1、1 认 识 心 电 散 点 图 中国中医科学院望京医院 李方洁 心电散点图（Lorenz 散点图）是基于非线性理论和计算机技术,用于长程心电数据分 析的一种新方法，是以数据高度集中的方式，将长程心电数据制作成一枚具有全心搏“可 视性”的图形。心率变异性（HRV）的不同的变化模式和多数心律失常都有特异性图形，可 在一枚图上将 24 小时或更长的心电数据“尽收眼底”,直观地判断 HRV 与心律失常的类型 1。 一 心电散点图的理论基础及其认识与发展 1.名称的沿革 Lorenz 散点图的名称来源于英文 Lorenz plot，或 Poincare plot，分别以“混沌理 论之父” 、美国麻省理工
2、学院教授、动力气象学家 E.N.Lorenz 和混沌理论的奠基者、法国 数学物理学家 J.H.Poincare 的姓氏命名。因其图形呈散点状，又称散点图（Scatter plot、Scatter map） 2。近年来将散点图方法用于连续心电信号的描记，先后称为 Lorenz 图、RR-间期 Lorenz 图、Lorenz 散点图、RR 间期散点图（RR-interval Plott） 3- 20。2010 年国内郭继鸿教授建议使用“心电散点图” 。 2理论基础 非线性混沌理论是数学科学中一门年轻的分支，自理论创立，在科学界广泛被认同， 至今只有几十年时间,其最重要贡献是发现并认识到自然界乃至人
3、类社会中普遍存在的是非 线性系统，而线性系统和随机只是隶属于非线性系统之中的一部分。非线性系统的行为模 式包括“线性” （具有规律性，其变化模式可被预测）和“随机” （无规律性，其变化模式 不能被预测）以及介于线性与随机之间的行为模式“混沌” 。在非线性系统中混沌是其 主要行为模式。 非线性混沌理论的另一个重要贡献是指出，过去一些被认为杂乱无章，完 全无规律的“随机”现象其实可能是混沌行为，通过对混沌的定性、定量研究，在某种程 度上其规律可以被掌握、其行为可以被预测 21。 3混沌理论及其方法学在心电学中的应用 近年来随着非线性科学的迅速发展，已经证实，人体属于非线性巨系统，其心电信号 具有混
4、沌特征，与传统的线性方法相比，采用非线性方法，能捕捉到人体更多的生理与病 理信息 22。在国外，二十世纪中期就有人开始了对心律失常的数学建模探索，而70年代开 2 始加拿大麦吉尔大学的物理、生理学家Leon Glass等人对胚胎鸡心脏自律细胞进行周期性 电刺激的实验，则是真正意义上对心脏节律活动中混沌现象的研究，曾经是混沌理论问世 以来短短的历史中最受注目的研究项目之一 23。 80 年代，马场康维等绘制了一组临床资料的 Lorenz 图（图 1） 24山崎秀树等编制的 Lorenz 图时间序列解析系统和 Lorenz 图心电节律解析系统被用于医学研究领域 25。90 年代，Anan 等学者发
5、表了心房颤动伴预激传导及不同室性早搏的图形，对室性早搏图形的 发生进行了解析 26-27；Chishaki 观察并分析了心房颤动散点图表现的房室结电生理特性 28-29。这一时期，国外很多学者关注散点图的机理，观察散点图对判断疾病预后和对 HRV 分析的作用，对心律失常的研究则集中于心房颤动的图形 30-43。2004 年 Akiko 等分析了 房颤中室性心律失常 RR 间期动态变化特征与临床因素的关系 44；2008 年 Hans 等对常见 心律失常的图形进行了分析和阐述 45。 图 1. 马场康维等描制的 Lorenz 图 （1） 、 （2）窦性心搏；（3）呼吸性窦不齐；（4）室性早搏；（
6、5）间位性室性早搏；（6）复合型室 性早搏；（7）配对间期不固定的室性早搏；（8）室性并行心律；（9）房性早搏；（10）房性早搏伴房 早未下传；（11）配对间期不固定的房性早搏；（12）窦不齐、一过性窦停搏、早搏、逸搏心律等混合型 心律失常；（13）房室阻滞 2：1 传导；（14） 、 （15）心房颤动。 90 年代，郭继鸿向国内介绍了混沌理论、心脏电活动中的混沌现象，及 Leon Glass 等对胚胎鸡心脏自律细胞进行电刺激的著名研究 46；郭成军等阐述了心房颤动中以自旋 波为表象的混沌现象, 以及探讨运用散点图跟踪心脏 RR 间期变化的方法与意义 47-48；吕 3 可诚等进行了人体心搏散
