在Poincare散點圖與一階差分散點圖基礎上,提出基于RR間期及RR間期一階差分散點圖(即RdR)的新型心率變異性分析方法。RdR散點圖橫坐標為RR間期,縱坐標為相鄰RR間期之差。RdR散點圖同時包含RR間期及RR間期變化的信息,可捕捉更多心率變異性信息。對MIT-BIH心律失常數據庫中相關數據進行RdR散點圖分析后,發現對非偶聯的早搏、偶聯的二聯律和三聯律早搏及混合型早搏具有特異的圖形特征,其鑒別能力高于Poincare散點圖,又比一階差分散點圖簡單直觀。
引用本文： 陸宏偉, 呂秀云, 王春芳, 花有園, 田佳佳, 劉世海. 基于RdR新型散點圖心率變異性研究. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(4): 747-750. doi: 10.7507/1001-5515.20140139 復制
引言
心率變異性(heart rate variability,HRV)分析，即對RR間期(心電相鄰R波間隔)的研究，在評價心血管系統功能和預測心血管疾病的急性發作方面有重要意義。產生心率波動的因素非常復雜，包括腦的高級神經活動、中樞神經系統的自發性節律活動、呼吸活動以及由壓力、化學感受器導入的心血管反射活動等。上述各種因素最終通過對心臟的交感神經和迷走神經的綜合調節作用影響心率波動。可見RR間期蘊含了有關心血管調節的大量信息，對這些信息的提取和分析可以定量評估心臟交感神經和迷走神經活動的緊張性、均衡性及其對心血管系統活動的影響。臨床醫學證明：急性心肌梗死、心猝死、充血性心衰、高血壓病、冠心病等心血管疾病，甚至糖尿病患者的心率變化都較正常人顯著降低。HRV的研究對心血管疾病的早期診斷、病中監護及預后評估等均有重要意義，成為新的無損傷檢測心臟功能的手段。
Poincare散點圖是描述HRV的重要指標[1-2]，常用連續RR間期在直角坐標上作散點圖，反映相鄰RR間期的變化，能顯示RR間期的整體特征。Poincare散點圖區域有各種形態，如彗星狀、魚雷狀、短棒狀、扇形等[3]。不同的散點區域，反映了心臟不同的病理狀態或心率變異信息[4-8]。Poincare散點圖簡單，圖形能較好地反映不同的心律失常模式，是一種較好的HRV分析方法。但是，它不能很好地反映HRV隨時間變化的趨勢，不能完全體現RR間期的變化信息，對某些疾病的HRV性質不能很好地顯示。于是，有學者提出一階差分散點圖法[9-11]，即以相鄰RR間期的差值(Rn+2-Rn+1,Rn+1-Rn)作圖。一階差分散點圖突出了相鄰RR間期的變化，用于非偶聯的早搏、偶聯的二聯律和三聯律早搏及混合型早搏時可顯示特異的圖形特征[9]。然而，一階差分散點圖又丟失了RR間期的絕對值信息。因此，本文提出一種RdR散點圖，將Poincare散點圖與一階差分散點圖的特點有效結合起來，以期同時反映RR間期及其變化。
1 方法
1.1 RdR散點圖
令ΔRRn=RRn-RRn-1，RRn為第n個RR間期。以RRn為橫坐標，ΔRRn為縱坐標依次繪點，即得到RdR散點圖。RdR散點圖橫坐標描述RR間期信息，縱坐標反映相鄰兩個RR間期的變化。
1.2 數據
本文數據取自MIT-BIH心律不齊數據庫[12]，表 1是作散點圖時用到的數據記錄。由于各段記錄的RR間期數從1 468~2 939不等，為了便于比較，都取前1 468個RR間期。
表1
本文用到的MIT-BIH心律不齊數據庫記錄
Table1.
