Abstrakt
bakgrund. Korrekt hantering av hyperkalemi som leder till dödlig hjärtarytmi har blivit viktigare på grund av den ökade förekomsten av hyperkalemi-benägna sjukdomar. Även om t-vågförändringar i hyperkalemi är välkända, är deras användbarhet diskutabel., Vi utvärderade hur väl t-vågbaserade egenskaper hos elektrokardiogram (ECGs) är korrelerade med uppskattade serumkaliumnivåer med hjälp av EKG-data från klinisk praxis i verkliga världen. Sätt. Vi samlade ECGs från ett lokalt EKG-arkiv (MUSE™) från 1994 till 2017 och extraherade EKG-vågformerna. Av cirka 1 miljon rapporter genomfördes 124,238 inom 5 minuter före eller efter blodinsamling för serumkaliumuppskattning. Vi slumpmässigt utvalda 500 ECGs och två utvärderare mätte amplituden (T-amp) och höger sluttning av T-vågen (t-höger sluttning) på fem blyvågformer (V3, V4, V5, V6 och II)., Linjära korrelationer av T-amp, T-höger lutning och deras normaliserade funktion (t-norm) med serumkaliumnivåer utvärderades med användning av Pearson korrelationskoefficientanalys. Resultat. Pearson korrelationskoefficienter för T-våg-baserade funktioner med serumkalium mellan de två utvärderarna var 0,99 för T-amp och 0,97 för t-höger lutning. Koefficienten för sambandet mellan T-amp, T-right slope och t-norm och serumkalium varierade från -0.22 till 0.02., I den normala EKG-undergruppen (normalt EKG eller på annat sätt normalt EKG) fanns det ingen korrelation mellan t-vågbaserade egenskaper och serumkaliumnivå. Slutsats. T-vågbaserade funktioner var inte korrelerade med serumkaliumnivå, och deras användning i verklig klinisk praxis är för närvarande begränsad.
1. Inledning
hyperkalemi är en elektrolytderangement som kan leda till dödlig hjärtarytmi., Korrekt hantering av hyperkalemi har blivit viktigare på grund av den ökade förekomsten av hyperkalemi-benägna sjukdomar, såsom diabetes mellitus, kranskärlssjukdom och kronisk njursjukdom . Hyperkalemi och hypokalemi eller fluktuationer i kaliumnivåerna är förknippade med ökad risk för dödlighet och livshotande arytmier . Dessutom kan sjuklighet, sjukhusvistelse och död följa även mindre förändringar i kaliumnivån hos patienter med njur-eller hjärtsjukdom .
många av de viktigaste läkemedlen som används för sjukdomsbehandling förändrar serumkaliumnivåerna., Läkemedel riktade mot renin-angiotensin-aldosteronsystemet har varit grunden för behandling av hjärt-kärlsjukdom eller för förebyggande av kronisk njursjukdom. Den åttonde gemensamma nationella kommittén riktlinjer rekommenderar aldosteronreceptorblockerare som viktiga läkemedel för sekundär prevention av hjärtsvikt eftersom aldosteronantagonister kan minska dödligheten på grund av hjärtsvikt . Det är emellertid ironiskt att användningen av aldosteronantagonister ökar dödligheten på grund av hyperkalemi, vilket betonar vikten av korrekt hantering av hyperkalemi ., Icke-steroida antiinflammatoriska läkemedel är andra läkemedel som orsakar allvarlig hyperkalemi men administreras utan korrekt elektrolytnivåövervakning. Dessutom är andra risker förknippade med kaliumrika livsmedel, som ofta kan vara dödliga hos patienter med slutstadiet njursjukdom.