7、点图动力学复杂性的实验观察 49；李方洁等观察临床若干常见 心律失常的散点图特征，并解析其发生机理 3。2005 年江声选、时翠华等分析了心电散点 图对 HRV 的诊断价值 50；2006 年彭晓榕等发表了 538 例 16、李方洁发表了 1153 例 17 临床心电散点图与动态心电图的对比分析结果，证实其对临床长程心电数据的诊断作用。 二 心电散点图制作与诊断标准 目前用于非线性研究的方法主要有非线性参数估算和图形法 22，前者有复杂度、测 度熵、分维数、Lyapunov 指数等，后者即 Lorenz 散点图。图形法所表现的是系统行为模 式的几何结构“吸引子”的图形。心电散点图就是 RR 间
8、期动态变化模式的“奇怪吸引 子”的截面图，目前有二维、三维及差值（修正的）心电散点图，现在临床应用的仅有二 维图形。 1.心电散点图制作方法 7 目前一些动态心电分析仪的 HRV 板块中都装有心电散点图系统，可以自动生成心电散 点图。作图原理是建立横轴为 X，纵轴为 Y 的二维坐标系，X 轴数值代表任意 RR 间期 （RRn） ，Y 轴数值代表紧随其后的 RR 间期（RRn+1） 。以动态心电图连续记录的长程 RR 间 期为数据来源，在坐标系中，按时间序列追踪描记出 X=RRn，Y=RRn+1 的点（图 2） 。当数 据量达到一定程度时，出现散点状图形。 2-1 2-2 2- 3 2- 4 4
9、 图 2.心电散点图制作方法 图 2-1 正常窦性心搏动态心电图片段，其 RR 间期依次是 RR1（804ms） 、RR2(812ms)、RR3(789ms)、 RR4(781ms)、RR5(789ms)，P1、P2、P3、P4 是欲被制作的散点；图 2-2 是正常窦性心搏的心电散点图的 制作过程，图中 P 代表作成的散点，P1 的位置取决于 RR1 在 X 轴上的数值、RR2 在 Y 轴上的数值。P2 的 位置由 RR2 的 X 值和 RR3 的 Y 值来确定。同样 P3 亦由 RR3、RR4 来确定，依此类推；图 2-3 是做成的心电 散点图的示意图；图 2-4 是临床真实的正常窦性心律心
10、电散点图。 2. 图形说明 51 2.1 子图数目 在心电散点图中，常见一分布图形（图 3-1） 、二分布图形（图 3-2） 、三分布图形（图 3-3） 、四分布图形（图 3-4） 、五分布图形（图 3-5） 。 2.2 子图名称 心电散点图中主要有 A、B、C、D、E 五种子图。 “A 图” ，在图 3-1 至图 3-5 中，特点 是分布于斜率为 1 的直线上，是窦性心搏的图形，在任何长程心电图中，只要有窦性心搏 存在，即可见到 A 图。 “B 图” ，在一组图形中最靠近 X 轴的线状图形，是早搏联律间期的 图形表现。 “C 图” ，是一组图形中最靠近 Y 轴的线状图形，是早搏代偿间期的图形
11、表现； “D 图”位于 A 图与 B 图之间的线状图形，是代偿间期与其后正常窦性 RR 间期关系的反映。 “E 图”多分布于 A 图与 C 图之间，是心率震荡的图形表现。 2.3 图形形态 心电散点图具多态性。窦性心搏的多态性有 HRV 正常的棒球拍形，及 HRV 异常的类球 拍形、收缩形、扩张形、粗棒状、细棒状、梭形、雨滴形。心律失常的图形有扇形、 格子形等，及不同形态的重叠图形。 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 图 3. 临床常见心电散点图的示意图 图 3-1 是一分布的 A 图；3-2 与 3-3 均呈三分布，由 A、B、C 三个子图组成；3-4 为四分布
12、，由 A、B、C、D 四个子图组成；3-5 为五分布由 A、B、C、D、E 五个子图组成；3-6 为扇形分布；3-7 为三分布， 由扇形与 B、C 三个子图组成；3-8 为“格子形” 。 5 4-1 棒球拍形 4-2 类棒球拍形 4-3 收缩形 4-4 扩张形 4-5 扩张形 4-6 粗棒状 4-7 粗棒状 4-8 细棒状 4-9 梭形 4-10 梭形 4-11 雨滴状 4-12 不规则形 4-13 近圆形 4-14 双圆形 4-15 双圆形 图 4.窦性心搏散点图的不同形态 2.4 图形长轴 心电散点图的图形大部分呈线状。A 图的长轴为“A 线” ，B 图的长轴为“B 线” ，C 图 的长轴
13、为“C 线” ，E 图的长轴为“E 线” 。在心律失常诊断中 B 线形态与心律失常鉴别诊断 密切相关。 3诊断标准 51 目前国内外尚无统一标准，根据已有的临床研究，窦性心电散点图的图形与 HRV 的变化， 即与自主神经的功能状态有关，图形的面积与总体 HRV 呈正相关，图形长度与代表交感张 力的时域、频域相关指标呈正相关，图形宽度与代表迷走张力的时域、频域相关指标呈正 相关。 对于心律失常，根据“诊断三要素”- 子图数目、图形形态、B 线形态，即可做出 大体诊断。 窦性心律：一分布图形，分布形式是只有一个 A 图。 （图 5-1） 室上性早搏：符合以下条件之一者。 6 1）三分布图形（图 5