Records used in MIT-BIH arrhythmias database
2 散點圖HRV研究
2.1 竇性心率散點圖
如圖 1(a)所示，竇性心率Poincare散點圖為彗星狀，位于對角線附近。如圖 1(b)所示，一階差分散點圖呈現散點集中的圓形區域，圓形區域較小，說明逐次心臟搏動變化很小，顯示了心率的穩定變化。竇性心率RdR散點圖如圖 1(c)所示。可見，Poincare散點圖相鄰RR間期變化顯示不明顯，一階差分散點圖完全丟失了RR間期的絕對值信息，而RdR散點圖同時包含RR間期的絕對值和相鄰RR間期變化的信息。
圖1
MIT-BIH記錄101的散點圖
(a)Poincare散點圖；(b)一階差分散點圖；(c)RdR散點圖
Figure1. Scatter plot of record 101(a) Poincare plot； (b) first order difference plot； (c) RdR plot
2.2 不固定偶聯間期早搏散點圖
圖 2(a)為不固定偶聯間期早搏RR間期時序圖，分為三個區域，區域A：RR間期在1 s附近；區域B：RR間期為0.75 s左右；C區：RR間期約0.5 s。因點多圖密，看不出心率在三個區域中是如何跳變的。圖 2(b)為Poincare散點圖，在中心區域周圍有三個小的散點區域，分別位于中心區域4的左上方1、正右方2和正下方3。區域1表示心率由區域C向區域A的跳變，區域2表示心率由區域A向區域B的跳變，區域3表示心率由區域B向區域C的跳變，區域4表示心率維持在區域B。可見，Poincare散點圖清楚地描述了心率在不同區域中的跳變。圖 2(c)為一階差分散點圖，在中心區域周圍有4個散點區域。一階差分散點圖也能描述心率在不同區域中的跳變，但由于兩個坐標都是相鄰RR間期的差值，所以丟失了RR間期絕對值信息，且圖形相對復雜，若要與圖 2(a)對照說明比較困難。圖 2(d)為RdR散點圖，在中心區域Ⅳ周圍有三個散點區域，區域Ⅰ表示心率由區域C向區域A的跳變，區域Ⅱ表示心率由區域A向區域B的跳變，區域Ⅲ表示心率由區域B向區域C的跳變，區域Ⅳ表示心率維持在區域B。可見，RdR散點圖清楚地描述了心率在不同區域中的跳變，而且同時包含RR間期絕對值及相鄰RR間期變化信息，更能準確捕捉心率及其變化，且比一階差分散點圖更簡單直觀。
圖2
MIT-BIH記錄116的RR間期時序圖及其散點圖
(a)RR間期時序圖；(b)Poincare散點圖；(c)一階差分散點圖；(d)RdR散點圖
Figure2. RR intervals series and its scatter plot of record 116(a) RR intervals series； (b) Poincare plot； (c) first order difference plot； (d) RdR plot
2.3 固定偶聯間期早搏散點圖
2.3.1 二聯律早搏
圖 3(a)、(b)、(c)分別為二聯律早搏的Poincare散點圖、一階差分散點圖及RdR散點圖。Poincare散點圖上，二聯律在中心區域兩側有兩個散點區域，這兩個區域沿對角線對稱。一階差分散點圖上，A區域代表竇性心率，B和C區域是二聯律特有的區域。RdR散點圖上，區域2代表竇性心率，區域1和3是二聯律特有的區域。
圖3
MIT-BIH記錄200的散點圖
(a)Poincare散點圖；(b)一階差分散點圖；(c)RdR散點圖
Figure3. Scatter plot of record 200(a) Poincare plot； (b) first order difference plot； (c) RdR plot
2.3.2 三聯律早搏
圖 4(a)、(b)、(c)分別為三聯律早搏的Poincare散點圖、一階差分散點圖及RdR散點圖。Poincare散點圖上，三聯律在中心區域A周圍有三個散點區域B、C、D，位于中心區域的左上方、正右方和正下方。一階差分散點圖上，區域1代表竇性心率，區域2、3、4是三聯律特有的區域。RdR散點圖上，區域Ⅰ代表竇性心率，區域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ是三聯律特有的區域。
圖4
MIT-BIH記錄208的散點圖
(a)Poincare散點圖；(b)一階差分散點圖；(c)RdR散點圖
Figure4. Scatter plot of record 208(a) Poincare plot； (b) first order difference plot； (c) RdR plot
2.4 混合早搏散點圖
圖 5為MIT-BIH心律失常數據庫中記錄106的RR間期散點圖，該記錄同時出現非偶聯早搏、二聯律早搏和三聯律早搏。Poincare散點圖上，二聯律早搏特征明顯，但非偶聯早搏和三聯律早搏特征不明顯。可見，盡管Poincare散點圖可較好地單獨鑒別上述三種早搏，但判別非偶聯早搏的散點區域和三聯律早搏的散點區域幾乎完全重疊，二聯律早搏的左上方區域也和其他兩種早搏的左上方重疊，因此，Poincare散點圖不易鑒別各種混合早搏。而采用一階差分散點圖或RdR散點圖，三種早搏重疊區域很小，周圍散點區域更大，容易辨別。尤其是RdR散點圖更簡潔，特征更明顯，可很好地鑒別混合早搏。
