引用本文
曹欣荣, 刘蕾, 蔡东阳, 郭鹏, 唐劲天. 心冲击图特征统计及其医学诊断应用. 清华大学学报: 自然科学版, 2014, 54(5): 633-637[Xinrong CAO, Lei LIU, Dongyang CAI, et al. Statistical analyses of ballistocardiogram features for cardiac disease diagnosis[J]. 2014, 54(5): 633-637]  
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心冲击图特征统计及其医学诊断应用
曹欣荣, 刘蕾, 蔡东阳, 郭鹏, 唐劲天
清华大学 工程物理系, 粒子技术与辐射成像教育部重点实验室, 北京 100084
唐劲天, 研究员, E-mail:tangjt@mail.tsinghua.edu.cn

作者简介: 曹欣荣(1988-), 男(汉), 山东, 博士研究生。

基金:国家自然科学基金面上资助项目(81070175);
摘要

心冲击图是一种新的无接触心脏活动检测方法。该文通过自行研制的心冲击图-心电图(BCG-ECG)联合采集设备,采集获取48名健康成年人(男性38名,女性10名)和77位冠心病患者(男性33名,女性44名)的BCG和ECG信号以及部分病人术前术后的信号。提取BCG的幅值、时间间隔以及能量等特征量,通过独立变量t检验,对心冲击图特征差异显著性进行分析。结果表明: 健康成年人与冠心病病人的特征进中tIJ、 tJK、 IntHK和IntBCG有着显著性差异; 在术后心冲击图特征RR、 tHI、 tIJ、 HI、 IJ以及IntBCG有显著性差异; 在室性早搏病人中,室性早搏的发生会导致BCG信号幅度降低。

关键词: 心冲击图 (BCG); 冠心病(CHD); 室性早搏(PVC); 术后恢复评价
中图分类号:R331 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2014)05-0633-05
Statistical analyses of ballistocardiogram features for cardiac disease diagnosis
Xinrong CAO, Lei LIU, Dongyang CAI, Peng GUO, Jintian TANG
Key Laboratory Particle & Radiation Imaging of the Ministry of Education, Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Fund:
Abstract

The ballistocardiogram (BCG) is an innovative noninvasive cardiac activity monitoring method. A Ballistocardiogram-Electrocardiography (BCG-ECG) measurement system was used here to collect BCG and ECG signals of 48 healthy subjects (male: 38; female: 10) with no history of cardiovascular diseases and 77 subjects (male: 33; female: 44) with coronary heart disease (CHD). Preoperative and postoperative BCG signals were also measured for some subjects. The temporal features, including the time intervals, amplitudes and energy were extracted from these subjects with the differences of these features examined using the independent Student's t-test. The results showed that the tIJ, tJK, IntHK and IntBCG features had significant differences between healthy subjects and subjects with CHD. Some features including the RR interval, tHI, tIJ, HI, IJ and IntBCG showed significant differences between preoperative BCG and postoperative BCG signals of a subject with CHD while the amplitudes of BCG decreasing during premature ventricular contraction (PVC).

Keyword: ballistocardiogram (BCG); coronary heart disease (CHD); premature ventricular contraction (PVC); postoperative recovery evaluation

心血管疾病已经严重影响到中国人的生命健康。截止2011年,中国有2.3亿心血管疾病患者,每年大约350万人因心血管疾病死亡,占总死亡率41%[1]。心血管健康监测、评价和疾病诊断十分重要。心冲击图(ballistocardiogram, BCG)是一种无创、无接触式的心血管功能监测手段。它主要是由血液循环过程中造成的人体重力的变化引起的[2,3,4]。与其他心血管检测技术相比,它具有无创、无直接接触和检测方便等优势。在最近几年随着传感器和数字信号处理的发展,心冲击图逐渐受到研究人员的重视,研究表明心冲击图可以应用在心率检测[4,5]、心率变异性监测[6]、心脏收缩性[7]以及心输出量变化[8]等方面。

冠状动脉心脏病简称冠心病,又称缺血性心脏病,是由于冠状动脉动脉粥样硬化或者血管狭窄阻塞引起的心脏疾病[9],是一种常见的心血管疾病。

本文采用自行设计的心冲击图-心电图(BCG-ECG)联合采集系统,采集了48名健康成年人和77名冠心病病人的心冲击图和心电图的信号,通过特征提取和信号分析来比较健康成年人与冠心病病人的心冲击图的差异性。

1 BCG-ECG联合采集系统

BCG-ECG联合采集系统(图1)是由清华大学医学物理所自行研制的心血管生理信号采集系统[10]。系统主要实现无创同步采集测试者的BCG和ECG信号,并实时显示保存。系统采用7.2 V电池供电,同时采用共地的金属外壳,用来屏蔽工频干扰。

