基于BiLSTM的多導(dǎo)聯(lián)心電圖心律失常檢測

孫紅劍

（江蘇省鎮(zhèn)江市第一人民醫(yī)院心電圖室 江蘇省鎮(zhèn)江市 212002）

隨著人口老齡化加劇，心律失常的發(fā)生率也在逐漸上漲，尤其是快節(jié)奏生活，青年壓力越來越大，心律失?；颊呷后w也逐漸年輕化。心律失常，主要是心臟活動起源或者傳導(dǎo)過程出現(xiàn)障礙導(dǎo)致的心臟搏動節(jié)律異常，臨床癥狀的輕重程度不一，輕者可能無任何不適感，在查體時方能發(fā)現(xiàn)，嚴重時可能威脅患者生命。老年群體作為心律失常高發(fā)群體，若未及時診斷并治療，隨著疾病發(fā)展，可能會導(dǎo)致心臟衰竭，甚至導(dǎo)致患者猝死，嚴重威脅患者正常生活與生命健康，所以，正確、快速診斷心律失常具有重要意義。人工解釋12 導(dǎo)聯(lián)心電圖是常用心律失常診斷方法，操作簡單、無創(chuàng)，但是，人工操作耗時耗力，對醫(yī)生豐富知識與診斷經(jīng)驗要求較高，想要在短時間發(fā)現(xiàn)心電信號內(nèi)病理表現(xiàn)較為困難[1]。為快速并準確檢測患者心律異常，判斷患者疾病，文章探討了BiLSTM（自動解析）12導(dǎo)聯(lián)心電圖的應(yīng)用效果，旨在展示該醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)的優(yōu)勢，推動其臨床應(yīng)用。

1 心律失常檢測的重要意義

心律失常主要有如下表現(xiàn)：冠狀動脈供血問題。冠狀動脈血流量低于正常值，是心律失常下常發(fā)疾病，但是，患者雖然冠狀動脈血流量下降，卻極少導(dǎo)致心肌缺血，然而，若患者存在冠心病，心律失?？赡軐?dǎo)致心肌缺血，外在表現(xiàn)為：氣短、心絞痛、周圍血管衰竭等。不同程度心律失常也可能導(dǎo)致腦動脈血流量異常，若腦血管正常，并不會帶來嚴重后果，若腦血管病變，將導(dǎo)致腦供血不足，外在表現(xiàn)為：乏力、頭暈、視物模糊等，若帶來不可逆轉(zhuǎn)的腦損害，甚至導(dǎo)致癱瘓、失語等。腎動脈供血異常，也是心律失常發(fā)生后常見情況，腎血流量受到心律失常影響減小，臨床表現(xiàn)為：蛋白尿、少尿、氮質(zhì)血癥等。心功能不全，臨床癥狀為：咳嗽、倦怠、呼吸困難等。因此，加強心律失常檢測，具有重要意義。通過對心電圖領(lǐng)域醫(yī)學(xué)知識展開研究可知，通過心電圖對心律失常進行診斷，主要是通過導(dǎo)聯(lián)波形內(nèi)各波變化，如：QRS 間期出現(xiàn)rS 形態(tài)，可能為左束支阻滯，ST 段過高，將引發(fā)心肌梗死、心包炎等。通過直觀波形變化，與醫(yī)生經(jīng)驗結(jié)合，對心律失常的心電圖判斷，能夠判斷患者是否存在心血管疾病，為疾病預(yù)防提供幫助。常見波形變化如圖1 所示。

2 基于BiLSTM的多導(dǎo)聯(lián)心電圖的導(dǎo)聯(lián)方式

多導(dǎo)聯(lián)心電圖，主要是通過將心電圖設(shè)備上的電極放置于人體的不同部位，通過導(dǎo)聯(lián)線、心電圖機電流計正負極連接，記錄心電圖電路，目前，12 導(dǎo)聯(lián)是國際通用導(dǎo)聯(lián)方式，其中包含了和肢體連接的肢體導(dǎo)聯(lián)，和胸部連接的胸導(dǎo)聯(lián)。肢體導(dǎo)聯(lián)，其中包含標準肢體導(dǎo)聯(lián)Ⅰ、導(dǎo)聯(lián)Ⅱ、導(dǎo)聯(lián)Ⅲ，加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)AVL、導(dǎo)聯(lián)AVR、導(dǎo)聯(lián)AVF。標準肢體導(dǎo)聯(lián)，又名為雙極導(dǎo)聯(lián)，展現(xiàn)肢體間電位差；加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)，主要是指通過將一個電極電位為零，另一電極顯示數(shù)值，通過電位差形成波形振幅，加壓升高電位，加大振幅幅度，為檢測提供便利。在臨床上，對心電圖描記時，探查電極包含顏色共有4 中，分別放置于：右上肢的手腕處（紅色電極）、左上肢的手腕處（黃色電極）、左下肢的足踝處（綠色電極）、右下肢的足踝處（黑色電極）。胸導(dǎo)聯(lián)，作為單極導(dǎo)聯(lián)，其中包含V1-V6，檢測時，將正電極放置于患者胸壁規(guī)定位置，將另外3 個電極以5K 電阻聯(lián)入負極，形成中心電端。在心律失常檢測中，上述12 導(dǎo)聯(lián)滿足需求。