圖5
MIT-BIH記錄106的散點圖
(a)Poincare散點圖；(b)一階差分散點圖；(c)RdR散點圖
Figure5. Scatter plot of record 106(a) Poincare plot； (b) first order difference plot； (c) RdR plot
3 結論
RdR散點圖對于非偶聯早搏、二聯律早搏和三聯律早搏具有特定形態，可區分三類早搏及同時包含上述兩種或兩種以上的混合早搏，還可依據散點區域的密度，判斷早搏的發生頻率。對混合型早搏的鑒別中，RdR散點圖比Poincare散點圖更有優勢。RdR散點圖結合了Poincare散點圖與一階差分散點圖的優點，可同時反映RR間期與RR間期變化的信息，可作為研究HRV的一種新方法。然而本文只是初步工作，只能根據散點圖的形狀人工目測區分各種早搏，若要自動分析還需提取特征參數，如利用聚類算法求得點集的數目及位置，進一步的工作正在進行中。
引言
心率變異性(heart rate variability,HRV)分析，即對RR間期(心電相鄰R波間隔)的研究，在評價心血管系統功能和預測心血管疾病的急性發作方面有重要意義。產生心率波動的因素非常復雜，包括腦的高級神經活動、中樞神經系統的自發性節律活動、呼吸活動以及由壓力、化學感受器導入的心血管反射活動等。上述各種因素最終通過對心臟的交感神經和迷走神經的綜合調節作用影響心率波動。可見RR間期蘊含了有關心血管調節的大量信息，對這些信息的提取和分析可以定量評估心臟交感神經和迷走神經活動的緊張性、均衡性及其對心血管系統活動的影響。臨床醫學證明：急性心肌梗死、心猝死、充血性心衰、高血壓病、冠心病等心血管疾病，甚至糖尿病患者的心率變化都較正常人顯著降低。HRV的研究對心血管疾病的早期診斷、病中監護及預后評估等均有重要意義，成為新的無損傷檢測心臟功能的手段。
Poincare散點圖是描述HRV的重要指標[1-2]，常用連續RR間期在直角坐標上作散點圖，反映相鄰RR間期的變化，能顯示RR間期的整體特征。Poincare散點圖區域有各種形態，如彗星狀、魚雷狀、短棒狀、扇形等[3]。不同的散點區域，反映了心臟不同的病理狀態或心率變異信息[4-8]。Poincare散點圖簡單，圖形能較好地反映不同的心律失常模式，是一種較好的HRV分析方法。但是，它不能很好地反映HRV隨時間變化的趨勢，不能完全體現RR間期的變化信息，對某些疾病的HRV性質不能很好地顯示。于是，有學者提出一階差分散點圖法[9-11]，即以相鄰RR間期的差值(Rn+2-Rn+1,Rn+1-Rn)作圖。一階差分散點圖突出了相鄰RR間期的變化，用于非偶聯的早搏、偶聯的二聯律和三聯律早搏及混合型早搏時可顯示特異的圖形特征[9]。然而，一階差分散點圖又丟失了RR間期的絕對值信息。因此，本文提出一種RdR散點圖，將Poincare散點圖與一階差分散點圖的特點有效結合起來，以期同時反映RR間期及其變化。
1 方法
1.1 RdR散點圖
令ΔRRn=RRn-RRn-1，RRn為第n個RR間期。以RRn為橫坐標，ΔRRn為縱坐標依次繪點，即得到RdR散點圖。RdR散點圖橫坐標描述RR間期信息，縱坐標反映相鄰兩個RR間期的變化。
1.2 數據
本文數據取自MIT-BIH心律不齊數據庫[12]，表 1是作散點圖時用到的數據記錄。由于各段記錄的RR間期數從1 468~2 939不等，為了便于比較，都取前1 468個RR間期。
表1
本文用到的MIT-BIH心律不齊數據庫記錄
Table1.
Records used in MIT-BIH arrhythmias database
2 散點圖HRV研究
2.1 竇性心率散點圖
如圖 1(a)所示，竇性心率Poincare散點圖為彗星狀，位于對角線附近。如圖 1(b)所示，一階差分散點圖呈現散點集中的圓形區域，圓形區域較小，說明逐次心臟搏動變化很小，顯示了心率的穩定變化。竇性心率RdR散點圖如圖 1(c)所示。可見，Poincare散點圖相鄰RR間期變化顯示不明顯，一階差分散點圖完全丟失了RR間期的絕對值信息，而RdR散點圖同時包含RR間期的絕對值和相鄰RR間期變化的信息。
圖1
MIT-BIH記錄101的散點圖
(a)Poincare散點圖；(b)一階差分散點圖；(c)RdR散點圖
Figure1. Scatter plot of record 101(a) Poincare plot； (b) first order difference plot； (c) RdR plot
2.2 不固定偶聯間期早搏散點圖
