基于犬心外膜標(biāo)測(cè)的心房肌傳導(dǎo)性解析

【作 者】董岸男，孫莉倩，楊翠微

復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子工程系，上海市，200433

房顫會(huì)使心房細(xì)胞的傳導(dǎo)性降低，不同程度的房顫使傳導(dǎo)性降低的程度也不同[1]。本文對(duì)犬的心外膜標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，研究興奮在心房心外膜表面的傳播速度，并對(duì)電刺激誘發(fā)房顫前后的竇性心律和不同劑量乙酰膽堿下的竇性心律進(jìn)行了標(biāo)測(cè)，得到心房細(xì)胞傳導(dǎo)性的變慢結(jié)論。

1 心外膜標(biāo)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

心外膜標(biāo)測(cè)技術(shù)是利用由多個(gè)(或多對(duì))電極組成的電極陣片，在開胸狀況下，對(duì)心臟電興奮的起源和傳播途徑進(jìn)行直接探測(cè)的方法。由于電極陣元與心外膜的直接接觸，以及對(duì)心電信號(hào)的同步采樣，因此顯示記錄的圖形能客觀而精確地反映心電興奮及傳播的過程[2]。心外膜標(biāo)測(cè)系統(tǒng)如圖1，由標(biāo)測(cè)電極、多路放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理分析軟件、大屏幕顯示器及打印機(jī)等部分組成。電極采得的心外膜信號(hào)經(jīng)專用的多路放大器放大后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供計(jì)算機(jī)分析、處理。采集的信號(hào)可實(shí)時(shí)地在屏幕上滾動(dòng)顯示，并可由用戶操作進(jìn)行存儲(chǔ)、凍結(jié)、回放等功能。同時(shí)，用戶還可進(jìn)入分析界面，直觀地觀察到心肌除極過程。

2 傳導(dǎo)速度的算法設(shè)計(jì)

圖1 心外膜標(biāo)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The block diagram of Epicardial mapping system

傳導(dǎo)速度是一個(gè)矢量，既有大小又有方向。因此，傳導(dǎo)速度的確定要分為兩個(gè)部分：傳播方向的確定和每個(gè)通道處的速度值大小的確定。

2.1 傳播方向的確定

本文中采用等時(shí)圖的方法來確定興奮信號(hào)在心房中的傳播方向。這樣可以把在同一電極片上的不同采集點(diǎn)之間的激動(dòng)先后順序變得一目了然，從而得到一片電極片上心電信號(hào)的傳導(dǎo)順序，進(jìn)而得到激動(dòng)在電極片上傳播方向的大致趨勢(shì)。

2.2 速度值大小的確定

由公式可知：速度=距離/時(shí)間。在電極片上電極點(diǎn)之間的距離是固定的；而在同一心動(dòng)周期內(nèi)，對(duì)選定通道進(jìn)行激動(dòng)時(shí)刻提取，激動(dòng)時(shí)刻的時(shí)間差即為興奮傳播所需時(shí)間。

3 數(shù)據(jù)的結(jié)果與分析

本文采用的數(shù)據(jù)來源于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，共用到了八條犬的全心房心外膜標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)。而實(shí)驗(yàn)中所有例的動(dòng)物得到的結(jié)果相似，由于版面的限制，這里采取一例予以討論。以下文中涉及的一例數(shù)據(jù)均為此例數(shù)據(jù)。

3.1 傳導(dǎo)速度值的確定

未注射乙酰膽堿時(shí)，心房傳導(dǎo)速度是正常的。為了排除房顫對(duì)心房傳導(dǎo)速度的影響，因此選擇了還未經(jīng)過電刺激心房的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，見表1

表1 竇房結(jié)（11通道）附近的傳導(dǎo)速度Tab.1 The conduction velocity near the sinus node (channel 11)

從表1中的數(shù)據(jù)分析可以看出：竇房結(jié)附近（11通道）（由圖2得，10通道、22通道和7通道均在11通道附近）的傳導(dǎo)速度大致為0.7 m/s，這與理論數(shù)據(jù)0.7 m/s[3]相一致，說明該測(cè)算方法有效，為后面的分析與處理提供了基礎(chǔ)。

