运用Poincare混沌图跟踪心脏RR间期变化的研究

运用Poincare混沌图跟踪心脏RR间期变化的研究
郭成军　胡大一　郭晋萍　杨新春
商丽华　李田昌　张建军
摘要　为探讨RR间期Poincare(P)图的原则和分析法，观察典型心律RR间期图的特点，用数字模拟7类RR间期的波动，推导混沌图中偶联点的分布规律。

比较20例正常窦性心律(简称窦律)、10例冠心病窦性心动过缓(简称窦缓)、5例糖尿病固有窦律、20例心肌梗死窦律与5例快-慢综合征患者的P图。

结果：RR间期P图将偶联点按其对应QRS波群前、后RR间期的关系分为前长后短、前短后长和前后等长三区。

偶联点越靠近左下角，其前、后RR间期的平均心率越快。

引入心率标尺、心率均等线、心率加速与减速区、心动过速与心动过缓界线等参照标志，可直观观测任一偶联点的平均心率所处范围，前、后RR间期差异大小与方向，正、负调节因素的优势状态，如交感与迷走神经调节相对优势。

任一偶联点至心率标尺的距离等于其前、后RR间期之差的(1/2)
1/2，数学上其绝对值之和与短时程或高频心率变异度等效。

偶联点在心率标尺上的跨度与长时程或低频心率变异度等效。

任意两连续偶联点间的线段长度等于两偶联点前、后RR间期差值平方和的二次方根。

各类典型心律RR间期P图的特征有别，分别体现RR间期长时程与逐次波动的程度、速度、方向、节律变化的类型及心率正、负性调节的有关信息。

结果表明：RR间期混沌图可作为实时跟踪与分析心脏多种节律RR间期波动的定性与定量方法。

关键词　心电图，动态　RR间期　Poincare散点图
Poincare Plots to Track the Dynamics of Cardiac RR Intervals
Guo Chengjun,Hu Dayi,Guo Jinping,et al
(Department of Cardiology,Beijing Red Cross Chaoyang Hospital,Capital University of
Medical Sciences,Beijing,100020)
Abstract　Poincare plots (P plot) have been used for detecting the hidden patterns underlying the complex dynamic phenomena of cardiac RR intervals or heart rate variability (HRV).The principle and method for the analysis of P plot need to be developed.P plot of RR intervals was constructed by plotting sequential pairs of RR intervals as a joint in coordinate chart.The previous RR interval was plotted as X value in the horizontal coordinate and the current RR interval as Y value in the vertical coordinate.The principle of the joint point distribution in P plot was deduced from seven typical rhythms simulated by digital numbers.In order to assess P plot,the 45 degree oblique line between the horizontal and vertical coordinates was induced as the heart rate ruler and divided P plot into two triangles,one as heart rate increasing triangle,the other as heart rate decreasing triangle.The prependicular lines of heart rate ruler were induced as lines of identity heart rate to indicate all points with identical heart rate.The boundary lines of bradycardia and tachycardia were induced to characterize the mean heart rate of the paired RR intervals of a joint point distributed in normal,bradycardia or tachycardia regions.The prependicular distances between a joint point and the heart rate ruler was equal to (1/2)1/2 of the differences between two RR intervals intersecting at a point and represents the beat-to-
beat variation of RR intervals and high frequency or short-term components of HRV.The length of joint points covered the heart rate ruler indicates the overall variability of heart rate and long-term or lower frequency components of HRV.In 20 normal subjects with sinus rhythm,10 patients with coronary artery disease and sinus bradycardia,5 patients with diabetes neuropathy and intrinsic sinus rhythm,20 patients with acute myocardial infarction and sinus rhythm and 5 patients with sick sinus syndrome,we demonstrated that the P plot provided information about the degree,velocity,direction and rhythm patterns of RR interval fluctuation as well as the balance status between positive and negative modulating factors of heart rate.The P polt is a quantitative as well as visual tool to assess the cardiac RR interval data.It provides a simple,informative and easily implanted method to track the complex dynamics of RR intervals during multiple cardiac rhythms in real time.
Key words　Electrocardiogram,dynamic　RR interval　Poincare plot
Poincare(P)图用图形作工具研究事物复杂的动态变化。