förändringar i elektrokardiogram (EKG) mönster är kända för att vara direkt associerade med serumkaliumnivåer . Mild till måttlig hyperkalemi kan leda till PR-intervallförlängning och utveckling av topp T-vågor. Allvarlig hyperkalemi kan orsaka att QRS-komplexet breddas., Platta eller inverterade T-vågor, en u-våg, St-depression och ett brett PR-intervall observeras hos patienter med hypokalemi. På grund av långvarig ventrikulär repolarisering uppträder en framträdande u-våg, eller ett förlängt QT-intervall kan observeras när u-vågor läggs på en T-våg.
förändringar i EKG-mönster på grund av en förhöjd kaliumnivå är tydliga i experimentell inställning. Många studier har dock rapporterat att dessa mönster inte är tillförlitliga kliniskt ., Några tidigare studier har rapporterat att resultatet av kaliumnivåuppskattning med hjälp av EKG-information av läkare var dålig. Känsligheten för hyperkalemidetektering av två läkare var 0,43 och 0,34 ; även när individer hade måttlig till svår hyperkalemi (kaliumnivå >6,5 mmol/l) var känsligheten endast 0,62 och 0,55. Enligt en annan retrospektiv granskning var t-vågförändringar som bedömdes av en kardiolog inte heller väl korrelerade med serumkaliumnivå, och de flesta T-vågförändringar var ospecifika .,
baserat på kända t-vågmönster har dock andra studier försökt bestämma kaliumnivåer med maskininlärning . Enligt dessa studier som involverar patienter som genomgår hemodialys, enstaka EKG-data (V3 , V4 eller V5) är lika exakt som 12-bly EKG-data med rapporterade absoluta fel på 0,5±0,42 respektive 0,46±0,39 mmol/l. Dessa studier tyder på att EKG-mönster, särskilt t-vågens form, kan vara till hjälp vid bestämning av serumkaliumnivåer i kliniska miljöer., Dessa studier har dock begränsningen att den modell som användes utvecklades och validerades med ett begränsat antal patienter (26 patienter för utveckling och 19 för validering), och försökspersonerna var begränsade till patienter på hemodialys.
dessutom, såvitt vi vet, har ingen studie direkt utvärderat hur väl t-vågbaserade funktioner korrelerar med serumkaliumnivå i den verkliga kliniska praxisinställningen., I denna studie genomförde vi kvantitativ utvärdering av ECGs som fångats i klinisk praxis i verkliga världen för att avgöra om t-vågbaserade funktioner är användbara för att uppskatta serumkaliumnivån i allmän klinisk praxis.
2. Metoder
kravet på informerat samtycke avvisades och studien godkändes av Ajou University Hospital Institutional Review Board (IRB) (IRB-nummer ajirb-med-MDB-17-273). Vi använde endast de-identifierade data och analyserade informationen retroaktivt.
2.1., Datakälla
vi använde en klinisk forskningsdatabas som inkluderade patientdemografi, diagnoser, läkemedelsföreskrifter och laboratorietestresultat extraherade från de elektroniska patientjournalerna på ett tertiärt undervisningssjukhus i Korea (Ajou Universitetssjukhus) mellan September 1994 och December 2017 (Figur 1). Databasen innehöll 134,011,566 recept, 32,956,672 diagnoser och 278,011,281 laboratorietestresultat från 2,940,379 patienter.
EKG består vanligtvis av alfanumeriska värden och vågformdiagram (Figur 2(a))., Alfanumeriska värden inkluderade demografi, patientens identifieringsnummer, Datum för elektrokardiografi och EKG-parametrar (rr, QT-intervall etc.). Vågformgrafer är tidsseriedata som representerar förändringar i elektroniska signaler från hjärtat under några sekunder. När alla data från ECGs, som lagrades i PDF-format i det lokala EKG-arkivet (MUSE™ – systemet) samlades in, extraherades den del som innehåller vågformen och omvandlades till SVG-format ., Därefter konverterade vi x-och y-koordinaterna för vektorbilder till en likvärdig tidsserie (500 datapunkter per sekund, 500 Hz) via linjär interpolering för att behålla ett dataformat som liknar det som erhållits från sensorn direkt.
på cirka 1 miljon insamlade ECGs erhölls 124,238 inom 5 minuter (tidsfönster) före eller efter bloduppsamling för serumkaliumuppskattning. Av dessa valde vi slumpmässigt ut 500 ECGs för manuell utvärdering.
