这是散点图与动态心电图在获取信息和表达心电特征方面的根本区别。
三 临床应用及注意
虽然散点图所提供的心电信息不止于HRV和心律失常，但研究仍然是从这两个已知领域最先展开。自上世纪80年代中期以来，随着非线性动力学的迅速发展，不少学者开始对HRV的非线性分析进行了研究，散点图是其中主要方法。散点图对HRV的表达与时域、频域指标有对应的相关性，又由于图形个体化程度高，因此较时域、频域分析更为敏感。散点图是RR间期的“真图”，由伪RR间期产生的无序分布的散点，在图上清晰可辨，因此较之时域、频域方法，散点图的分析结果抗干扰能力更强。散点图是一种直观化、图像化的语言，应采用图像法的方法解读HRV信息。
临床观察发现，不同个体的窦性心律散点图都具有唯一性，单用目前常用的图形面积、长度和宽度指标难以完全涵盖图形特点，因此又将图形描述归类为：棒球拍状、类棒球拍状、扩张形、棒状、梭形、……等（图2）。这些图形分布特征在表达HRV的时域、频域中找不到对应的指标，但通过不同图形分布可以追寻其心率变化规律，进而找寻引起变化的可能生理病理因素。这是值得在今后研究中重点关注的信息。
图2. 不同窦性心律的心电散点图
各图均为正常窦性心律24h心电数据的散点图，但图的形态、面积、位置不同，反映HRV的不同类型
在对心律失常的研究中，上世纪80年代国外研究者首次制作了包括异位心律在内的散点图，至今国内外大量观察结果表明，在二维散点图（目前使用的多为二维散点图）上，常见心律失常都有各自的图形特征。图形表现、RR间期序列关系、心律起源这三者之间总是有密切联系和对应关系。图形形态、子图的数目、分布位置、B线斜率相互参照分析，是认识心律失常的关键。目前得到较高公认和关注的有窦性心律、室上性心律、室性心律、房颤、房扑、宽QRS波的起源、窦房和房室的传导滞等（图3）。
有学者将其临床应用归纳为：评价心率波动范围、评价自主神经调节、诊断心律失常和评估疾病预后 。
图3 临床常见心律失常的散点图
各图均为24h心电数据的散点图，A是正常窦性心律；B是房性早搏；C是室性早搏；D是房早伴差传；E是持性心房颤动；F是传导比例不断变化的心房扑动；G是房颤伴联律间期固定的室性早搏；H是房颤伴房扑；I图是二度窦房阻滞
学习应用散点图应注意以下几点：明确散点图是一种节律分析方法，该方法可用于体表心电RR间期节律的分析，也可用于腔内记录的心电节律分析，但必须是连续记录的长时程数据，才有分析的价值；注意海量数据的概念，在不同情况下绝对值不同，如果不够海量数据就没有分析价值；思维模式的转换，从传统方法的关注心电波形和孤立少数几个RR间期，转换为关注散点所代表的RR间期以及RR间期序列的整体变化关系；注意根据作图的数学原理，分析图形的意义；散点图可对心律失常做出宏观诊断，但不能一个不漏地辨识异位心搏，应与动态心电图互相参照，在解决疑难动态心电图上发挥优势。
心律的变化和异常节律的出现，往往反映机体的状态，通过对24小时RR间期序列形成的散点图形的分析，可能会揭示出机体所处的状态，这对疾病的评估和预后的判断，可能有更重要的价值，加强此方面的研究，会拓展散点图的应用范围。
四 软件功能
散点图的分析数据来源于动态心电图记录的24小时连续RR间期，二者资源共享。目前散点图制图和分析功能完全靠搭载于动态心电分析仪中的专用软件来实现，故软件的实用性和更新至关重要。
反向技术：近段时间，散点图软件在实用性上迈出的一大步是散点图软件与动态心电图系统之间可以互相回放对照，称“反向技术”。即在散点图界面可以追朔到形成该散点的实时RR间期，相反，在心电波形界面，可以追朔到该RR间期在散点图上的位置。这一技术便于散点图对疑难动态心电图的“会诊分析”，真正意义上实现了散点图软件的临床实用功能，应大力推广。
强化编辑功能：在散点图界面进行心律分类编辑的最大优势是数据的高度直观和透明，能大大减化和缩短分析过程。功能强化主要是在散点图界面直接进行心律的心率计算与批量修改，以及经临床研究证实对诊断有重要作用的指标的测量，如对图的分布位置、分布形态、分布数目进行测量。
探索智能化诊断功能：需要通过反复观察研究，将临床已证实的散点图诊断标准，做成诊断方案，赋予软件智能化的功能 。
五 问题与挑战
心电散点图问世已有20余年，至今尚未像射频消融技术那样，横空出世后立刻遍地开花，“思维转换”是主要因素之一。由于思维贯性，从习惯的线性思维到接受非线性思维需要一个过程。另一方面，散点图所展现的心电节律的真实信息具有非线性的混沌特性，是过去未知的信息，目前处理的手段方法还十分有限，软件功能不强。
因此散点图的研究有很大空间与挑战，今后的研究应是临床与软件设计紧密结合模式，功能强大的软件在为临床提供更大方便的同时，也提供更多新信息。临床研究是解析新信息，为软件不断升级提供新的方案。研究的重点是在完善二维散点图分析与智能化诊断功能的基础上，探索“高维”软件和高维图形的临床意义。同时探索获取长时RR间期数据的更佳方法，如寻找不用皮肤贴片电极也能随时获取24小时或任意长时间内心脏节律数据的方法，为制作散点图提供更长时间的连续心电数据。
总之，获取数据的简便方法、强大的软件功能、训练有素的人，这三者的结合才能更大限度地提取和利用人体心电节律所提供的宝贵信息。
参考文献（略）