T波對齊在T波交替譜分析中的對比研究*

魏 瓏,魏佑震,趙 捷,李合菊

(1.萊蕪職業技術學院，山東 萊蕪 271100；2.上海東方醫院，上海 200120；3.山東師范大學物理與電子科學學院， 山東 濟南 250014)

T波電交替(T-wave alternans，TWA)是心電信號中的一種變異現象，表現為規整的心律中T波形態、振幅和極性以ABAB…的形式逐拍交替變化，如圖1所示。T波交替是目前預測心臟性猝死和室性心律失常的一個無創的臨床指標[1-3]。

當前，具有病理意義的微伏級TWA檢測方法已經有了一定的發展，如譜分析法[4-5]、相關分析法[6-8]、散點圖法[9]、漸量平均修正技術等[10-11]，其中譜分析是目前發展最為成熟的TWA檢測技術。它具有較高的敏感性和可靠性，在臨床研究中已被廣泛采用，并在CH2000、Heartwave等醫療器械中發揮作用。

圖1 TWA現象Fig.1 The phenomenon of TWA

1 譜分析算法與仿真

1.1 數據處理及T波矩陣對齊

表1 T波起點選取規則Table 1 Selection rule of the T-wave onset

1.2 譜分析算法

為了在頻域中反映出T波段幅度是否存在周期性變化，需要通過譜變換將上述所得的對齊T波矩陣(128×N)的幅度變化轉變成功率譜，疊加平均后得到對齊T波矩陣的功率譜曲線圖。若這128個點幅度高低周期變化，則其時域表達式為：

(1)

其中偶數序列的幅度為A，奇數序列的幅度為(A+δn)，增加的δn為序列之間的變化幅度。若對上述128個點組成的序列x(1)-x(128)作傅立葉變換FT可得：

(2)

WN=exp(-j2π/N)

(3)

(4)

經過傅里葉變換(2)-(4)式可見，K=64處有一δ的累積值，對應于功率譜圖上的0.5 cycle/beat(cpb)頻率處有一明顯的譜線，此譜線可作為TWA的標識線。由于心電信號中的噪聲在功率譜中占很寬的頻帶，且在數據處理中不可能完全濾除，因此在心電信號功率譜曲線圖中較難分辨信號與噪聲。為了能夠確定心電信號中是否存在TWA現象，須引入T波交替率TWAR作為判據，即可以通過比較0.5 cpb處與噪聲的譜大小判定是否存在TWA，其公式為

(5)

其中定義背景噪聲落在0.44-0.49 cpb處，其平均值為SNB，方差為σNB，0.5 cpb處的能量為S0.5。TWA的交替幅度可以用平均交替幅度表示為

(6)

其中N為每心拍內的采樣點數。(5)式中頻域方法判斷TWA陽性的交替比率TWAR參考標準為3，(6)式中幅度ASM判斷參考標準為1.9 μV。

1.3 算法驗證

實驗數據來自MIT-BIH心律失常數據、惡性室性心律失常數據及European ST-T心電數據。圖2給出了European ST-T心電數據e0105#起始時間為0:05:20的128拍心電的TWA功率譜圖。在圖中0.5 cycle/beat頻率處有一明顯的峰值線，作為T波交替顯著標識線；作者同時仿真了該信號樣本的T波段幅度均值，如圖3所示，其中中間的實線圖代表全序列x(1)-x(128)T波段幅度均值，上面的虛線圖代表偶數拍序列x(2)，x(4)，…x(128)T波幅度均值，下面的點化線圖代表奇數拍序列x(1)，x(3)，…x(127)T波幅度均值。從圖中直觀證實了128個心拍中奇偶序列存在幅度差值，此樣本信號可能出現T波交替現象。

