CN101011242A - 一种向量心电图仪及实现方法 - Google Patents

Abstract

一种向量心电图仪及实现方法，将立体心向量环投影在额、横、侧三个平面后，形成平面心向量图；在三个平面环体上从不同的角度做若干条虚拟导联轴线的投影，形成线性方式表达的向量心电图。虚拟导联轴在各平面上0～360度范围内设有0～18个导联轴，共生成54导向量心电图。弥补传统心电图因导联轴数目少所致的“夹角盲区”过大和缺失的侧面观察。可以1～78导联同源同步及/或选择性描记十二导心电图、正交心电图、向量心电图、时间心向量图、变向时间心向量图、连续心向量图、分解/放大心向量图、立体心向量图。可以在一维、二维和三维心电图中同步转换、观察，用于教学演示。提出三维心电发展观，从时空域全方位全角度观测心脏生物电活动。

Description

一种向量心电图仪及实现方法

技术领域

本发明涉及一种向量心电图仪及实现方法，属于医疗诊断及教学仪器领域。

背景技术

1903年，世界第一台心电图机问世至今已百年余。经历了Einthoven-Goldberger-Wilson等人的不断努力，又经历了弦线型→线圈转动型→直接描记型→阴极射线型→计算机型的科技发展阶段。逐渐形成了从时间域中，以一维线性方式表达的一套理论学说，至今指导着临床、教学和科研工作。以后，人们对这种直线方式不能表达出原本立体心电活动的空间关系而颇感不足。二十世纪五十年代，不少学者提出了30多种空间心向量图的导联体系，1956年，由于Frank提出的校正导联体系设计合理，具有校正心脏位于胸腔的左前方且电极数目精简到七枚等优点，被业内人士公认公知和公用。向量心电图又称为一维心电图(z-Vectorelectrocardiogram，z-VECG/One dimensionalelectrocardiogram，1D-ECG)与传统心电图(Electrocardiogram，ECG)的本质相同，都是从体表描记出的心脏生物电活动图形。只是由于科技发展的阶段不同、导联体系不同、处理方法不同和对同一物体从时空域观察的角度不同，使其结果大不相同。如传统心电图机的优势为时间域的一维线性表达，能简单地表达出连续心跳的频率和节律；但对于P、QRS、T和U波形的形成原理、变化、现象和意义等不能充分表达及/或解释清楚，例如室上速伴宽QRS波群的鉴别诊断，心肌内除/复极扩布过程的诊断，缺少侧面、立体观察，心电轴夹角盲区过大，线性/平面定量定性数值繁复不精准等等。整合、提出这些差别，并研发出向量心电图仪(z-Vectorelecrtocardiography，z-VECG)，有助于将同源的心电信号，同步地在一、二、三维空间中相互转换、观察、测量、描记、教学和认知；有助于建立起三维心电发展观，从时、空域中客观整体细致地观察心脏生物电活动；有助于纠正以往的错误理念，进一步提高心电学诊断水平；有助于筛选出全面、细致、准确、精练、实用和唯一的检测指标。有助于明确今后心电学发展的方向。

总之，人体的心脏是一个立体的、中空的肌性器官，由心肌本身产生的生物电活动是一个具有空间方向和大小不断变化的电场。采用数学中维数论或几何学原理以及Frank校正导联体系，通过计算机和计算机辅助设计，从一维线性、二平面和三维立体的方式方法中去同源同步相互转换观察心脏生物电活动，认知才能客观、完整和深入。

发明内容

为了克服传统技术结构不足，如：传统心电图与心向量图的导联体系不同，不能同源比对，只能类比；局限于教学上说明心电图是由于心向量图的二次投影所产生出来的理念，不仅实用价值不大，而且容易误导；传统心电图不能在一、二、三维空间中相互转换，难以再提高诊断的敏感性、特异性和准确性；传统心电图的优势只是时间域中的线性表达，缺少空间域中的平面和立体方式方法的表达，使诊断结果主观、片面、经验化；传统心电图大于10根的电极线和大于18导联的作法，远较由7根电极线生成的54导联向量心电图繁复；等等。