圖1：各波段常見波形變化

3 基于BiLSTM的多導(dǎo)聯(lián)心電圖心律失常檢測

3.1 基于BiLSTM的多導(dǎo)聯(lián)心電圖適應(yīng)癥

多導(dǎo)聯(lián)心電圖主要適用于如下幾類癥狀：

（1）胸悶、胸痛或者存在上腹部不適，這類疑似急性肺栓塞、心肌梗死的疾病可用多導(dǎo)聯(lián)心電圖檢測判斷；

（2）在心律失常的可疑期，患者存在心動過速、過緩、傳導(dǎo)阻滯等情況，可采用該設(shè)備檢測。

（3）當患者存在頭暈、暈厥等疑似竇房結(jié)功能障礙時，可引入多導(dǎo)聯(lián)心電圖。

（4）當檢測某些藥物（如：洋地黃）是否影響心臟、影響大小時，可采用多導(dǎo)聯(lián)心電圖檢測觀察。

（5）若想要掌握電解質(zhì)異常（如：血鈣、血鉀等）對心臟功能影響時，使用多導(dǎo)聯(lián)心電圖較為適合；另外，植入心臟起搏器前后、心血管疾病監(jiān)測、心臟手術(shù)開始前后等都離不開多導(dǎo)聯(lián)心電圖。須知，多導(dǎo)聯(lián)心電圖能夠通過多導(dǎo)準確掌握患者心臟情況，而自動解析功能，無需消耗大量時間對心電圖解釋，即可直接將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為有用信息，保障一旦發(fā)現(xiàn)異常，即可針對性采取措施，保障患者身體健康。

3.2 基于BiLSTM的多導(dǎo)聯(lián)心電圖應(yīng)用難點

在檢測患者心律失常時，多導(dǎo)聯(lián)心電圖雖然具有多項優(yōu)勢，在實際應(yīng)用中，卻仍存在一定難點：

圖2：含基線漂移噪聲的心電信號

（1）心電數(shù)據(jù)不足。醫(yī)療數(shù)據(jù)與普通大數(shù)據(jù)不同，普通數(shù)據(jù)可直接在互聯(lián)網(wǎng)上獲取，醫(yī)療數(shù)據(jù)本身對真實性要求較高，不能隨意在網(wǎng)絡(luò)上獲取，且諸多患者的醫(yī)療數(shù)據(jù)具有私密性，增大了醫(yī)療數(shù)據(jù)獲取難度。目前，諸多智能醫(yī)療領(lǐng)域中，普遍缺乏公認高影響力的醫(yī)療大數(shù)據(jù)集。如此，在BiLSTM 下多導(dǎo)聯(lián)心電圖對患者情況自動解析時，可參考的心電數(shù)據(jù)不足，影響了解析結(jié)果的真實性。

（2）心電圖導(dǎo)聯(lián)交叉。在本次研究中，心律失常檢測選擇了能自動解析的12 導(dǎo)聯(lián)心電圖，因心電圖區(qū)域、心律節(jié)拍振幅之間存在關(guān)聯(lián)，致使心電圖導(dǎo)聯(lián)交叉，致使心電圖的波峰、波谷相互重疊，影響了12 導(dǎo)聯(lián)心電圖的有效擴展。

（3）在心電圖領(lǐng)域醫(yī)學(xué)知識研究中，可以了解到，在利用心電圖對心律失常診斷時，主要關(guān)注導(dǎo)聯(lián)波形內(nèi)各波波形變化，通過直觀波形變化，結(jié)合醫(yī)生經(jīng)驗，診斷患者心律失常。而在這一過程中，如何由波峰、波谷變化中準確理解其中所代表的信息是關(guān)鍵。雖然，BiLSTM 使多導(dǎo)聯(lián)心電圖自動化水平提升，但是，醫(yī)生本身的知識與經(jīng)驗亦至關(guān)重要。

（4）12 導(dǎo)聯(lián)心電圖內(nèi)數(shù)據(jù)信息的融合。在心律失常檢測中，所用設(shè)備為多導(dǎo)聯(lián)心電圖，12 通道保障了心電圖檢測的準確性，同時，在數(shù)據(jù)診斷時，醫(yī)生不僅要對單個導(dǎo)聯(lián)信號波形特征深入分析，還要將12 個導(dǎo)聯(lián)形態(tài)特征有效融合，通過整體情況得出檢測結(jié)果，方能發(fā)揮心電圖檢測技術(shù)的作用。這一過程中，心電圖檢測人員必須協(xié)同學(xué)習(xí)12 導(dǎo)聯(lián)心電信號，而當前深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)并無適合網(wǎng)絡(luò)結(jié)果[2]。另外，常用心電數(shù)據(jù)內(nèi)存在數(shù)據(jù)頻率不一、數(shù)據(jù)長度不等，所以，為保障12 導(dǎo)聯(lián)心電數(shù)據(jù)識別效果，不僅要構(gòu)建適宜深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還應(yīng)構(gòu)建科學(xué)數(shù)據(jù)組織方式，發(fā)揮多導(dǎo)聯(lián)心電圖的應(yīng)用價值。