图1 自行搭建的BCG-ECG联合采集系统(BCG采集传感器置于椅子坐垫下面)

1.1 心冲击图信号采集

心冲击图为血液流动引起的压力变化信号,本文采用并联的悬臂梁传感器(康森特科技有限公司,北京)进行采集。传感器精度为万分之五,量程为 0~50 kg。3个传感器均匀分布在定制的2个圆形钢板中间,组成传感器平台,然后固定在改装的轮椅上面。采集时,测试者坐在椅子上面,平静呼吸即可。采集信号经过前置放大(100倍)后进行滤波(0.2~30 Hz)放大(70倍)。

1.2 心电采集

心电采集采用I型三导联设计,导联线分别与左臂、右臂以及右腿相连。连接右腿部分作为驱动电路,采集左右臂的电压差。信号经过高共模抑制比差分放大电路后进行滤波(0.5~40 Hz)放大(100倍)。

1.3 数据采集

通过USB采集卡USB-9211(安迈科技有限公司,北京)进行16位AD采集(采集电压范围: ±10 V; 采样频率500 Hz), 然后转换的数字信号经过USB接口传送到个人电脑中。

2 实验设计与数据处理

通过招募志愿者,共采集48名健康成年人(男性38, 女性10)和77名冠心病患者(男性33名,女性44名)的心电图与心冲击图信号。

在数据采集过程中,受试者首先被告知实验流程以及实验须知,采集年龄、血压、身高和体重等基本生理信息,然后测试者静坐在采集椅上,采集5 min的BCG和ECG信号。采集人员的统计信息见表1和表2。

表1 健康成年男性与冠心病男性统计信息
表2 健康成年女性与冠心病女性统计信息
2.1 BCG特征提取

BCG主要的波峰有H、 I、 J、 K等峰,其构成的HIJK波群与心脏射血功能有密切的关系[4]。本文提取了H、 I、 J、 K各峰相邻峰值差以及时间间隔。由于采集的BCG信号中存在高频噪声和低频的呼吸信号干扰,需要在特征提取之前去除。提取的过程如下:

Step 1 选取2分钟长度的ECG和BCG信号,对ECG和BCG进行零相移的低通滤波。 对BCG信号进行db4小波分解,去除呼吸信号。

Step 2 利用QRST监测程序,检测ECG的R峰[11], 将BCG信号按照相应的R峰进行分割。

Step 3 根据BCG的H、 I、 J、 K峰的与R峰相对关系确定相应的位置与时间。首先确定J峰的位置,然后确定HIK峰的位置。

Step 4 计算相应的特征值: 心动周期RR间隔、H峰I峰幅值差HI、 I峰J峰幅值差IJ、 J峰K峰幅值差JK以及H峰I峰时间间隔tHI、 I峰J峰时间间隔tIJ、 J峰K峰时间间隔tJK、 心电图R峰与心冲击图J峰时间间隔tRJ、 HIJK波群能量IntHK和一个心动周期BCG能量IntBCG。

IntBCGi=∫TiTi+1BCG(t)dt.(1)

其中: Ti为第 i个 R峰对应的时间; Ti+1为第 i+1个心动周期对应的时间。这些特征改变与心血管参数改变密切相关[4]。

Step 5 求得所有特征值的均值和方差,对超出95%置信度的结果进行再次确认,去掉计算错误的特征值,更新特征值的均值和方差。

Step 6 利用独立变量分析相应的特征量的在健康成年人和冠心病患者之间的统计学差异。

2.2 BCG平均信号与相关性

在实验过程中采集了部分冠心病患者在术前术后的BCG-ECG信号,对比术前术后的BCG波形和其特征变化。信号的具体采集过程如下:

Step 1 选择术前术后各1 min的采集信号,获取每个心动周期的特征值,方法与2.1相同同。

Step 2 利用独立样本t检验,对比术前术后的特征值的差异性。

Step 3 根据划分的RR周期,得到每一个心动周期的BCG和最小的心动周期间隔N,获取术前术后的BCG波形的波形平均,如式(2)所示:

其中 m为心动周期的个数。

3 结果与分析
3.1 特征统计与差异性分析

考虑到性别有可能会对实验分析结果造成一定的影响,差异性分析采用健康成年男性与冠心病男性患者、健康成年女性与冠心病女性患者以及所有健康成年人与所有冠心病患者三组进行比较。结果参见表3、表4和表5。

表3 健康成年男性与CHD男性患者BCG信号特征对比
表4 健康成年女性与CHD女性患者BCG信号特征对比
表5 所有健康成年样本与CHD患者样本BCG信号特征对比

