认识心电散点图.doc

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；（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]；吕可诚等进行了人体心搏散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

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，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”。

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。
① 窦性心律：一分布图形，分布形式是只有一个A图。（图5-1）
② 室上性早搏：符合以下条件之一者。
1）三分布图形（图5-2），B线有一定斜率。
2）四分布图形（图5-3），B线有一定斜率。
③ 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。
④ 心房颤动（图5-7）：扇形图形，扇形底边有一定斜率。
⑤ 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。
⑥ 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 。
⑦ 心房颤动伴室内差异性传导（图5-10）：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。
⑧ 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

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Lorenz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. 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):157-159
4.李方洁，孙旭海，赵卫东,等. 房颤宽QRS波Lorenz图的鉴别诊断.心脏杂志,2001,13（6）:543-547
5.李方洁，陈明，张建军，等.“房室结功能不应期曲线”的Lorenz图与腔内电生理对照观察. 中华心血管病杂志，2002，30增（3）：433
6.李方洁，白净，王晓秋.用于大样本心电分析的混沌方法——Lorenz图.临床心电学杂志，2002，11(4):226-231
7.李方洁，杨新春，白净. RR-Lorenz图在Holter分析中的应用. 中国心脏起搏与心电生理杂志. 2003，17 (1)：19-21
8.李方洁，陈明，李忠莉，等. 82例心律失常的Lorenz图分析.第五次全国心血管年会。2002.11南京
9.李方洁,张平，刘艳等.Lorenz图与心率变异分析.临床心电学杂志.2004,13（1）：58-61
10.Akiko Suyama Chishaki, Fang-Jie Li, Akira Takeshita, et al. Different features of ventricular arrhythmias and the RR-interval dynamic in atrial fibrillation related to the patients’s clinical characterizties: an analysis using RR-interval plotting. Journal of Electrocardiology Vol.37 No.3 July 2004.207-217
11.李方洁.心率变异性的非线性检测方法. 临床动态心电图学. 北京：中国医药科技出版社，2005.6 (1167-1186)
12.李方洁. 注意应用动态心电图报告中的Lorenz散点图. 临床心电学杂志，2005,14(11):243
13.李方洁，杨新春，白净.快速诊断心律失常的方法——Lorenz散点图.中国循环杂志，2006,21(8):232-233
14．李方洁曾辉，郭小玉.633例心律失常动态心电图诊断与Lorenz散点图对比分析.中国循环杂志．2006，21(2)增:229
15．李方洁，曾辉，郭小玉.宽QRS波Lorenz图的鉴别诊断. 中国循环杂志．2006，21(2)增:230
16．彭晓榕，姚光辉，苏桂珠，丁希英，高琴，林一勤，陈长旦，赵建峰.538例Lorenz散点图临床分析. 中国循环杂志．2006，21(2)增:233
17.李方洁，杨新春，白净，曾辉，郭小玉，符一飞 ，王静， 李忠莉， 李俊华. 1153例心律失常的Lorenz散点图与动态心电图对比研究. 临床心电学杂志.2006, 15(5):330-333
18. 许祥林，崔敏，李小薇，杨春丽，杨兴艳.等联律室早RR间期散点图的临床应用.贵州医学.2004,28（2）：126-127
19.王恒迪，朱坚民，蔺利峰，梁丽.洛伦兹散点图及其在房颤自动诊断中的应用.生物医学工程学杂志.2007,24(2):449-452
20.符一飞，白净，李方洁，曾辉. 一种基于近似熵特征分类的冠心病诊断方法.北京生物医学工程.2008,27(2):142-145
21．郭继鸿，张萍.临床动态心电图学.北京：人民卫生出版社，2003（915-935）
22．张开滋，胡大一，王红宇，肖传实.临床动态心电图学.北京：中国医药科技出版社，2005（1167-1187）
23.Guevara MR , Glass L , Shrier A. Phase locking , period-doubling bifurcations , and irregular dynamics in periodically stimulated cardiac cells[J ] . Science , 1981 , 214 :1 350
24.马场康维，驹泽勉，加藤贵雄. 心律失常的计量诊断——RR间期系列相关图方法(日文).医用电子和生体工学,1980,18:213-217
25.山崎秀树，马场忠弘,平川一美. Lorenz图用于心电节律解析——计算机时间序列处理系统( 日文).九大工学集报，1981，54（5）：559-565
26. Anan T, Nakagaki O, Nakamura M. application of Lorenz and multi-Lorenz plot to computerized analysis of arrhythmia.Jpn.heart.J,1982,23(Sup):694-696　
27.Anan T, Sunagawa K, Araki H, et al. Arrhythmia Analysis by Successive RR Plotting. Journal of Electrocardiology，1990,23(3):243—248
28. Chishaki A, Sunagawa K, Hayashida K, et al. Identification of the rate-dependent functional refractory period of the atrioventricular node in simulated atrial fibrillation. Am.heart.J,1991,121(3 Part 1):820-826
29.Chishaki A, Sunagawa K, Sugimachi M, et al. Differentiation between aberrant ventricular conduction and ventricular ectopy in atrial fibrillation RR interval scattergram. Circulation, 1993, 88(5 Pt 1):2307-2314
30. Denton TA, Diamond GA, Helfant RH, et al. Fascinating rhythm: a primer on chaos theory and its application to cardiology. Am. Haert.J, 1990,120 (6-1):1419-1440.
31. Copie S, Pousset F, Lechat P, et al. Effects of ß-blockade with bisoprolol on heart rate variability in advanced heart failure: Analysis of scatterplots of R-R intervals at selected heart rates. Am.Heart.J, 1996,132:369—375
32. Takashi K, Ikeda K, Tomoike H. Assessment of the variability in coupling intervals of ventricular premature contractions. Japanese Circulation Journal,1993 August,57:781—788
33. Nakatsu T, Kusachi S, Honma N, et al. Silent zone on Lorenz plots of the ventricular respouse termination of paroxysmal atrial fibrillation--report of a case. Jpn.Circulation J, 1994,58(8):676—682
34. Kamen PW, Tomkin AM. Application of the poincare plost to heart rate variability: a new measure of functional status in heart failure. Aust Nz J Med, 1995, 25:18-25
35. Tulppo MP, Makikallio TH, Takala TES, et al. Quantitative beat-to-beat analysis of heart rate dynamics during exercise. Americna Physiological Society， 1996,H244-252
36. Schechtman VL, Raetz SL, Harper RK, et al. Dynamic analysis of cardiac R-R intervals in normal infants and in infants who subsequently succumbed to the sudden infant death syndrome. Pediatric research，1992,31(6):606-612