14、-2） ，B 线有一定斜率。 2）四分布图形（图 5-3） ，B 线有一定斜率。 室性早搏：符合以下条件之一者。 1）四分布图形（图 5-4） ，B 线与 X 轴平行。 2）三分布图形（图 5-5） ，B 线与 X 轴平行，是室性早搏二联律的特征表现。 3）二分布图形（图 5-6） ，B 线与 X 轴平行，是持续性室性早搏二联律的特征表现。 心房颤动（图 5-7）：扇形图形，扇形底边有一定斜率。 心房扑动（图 5-8）：格子状有序多分布图形，是传导比例变化的心房扑动。 心房颤动伴室性早搏（图 5-9）：扇形图形底边下方存在一条与 X 轴平行的线状图形 。 心房颤动伴室内差异性传导（图 5-10
15、）：存在一条与扇形底边完全重叠或在其上方完 全与其平行的线状图形。 心房颤动合并心房扑动（图 5-11）：扇形中隐约存在格子形。 反复发生的一过性窦房阻滞（或窦停搏） 、二度 II 型房室阻滞、室上性早搏未下传、 动态心电图漏识的窦性 RR 间期，均可呈特殊三分布或类似特殊三分布图形（图 5-12） 。 5-1 正常窦性心搏 5-2 室上性早搏 5-3 室性早搏 5-4 差异性传导 5-5 阵发室早二联律 5-6 持续室早二联律 7 5-7 心房颤动 5-8 心房扑动 5-9 心房颤动伴室早 5-10 心房颤动伴差传 5-11 房颤伴房扑 3-12 特殊三分布 图 5.不同心律失常的 Lore
16、nz 散点图 图 5-1 一分布图形；图 5-2、3 是室上性期前收缩，分别为三分布和四分布图形；图 5-4 是室性期前 收缩，四分布图形；图 5-5 是室性期前收缩二联律；图 5-6 是持续性室性期前收缩二联律的二分布图形； 图 5-7 是心房颤动的扇形图形；图 5-8 是心房扑动的格子状有序多分布图形；图 5-9 是心房颤动伴室性期 前收缩的扇形图形，但图形底边下方存在一条与 X 轴平行的线性图形；图 5-10 是心房颤动伴室内差异性 传导的扇形图形，存在一条与扇形底边完全重叠或在其上方完全与其平行的线性图形；图 5-11 心房颤动 合并心房扑动扇形中隐约存在格子状图形。图 5-12 是反
17、复发生的一过性窦停搏、二度 II 型窦房阻滞、二 度 II 型房室阻滞、室上性早搏未下传的共有图形。 三 心电散点图的特点及与传统动态心电图的关系 1.对心律失常的分析原理 动态心电图与散点图都是长程心电数据的分析方法，前者依靠计算机自动识别出宽而 高大的 QRS 波诊断室性心律失常，依靠相邻两 RR 间期变化的比例关系诊断室上性心律失常 （注：后一 RR 间期较前一 RR 间期缩短15%通常被归为室上性异位心搏） ；而后者的图形 反映 RR 间期关系及其变化规律，不同性质的心律失常有不同类型的 RR 间期关系及其变化 规律，可以表现为特征性的散点图图形，可由经过培训的操作者自主识别。 2.
18、分析心律失常的各自的优势 动态心电图与散点图都可独立分析心律失常，前者可在计算机自动分析的基础上由操 作者在“编辑”框中修改；后者可从散点图分析页面回放实时心电图，由操作者识别波形 8 后，再回到散点图分析页面进行“批量”修改。就导联而言，动态心电图的导联数越多对 心律失常的诊断准确率就越高，散点图只需要单导联就能清晰表现心律失常的图形。 散点图的独特优势：有整体的视觉直观性，用一枚图形清晰、 “透明”的表达长程记 录的全心搏，对 HRV 和心律失常快速诊断；不同起源的激动有不同图形，故能定位激动的 起源，对貌似房颤或房扑的伴隐匿传导的无休止室上性心动过速、貌似窦性心律不齐和窦 性心动过速的房
19、性心律失常、对动态心电图漏识别的室上性心律失常、对房颤伴宽 QRS 波 的鉴别诊断均具有独特优势；散点图对 HRV 的表达具有视觉直观性，有助于操作者自主识 别出伪差对 HRV 分析结果产生的影响。 目前认为，在 HRV 和心律失常分析中，将动态心电图与心电散点图互补应用获益最大。 参考文献 1.李方洁. Lorenz 散点图. 临床心电学杂志，2005,14(11):307 2.李方洁.混沌理论与心电学的结合. 中国心脏起搏与心电生理杂志. 2003，17(6):407-411 3.李方洁,樗木晶子,竹下彰.RR-Lorenz 图用于心律失常分析.心功能杂志.1997,9(3):157-15
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