高频心电技术研究进展.pdf
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1、Chinese Journal of Biomedical Engineering2023年8 月August2023中医国生No.4Vol.42程报物学学42卷4期高频心电技术研究进展邢彦涛1李嘉懿1肖志军1李建清1,2刘澄玉1#*(东南大学仪器科学与工程学院,生物电子学国家重点实验室,南京210096)2(南京医科大学生物医学工程与信息学院,南京211166)摘要:心电图的发明为心血管疾病的诊断、预防与治疗提供了丰富的信息,然而心电图背后的信息却远不止这些。新一代高频心电技术能够挖掘更深层次的人体生理信息,进一步弥补常规心电在心肌缺血诊断以及自主神经系统状态评估上的不足。从高频心电技术的原
2、理及发展历史出发,分别在信号传感、采集系统、信号去噪以及特征工程等4个方面对高频心电的关键技术进行综述。基于这些技术的发展,进一步总结高频心电技术在心肌缺血和自主神经系统状态评估方面的临床实践和应用成果,并对高频心电在实际应用中的技术局限及未来发展进行分析与讨论。关键词:高频心电;智慧医疗;大数据;特征工程中图分类号:R318文献标志码:A文章编号:0 2 58-8 0 2 1(2 0 2 3)0 4-0 46 1-14Research Progress of High Frequency ElectrocardiographyLi JianqingXing YantaolLi JiayilX
3、iao Zhijun1,2Liu Chengyu1#*(State Key Laboratory of Bioelectronics,School of Instrument Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)2(School of Biomedical Engineering and Informatics,Nanjing Medical University,Nanjing 211166,China)Abstract:The invention of the electrocardiogram
4、 provides rich information for the diagnosis,prevention,andtreatment of cardiovascular diseases,but the information behind the electrocardiogram is far more than that.Thenew generation of high-frequency ECG technology can mine deeper human physiological information and furthermake up for the shortco
5、mings of conventional ECG in the diagnosis of myocardial ischemia and the evaluation ofautonomic nerves system status.Starting from the principle and development history of high-frequency ECGtechnology,this paper summarized the key technologies of high-frequency ECG technology in four aspectsincludi
6、ng signal sensing,acquisition system,signal denoising,and feature engineering.Based on thedevelopment of these technologies,this paper further summarized the achievements and applications of high-frequency ECG technology in the clinical practice of myocardial ischemia and autonomic nerves system sta