2.2., Data förbehandling
ett webbaserat verktyg utvecklades för att mäta Amplitud (T-amp; skillnaden i millivolts (mV) mellan toppen och slutet av T-vågen) och den högra lutningen av T-vågen (t-höger sluttning; lutningen vid den brantaste delen av den nedåtgående delen av T-vågen). Detta verktyg hjälpte oss att utvärdera och effektivt hantera mätresultaten för varje EKG-signal(Figur 2 (B)) snabbt. Verktyget visar en 3-sekunders EKG-vågform, så att användaren kan mäta T-amp och T-höger lutning., När det gäller de 500 valda ECGs mättes T-amp och t-right-lutningen på vågformerna av fem ledningar (V3, V4, V5, V6 och II) manuellt och självständigt av två utvärderare med hjälp av detta verktyg.
vågformer i ECGs inkluderade vanligtvis två eller tre slag. Utvärderarna valde den takt i baslinjen som var mest stabil och hade mindre buller. T-amp och T-höger sluttning mättes på utvalda slag. Mätningar av skillnader mellan de två utvärderarna som var större än medelvärdet + 2×standardavvikelse (SD) eller mindre än medelvärdet–2×SD uteslöts från ytterligare analys (figurerna 2 c och 2 d)., Graden av korrelation mellan de två utvärderarna bestämdes av Pearson korrelationskoefficientanalys.
2.3. Feature Extraction
Vi exkluderade ECGs, som hade skillnader i deras tolkning mellan de två utvärderarna i ett eller flera leads. T-amp och T-höger lutning värden som uppmätts av de två utvärderarna var i genomsnitt och används som slutvärden för T-amp och T-höger lutning motsvarande ECGs. Enligt följande formel, som användes för att normalisera funktioner för att uppskatta serumkaliumnivån i en studie av Zachi et al.,, två funktioner normaliserades och integrerades i en funktion:
först mätte vi eller beräknade de tre funktionerna (T-amp, T-höger sluttning och t-norm) i varje ledning av ECGs. För det andra valdes ledningen som hade den mest framträdande T-vågan (den största T-amp) bland V3, V4 och V6 och II, som heter Pt, och användes som representativ egenskap hos varje EKG.
2, 4. Feature Evaluation and Statistical Analysis
envägsanalys av varians och post-Hoc Tukeys test utfördes för att utvärdera skillnaden mellan uppmätta T-amp och t-right slope-värden mellan olika ledningar., Ett p-värde <0,05 ansågs vara signifikant.
vi utvärderade den linjära korrelationen mellan t-vågfunktioner och den faktiska serumkaliumnivån med hjälp av Pearson korrelationskoefficientanalys. För att utesluta effekten av underliggande sjukdomar, som kan påverka hjärtrytmen, genomförde vi undergruppsanalys där endast EKG-resultat som visar normalt EKG (n=191) eller på annat sätt normalt EKG (n=40)—den normala EKG—undergruppen-inkluderades. De detaljerade tolkningslistorna för annars normalt EKG och antalet per Tolkning finns i tabell S1.,
MS-SQL 2017 (Microsoft Corp.) användes för datahantering, och R (version 3.2.2, Foundation for Statistical Computing) användes för dataförbearbetning och statistisk analys.