本发明提供一种向量心电图仪及实现方法，用以临床诊断、教学和科研。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种向量心电图仪实现方法；

步骤1.采集Frank导联体系的正交心电图数据，记录人体心脏生物电各个时刻的空间电压振幅；

步骤2.设定虚拟导联轴：向量心电图的导联轴由一组用软件设定的虚拟导联组成，每个虚拟导联皆有一个面属性和一个角度属性，并且确定出导联轴的方向。在额面(F)、横面(H)和侧面(S)上各自的0～360度范围内，设定0～18个导联轴，三个面共设有54个虚拟导联轴，可随意调整其导联轴角度，导联轴之间的最小夹角为0.5度；

步骤3.将空间中每一个瞬间电压分量，用一个“空间点”来表示。将各空间点的远端连成一条曲线，就形成了立体心向量环。将立体心向量环投影在额、横、侧三个平面后，形成平面心向量图(Vectorcardiogram，VCG)；又在三个平面环体上从不同的角度做若干条虚拟导联轴线的投影，通过计算机计算并得出该导联轴的向量心电图波形。

一种向量心电图仪，包括心电采集装置、信号处理装置和向量心电图仪的显示描记装置。

心电采集装置包括：16根电极线，并行15通道输入Einthoven-Goldberger-Wilson和Frank导联系统；15个隔离级；电阻网络；15导联系统；前置放大器；滤波器；二级放大器；光电隔离器；采样保持器；模数转换(A/D)；USB接口；(图1)

向量心电图仪的显示描记装置包括PC计算机，绘图仪或热敏记录仪；

信号处理装置包括：对所述心电采集装置输出各路心向量信号进行空间域处理，包括由X、Y、Z三个相互垂直相交构成的三维立体心向量模型、并通过所述输出装置绘出相应轨迹曲线的一个心向量三维空间处理单元；

对所述心电采集装置输出各路心向量信号予以平面处理，包括由X-Y组成额面、X-Z组成横面、Y-Z组成侧面的一个心向量二维空间处理单元；

对所述心电采集装置输出各路心向量信号进行线性投影的处理，包括将虚拟导联轴投影在由X-Y组成额面、X-Z组成横面和Y-Z组成侧面上的处理单元；

对所述电信号采集装置输出的1D线性、2D平面和3D立体心电信号进行综合分析处理，并通过输出装置观察图像和绘出相应的曲线的一个综合分析单元。

对所述电信号采集装置输出的1D线性、2D平面和3D立体心电信号进行综合分析处理，并通过输出装置观察三维心电图的生成、转换的教学影像模块单元。

向量心电图生成原理：向量心电图数据来源于Frank导联体系的正交心电图数据，即记录了人体心脏生物电各个时刻的空间电压振幅。

空间心电向量振幅的计算公式：

$\mathrm{SE}=\sqrt{{\mathrm{EX}}^2+{\mathrm{EY}}^2+{\mathrm{EZ}}^2}$

注：SE为空间向量图的振幅；EX²EY²EZ²为P、QRS、T、U或ST向量分别在X、Y、Z轴的投影。

根据向量心电图的电压是三维心向量电压在某个空间角度的分量原理，可以设计出一个空间向量轴，轴的朝向就是某个导联的角度，然后将各个空间向量逐一地在空间轴上进行垂直投影，如图2所示。根据分量原理，判断出投影在该轴上的刻度值，实际上就是空间向量在这个导联上所获得的分量，因此可以说向量心电图的振幅实际上是三维心向量在某个空间轴上的垂直投影。

向量心电图的导联是一组用软件设定的虚拟导联轴。为方便理解，可按有形和无形导联划分为：“硬导联”和“软导联”，前者是由物理导联线和采集系统构成的有形导联，如当前通用的心电图导联线；后者是由计算机软件实现的虚拟导联。每个虚拟导联皆有一个面属性和一个角度属性，用来确定哪一个面和在该面内的角度是多少。根据这两个属性，确定出该导联轴的方向，箭头指向为正(+)，反之为负(-)，轴的中心点为零(0)。通过计算机计算并得出该导联轴的心电图波形。