7、tusassessment,and analyzed and discussed the technical limitations of high-frequency ECG in practical applicationand the future development direction.Key words:high frequency ECG;intelligent medical treatment;big data;feature engineering引言中国心血管病报告2 0 2 1指出,我国每年因心血管疾病(cardiovascular disease,CVD)死亡的人数
8、占据各类疾病的首位,达到40%以上。伴随着年龄的增加,心血管疾病的发病率呈现逐渐上升的趋势。而我国的人口老龄化正在加速发展,6 0 岁及以上老年人口比例将从2 0 10 年的12.4%增长到2 0 40年的2 8%2 ,对于我国的人口健康问题提出了巨大的挑战。近年来,数字医疗技术的深入发展,为基doi:10.3969/j.issn.0258-8021.2023.04.009收稿日期:2 0 2 2-0 8-11,录用日期:2 0 2 2-0 9-2 6基金项目:国家自然科学基金(6 2 17 112 3,6 2 0 7 12 41)#中国生物医学工程学会高级会员(Seniormember,Ch
9、 i n e s e So c i e t y o f Bi o me d i c a l En g i n e e r i n g)*通信作者(Corresponding author),E-mail:c h e n g y u s e u.e d u.c n462中42卷生医报学程国学物于生理信号的研究奠定了良好基础,对于海量生理信号数据,尤其是对心电相关数据的研究,虽已取得一定成果并获得一些临床应用 3,但仍难充分解释生理信号所蕴含的丰富信息。为了促进有效防治心血管疾病,推动国家主动健康战略发展,呕待深入挖掘心电信号潜在的有益信息。因此,对高频心电的研究便是其中的重要方向。高频心电(hi
10、gh frequency electrocardiogram,HFECG)指的是使用更高采样率采集的心电图,不仅拥有常规心电图(electrocardiogram,ECG)心电信息,还有助于挖掘更深层次的生理信息 4。例如,高频心电可以实现对心肌缺血 5 快速无创检测,对部分慢性心血管疾病具有重要的辅助诊断价值,已逐渐引起心血管临床工作者的关注 6 。此外,高频心电还被应用到自主神经系统状态的评估中,NatureProtocol发表的关于同时无创记录心电图和皮肤交感神经活性的研究成果,详细阐述了利用高频心电评估自主神经系统状态的临床协议 7 此外,由于其无创性、易用性,高频心电能够用于心血管疾
11、病尤其是慢性心血管疾病的筛查以及自主神经系统状态的评估,从而实现患者的早期诊断以及风险分层,对于我国重点发展的主动健康方向意义重大,能够有效节省医疗成本,缓解紧缺医疗资源。文中首先阐述高频心电的获取机理以及发展历程,然后从传感、采集、特征角度分别综述其涉及的核心技术,尤其是对基于高频心电的关键应用进行全面的阐述和对比,最后对呕待解决的关键问题与未来挑战进行剖析与展望。1基本概念和发展历程1.1高频心电获取机理高频心电图,顾名思义,指比常规心电图有效频率范围更高的心电信号,是在常规心电图基础上发展起来的一项诊断技术 8 。常规心电图的有效频带通常在0.0 5 150 Hz9,而高频心电图则关注1
12、501000Hz的高频成分 10 。高频心电除了可以利用QRS波上的高频成分例如切迹、碎裂波 等特征来辅助诊断心肌缺血外,频率成分更高的皮肤交感神经活性(skin sympathetic nerve activity,SKNA)为实时自主神经系统状态评估提供了新的手段 12 心脏泵出血液的收缩和舒张节律由心电活动控制。正常情况下,窦房结规律的电冲动经过传导系统使心肌产生电信号,继而产生微小电流通过身体组织传导到体表,使得体表的不同部位产生不同的电位 8 。这种不同的电位可以通过放置在体表的电极感知 13。而缺血性心肌在除极过程中因传导速度减缓或连续性中断则会产生碎裂电位,这种碎裂波可以通过高频
13、心电展现 14。此外,人体皮肤组织中还遍布有丰富的交感神经 15,因此,交感神经活性也可以通过体表的高频心电信号的改变来分析。图1显示了Valsalva动作(valsalvamaneuver,VM)期间获取的高频心电典型示例16 。VM能够增加血压、心率和交感神经活性水平 17 。如图1所示,副交感神经起源于脑干(绿线),而交感神经起源于脊髓(红线),星状神经节向心脏和皮肤发送节后交感神经纤维。电极可以测量皮下交感神经活性,以反映心脏交感神经活性。心电高频信号的变Valsalva动作1.0交感神经节链0.50副交感-0.519080心脏交感7060电极060(A)VNYS50F皮肤-50交感神
