运动心电图

运动试验及运动心电图 分析方法研究进展 叶继伦 郑崇勋 刘峰 本文作者叶继伦先生 西安交通大学生物医学 工程研究所博士生 郑崇勋先生 所长 教授 博士生导师 刘峰先生 博士生 关键词: 运动心电图 特征分析 心肌缺血 一 引言 运动心电图方法是对于在临床运动负荷试验中所记录的心电图进行分析和参 数测定并对受试者心脏功能状态和心肌缺血作出判断的一种方法 其最初的应用 仅限于冠心病的诊断 随着分级运动试验的广泛开展和经验积累 其应用范围已 远远超过上述限制 首先对于临床已确诊的冠心病心绞痛患者 运动心电图方法 已成为筛选高危病人的最常用的方法 从而选择合适的病人做冠状动脉造影 为 进一步的选择做经皮腔内冠脉扩张术或冠状动脉搭桥术提供依据 其次运动心电 图方法也广泛地应用于心脏病内外科疗法疗效的评价 是一种较可靠的指标方法 近年来 心肌梗塞患者出院前进行运动试验检测也受到重视 认为有助于冠状动 脉病变程度的了解和治疗的确定 还有其他的应用 如: 评定心脏功能 客 观地安排病人的劳动强度 体育疗法运动处方的确定以及体育运动员体力状态鉴 定 飞行员体检等 因此 运动心电图方法已成为应用广泛的无创心功能检测方 法之一 目前临床上常用运动试验所采用的运动方式一般有踏车和活动平板两种 方式 二 运动试验分类 目前临床上常采用的运动试验类型有极量运动试验和亚极量运动试验: 极量 运动试验是指在逐级增加运动量时 氧耗量平行增加 达到某一最高水平的运动 量时 耗氧量也达到最大 继续增加运动量时 耗氧量不再增加 这时的运动量 称为极量运动 而临床运动试验中无需直接测量耗氧量 可根据既定的试验方案 由换算直接查出每级运动的耗氧量 当受试者运动至精疲力尽时可认为已达到 极量运动 此时心率应达到该年龄组的最大心率平均值 由于 筋疲力尽 这个 量难于控制 所以极量运动的应用受到一定的限制; 亚极量运动试验是指运动量 相当于极量运动试验的 85~90% 如以耗氧量为准则应相当于MVO2max85~90% 而在实际临床应用中大多采用心率为 当运动心率达到最大心率的 85~90% 时为亚极量运动 此时的心率称为目标心率 不同的年龄组这个目标心率是不同 的 目前临床上通常采用下列公式来计算目标心率: HRTarget=195-AGEP (1) AGEP是指受试者年龄(单位为年) 三 常用的基本运动试验方法 临床开展运动试验已有数十年的历史 其间有马氏二级梯运动试验 活动平 板运动试验和踏车运动试验等 由于活动平板运动试验和踏车运动试验在临床使 用的敏感性和特异性以及安全性明显优于马氏二级梯运动试验 因此较大的医疗 中心都采用活动平板运动试验或踏车运动试验 1. 活动平板试验 运动方式采用活动平板 以改变平板机转速及坡度来改变受试者的运动量 每级运动时间为 2~3min 运动中连续心电图监护 每间隔 2~3min记录一次心电 图 测量血压 保证其安全性 活动平板试验国际上尚无统一方案 目前临床上 有 Bruce方案 Ellestad方案和 Naughton方案 其中 Bruce及其改进方案在临床 应用较为广泛 积累了许多经验资料 为许多医院所采用 由于受试者在活动平 板上的运动不能维持上身平稳 很难获得运动中稳健的心电信号 2. 踏车运动试验 运动方式采用踏车功量计 运动量以 Kg m/min为单位 计量方法客观准确 过程与活动平板试验相似 在踏车运动试验中 通常设定每级运动时间为 3min 递增运动量为 150~300kg m/min 记录每阶段的运动心电信号 其优点是踏车运 动中易于保持受试者上身的相对平稳 易于检测血压 并使得所监测的运动心电 图基线也很稳定 受噪声影响较小 能为进一步的心电图分析提供高质量的心电 图记录 也为大多数医疗中心所采用 四 运动心电信号的获取 由于运动试验中受试者身体各部位大都有不同程度的运动 使得所记录的运 动心电信号中可能混入不同程度的干扰信号 包括呼吸引起的心电信号基线漂移 电极与皮肤间的摩擦噪声 体位移动所引发的扰动 电源噪声以及其它电磁噪声 等 这些干扰信号的消除是不可能完全依靠数字信号处理技术来完成的 在系统 硬件的组成上和具体操作上多作些考虑会获得更好效果 1. 