它以事物状态为偶联点，以控制变量作偶联坐标，绘制多维坐标图，跟踪事物状态在多因素调控下的演变轨迹，便于分析变化的因果及预测未知行为［1］。

心动间期或心率依机体的生理与病理变化而持续波动，反映众多交互作用的因素对心脏与血循环不断而精细调节的复杂过程。

这一过程并非随机变化，用基于随机理论的传统方法分析心率变异性(HRV)有先天不足［2］。

本文用P图跟踪心电RR间期的动态变化，探讨其原则和分析法，并观测典型心律RR间期P图的特点和意义。

1　资料与方法
1.1　对象　数字模拟常见心律RR间期的变化，推演RR间期P图的原则与科学的分析法，对下列对象进行观测：①正常窦性心律(简称窦律)组：健康人20例，男12例、女8例，年龄46±12岁，病史、体检、常规心电图未见异常。

②冠心病窦性心动过缓(简称窦缓)组：经冠状动脉造影确诊的非急性心肌梗死(简称心梗)性冠心病10例，男8例、女2例，年龄56±3 岁，24 h动态心电图平均心率<60 bpm。

③固有窦律组：晚期糖尿病5例，男2例、女3例，年龄50±16 岁，阿托品和心得安未能改变其心率。

④心梗窦律组：急性心梗20例，男16例、女4例，平均62±12 岁，经病史、体检、心电图与心肌酶谱检查确诊者。

于入院后48 h内记录24 h动态心电图。

⑤复杂病窦综合征组：快-慢综合征5例，男3例、女2例，年龄60±18 岁。

24 h动态心电图示窦缓、心房颤动与扑动。

1.2　动态心电图的记录与回放　用ICR-7200，Oxford-6000型24小时心电记录器，以Oxford回放系统半自动回放，人工选定QRS模板分类，去除伪差干扰，存放自动生成的RR间期数据文件，备后继分析。

1.3　RR间期的P图与HRV分析　以前、后两个相邻RR间期为偶联点，前一RR间期(RR n)作横坐标，后一RR间期(RR n+1)作纵坐标，绘制RR间期的P图。

如图1中，节律1的RR1与RR2为一偶联点，RR2与RR3为一偶联点，依此类推。

图2中，点1与1'为节律1的P图。

单用偶联点表达的P图为散点图(Scattergram)。

将各偶联点依次连线表达的P图为往复图(Return map)或混沌图(Chaos graph) (图3)。

24 h RR间期通常多于10万个，其往复线段过密，本文只用散点图表示，由Mediolg Excel用户软件包生成。

短时间(<1h)的散点图、往复图及HRV与频谱分析由Predictor I生成。

测量心率或心动间期围绕其平均值的变异度或离散度，观察指标为平均心率、平均RR间期、RR间期标准差及其变异系数、RR间期极差及其变异系数。

1.4　统计分析　用单向协方差和Bonferroni显著性检验(EPSTAT软件包)比较多组定量连续指标，P<0.05为差异有显著性。

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图1　数字模拟心电图RR间期波动的节律类型　MRR=平均RR间期，S=RR间期的标准差 zgxzqb3-12.gif (40857 bytes)
图2　数字模拟的各种RR间期节律的P图
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图3　RR间期P图的分析法示意图
2　结果
2.1　RR间期P图的原则与分析法
2.1.1　数字模拟7类心律RR间期的变化　见图1。

