基于心電動(dòng)力學(xué)李雅普諾夫指數(shù)的急性心肌梗死輔助篩查研究

季偉敏 唐士敏 何俊德 王學(xué)斌△ 祁章璇 尹 微△ 葛以山 羅顯元△*

（1 南京醫(yī)科大學(xué)附屬蘇州科技城醫(yī)院心血管內(nèi)科，江蘇 蘇州 215153；2 上海圖靈醫(yī)療科技有限公司研發(fā)部，上海 200241；3 上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院醫(yī)學(xué)影像處理實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

急性心肌梗死（acute myocardial infarction，AMI）是冠狀動(dòng)脈急性或持續(xù)性缺血缺氧引起的心肌壞死。心電圖作為心臟疾病的常規(guī)檢查，在診斷中有著重要的作用。由于對(duì)心電信號(hào)的獲取、處理和閱讀與醫(yī)師的個(gè)人能力高度相關(guān)，在臨床上有較大的局限性。當(dāng)前對(duì)于心肌梗死患者的智能診斷的研究，主要是時(shí)頻分析法[1]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法及主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA），后者是在提取患者的心電數(shù)據(jù)參數(shù)PCA降維后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類，對(duì)于識(shí)別缺血心拍具有較高的敏感度和特異性[2]。Dasa等[3]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Cleveland數(shù)據(jù)庫、概率模型等多種算法相結(jié)合進(jìn)行心臟疾病的自動(dòng)診斷，最終的準(zhǔn)確率達(dá)到89.01%。但心電采集方法較為復(fù)雜，且心肌梗死患者在未發(fā)病或前期癥狀較輕時(shí)難以診斷[4-5]，因此該方面的研究進(jìn)展較為緩慢。基于此，易力等[6]研究指出了心電動(dòng)力學(xué)信號(hào)的數(shù)據(jù)特征分析及模式識(shí)別用于心肌缺血檢測(cè)的方法。但其研究還處于初期探索，不能有效運(yùn)用于臨床篩查。因此，本文研究以確定學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)取得心電動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，基于混沌學(xué)理論計(jì)算李雅普諾夫指數(shù)特征值，挖掘出更加敏感的量化指標(biāo)以檢測(cè)急性心肌梗死，以提供一種新的輔助方法。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2017年12月至2019年3月南京醫(yī)科大學(xué)附屬蘇州科技城醫(yī)院心血管內(nèi)科確診的急性心肌梗死患者30例為樣本研究對(duì)象，另選取同時(shí)期來院做健康體檢的健康人30例為對(duì)照。其中，急性心肌梗死患者中男性20例，女性10例；年齡27～75歲，平均年齡（51±24）歲；健康人中男21例，女9例，年齡23～73歲，平均年齡（48±25）歲。一般資料兩組患者差異不大（P＞0.05）。

1.2 采集心電數(shù)據(jù) 以南京醫(yī)科大學(xué)附屬蘇州科技城醫(yī)院的心電檢測(cè)設(shè)備開展相關(guān)數(shù)據(jù)的收集。設(shè)備為：飛利浦12通道心電圖機(jī)（Philips PageWriter TC10，共模抑制比≥89 dB，采樣率每導(dǎo)聯(lián)8 000點(diǎn)/秒）采集參與試驗(yàn)的健康人和急性心肌梗死患者的心電圖數(shù)據(jù)，采集時(shí)間為12 s，采樣速率是1 kHz（A/D）。按照研究要求，先對(duì)收集的心電信號(hào)進(jìn)行標(biāo)記，然后進(jìn)行濾波、降噪等技術(shù)預(yù)處理，從而得到符合動(dòng)力學(xué)計(jì)算輸入要求的心電數(shù)據(jù)，為計(jì)算分析提供基礎(chǔ)。

1.3 心電動(dòng)力學(xué)李雅普諾夫指數(shù)特征值的計(jì)算 ①提取心電動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)：本項(xiàng)目的研究選擇刻畫心臟復(fù)極過程電活動(dòng)的ST-T段數(shù)據(jù)作為對(duì)象進(jìn)行截取，并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化得到心電向量數(shù)據(jù)ST-T環(huán)，再進(jìn)行確定學(xué)習(xí)理論的計(jì)算提取心電動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)[7-8]。②計(jì)算心電動(dòng)力學(xué)李雅普諾夫指數(shù)特征值。李雅普諾夫指數(shù)是一種觀測(cè)變量數(shù)據(jù)之間的差異程度的特性指標(biāo)[9]，可用以呈現(xiàn)心電動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的空間差異的變化趨勢(shì)。計(jì)算步驟：首先，對(duì)每一維度的心電動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)按時(shí)間順序求得各數(shù)據(jù)點(diǎn)一類指數(shù)變化率然后對(duì)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的指數(shù)變化率采整合成一個(gè)量化指標(biāo)的表征：取出當(dāng)前第k步的非負(fù)增長(zhǎng)系數(shù)集記為把jD；然后計(jì)算當(dāng)前系數(shù)記為；最后進(jìn)行所有步驟的平均運(yùn)算作為離散度的平均運(yùn)算，記為這一維度的李雅普諾夫指數(shù)特征值，用于表示空間離散度系數(shù)，t=1，2，…T；綜合三個(gè)維度的空間離散度特征進(jìn)行運(yùn)算，得到最終的李雅普諾夫指數(shù)特征值。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 本次研究使用SPSS21.0軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，相關(guān)的計(jì)量數(shù)據(jù)采用（）的形式表示，分析方法采用獨(dú)立樣本的t檢驗(yàn)，當(dāng)P＜0.05時(shí)表示數(shù)據(jù)差異有顯著性。

2 結(jié)果

對(duì)健康人和AMI患者的李雅普諾夫特征值進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)后，兩組李雅普諾夫特征值的X維度分量、Z維度分量及總值差異有顯著性，P＜0.05。見表1。

表1 健康人和急性心肌梗死患者李雅普諾夫特征值統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果

3 討 論

本文根據(jù)確定學(xué)習(xí)理論取得心電信號(hào)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，利用混沌學(xué)理論[10]算法獲取數(shù)據(jù)的混沌特征值作為量化指標(biāo)，即基于心電動(dòng)力學(xué)李雅普諾夫指數(shù)的急性心肌梗死輔助篩查的研究方法。通過對(duì)30例健康人和30例急性心肌梗死患者兩種不同群體的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，顯示兩組李雅普諾夫特征值的X維度分量、Z維度分量及總值差異有顯著性（P＜0.05），結(jié)果表明心電動(dòng)力學(xué)李雅普諾夫指數(shù)特征值對(duì)心電信號(hào)中蘊(yùn)含的心臟疾病特征具有敏感的表征能力。同時(shí)在不同分量上也表現(xiàn)出較大的差異性，說明在臨床上有潛在的應(yīng)用價(jià)值。無論是常規(guī)和動(dòng)態(tài)心電圖在針對(duì)不同類型心血管疾病時(shí)都會(huì)存在誤診漏診現(xiàn)象，或者無法判斷的情況[11-12]，而同源于心電信號(hào)的心電動(dòng)力學(xué)李雅普諾夫指數(shù)特征值作為一種新的觀察視角可給予有效的補(bǔ)充。由于研究時(shí)間和資源限制，在取樣的人群、性別及數(shù)量方面不夠豐富。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用和大數(shù)據(jù)工具的普及，如能采集更豐富的數(shù)據(jù)進(jìn)行更多研究，必將推動(dòng)心臟疾病的臨床輔助篩查進(jìn)程。