37. Woo MA, Stevenson WG, Moser DK, et al. Patterns of beat-to-beat heart rate variability in advanced heart failure. Am.Heart.J，1992,123 (3):704-710
38. Kuhn F, Morris R, Witherspoon CD et al. Percentage scattergram to depict changes in large amounts of data over time. Ophthalmic-Epidemiol， 1995, 2(1): 45-8
39. Hnatkova K, Copie X, Staunton A, et al. Numeric processing of Lorenz plots of R-R intervals from long-term ECGs. Comparison with time-domain measures of heart rate variability for risk stratification after myocardial infarction. J.Electrocardiol， 1995, 28(Sup): 74-80
40. Mizutani M. Analysis of the RR interval in patients with atrial fibrillation using a Lorenz-Plot method. Rinsho-Byori. 1989 Jun, 37(6): 723-6
41.Oka T, Nakatsu T, kusachi S, et al. Double-sector Lorenz plot scattering in an R-R interval analysis of patients with chronic atrial fibrillation: incidence and characteristics of the double-sactor scattering. J Electrocardiol，1998 31(3):227-35
42. Carrasco S, Gaitan MJ, Gonzalez R, et al. Correlation among poincare plot indexes and time and frequency domain measures of heart rate variability. Journal of Medical Enginering & Technology，2001, 25(6):240-248
43. Laitio TT, Makikallio TH, Huikuri HV. Relation of Heart Rate Dynamics to the Occurrence of Myocardial Ischemia After Coronary Artery Bypass Grafting. American Journal of Cardiology, 2002，89(15):1176—1181
44. Akiko Suyama Chishaki, Fang-Jie Li, Akira Takeshita, et al. Different features of ventricular arrhythmias and the RR-interval dynamic in atrial fibrillation related to the patients’s clinical characterizties: an analysis using RR-interval plotting. Journal of Electrocardiology Vol.37 No.3 July 2004.207-217（在房颤中室性心律失常与RR间期动力学的不同特征）
45. Hans D. Esperer,M.D.,F.E.S.C.,etal. Cardiac Arrhythmias Imprint Specific Signatures On Lorenz Plots A.N.E. 2008;13(1): 44-60
46.郭继鸿.混沌现象.临床心电学杂志,1998,7(2):87
47.郭成军,胡大一.自旋波折返与颤动机制的新观点.中华心血管病杂志1996,24(60):461-462
48.郭成军,胡大一,郭晋萍,杨新春,商丽华,李田昌,张建军.运用Poincare 混沌图跟踪心脏RR 间期变化的研究.中国心脏起搏动与心电生理杂志, 1996,138-140
49.吕可诚，王继业，常树人，等. 人体心脏搏动的相空间吸引子.南开大学学报.（自然科学）,1997,30 (3):61-64
50.江声选，时翠华，郭云辉,熊伟. 动态心电图Lorenz 散点图诊断价值分析. 九江学院学报(自然科学版),2005,(1):56-60
51. 张开滋，肖传实，郭继鸿，王红宇.中国心电信息学图解集成。长沙：湖南科技出版社，2010（2061-2087）

12