1类：长、短RR间期交替，类似早搏二联律。

2类：RR间期短且不变，似心动过速。

3类：RR间期长且不变，似心动过缓。

4类：RR间期逐搏由短变长，延长量(100ms)固定不变，模拟平稳减慢的节律。

5类：与4类相反。

6类：RR间期逐搏延长，延长量逐搏变大。

7类：与6类相反。

2.1.2　7类心律P图偶联点的分布规律　见图2。

P图任一偶联点均与心电图中相应的QRS波群一一对应，体现各QRS波群前后RR间期的关系。

RR间期前后均等的偶联点沿P图45 °线分布，RR间期前长、后短的偶联点分布在45 °线的右下三角区，RR间期前短、后长的偶联点分布在45 °线的左上三角区。

分布在45 °线任一垂线上的所有偶联点，其前后RR间期的平均值或心率相等。

偶联点越靠近P图的左下角，前后RR间期的平均值越小，心率越快。

偶联点越靠近45°线，前后RR间期的差值越小，逐搏变异越小。

45°线左上三角区内的偶联点指向心率减慢，45°线右下三角区内的偶联点指向心率加快。

2.1.3　P图分析的原则与方法　见图3。

①按心率(bpm)=60 000÷RR间期(ms)将45 °线刻记心率标度作为心率标尺。

②将心率标尺的任一垂线作为心率均等线(Lines of identity heart rate)，心率标尺与其垂线的交点为该垂线的心率值。

③以60～100 bpm为正常心率范围建立心动过缓与心动过速界线。

④心率标尺左上三角为心率减速区，标志心率负性调节因素优势，如迷走神经占优势；右下三角为心率加速区，标志心率正性调节因素优势，如交感神经占优势。

⑤过心率减速区内的任一偶联点，向横坐标引垂线与心率标尺相交，交点至偶联点的距离为该偶联点后、前RR间期的增量(+ΔRR)；过心率加速区内的任一偶联点，向纵坐标引垂线与心率标尺相交，交点至偶联点的距离为该偶联点后、前RR间期的减量(-ΔRR)。

⑥任一偶联点至心率标尺的垂直距离(+D与-D)与ΔRR有如下关系：+D=(1/2)1/2×(+ΔRR)；-D=(1/2)1/2×(-ΔRR)。

⑦数学上可以论证所有+D 与-D绝对值之和与所选时间内短时程变异度统计指标或频谱分析的高频成分等效。

⑧任意两连续偶联点间的连线长度=［(ΔRR n)2+(ΔRR n+1)2］1/2。

⑨偶联点覆盖心率标尺的长度L为前、后RR 间期平均心率的波动范围，与所选时间内长时程变异度统计指标或频谱分析的低频成分等效。

2.2　临床心律RR间期的P图
2.2.1　正常窦律P图的特点　昼夜RR间期P图的几何轨迹相似见图4，区1。

①偶联点以心率标尺对称分布，昼夜心率正、负向张力均衡波动。

②集中分布于心动过速与心动过缓界线之间，在正常心率范围内波动。

③L长，心率长时程或低频变异度大。

④ΔRR与D随心率变快而减小，随心率变慢而加大。

⑤RR间期的往复图有快、慢心率的极值拐点，健康人昼夜心率波动超出常规心电图确定的正常心率范围。

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图4　临床典型心律RR间期的散点图　1 正常窦律；2 冠心病窦缓；3 糖尿病固有窦律；4，5 急性心梗窦律；6 病窦快-慢综合征
2.2.2　冠心病窦缓P图特点　见图4，区2。