14、经Time(s)图1高频心电的获取原理以及Valsalva动作下的典型信号 6 Fig.1The acquisition principle of HFECG and the typical signal diagram under the Valsalva maneuver 164634期邢彦涛,等:高频心电技术研究进展化反映了交感神经活性的激活【18 ,也就是SKNA信号,如图1的红色虚线框所示。SKNA信号是由一系列神经激活的运动单元产生的复合动作电位的综合行为。已有研究表明,SKNA信号的异常波动是心律失常开始和终止的关键指标19 1.2高频心电发展历程1869年-18 7 0 年,A
15、lexanderMuirhead在攻读博士学位期间使用汤姆森虹吸记录仪首次成功记录人类心脏的电生理活动 19 。此后,心电图由于其蕴含的丰富生理信息与临床应用价值,逐步在临床医疗、健康管理等领域发挥重要作用。150 Hz以下低频段心电图具有鲜明的节律性,研究人员基于此进行了广泛而深人的生理学和病理学研究。随着检测技术和基础研究的发展,人们发现心电信号的高频成分与一些心脏和神经活性的生理机制存在重要关联,高频心电信号的研究逐渐成为了心电图领域的重要分支,其发展脉络如图2 所示。1917年,Oppenheimer20发现心电图QRS波上存在细小切迹。随后,多项研究证实这一发现 2 1-2 3,高频
16、心电能够展示常规心电图所掩盖的生理变化,但主体研究聚焦检测手段的改进,尚未有研究说明高频成分变化的临床解释。19 53年Langner24使用带有直流放大器和前置放大器的阴极射线示波器记录健康人群与确诊过心肌梗塞的患者的12 导联心电图,发现患者人群高频QRS波的切迹(notching)、扭挫(sluring)及顿结(beading)发生率显著高于健康人群。该研究首次将高频心电与临床病理学结合。此后,基于高频心电的诊断方法被应用于多种心脏疾病检测中,如心肌炎 2 5心肌肥厚 2 6 等。张春华等 2 7 将高频心电诊断冠心病与临床金标准冠状动脉造影进行对比,两者诊断结果符合率较高,为8 3.7
17、%。相较于常规心电图根据ST-T段是否异常判断冠心病,高频心电能早于常规心电图指示异常,并且具有更高的诊断率2 8 2 9 O高频心电所反应的心脏细节的变化逐步在临床诊断、预后评估等应用中发挥巨大的应用价值。1973年Langer等 30 进一步扩大研究人群数量,基于对10 0 位健康对象与7 6 位心肌梗死预后良好的患者的对比分析,提出一个初步诊断冠心病患者的标准:3个最大肢体导联和的总切迹数3,并验证假阳性率为8%,假阴性率为7%。该标准后成为高频心电诊断研究的重要参考,我国第四届高频心电图研究会基于此标准制定了关于高频心电图操作规范和判断标准的建议 31。此外,相关研究通过频域 32 和
18、三维谱分析 33 的方法对高频心电进行特征提取。但主体研究都基于高频QRS波形及特征,且频率多集中在150 50 0 Hz的中高频段。2015年,Jiang等 15 提出了一种全新的体表高频心电信号SKNA。该技术是利用高频采集设备获取体表皮肤电信号,并从中滤出50 0 10 0 0 Hz频段信号得到SKNA。相较于心电信号,SKNA信号具有频段高、幅值低,且波形失去节律性的显著特点。在犬的临床试验中,经蜂毒明肽注射实验验证,SKNA信号与直接记录的星状神经节神经活性(s t e l l a t e g a n g l i o n n e r v e a c t i v i t y,SG NA
19、)具有良好的相关性。其中SCNA信号代表交感神经活性,说明SKNA信号可作为交感神经活性评估的一种新方法。2 0 16 年,Doytchinova等【12 首次在人体采用体表心电图机同时记录心电图及SKNA来评估交感神经活性,在冷水加压实验(cold waterpressor test,CPT)和VM等交感神经显著变化场景下,证实SKNA信号可较好地区分交感神经变化间期和平稳间期。此后,多项研究验证了SKNA可以有效评估房颤患者 34、阻塞性睡眠呼吸暂停患者 35 和血液透析患者 36 等群体的交感神经活性变化。SKNA信号区别于传统的高频心电,研究方法不再关注QRS波形,而是更高频段下的信号