4 BiLSTM下多導(dǎo)聯(lián)心電圖的應(yīng)用價值與心電信號預(yù)處理

4.1 BiLSTM下多導(dǎo)聯(lián)心電圖的應(yīng)用價值

12 導(dǎo)聯(lián)心電圖的應(yīng)用，能夠及時判斷患者是否為心律失常，甚至能夠準確發(fā)現(xiàn)患者心律失常的引發(fā)因素，為患者對癥治療提供信息支持。如：冠狀動脈供血不足作為心律失常引發(fā)常見疾病，而臨床并無特異癥狀，12 導(dǎo)聯(lián)心電圖的應(yīng)用，能夠及時發(fā)現(xiàn)心肌缺血。面對心肌缺血危險患者，如：心肌梗死，12 導(dǎo)聯(lián)通過ST 段進行持續(xù)性監(jiān)測，通過對一段時間患者心電圖的自動解析，及時發(fā)現(xiàn)患者心肌缺血情況，為臨床診斷、疾病治療提供依據(jù)。并且，在檢測心律失常時，多導(dǎo)聯(lián)相比于單導(dǎo)聯(lián)，檢測準確性更高，誤診率與漏診率較低，還能夠判定心律失常種類、出現(xiàn)時間、發(fā)作率、持續(xù)時間、藥物治療前后變化等，為心律失常選擇科學(xué)治療方式提供幫助，是心律失常判定與治療中不可缺少的技術(shù)。不過，12 導(dǎo)聯(lián)心電圖也存在一定劣勢，在臨床實踐中，易受外界因素干擾，如：當患者體位變化、電極片使用時間較長，屏幕將出現(xiàn)干擾波，不利于心電圖判斷。對此，在心律失常檢測中，可引入基于BiLSTM 的多導(dǎo)聯(lián)心電圖檢測技術(shù)，提高檢測準確性，避免漏檢與誤檢的幾率，為心律失?；颊叩募膊】刂频於ɑA(chǔ)，保障患者生命健康。

4.2 心電信號預(yù)處理

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)生物醫(yī)學(xué)信號的信噪比均相對較低，心電信號也屬于信噪比較低的一種微弱信號[3]。心電信號采集時，常常混合較強背景噪聲，其中，工頻與肌電感染、基線漂移等是主要噪聲，導(dǎo)致后續(xù)心電信號特征提取困難，甚至于，學(xué)習(xí)到錯誤特征表示，為心律失常識別帶來負面影響。所以，在識別導(dǎo)聯(lián)曲線波形時，應(yīng)做好心電信號的降噪處理。

4.2.1 預(yù)處理方案設(shè)計

因心電信號背景噪聲頻率不同，在信號預(yù)處理時，應(yīng)做好不同頻率噪聲的抑制。依照噪聲不同特性，分別制定降噪方式。對此，可采用雙樹復(fù)小波變換與零相位巴特沃斯濾波器對心電信號降噪，去除高頻噪聲、低頻干擾。以零相位巴特沃斯濾波器將心電信號內(nèi)基線漂移噪聲去除，之后以雙樹復(fù)小波變化對心電信號多尺度分解，以小波閾值法將信號內(nèi)高頻噪聲去除。

4.2.2 心電噪聲濾除

在對心電信號進行數(shù)據(jù)采集時，因人體活動、心電信號記錄儀等因素影響，所采集的心電信號常?；烊牖€漂移、肌電干擾等各種噪聲。對于基線漂移噪聲，易導(dǎo)致心電信號的波形幅值與原始值偏離，如圖2，為心律失常識別帶來不良影響。對比，可采用中值濾波器將噪聲信號濾除。工頻干擾、肌電感染幅度較大且擁有一定頻率，所以，使用雙樹復(fù)小波變換能夠有效濾除高頻信號噪聲，因該信號濾除方式采用雙樹結(jié)構(gòu)，使每個尺度上的DWT 內(nèi)出現(xiàn)下二采樣效果降低，極大減少信號混疊效應(yīng)[4]。

5 總結(jié)

總而言之，心律失常作為常見疾病，主要發(fā)生于老年群體，而快節(jié)奏的生活，青中年人所受壓力不斷增大，青中年群體心律失常發(fā)生率也明顯升高。在心律失常初期，患者并無明顯癥狀，極易導(dǎo)致患者忽略自身情況，給予心律失常發(fā)展時機，增大了疾病威脅度，影響了患者正常工作與生活。BiLSTM 下多導(dǎo)聯(lián)心電圖作為當前常用心律失常檢測方式，不僅能夠準確檢測患者是心律失?；蛘咂渌难芗膊。€能夠得出心律失常性質(zhì)、類型、治療方式等，為心律失?；颊咧委熖峁┝诵畔⒅С郑浞N種應(yīng)用優(yōu)勢，值得臨床推廣。