圖2 TWA功率譜Fig.2 The power spectrum of TWA

表2為TWA檢測結果，其中ASM為譜分析法交替幅度，單位為μV，可見部分樣本數據TWA幅度均大于陽性參考標準1.9 μV，因此認定出現T波交替現象。由于T波交替僅在惡性心律失常的數據中才可能發現，因此為進一步完善TWA檢測技術的發展，在臨床上采集大樣本的心律失常病人的心電數據并做長期的跟蹤很有必要。

圖3 TWA幅度均值Fig.3 The mean amplitude of TWA

記錄號數據來源起始時刻心拍數ASM/μVe0305ST-T0:05:0025658.70e0103ST-T0:20:3712822.75e0103ST-T0:40:08128335.42100MIT-BIH0:15:001280e0111ST-T0:37:4012842.50103MIT-BIH0:03:0025624.68e0105ST-T0:05:20128108.56e0105ST-T1:40:10128116.74611MIT-BIH0:04:2225635.66116MIT-BIH0:18:151280

2 TWA譜分析法檢測中對齊方式的

研究討論

2.1 兩種對齊方式比較

數字信號技術所識別的電交替為微伏量級信號，因此計算變量的選擇將影響交替信號的提取，其中對齊方式的不同將影響譜分析TWA檢測結果。好的對齊方式能夠降低噪聲，增大交替峰值。

本文比較了兩種對齊方式，一種是基于峰值對齊[13]，即各心拍峰值點對齊，左右加等長度窗，但心電波形的多樣化導致其特征點檢測較難準確一致，從而使對齊效果變差，影響檢測結果；另一種是點乘最大對齊，即在前文算法驗證中所用。這種對齊方式是指心拍在一定的窗口M內移動，取與模板心拍點乘最大的心拍序列為被測序列，從而使T波能夠最大程度地對齊。點乘對齊能夠減少心拍間內差，以達到TWA檢測的最大交替峰值和最低噪聲[11]。

2.2 對齊方式仿真驗證

我們對這兩種對齊方式進行仿真比較。在峰值對齊中，首先檢測峰值點，左右各加窗150 ms，然后對形成的T波矩陣進行譜分析檢測；在點乘對齊中，首先從起點選取300 ms的T波段窗口，疊加128個心搏T波段，平均得到T波模板；然后在T波窗寬內轉換為一系列心搏，方法為將每一心搏以速度為1 ms、寬度為起點前30 ms到起點后30 ms的窗口移動；最后將該系列心搏與得到的T波模板求點乘，選取點乘最大的序列作為研究的交替數據段。當窗口M與移動速度同為1時，兩種對齊方式等效。本文采用譜分析法對上述兩種對齊方式進行仿真討論，實驗數據來自European ST-T數據庫中的e0103號、e0105號、e0111號數據及MIT-BIH心律失常數據庫中的103號數據。檢測結果見表3。

表3 基于不同對齊方式的TWA檢測結果Table 3 TWA amplitude results based on different alignment strategy

從表3中可以觀察到點乘對齊方式所檢測的TWA幅值略大于峰值對齊的結果。在譜分析法檢測中已假定T波交替分布在整個T波段范圍上，而事實上真正的交替只是出現在其中的一小段上[14]，因此利用譜分析法所檢測到的TWA幅度較于真實幅度都有所降低。綜上所述，點乘對齊所測的略大的交替幅度更接近于真實幅度，這恰好驗證了在TWA譜分析檢測中點乘對齊方式更為準確。

3 結 語

譜分析法檢測電交替信號是目前發展最成熟的TWA檢測技術，它通過檢測拍頻域中0.5 cycle/beat頻率處的功率譜值來檢測T波交替。在檢測過程中T波對齊方式的不同將影響檢測結果。本文介紹了利用頻域譜分析檢測T波交替的方法，并進行仿真驗證，著重討論了兩種T波對齊方式對TWA譜分析檢測的影響并得出結論。T波交替變異現象詳細的發生機制和完善的檢測技術仍有待于今后進一步研究。

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