圖 2(a)為不固定偶聯間期早搏RR間期時序圖，分為三個區域，區域A：RR間期在1 s附近；區域B：RR間期為0.75 s左右；C區：RR間期約0.5 s。因點多圖密，看不出心率在三個區域中是如何跳變的。圖 2(b)為Poincare散點圖，在中心區域周圍有三個小的散點區域，分別位于中心區域4的左上方1、正右方2和正下方3。區域1表示心率由區域C向區域A的跳變，區域2表示心率由區域A向區域B的跳變，區域3表示心率由區域B向區域C的跳變，區域4表示心率維持在區域B。可見，Poincare散點圖清楚地描述了心率在不同區域中的跳變。圖 2(c)為一階差分散點圖，在中心區域周圍有4個散點區域。一階差分散點圖也能描述心率在不同區域中的跳變，但由于兩個坐標都是相鄰RR間期的差值，所以丟失了RR間期絕對值信息，且圖形相對復雜，若要與圖 2(a)對照說明比較困難。圖 2(d)為RdR散點圖，在中心區域Ⅳ周圍有三個散點區域，區域Ⅰ表示心率由區域C向區域A的跳變，區域Ⅱ表示心率由區域A向區域B的跳變，區域Ⅲ表示心率由區域B向區域C的跳變，區域Ⅳ表示心率維持在區域B。可見，RdR散點圖清楚地描述了心率在不同區域中的跳變，而且同時包含RR間期絕對值及相鄰RR間期變化信息，更能準確捕捉心率及其變化，且比一階差分散點圖更簡單直觀。
圖2
MIT-BIH記錄116的RR間期時序圖及其散點圖
(a)RR間期時序圖；(b)Poincare散點圖；(c)一階差分散點圖；(d)RdR散點圖
Figure2. RR intervals series and its scatter plot of record 116(a) RR intervals series； (b) Poincare plot； (c) first order difference plot； (d) RdR plot
2.3 固定偶聯間期早搏散點圖
2.3.1 二聯律早搏
圖 3(a)、(b)、(c)分別為二聯律早搏的Poincare散點圖、一階差分散點圖及RdR散點圖。Poincare散點圖上，二聯律在中心區域兩側有兩個散點區域，這兩個區域沿對角線對稱。一階差分散點圖上，A區域代表竇性心率，B和C區域是二聯律特有的區域。RdR散點圖上，區域2代表竇性心率，區域1和3是二聯律特有的區域。
圖3
MIT-BIH記錄200的散點圖
(a)Poincare散點圖；(b)一階差分散點圖；(c)RdR散點圖
Figure3. Scatter plot of record 200(a) Poincare plot； (b) first order difference plot； (c) RdR plot
2.3.2 三聯律早搏
圖 4(a)、(b)、(c)分別為三聯律早搏的Poincare散點圖、一階差分散點圖及RdR散點圖。Poincare散點圖上，三聯律在中心區域A周圍有三個散點區域B、C、D，位于中心區域的左上方、正右方和正下方。一階差分散點圖上，區域1代表竇性心率，區域2、3、4是三聯律特有的區域。RdR散點圖上，區域Ⅰ代表竇性心率，區域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ是三聯律特有的區域。
圖4
MIT-BIH記錄208的散點圖
(a)Poincare散點圖；(b)一階差分散點圖；(c)RdR散點圖
Figure4. Scatter plot of record 208(a) Poincare plot； (b) first order difference plot； (c) RdR plot
2.4 混合早搏散點圖
圖 5為MIT-BIH心律失常數據庫中記錄106的RR間期散點圖，該記錄同時出現非偶聯早搏、二聯律早搏和三聯律早搏。Poincare散點圖上，二聯律早搏特征明顯，但非偶聯早搏和三聯律早搏特征不明顯。可見，盡管Poincare散點圖可較好地單獨鑒別上述三種早搏，但判別非偶聯早搏的散點區域和三聯律早搏的散點區域幾乎完全重疊，二聯律早搏的左上方區域也和其他兩種早搏的左上方重疊，因此，Poincare散點圖不易鑒別各種混合早搏。而采用一階差分散點圖或RdR散點圖，三種早搏重疊區域很小，周圍散點區域更大，容易辨別。尤其是RdR散點圖更簡潔，特征更明顯，可很好地鑒別混合早搏。
圖5
MIT-BIH記錄106的散點圖
(a)Poincare散點圖；(b)一階差分散點圖；(c)RdR散點圖
Figure5. Scatter plot of record 106(a) Poincare plot； (b) first order difference plot； (c) RdR plot
3 結論
RdR散點圖對于非偶聯早搏、二聯律早搏和三聯律早搏具有特定形態，可區分三類早搏及同時包含上述兩種或兩種以上的混合早搏，還可依據散點區域的密度，判斷早搏的發生頻率。對混合型早搏的鑒別中，RdR散點圖比Poincare散點圖更有優勢。RdR散點圖結合了Poincare散點圖與一階差分散點圖的優點，可同時反映RR間期與RR間期變化的信息，可作為研究HRV的一種新方法。然而本文只是初步工作，只能根據散點圖的形狀人工目測區分各種早搏，若要自動分析還需提取特征參數，如利用聚類算法求得點集的數目及位置，進一步的工作正在進行中。