①仍以心率标尺为对称。

②多分布于心动过缓界线右上侧，在慢心率区内波动。

③L缩短，长时程或低频变异度减小。

④ΔRR与D加大，短时程或高频心率变异度增大。

2.2.3　固有窦律P图的特点　见图4，区3。

晚期糖尿病植物神经受损，其窦律可视为心脏自然去植物神经控制的固有心律。

与正常窦律相比：①偶联点以心率标尺为中轴对称。

②与窦缓P图相反，多分布于心动过速界线左下侧，在快心率区内波动。

③L极短，长时程或低频心率变异度极小。

④ΔRR与D极小，短时程或高频心率变异度减小。

2.2.4　心梗窦律P图的特点　见图4，区4，5。

①在心率标尺两侧分布不对称，昼夜心率正、负向张力失衡。

②多分布于心动过速与心动过缓界线之间，仍在正常心率范围内波动。

③L较短，长时程或低频心率变异度较小。

④ΔRR与D加大，短时程或高频心率变异度增大。

⑤12例病人有类似固有窦律P图的“内核”，另8例为单纯固有窦律P图的“内核”型分布，表明急性心梗时心率有去自主神经控制的趋势。

2.2.5　病窦心律P图的特点　见图4，区6。

①呈簇分布，且大致以心率标尺中轴对称。

②占据P图的大部分空间，但并非随机地均匀分布，而呈某种几何形，具备高维混沌的特征。

③L极长，长时程或低频心率变异度极大。

④ΔRR与D极大，短时程或高频心率变异度极大。

2.3　各组临床心律RR间期的变异性　见附表。

与正常窦律组相比，冠心病窦缓组的平均心率慢、平均RR间期长，RR间期的离散指标无显著性差异。

固有窦律与心梗窦律组的平均心率快、平均RR间期短、RR间期的离散度小。

复杂病窦组较正常窦律组的平均心率快、平均RR间期短、RR间期的离散度加大。

附表　临床心律RR间期的变异性(Imag±s)
组别例数平均心率
(bpm)
平均RR间期
(ms)
标准差
(ms)
变异系数
极　差
(ms)
极差变异系数
正常窦律组2070±24850±90155±500.24±0.12 1 240±184 1.60±0.42冠心病窦缓组1050±26# 1 400±185#168±1200.26±0.14 1 036±158 1.40±0.84
固有窦律组597±43#614±142#74±36*0.12±0.08*540±82*0.91±0.34*心梗窦律组2085±35#706±90#98±42#0.14±0.03*800±96* 1.10±0.26*复杂病窦组599±48*607±61*288±132*0.47±0.24*1 860±186* 3.10±1.40* 注：与正常窦律组相比，* P<0.01,# P<0.05
3　讨论
P图用图形跟踪动态过程的轨迹，以分析事物复杂变化的前因与后果［1］。

1990年开始用于
研究心脏RR间期的动态变化［3～9］。

日本学者发现心房颤动RR间期的P图可体现有关房室结电
生理特性的信息［3，4，7］。

美国学者提出心力衰竭窦律P图的几何轨迹较正常复杂，对心力衰竭伴发猝死及婴幼儿猝死有预测价值［5，6，8］。

这些工作只限于对比P图的几何图形，尚未探讨其偶联点的分布规律与原则，亦未能提出更有依据的分析方法。

最近Kamen等［9］试用P图的宽度
定量RR间期的逐次波动与迷走神经的张力。

从本文分析可见，P图的宽度为+D与-D的绝对值之和，综合了心率加快时RR间期的减量-ΔRR与心率减慢时RR间期的增量+ΔRR，该宽度是否由迷走神经单独控制值得商榷。

本文用数字模拟7类RR间期的变化，推导出P图中偶联点的分布规
律。

在此基础上，引入了心率标尺、心率均等线、心率加速与减速区、心动过速与心动过缓界线、偶联点至心率标尺的距离与覆盖长度等参照标志分析RR间期P图的意义。

比较正常窦律、冠心病窦缓、糖尿病固有窦律、心梗窦律与病窦快-慢综合征的P图，表明P图能客观地反映多种心
脏节律RR间期波动的程度、速度、方向、节律变化的类型及心率正、负性调节的有关信息，可
作为实时跟踪与分析心脏RR间期波动的定性和定量方法。

作者单位：首都医科大学心血管病研究所
首都医科大学附属北京红十字朝阳医院心脏中心 (北京 100020)
参考文献
1　Gleik J ed.Chaos:making a new science.New York;Viking Penguim Inc.,1987.
2　Kaplan DT.The analysis of variability.J Cardiovasc Electrophysiol,1994,5:16
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4　Suyama CA,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,1991,121:820
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8　Woo MA,Stevenson WG,Moser DK,et plex heart rate variability and serum norepinephrine levels in patients with advanced heart failure.J Am Coll Cardiol,1994,23:565
9　Kamen PW,Krum H,Tonkin AM.The effect of autonomic perturbations on heart rate variability in normal subjects:Quantitative analysis of the Poincare plot.Circulation,1995,92:I-144A
(1997－07－12收稿)
(唐艳红编辑)。