20、统计学特征与幅频能量。随着近年来的研究深入,SKNA方法逐步首次发现心电高频心电评估交感神高频心电评估国外提出简化版心肌图QRS波.上存经活性的概念首次在交感神经的完缺血诊断标准在细小切迹动物实验中验证整协议被提出18721953199320161917197320152020首次记录到研究发现冠心病患者国内制定了关于高频进一步在志愿者中心电信号心电高频成分发生率心电图操作规范和判断验证高于健康人群标准的建议图2高频心电技术发展脉络Fig.2Development of HFECG Technology464中42卷医国程报学物学成为高频心电研究的重要分支,尽管临床基础研究对于SKNA的机制并
21、不清楚,但其采集无创性与评估有效性使其在交感神经活性评估方面应用前景广阔。2关键技术2.1信号传感各类电生理信号可以通过将非侵入性电极放置在皮肤表面上获得,以充当身体和测量系统之间的导电接口。因此,电极的性能对获得的信号质量至关重要。随着材料和纳米技术的发展,许多研究者已经开发了多种类型的电极用于临床和穿戴式应用场景 37 。例如,传统湿电极在信号采集方面表现优异,广泛用于临床应用 38 。这种电极在测试前通常会预凝胶或注入凝胶。凝胶可以降低电极-皮肤界面的等效电阻并提高其稳定性 39】,例如基于聚3,4亚乙基二氧噻吩40 和聚吡咯(polypyrrole,PPy)41 都是常用的凝胶材料。然
22、而,一些凝胶材料在长期使用后可能会引起皮肤刺激和性能下降。干电极,即非凝胶电极,恰好解决了湿电极无法适应长期可穿戴的缺点 42 。与标准化湿电极相比,由于材料(43、接触面积 4、极化 45 和表面粗糙度 46 的不同,干电极的电气性能存在显著差异。因此,干电极的应用存在一些问题,如运动伪影 47 、电磁干扰 48 和振幅不一致【49 等。由于高频心电信号的频谱与ECG信号不同,振幅也低得多。因此,对于电极的要求两者也存在一定的差异,具体在于:1)高频心电更微弱,因此要求电极与皮肤接触界面的阻抗更低;2)由于有效频带的不同,对抗运动伪迹的要求比常规心电略低,但对于阶跃干扰以及电磁干扰要求高于常
23、规心电电极。目前,虽然大多数文献中仍使用普通心电电极记录高频心电信号,但更深入的研究对高频心电信号电极的性能提出了更新的要求,尤其是从频谱和阻抗方面。图3为一些不同结构的典型电极。湿电极仍是临床上记录高频心电的最佳选择 48 ,柔性可粘附电极由于其良好的延展性以及较低的阻抗,在高频心电记录应用上表现了更大的潜力。这种类型的电极包括:Wang等 43 设计了一种类似于皮肤的电子聚合物,具有良好的可伸缩性和附着力;Zhang等 50 基于聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸酯poly(3,4-e t h y l e n e d i o x y t h i o p h e n e):p o l
24、ySmn5mm(a)(b)After16h(c)(d)5.7.cm(e)Graphene-cladTextile6.3cm(f)(g)图3不同结构电极的代表性工作。金属电极:(a)AgNW干电极 51;(b)聚二甲基硅氧烷(PDMS)基银纳米线电极 52 ;柔性粘附电极:(c)电子皮肤聚合物电极 43;(d)基于PEDOT:PSS薄膜的聚合物电极 50 ;织物电极:(e)刺绣心电电极【54);(f)经PEDOT:PSS处理的新型纺织电极【53;(g)导电石墨烯层涂层电极 55Fig.3Representative work of electrodesswithdifferent structu
25、res.Metal electrode:(a)AgNW dryelectrode51;(b)Po l y d i me t h y l s i l o x a n e(PD M S)-based Silver Nanowire Electrode52;Flexible adhesiveelectrode:(c)Electronic skin polymer electrode43;(d)Po l y m e r e l e c t r o d e b a s e d o n PED O T:PSSfilms0);Fabric electrode:(e)Emb r o i d e r y ECG
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