频谱心电图

第六节　频谱心电图

频谱心电图(ECGspectrum)亦称频域心电图(ECG frequency domain)，是我国首创的一种无创心脏检测的技术，它的理论基础是生物控制论原理、人体工程学观点、系统科学理论及信号处理理论。临床上常规心电图属于时域分析，主要利用心电信号的时间间期和幅度两种参数。频谱心电图把与常规心电图同一来源的心电信号经快速傅立叶转换或逆转换后形成了与时域分析的心电图完全不同形态的曲线和含义，从而把在时域分析中不明显但是很有用的心电信息得以显现。因此，频谱心电图成为常规心电图很有益的补充。临床应用证明，频谱心电图可以把传统时域心电图的诊断率提高20%。

一、溯源

心电图问世已有100余年了，在临床上一直被认为是最方便、最实用的无创性检查心脏的常规方法，尤其是对心律失常的诊断有着不可替代的作用，但心电图也存在着一定的不足。据文献报道，只有当冠状动脉狭窄＞70%时，心电图才出现缺血性ST－T改变。为了提高心电图对冠心病诊断，临床上先后出现了心电图运动试验以及24h动态心电图。但这些方法仍然是用时间和振幅来反映心电活动。而心电活动是一种周期性信号，具有频率、振幅(或功率)和相位等要素，心电图是心电电压随时间变化的信号，称为时域函数。按照函数的傅立叶展开理论，任何时间函数均可分解为许多不同频率的正弦波，各正弦波均有其自身的振幅和相位，在这些正弦波中，最低频率的正弦波称为基波(Fundamental)，频率高于基波的称为谐波(Harmonic)。按频率的高低表示此不同频率正弦波振幅和相位大小的图形即为信号的频谱。

1986年封根泉在他出版的专著《心脑电图电子计算机分析的原理和应用》中指出从人体工程学观点出发，应用生物控制论的概念，通过微机对心电信号的分析，首次全面提出了心电图“多相信息”(Heterogeneous information)分析的新方法。通过动物和人体的试验研究表明，通过心电图的频域分析有可能从正常人和不同类型患者的心电信息中提取足以鉴别正常和异常以及不同类型患者的特征量，对心脏疾患的诊断提供一种无创的更为精细更为先进的手段。1985年连汝安等提出了“心电多域信息”(ECGmulti－domain information)分析的观点和方法，并把用频域分析法所获得的心电图命名为“频域心电图”(ECG frequency domain)。并于1987年正式推出HBD－Ⅱ型心电多域信息自动诊断仪，在我国等许多国家申请了专利，并在1988年获得美国FDA进口许可。1987年以后在我国也被越来越多的医院采用，并开展了大量的研究，推广了这一学科的发展(图68－20)。

图68－20　正常频谱心电图

图68－20　(续)正常频谱心电图

二、检测方法

目前，频谱心电图多采用常规心电图肢体导联中的Ⅱ导联、胸导联中的V₅导联两个导联的心电信号，并将V₅导联的信号作为输入信号(即X通道)，Ⅱ导联的信号作为输出信号(即Y通道);计算机将心电的时域信号通过快速傅立叶转换等转换为频域信号，然后对单导联进行自功率谱、自相关函数的分析，对双导联进行互功率谱、互相关函数、传递函数、相干函数、脉冲相应的分析(表68－6)。

表68－6　频谱心电图的函数名称、代码及心电学含义

频谱心电图包括9个函数图形及多项分析参数。以下介绍这些图形及参数的正常参考值

(一)自功率谱(Since the powerspectrum，Gxx、Gyy)　它以频率为横坐标、功率(幅度)为纵坐标，是心电信号各个频率成分功率大小的分布图。正常自功率谱是由一系列谱峰组成，按频率高低依次排列。在心律规整时，每一心动周期的心电信号相似，因而它的特点是各谱线分立、对称、形态规则，有等间距离的谱峰。从低频到高频，功率谱由若干个波峰组成。第一峰为基波，代表主功率，通常其峰值最高;其所在位置与心率相关，其所在位置的频率乘以60为平均心率。第2、3、4……峰依次为为第2、3、4……谐波;通常第2峰较低，第3、4峰高于第2峰。第4峰后高度逐渐降低。

(二)传递函数(Transfer function)　传递函数是用来描述一个系统从输入信号到输出信号对不同频率分量的传输特性，即分析系统在不同频率时的输入—输出关系，包括两者的时间和形状变化，分别用相频曲线(Phase－frequency curve)和幅频曲线(Amplitude－frequency curve)表示。

心电信号导联之间并不存在输入—输出关系。频谱心电图的传递函数是借用系统分析的方法来反映所选的两个导联心电信号之间的对应关系。传递函数相频是V₅导联和Ⅱ导联心电信号的相位差;传递函数幅频是V₅导联和Ⅱ导联心电信号的幅度比。在传递函数相频图上分析6～20hz内的曲线，正常时曲线平稳无波折，与横坐标的距离在1～5mm。若曲线距横坐标超过8mm，且连续频宽超过1．25hz即为异常。

(三)相干函数(Coherence function)　相干函数是表示两个函数相应性的一种函数，在工程控制论中通常是为了确定输出信号中的信息在多大程度上来源于输入信号。在频谱心电图中则用它表示心脏不同部位心电信号之间的相应性，说明V₅导联和Ⅱ导联信号之间的相对关系。1为两个导联心电信号完全相干，0为两个导联心电信号完全不相干。