系统组件 运动系统采用具有平(斜)卧式的踏车运动功量仪 这种平(斜)卧式踏车运动方 式可使受试者避免引起胸部的剧烈移动(而站立式平板运动方式就无法避免) 进 而可能避免或减小电极与皮肤间的摩擦噪声和体位移动的扰动的影响;心电信号 的摄取电极应采用具有最小漂移电位的随弃式 AgCl电极(在运动试验的运动过程 中应避免使用肢体夹板电极和气囊吸附电极) 并在贴电极前尽可能处理好皮肤 打磨掉皮肤的浅表层使得其表面间的接触良好 这样可以明显减小电极与皮肤间 的接触阻抗 提高信噪比 进一步减小移动的可能伪差; 电极与心电信号放大仪 间的连接电缆应选择轻便 柔软并带有屏蔽层的高质量多股线 也可以减少运动 伪差; 在心电信号的放大中采用具有高增益 高共模抑制比 低漂移的悬浮式隔 离高性能多道心电信号放大仪(本系统采用三通道心电信号放大仪) 同时电源采 用后备式开关电源以及 50Hz 陷波技术或直流干电池电源供电等 可明显改善所 获得运动心电信号的信噪比; 在数模转换中采用具有 12 位(或 16 位)和几十 kHz 采样率的多通道模数转换板; 保证有良好的独立接地线也会对减小噪声起显著作 用 临床应用已表明前述系统组件的选取对于获取理想的运动心电信号是十分有 效的 2. 基线漂移抑制 运动试验中所记录的运动心电信号的基线漂移是不可避免的 通常在心电信 号放大仪动态范围内的运动心电信号基线漂移是可以利用软件处理技术予以消除 的 在准确识别运动心电信号 R波的基础上 通过对心电信号的特征的设定 并依据每个心搏的 PR 段为基准 以线性或二次拟合算法来提取基线趋势项 再 利用插值方法消除这个基线漂移 由于运动心电信号的心率变化范围较大 而且 急促的呼吸及上身的移动对基线漂移的影响也较明显 在系统中我们采用二次拟 合的逐点移动内插算法来进行心电信号基线漂移的校正 这样 就可以获得较为 理想的 无基线漂移的数字式运动心电信号 3. 记录导联 记录导联选取对于摄取高质量的运动心电信号是十分重要的 既要获取足够 多的运动心电信息 也要保证所得的运动心电信息正确而无严重噪声伪差(如运动 中就不可能记录到较理想的肢体导联的心电信号) 在我们研制的系统中 运动前 记录常规标准 12 导联的心电信号 并以 CM5 aVF 导联心电信号作为运动 前后的对照组 运动停止后记录 1 2 3 4 6min 恢复期的心电信号 记录长 度为 8s 采集频率为 500Hz 运动中也以双极性 CM5 和 aVF 导联作为运动 状态的监测 提供实时的运动心电信号的动态显示以及相应的心率和 ST 段变化 的动态监测值 其中受试者心率每增加 10 次/min 左右就记录一次这 3 导联的运 动心电信号(并可以借助于操作者来确认每次心电记录的有效性 以确保所记录的 运动心电信号没有明显的失真) 还可以根据受试者当前的运动状态借助于人工干 预强行存储当前采集的运动心电信号 直到受试者的心率达到目标心率 在这个 系统中也是采用临床上常用的亚极量运动方案来确定这个目标心率 对于由此所获得的运动前 中和后三阶段的心电信号首先是进行数字滤波预 处理 进一步以消除随机噪声的干扰 采用了三点或五点平均的平滑方法就可以 达到较好的效果 五 运动心电信号特征分析方法 对于运动心电信号的特征分析主要集中在时域 时频域 其中临床上使用最 广泛的是时域特征方法 ST段压低值(即 J点后 60~80ms处的电压值)是用于运动 心电信号特征计算主要参数之一 由于这个值在诊断心肌缺血时只有 60~70%的 正确率 近些年来 人们对运动心电信号的新特征参数计算进行深入的研究 提 出了许多有效的参数算法 其中主要的时域特征参数有: ST段压低值 QTc J点 处的电压值 ST/HR斜率 ST/HR指数 