3.2 等時(shí)圖的繪制

對(duì)于等時(shí)圖的繪制，本文采用了在南京鼓樓醫(yī)院做的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)所采集到的一例犬的心房波形，分別對(duì)于電刺激造成犬房顫前后兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行了等時(shí)圖的繪制。得到的結(jié)果如下：全心房標(biāo)測(cè)總共有128個(gè)通道，共分布于8個(gè)電極片上，由于版面限制，本文重點(diǎn)介紹單片含通道數(shù)最多的B片，如圖2。B電極片有44個(gè)通道，即1～44通道，每個(gè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為20 s。

圖2 電極片中的B片，可與以下圖形參照對(duì)比。Fig.2 Patch B,reference of the figures below

圖3是電刺激造成房顫前竇性心律下各組數(shù)據(jù)作出的等時(shí)圖?？梢钥闯鲞@幾組數(shù)據(jù)得出的通道間的傳導(dǎo)順序是從11通道（竇房結(jié)附近）開始，然后經(jīng)過電極片中部，最后到達(dá)邊緣部分的。

圖4是電刺激造成房顫后恢復(fù)竇性心律后的各組數(shù)據(jù)做出的等時(shí)圖，此也可看出這幾組數(shù)據(jù)得出的通道間的傳導(dǎo)順序是從11通道（竇房結(jié)附近）開始，然后經(jīng)過電極片中部，最后到達(dá)邊緣部分的。由于房顫導(dǎo)致傳導(dǎo)速度變慢，激動(dòng)信號(hào)從竇房結(jié)發(fā)出到離竇房結(jié)較遠(yuǎn)的采集點(diǎn)需要的時(shí)間更長(zhǎng)，因此房顫后的等時(shí)圖中出現(xiàn)了比較大的數(shù)值。

圖3 房顫前竇性心律下數(shù)據(jù)做出的等時(shí)圖Fig.3 The Isochronic map under the data of sinus rhythm before AF

圖4 房顫后恢復(fù)竇性心律后的數(shù)據(jù)做出的等時(shí)圖Fig.4 The Isochronic map under the data of sinus rhythm after AF

由以上兩組圖形可以得到：在竇性心律下，等時(shí)圖可以給出興奮傳播的大致路徑；但是在房顫情況下，即當(dāng)存在多個(gè)興奮源時(shí)，由于不能確定興奮源的所在，則此方法失效的結(jié)論。

3.3 電刺激前后速度變化對(duì)比

高頻電刺激會(huì)對(duì)心房肌細(xì)胞的傳導(dǎo)速度產(chǎn)生影響[5]，本文以在南京鼓樓醫(yī)院做動(dòng)物實(shí)驗(yàn)取得的一例犬的心房波形的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。此處比較了電刺激誘發(fā)房顫前后20 s長(zhǎng)的竇性心數(shù)據(jù)，得到速度曲線如圖5所示（圖中Pre代表房顫前竇性心律下的傳導(dǎo)速度，Post代表房顫后恢復(fù)竇性心律后的傳導(dǎo)速度）。

圖5 電刺激誘發(fā)房顫前后（竇性心律）全通道的傳導(dǎo)速度對(duì)比Fig.5 The conduction velocity comparison of all channels before and after AF caused by high-frequency electrical stimulation under the sinus rhythm

從圖5中可以看到，除了個(gè)別通道外，幾乎所有的Pre數(shù)據(jù)均在Post數(shù)據(jù)之上（11通道是速度計(jì)算的基點(diǎn)，因此沒有波形）。這說明電刺激誘發(fā)房顫后，心肌細(xì)胞的傳導(dǎo)性下降。這里驗(yàn)證了電刺激后傳導(dǎo)速度會(huì)下降，說明了電刺激誘發(fā)的房顫會(huì)對(duì)心房細(xì)胞的傳導(dǎo)速度產(chǎn)生一定的影響。由于分析的只是房顫后恢復(fù)竇性心律后的20 s數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度較短，關(guān)于房顫對(duì)細(xì)胞傳導(dǎo)性的影響是否可恢復(fù)，還有待進(jìn)一步的研究。