由于频谱心电图是V₅导联和Ⅱ导联同步采样进行比较，因此两个导联信号具有一定的相关性，其值接近于1。另心电信号主要由低频成分组成，在高频段有较大衰减。正常相干函数在起始部有几次波折，以后走向平稳。分析相干函数时应将自功率谱、传递函数幅频以及相干函数对应起来:①分析自功率谱基波所在频率位置的相干值，正常应＞0．8;②分析传递函数幅频图4hz以上部分幅频最大值所在频率位置的相干值，正常应＞0．85。③观察相干函数高频段的相干值，即6hz以上相干函数的曲线的走向和形态，正常是该曲线平稳，相干值接近于1。

(四)脉冲响应(Impulse response)　脉冲响应是传递函数的傅立叶逆转换，即回到时域来表达所选两个导联信号的对应关系，描述系统的传输特性。脉冲响应法是控制论中用来检测系统性能的方法，常常需要对频率一个一个地进行试验，以分别测出在各个频率条件下系统的反应情况。但这种方法不可直接用于心脏系统的测试。这样就需要采取输入—输出函数分析的方法，它实际上是心电信号传递函数的傅立叶逆转换，并不是心脏系统的脉冲响应。频谱心电图的脉冲响应是借用脉冲响应函数来反应两个导联信号在时域里的对应关系。

正常脉冲响应函数图由一个主峰和数个小峰组成，主峰为直立单峰、高而窄，位于图的中央，主峰后的负向峰较主峰小。主峰前后有微小的波沿横坐标上下波动。

异常脉冲函数图呈现多峰、主峰呈M型增宽，负向峰大于正向峰。

(五)自相关函数(Autocorrelation function)　自相关函数表示一个信号自身在时间前后的相关特性。正常自相关函数具有以下特点:①心电信号规律时，自相关函数曲线呈现数个形态相似、间隔相等的波峰;在图正中零位线上的波峰为R₁，振幅较高，其余依次为R₂、R₃，振幅也逐渐减低。②两个R峰之间的一段称为PT段，通常有2或3个正向波。③R₁可反映心电总功率。④R₁幅值与功率谱的峰值呈正相关，且在一定范围内。通常Vxx上R₁振幅高于Vyy上R₁振幅。

(六)互相关函数(Cross－correlation function)　互相关函数所反映的是两个导联的心电信号在不同时刻上的周期相关性。

正常互相关函数的图形与自相关函数图形相似，波峰和波段的命名也相同。

三、频谱心电图结果判断与临床应用

(一)结果判断　频谱心电图由9幅函数图组成，以前的诊断标准有7项32个标准。1991年以后更新后指标改为31项。取每项中的最高分为这个项目的计分，然后将7项的分值相加为总分，然后分级，根据级数判定结果。现介绍修订后的频谱心电图指标。

分级标准如下:

总分≤5　　　　　总分是几就是几级

6≤总分≤9　　　　6级

10≤总分≤15　　　7级

16≤总分≤24　　　8级

25≤总分≤30　　　9级

31≤总分　　　　　10级

根据分级结果给予诊断意见:3级以下为正常;4～5级为基本正常;6级为可疑;7级及以上为异常。

为了使读者了解这些指标的代号、意义、阳性标准及异常的分值。下表列出了各指标阳性的分值表(表68－7)。

表68－7　频谱心电图各指标阳性的分值表

(二)临床应用

1．冠心病和心肌缺血　目前据上海、广州和北京等多家医院的研究表明，频谱心电图对冠心病诊断的敏感性为90%～95%，特异性为75%～90%，优于常规心电图和平板运动试验，尤其是经冠状动脉造影证实有病变但心电图正常者频谱心电图都表现为异常的改变。心肌缺血患者频谱心电图的改变主要有:①自功率谱:第1、3、4谱峰过低或基/谐比异常;②自相关函数和互相关函数:R_X、R_Y、Rxy幅值降低，PT段平坦或反向峰;③脉冲响应:呈负向峰或多峰;④传递函数相频:相移超限;⑤相干函数:多为基波相干异常。

2．右心室肥厚　南方医院的研究右心室肥厚的频谱心电图改变有:①互相关函数:出现N型波(QR型)占96．3%;②传递函数相频及脉冲响应异常。

其他如心肌炎、心律失常等频谱心电图都有相应的改变。分析频谱心电图不仅要将自身的各项指标联合应用，还要注意与其他临床资料相结合。

近年来又出现了基于12导联的频谱心电图(Spectrum of 12－lead ECG)，也称为12导联能量谱(Energy spectrum of 12－lead)。相比于频谱心电图，12导联能量谱具有以下几个特点:①将原来的V₅导联和Ⅱ导联两个导联的信号扩展到12导联，信息量明显增加;②只采用功率谱图形，取消了双导联分析的大多数繁琐的指标;③定义了6个指标来作为诊断冠心病的参数;④利用阳性指标在12导联的分布，对心肌缺血做出定位诊断。

四、评价与展望

频谱心电图采用频域分析，很好的弥补了常规心电图不能进行频域分析的盲点，使患者的心电信息得以全面展示。尤其是这项技术是由我国学者首创的，展现了我国心电图工作者对心电图孜孜不倦的研究，并收获了可喜的成绩。频谱心电图作为一项新的心电检测方法已经在临床应用中显示了优越性。但由于频谱心电图应用的时间还不是很长，积累的资料也不够多，记录到导联数少，不能全面反映心脏的情况，例如对前壁心肌梗死的反映不够灵敏。因此就出现了基于12导联的频谱心电图。频谱心电图技术诊断指标较多，诊断标准不够完善，需在应用中逐渐发展。因此频谱心电图在临床的应用中一定要注意与临床资料相结合进行综合分析。随着对其研究的深入，频谱心电图一定能发挥其应有的作用。(王红宇王彩星李俊伟)