波形改变等 下面在给出这些参数测算 的基础上提出单位时间 ST段面积(STA)和 STA/HR斜率的计算方法 1. ST段压低和 QTc 运动心电信号特征识别是基于 J 点的识别方法 据文献报道 运动引起的不 同心率的改变对于心电信号各个波形持续时间的影响程度是不同的 其中影响最 小的是 QRS复合波的持续时间 因此 在对 J点的识别中可以通过预先设定心电 信号模板的方式来完成 同时也完成对于 Q R T等波形特征点的识别 如图 1 所示 这样就可以来计算 J 点后 60ms 处的 ST段电压值和 QTc 实际在计算 ST 段值是取 J点后 60ms附近的三个临近点均值 即: STV= 3 62 60 1∑+ += − J Jn nSTV (2) 而 QTc由下式给出: QTc= RR QT (3) 式中 QT表示 Q波的起点至 T波的结束点间期 RR表示相邻 R波间期 2. 运动心电的 ST/HR斜率 ST/HR 斜率的算法包括依据线性回归的 ST/HR 斜率和简单的 ST/HR 指数 这个 ST/HR 斜率定量地表示了运动停止即刻时的缺血间期中相对于心率的最大 ST段变化率 具体算法是将达到所预定的目标心率后停止运动即刻所记录的CM5 导联的心电信号以及由此向前的连续两次记录的运动CM5导联心电信号的 ST段 电压值和相应的心率值分别作为 Y X轴上点进行描图 并利用最小二乘法来计 算由这三点所确定的直线斜率 即可以得到运动 ST/HR斜率的参数值 如以 XHR 表示心率 YST表示 J点后 60ms处的 ST段电压值 则计算式可表示成: SlopeST/HR= ∑ ∑ ∑ ∑ = = = = + + 3 1 3 1 )()()( 3 1 3 1 )()()())(( n n n ST n HR n HR n n n ST n ST n HR n HR YYX YYxX (4) 单位为 μV/beats/min 表示了单位心率下的 ST 段变化率 这个量可以比 ST 段压低更敏感地反映运动试验所诱发的心肌缺血 同理亦可以算出 aVF和 导联 心电信号的斜率值 需要说明要想得到有效的 ST/HR斜率应保证在运动过程中分 级采集到有用的运动心电信号 也要保证受试者运动按要求达到亚极量的目标心 率 有文献报告 ST/HR 斜率能明显地增加运动试验检测 CAD 的敏感性和特异 性 也能识别具有解剖和功能性严重疾病的患者 正常人中 95%的 ST/HR斜率值 都小于 2.4μV/beats/min 而 ST/ HR斜率值大于 2.4μV/beats/min人中的 95%具有 稳定的心绞痛和确诊的 CAD 因此 2.4μV/beats/min的 ST/HR斜率值是能精确鉴 别有 CAD和无 CAD的界限阈值 3. ST/HR指数 ST/HR指数是对于 ST/HR斜率的一个近似计算 是采用在整个运动试验期间 的 ST段压低变化量去除以心率变化量来得到的 表示了在整个运动过程中 ST段 压低的平均变化值 由于 ST/HR指数的计算包含了运动初期没有出现缺血的时间 段 ST/HR指数与 ST/HR斜率值之间存有差异 大多数患有 CAD的病人在运动 试验的初期是没有明显的 ST段压低变化的 因此 ST/HR指数通常要比 ST/HR 斜率值低 统计表明 1.6μV/beats/min的 ST/HR指数是鉴别有 CAD和无 CAD的 界限阈值 另外 具有左主或近端三腔 CAD的患者一般都有大于 3.3μV/beats/min 的 ST/HR指数值 在受试者运动量没有达到亚极量运动的目标心率时 ST/HR指 数的临床诊断价值高于 ST/HR斜率值 因此 这两个参数综合应用对于提高运动 试验的临床诊断意义是十分有益的 4. 