3. Resultat
3.1. Datauppsättningar för analys
T-amp och T-höger lutning från 500 ECGs mättes av två utvärderare. Mätningarna mellan två utvärderare var väl korrelerade när det gäller både T-amp och t-right, vilket framgår av figurerna 2 C och 2 d., Efter att ha uteslutit ECGs som var diskrepanta mellan de två utvärderarna valdes slutligen data från 330 ECGs (inklusive 231 ECGs från den normala EKG-undergruppen). Studiernas grundläggande egenskaper visas i Tabell 1.
absoluta värden för uppmätt T-amp och T-höger lutning var högst i bly V3 och lägst i bly II för både det totala antalet försökspersoner (n=330) och för den normala EKG-undergruppen (n=231). Värdena var signifikant högre i prekordial bly än i lead II i båda grupperna (p<0.001).
3.2., Linjär korrelation mellan T-Vågbaserade egenskaper och Serumkaliumnivån
3.3. Linjär korrelation i normal EKG undergrupp
Efter att ha uteslutit onormala ECGs (endast normala ECGs eller på annat sätt normala ECGs) visade resultaten samma mönster som de från totalt antal ECGs valda; liknande resultaten i det totala antalet ECGs var Pearson-korrelationskoefficienterna för T-amp positiva och de Av T-höger lutning och t-norm negativa i alla ledningar., Det fanns emellertid ingen korrelation mellan t-vågbaserade egenskaper och serumkaliumnivå i denna undergrupp, eftersom koefficientvärdena varierade från -0.17 till 0.16 (Figur 3 och Tabell 2).
4. Diskussion
denna studie utvärderade direkt graden av korrelation mellan blodkaliumkoncentration och T-vågbaserade egenskaper hos ECGs. Manuellt granskade t-vågbaserade egenskaper hos ECGs som genomfördes i daglig praxis korrelerade inte med serumkaliumnivå. Dessutom detekterade vi i den normala EKG-undergruppen ingen korrelation.,
i denna studie valdes och utvärderades T-amp och T-höger lutning från vågformarna av fem ledningar (V3, V4, V5, V6 och II). Vågformerna av de fyra ledningarna (V3-V6) användes i tidigare studier för att uppskatta serumkaliumnivån. Bly II används mest populärt vid patientövervakning. Således syftade vi till att utvärdera möjligheten att tillämpa funktionerna i en klinisk miljö där patienter övervakas, till exempel i en intensivvårdsenhet.,
mönstret av värden, som extraherades som funktioner (T-amp och T-höger sluttning från lead II, V3, V4, V5 och V6), visade välkända mönster. Det är känt att amplituden för T-vågen är maximal i bly V3 . Dessutom är T-våg i prekordiala ledningar (<10 mm eller <1 mV) vanligtvis större än den i lemmen (<5 mm eller 0,5 MV) leder ., I våra resultat, endast mindre än 2% i den totala patientgruppen (6 i bly II, 5 i bly V3, 5 i bly V4, 1 i bly V5, och 0 i bly V6 bland 330 ECGs) och den normala EKG-undergruppen (2 i bly II, 4 i bly V3, 1 i bly V4, 0 i bly V5 och 0 i bly V6 bland 231 normala ECGs) översteg 0,5 MV i lemmen bly eller 1 mV i prekordiala leder., Dessutom var medelvärdet för uppmätt T-amp högst i V3 och det för prekordiala ledningar var signifikant högre än för lem-ledningen (lead II) i envägsanalys av varians och i post-Hoc Tukeys test (p<0.001). Det kan innebära att de extraherade värdena är tillförlitliga och kan användas för vidare analys.
i likhet med resultaten från tidigare forskning utförd i kliniska miljöer hade t-vågbaserade funktioner inget tydligt samband med serumkaliumnivå., Enligt en tidigare studie observerades förändringar i EKG-mönstret, som tyder på hyperkalemi, hos endast 46% av patienterna vars kaliumnivå varierade mellan 6 och 9.3 mekv / L . Flera andra fallrapporter stödde också slutsatsen att signifikanta EKG-förändringar inte är relaterade till markant förhöjda kaliumnivåer . Dessutom har patienter vi möter i daglig praxis olika förvirrande faktorer, såsom mediciner, comorbidities och demografi., Eftersom dessa förvirrande faktorer kan förändra EKG-data, gör de att upptäcka mönster som tydligt är förknippade med serumkaliumnivån svårare. På grund av detta var känsligheten för att upptäcka hyperkalemi av två läkare i en akutmottagning mycket låg vid 0,43 och 0,34 .