通过结果发现,健康成年男性与冠心病男性患者以下特征: tHI(69±16 ms、 58±11 ms)、 tIJ(94±8 ms、 82±10 ms)、 tJK(76±8 ms、 65±10 ms)、 HI(0.56±0.12 V、 0.38±0.10 V)、 IJ(0.96±0.20 V、 0.70±0.23 V)、 IntHK(0.022±0.008 V2、 0.013±0.007 V2)和IntBCG(0.035±0.013 V2、 0.026±0.007 V2)有显著性差异(p<0.05); 女性样本中tIJ(96±13 ms、 75±11 ms)、 tJK(72±10 ms、 63±8 ms)、 IntHK(0.011±0.007 V2、 0.009±0.004 V2)和IntBCG(0.025±0.08 V2、 0.020±0.008 V2)有显著性差异; 所有人群中tHI(67±15 ms、 58±9 ms)、 tIJ(95±9 ms、 78±11 ms)、 tJK(72±10 ms、 63±8 ms)、 tRJ(224±16 ms、 214±24 ms)、 HI(0.53±0.13 V、 0.36±0.11 V)、 IJ(0.91±0.23 V、 0.60±0.22 V)、 JK(0.54±0.16 V、 0.41±0.20 V)、 IntHK(0.020±0.009 V2、 0.010±0.006 V2)和IntBCG(0.031±0.010 V2、 0.023±0.009 V2)均有显著性差异。

从统计结果上看,健康成年男性和冠心病男性患者中BCG信号幅度特征差异、时间特征和能量特征差异均较为明显。而女性健康成年人和冠心病的时间特征和能量特征差异显著,幅度特征差异不显著。能量特征差异性有可能是由于时间特征差异性造成的。不考虑性别,健康成年人和冠心病患者的幅度特征和时间特征差异性均显著。这有可能是由于统计人群中的男性和女性人数的统计差异造成的。这表明在统计结果中男女的差异是不能忽视的。综合来看,特征tIJ、 tJK和IntHK、 IntBCG在男性和女性健康成年人冠心病患者中存在显著性差异。

3.2 术后恢复状态评价

对某男性冠心病患者血管支架植入前后的心冲击图波形特征以及波形进行查看。患者入院诊断为冠心病,急性心肌梗死,心功能Ⅰ级。术前术后的BCG叠加平均波形参见图2, BCG特征量的结果及显著差异性分析参见表6。

图2 冠心病患者平均后的术前、术后的BCG信号对比

表6 冠心病病人支架植入前后特征结果对比

从图2上看,从平均波形上看,患者在术后BCG幅度增加, I峰有明显的加深, H峰上升, J峰存在一定的下移。H峰形成主要与左心室等容收缩期有关, H峰上升说明等容收缩时收缩性增强。结果中,术前术后的特征量RR(908±26 ms, 1037±51 ms)、 tHI(84±27 ms, 59±21 ms)、 tIJ(90±20 ms, 78±10 ms)、 HI(0.23±0.11 V, 0.41±0.09 V)、 IJ(0.47±0.10 V, 0.57±0.13 V)、 IntBCG(0.030±0.012 V2, 0.020±0.011 V2)都有显著性差异。tHI的显著性差异有可能是由于H峰不明显,在计算中存在一定的误差导致的,参见图2。

Inan等通过心脏再同步化治疗前后BCG信号对比发现,治疗后患者心功能改善的同时BCG的IJ幅度有提高[12]。本文研究结果表明在冠心病治疗后患者信号IJ幅度显著提高,这说明BCG信号特征存在应用于心脏疾病治疗效果评价的可能。

3.3 心冲击图波形与室性早搏

图3a为一名正常男性测试者的BCG和ECG,图3b为一名男性冠心病患者的BCG和ECG信号,同时该患者还存在室性早搏现象( t=3 s附近)。从图3b中可以看出ECG室性早搏发生后的第一个BCG的波幅明显降低,几乎无法识别,而之后的补偿阶段, BCG的波形有着明显的增高。

图3 一名健康男性与室性早搏患者BCG信号对比

Camargo[13]测量了15位心脏异常病人的心输出量,结果表明在室性早搏发生时,每搏输出量和射血分数大致变为窦性搏动时的一半,而在PVC后的补偿搏动,每搏输出量比窦性搏动时增加20%, 射血分数大约增加26%。这表明BCG信号的幅度和每搏输出量以及射血分数存在相关,每搏输出量和射血分数低,表示心脏收缩能力降低,反映在BCG中为信号波峰降低。这表明BCG对每搏输出量和射血分数有一定的反映能力。三者具体关系可通过BCG和每搏输出量、射血分数等生理参数的同步采集分析进一步研究。