运动心电单位时间 ST段面积的改变量 dSTA 虽然前面已经给出了通过心电模板特征预设的方法来确定 J点 Q T波等运 动心电信号中的特征位置 由于逐次心搏的变异性存在 使得要想准确地快速确 定每个心搏的 J 点位置仍是有一定的困难 为避免这个不足 我们在系统中引入 了运动 ST 段压低在单位时间面积的改变量 dSTA 作为一个测量指标 由于 R 波 峰值位置是很容易准确地被检测出的 这样就可以取R波峰值处作为参考位置点 分别向后推 60ms 和 120ms 因为这个 ST 段上的时间区间肯定包含有前述的 ST 段单点电压值 并能够反映出每次心搏的心肌缺血型的 ST 段对时间的平均累积 程度 并且在计算的可靠性及稳定性方面明显优于 ST 段单点电压值的参数 示 意如图 2所示 计算式即可写成为: dSTAk= ∑ ∫ ∫+ +=++ + + − 120 60120~60 1 1 )()( 1 R Rn t t t tRR n n n n dttgdttf T (5) 式中 dSTAk表示运动前后心电信号第 k次心搏的 ST段单位时间内的面积之 差 为避免单次心搏的变异性影响 在实际计算时 应该取至少 3个或 3个以上 心搏的 ST段单位时间内面积之差的均值 而 f(t)和 g(t)分别表示运动前后在区间 [R+60~R+120]内并经基线校正后的 ST 段电压值 其中在数值积分运算时 端点 内的取值均按相邻端点值间的线性插值方法计算 显然 这个参数值计算的稳定性是优于 ST段压低值 5. 运动心电 STA/HR斜率和 STA/HR指数 在前面计算单位时间 ST段压低面积的基础上 采用与运动 ST/HR斜率的计 算相类似的方法 也将达到所预定的目标心率后停止运动即刻所记录的 CM5 aVF 和 导联的心电信号以及由此向前的连续两次记录的运动 CM5 aVF 和 导联 心电信号在区间[R+ 60~R+120]内单位时间的 ST段面积(记作 STA)和相应的心率 值分别作为 Y X轴上点进行描图 并利用最小二乘法来计算由这三点所确定的 直线斜率 同样又可利用(3)式 将其中的 ST段电压值改成单位时间的 ST段面积 值 即可得到这三个导联心电信号的运动 STA/HR斜率值 单位也是mV/beats/min; 同时 采用与运动 ST/HR指数的计算相同的方法即可算出 STA/HR指数 这两个 参数既保持了 ST/HR 斜率和指数的具有好的敏感性和特异性的优点 又保持了 STA 计算稳定的优点 我们应用这三个参数方法对 20 例运动心电信号进行计算 和比较 这些参数计算方法已在我们研制的系统中得到应用 初步的临床试验表 明这些方法是有效的 六 结论 运动试验方法是用于心肌缺血检测 特别是隐性心肌缺血检测的有效方法 本文综述了目前临床经常使用的活动平板和踏车式运动试验 提出了如何在运动 试验中记录到理想的运动心电图 供给后续的特征参数识别和分析 在对运动心 电信号特征分析的研究中 如能全面综合上述的检测参数指标 结合患者的临床 体征会明显提高冠心病临床的诊断水平 同时还应进一步考虑 T 波的变化 J 点 处电压值的变化 R 波幅的变化等 这些改变也能为评价运动试验提供更多的参 考指标 另外对于运动中心电监测导联的设置上可考虑更多的通道(如 6和 9道) 以弥补运动中对其它部位心肌缺血的监测 可以更好地检测和评价运动中心肌缺 血部位的分布及定位; 同时对恢复期的记录导联也可以进一步考虑 6 9 和 12 道 同步记录 这样就可以更加全面地研究和了解各个导联心电信号受运动影响的改 变情况 细致地观测和分析心肌缺血的部位分布及程度 这需要在心电信号放大 仪上采用具有同步的 6 9或 12通道心电信号放大 采用多通道的高性能模数采 样板 同时也要提高对运动心电信号的数据采样率(500~1000Hz) 有利于分析运 动心电信号的精细结构变化 这些都是进一步的研究工作 本文仅综述了目前临床上使用广泛的基本运动试验方法 实际上 运动试验 方法还应包括: ECHO(超声回波运动试验) 放射同位素 药物试验等运动试验方 法 也能为患者心功能状态的评估提供其他方面有意义的数据 全文完 来源 世界医疗器械 出版日期 1999年 9月