3.4 不同劑量乙酰膽堿下傳導(dǎo)速度的對(duì)比

不同劑量的乙酰膽堿，對(duì)心房興奮信號(hào)的傳導(dǎo)速度的影響是不同的[4]。本文采用了一例在南京鼓樓醫(yī)院做動(dòng)物實(shí)驗(yàn)取得的犬的心房波形數(shù)據(jù)，來觀察不同劑量乙酰膽堿對(duì)心房傳導(dǎo)速度的影響，得到了如圖6所示的結(jié)果。

圖6 不同劑量乙酰膽堿下部分通道的平均傳導(dǎo)速度Fig.6 The average conduction velocity of a part of channels under different doses of acetylcholine

由圖6看出不同劑量乙酰膽堿對(duì)心房興奮信號(hào)傳導(dǎo)速度的影響：隨著乙酰膽堿劑量的增加，心房興奮信號(hào)傳導(dǎo)速度有了較為明顯地下降，而且下降趨勢(shì)與乙酰膽堿劑量地增加趨勢(shì)是呈正相關(guān)的。

由圖6中的數(shù)據(jù)，本文驗(yàn)證了乙酰膽堿有減緩心房興奮信號(hào)傳導(dǎo)速度的作用，并得出了隨著注射乙酰膽堿劑量的增加，心房興奮信號(hào)的傳導(dǎo)速度會(huì)越來越慢的結(jié)論。

但是通過處理不同的幾例動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了以下兩個(gè)問題：

第一個(gè)是激動(dòng)時(shí)刻的特征提取的準(zhǔn)確性對(duì)速度的計(jì)算有著較大的影響。算法中要以特征提取的時(shí)間點(diǎn)來計(jì)算兩個(gè)通道的時(shí)間差，因此如果特征提取的點(diǎn)選取的位置不正確，就會(huì)得到錯(cuò)誤的時(shí)間差，從而得到錯(cuò)誤的速度值。另外一點(diǎn)就是波形采集得不理想，在波形中會(huì)采集到持續(xù)的抖動(dòng)信號(hào)或者突然的晃動(dòng)信號(hào)，這對(duì)特征提取都是致命的。這樣作出的特征提取會(huì)產(chǎn)生很大的偏差，反映到算法中就是會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)數(shù)組的維數(shù)不一樣，從而不能計(jì)算速度值。解決的辦法是，使用GUI程序自己修飾特征提取點(diǎn)，或者是用相鄰的通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后代替。

第二個(gè)就是在處理數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)的速度值都比較高，與理論速度值0.7 m/s有差異。對(duì)于這個(gè)問題，經(jīng)過查閱資料以及與導(dǎo)師的討論，認(rèn)為因?yàn)閿?shù)據(jù)采集時(shí)采用的是二維的標(biāo)測(cè)系統(tǒng)，而實(shí)際上心房興奮信號(hào)是以三維的形式傳導(dǎo)的，因此可能會(huì)存在優(yōu)勢(shì)傳導(dǎo)通路，使得傳導(dǎo)速度較快；也可能是因?yàn)槌霈F(xiàn)作為基點(diǎn)的通道和很多通道相對(duì)于竇房結(jié)是同時(shí)激動(dòng)的、或者是激動(dòng)時(shí)刻很近，這樣得出的傳導(dǎo)速度也會(huì)很快。

4 總結(jié)

本文所涉及的研究以心外膜電標(biāo)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，得到心房激動(dòng)時(shí)刻。選取B片44個(gè)通道，進(jìn)行每個(gè)通道的電信號(hào)平均傳導(dǎo)速度的計(jì)算，然后就每個(gè)通道房顫前后的平均速度進(jìn)行對(duì)比，觀察房顫對(duì)心房電信號(hào)平均傳導(dǎo)速度的影響。在得到前面結(jié)果的前提下，還對(duì)不同劑量下的乙酰膽堿對(duì)心房電信號(hào)的平均傳導(dǎo)速度的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，不同乙酰膽堿劑量會(huì)對(duì)心房肌的傳導(dǎo)性產(chǎn)生影響。

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