i undergruppsanalysen av normalt EKG eller på annat sätt normalt EKG visade resultaten samma mönster av ingen korrelation mellan t-vågfunktioner och serumkaliumnivå. Vi anser att detta inte kan bero på kontaminering med onormala ECGs., Även om vi selektivt tillämpade serumkaliumnivåbestämningsmodellen till normal EKG, kan det vara svårt att få tillförlitlig prestanda.
Zachi et al. försökte också uppskatta serumkaliumnivån baserat på t-vågfunktioner, och uppskattningsprestandan minskade när den utvecklade modellen applicerades på en annan oberoende testgrupp . Högre prestanda observerades när skattningsmodellen tillämpades på de patienter som användes för modellutveckling men vid olika tidpunkter., Detta fynd tyder på att unika EKG-mönster orsakas av olika egenskaper hos varje patient.därför bör en personlig modell snarare än en som i allmänhet kan tillämpas utvecklas.
den djupa inlärningsmetoden kan vara en alternativ modell. Deep learning, en maskininlärningsmodell, har framkommit som den mest populära designen i olika applikationer, inklusive datorvision och naturlig språkbehandling., I synnerhet kan konvolutionella neurala nätverk fungera som extraktorer från data även i avsaknad av förkunskaper om domänen , och den återkommande neurala nätverksmodellen identifierar tidsmässiga beroenden i tidsserieproblem . Funktion extraktion och tidsberoende kan effektivt fångas genom att kombinera båda modellerna. Om den djupa inlärningsbaserade modellen används kan mer olika och komplexa egenskaper extraheras från EKG.
vår studie har vissa begränsningar., För det första mättes T-amp och T-höger lutning manuellt snarare än automatiskt eftersom det har funnits problem med att bestämma slutet på T-vågen. Eftersom T-vågens ände passerar mycket långsamt från signalen, är lokaliseringen av T-vågens ände en av de mest utmanande frågorna vid utvärderingen av EKG-vågformen . Genom att ha två oberoende utvärderare utföra mätningarna och sedan använda endast accordant resultat, vi försökte säkerställa tillförlitligheten i våra resultat. För det andra var längden på den vågform som användes i studien kort (ca 3 sekunder)., Våra data kan vara relativt begränsade och mindre toleranta mot buller eller artefakter. Slutligen övervägde vi inte andra EKG-mönster, såsom QRS-utvidgning eller p-vågplattning, vilket också kan observeras vid hyperkalemi. T-vågförändringen är dock känd som det mest representativa och tidigaste tecknet på hyperkalemi.
5., Slutsatser
som framgår av resultaten från tidigare forskning visade vår studie också att t-vågbaserade funktioner inte var korrelerade med serumkaliumnivåer i klinisk praxis i den koreanska befolkningen.även i den normala EKG-undergruppen kunde vi inte upptäcka någon korrelation. Därför är användningen av dessa egenskaper vid uppskattning av serumkaliumnivå i verklig klinisk praxis mycket begränsad.
datatillgänglighet
data för mätning av T-wave-baserade funktioner som används för att stödja resultaten av denna studie ingår i den kompletterande informationsfilen.,
intressekonflikter
författarna förklarar inga intressekonflikter.
Tack
Denna forskning har finansierats genom anslag av Korea Health Technology R&D Projekt genom Korea Health Industry Development Institute (KHIDI), som finansieras av Ministeriet för Hälsa & Välfärden, Republiken Korea (Bidrag nr. HI16C0982 och HI17C0970).