4 结 论

本文通过自行研制的BCG-ECG联合采集系统,采集了48名健康成年人与76名冠心病患者的信号。通过信号特征分析发现在两性中tIJ、 tJK、 IntHK和IntBCG等特征上存在统计学的显著差异,部分特征值只在男性样本或者女性样本有显著性差异,这说明性别也是影响BCG信号特征的一个重要因素。如果采用BCG进行CHD诊断,需要考虑性别因素。同时,通过对病人术前术后的波形对比发现,手术治疗后BCG信号部分时间、幅度特征与术前相比有显著性差异善,说明心冲击图有可能成为今后成为对心血管手术前后心脏功能改善效果的一个评价标准。

今后的研究工作一方面需要对BCG的机制原理进行深入研究,从血液循环的角度解释BCG信号波形产生原因,明确BCG与心血循环参数的关系,同时,利用临床现有技术与BCG特征指标进行对比实验,明确BCG与心血管生理功能的关系。另外,通过大样本的采集分析建立BCG健康人群特征参数指标,为未来BCG进行临床应用提供基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 胡寿盛, 孔灵芝. 中国心血管病报告2011 [R]. 北京: 卫生部心血管病防治中心, 2012.
HU Shousheng, KONG Lingzhi. The Cardiovascular Disease Report of China [R]. Beijing: Cardiovascular Disease Prevention and Control Center of the Ministry of Health, 2012. (in Chinese) [本文引用:1]
[2] Postolache O A, Girao P M B S, Mendes J, et al. Physiological parameters measurement based on wheelchair embedded sensors and advanced signal processing[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2010, 59(10): 2564-2574. [本文引用:1] [JCR: 1.71]
[3] Mack D C, Patrie J T, Suratt P M, et al. Development and preliminary validation of heart rate and breathing ratedetection using a passive, ballistocardiography-based sleep monitoring system[J]. IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, 2009, 13(1): 111-120. [本文引用:1] [JCR: 2.072]
[4] Inan O T, Etemadi M, Wiard R M, et al. Robust ballistocardiogram acquisition for home monitoring[J]. Physiological Measurement, 2009, 30(2): 169-185. [本文引用:4] [JCR: 1.617]
[5] Gonzalez-Landaeta R, Casas O, Pallas-Areny R. Heart rate detection from an electronic weighing scale[J]. Physiological Measurement, 2008, 29(8): 979-989. [本文引用:1] [JCR: 1.617]
[6] Shin J, Hwang S, Chang M, et al. Heart rate variability analysis using a ballistocardiogram during valsalva manoeuvre and post exercise[J]. Physiological Measurement, 2011, 32(8): 1239-1265. [本文引用:1] [JCR: 1.617]
[7] Etemadi M, Inan O T, Giovangrandi L, et al. Rapid assessment of cardiac contractility on a home bathroom scale[J]. IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, 2011, 15(6): 864-869. [本文引用:1] [JCR: 2.072]
[8] Inan OT, Etemadi M, Paloma A, et al. Non-invasive cardiac output trending during exercise recovery on a bathroom-scale-based ballistocardiograph[J]. Physiological Measurement, 2009, 30(3): 261-274. [本文引用:1] [JCR: 1.617]
[9] 许荣廷. 临床冠心病学 [M]. 济南: 山东大学出版社, 2002.
XU Rongting. Clinical Coronary Heart Disease [M]. Jinan: Shandong University Press, 2002. (in Chinese) [本文引用:1]
[10] 苏建伟. 基于心冲击的心脏功能检测技术的研究 [D] 北京: 清华大学, 2010.
SU Jianwei. Research on Cardiac Function Monitoring Technique Based on Ballistocardiogram [D]. Beijing: Tsinghua University, 2010. (in Chinese) [本文引用:1]
[11] Pan J, Tompkins W J. A real-time QRS detection algorithm [J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1985, 32(3): 230-236. [本文引用:1] [JCR: 2.233]
[12] Giovangrandi L, Inan O T, Banerjee D, et al. Preliminary results from BCG and ECG measurements in the heart failure clinic [C]// 34th Annual International Conference of the IEEE EMBS. San Diego, USA: IEEE Press, 2012: 3798-3783. [本文引用:1]
[13] Camargo E E, Harrison K S, Wagner H N, et al. Noninvasive beat to beat monitoring of left ventricular function by a nonimaging nuclear detector during premature ventricular contractions[J]. The American Journal of Cardiology, 1980, 45(6): 1219-1224. [本文引用:1]