理论上在任何一个面上可以设定无限个虚拟导联。而本系统提供的虚拟导联轴，仅允许在额面(F)、横面(H)和侧面(S)上的0～360度范围，设定0～18个导联轴，三个面共设有54个虚拟导联轴，每个导联可以根据需要调整其导联轴的角度，导联轴之间的最小夹角为0.5度，正在调整的导联轴不能跨越其前后的导联轴。

总之，向量心电图是采用Frank校正导联体系，从三维空间的心电向量数据中计算出来并以一维方式表达的线性心电图。将空间中每一个瞬间电压分量用一个“空间点”来表示，将各空间点远端连成一条曲线，就形成了立体环，谓之“立体心向量环”。所谓“两次投影学说”就是将立体心向量环投影在额、横、侧三个平面后(一次简化)，形成平面心向量图(VCG)；又在三个平面环体上从不同的角度做若干条虚拟导联轴线的投影(再次简化)，就形成了线性方式表达的向量心电图(z-VECG)。

绘出的图形包括：十二导心电图、正交心电图、向量心电图、时间心向量图、变向时间心向量图、连续心向量图、分解/放大心向量图、立体心向量图。同时，上述图形可以在1～78导联中，同源、同步或分项组合描记；亦可在一维、二维和三维心电图中同源同步实时转换、观察和描记。

教学演示图形包括：向量心电图的单导联演示图；多导联向量心电图瞬间生成演示图；自由导联投影图和QRS最大心向量的振幅和角度显示图。

向量心电图(z-VECG)意义：

1.对额、横、侧三个平面中任意角度做同源同步多导联轴的线性观测，弥补传统心电图导联轴的“夹角盲区”过大和缺失的侧面观察。

2.向量心电图(z-VECG)与传统心电图(ECG)的区别在于导联体系不同，前者可以在一、二、三维空间中相互转换，使被观察对象的结果更为客观、全面、细致和准确；后者不能象前者那样相互转换，只能从时间域去观察，亦被称之为“经验科学”。

3.有助于建立起三维心电发展观，从时、空域全方位全角度客观整体细致地观测心脏生物电活动。

4.对心脏电活动的信息进行实时、同步、同源、多维、转换、观察和描记；例如：向量心电图(ZV-ECG/1D-ECG)优势在于说明连续心跳的时序性(频率和节律)；2D-ECG优势是对1D-ECG波形形态的认知(即说明由心肌电/化学扩布形成的P、QRS、T、U波形的变化机理)；3D-ECG优势在于数值精准唯一、直观可视化。直线、平面和立体的三种方法各自表现出来的优势不同，只有互补、统一，认知才能客观、完整和深入。

5.向量心电图因电极放置简单而固定，受个体差异影响较传统心电图小，故便于国际上诊断指标的标准化和统一化。

6.向量心电图只用7根导联线可替代传统心电图≥10根的导联线和缺失的侧面观察。而且在平面中以最小为0.5度的夹角，随意设定若干条虚拟导联轴线。

7.有助于纠正以往的错误理念，进一步提高心电学诊断水平；

8.有助于筛选出全面、细致、准确、精练、实用和唯一的检测指标；

9.有助于明确今后心电学发展的方向，带动多学科向纵横方向深入发展。

附图说明

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

图1一种向量心电图仪结构示意图；

图2向量心电图生成原理图；

图3向量心电图[额F、横H、侧S三个面，54导联]；

图4向量心电图的单导联演示图；

图5多导联向量心电图瞬间生成演示图；

图6自由导联投影图；

图7QRS最大心向量的振幅和角度显示图；

图8正交心电图(O-ECG)、变向时间心向量图(CT-VCG)、时间心向量图(T-VCG)、连续心向量图(C-VCG)和分解/放大心向量图(D/A-VCG)；

图9立体心电图(3D-ECG)。

具体实施方式

实施例1：一种向量心电图仪，16根电极线/15路通道，时空域。一维、二维和三维心电图的实时同源同步转换观察和描记。

16根电极线，并行15通道输入Einthoven-Goldberger-Wilson和Frank导联系统；15个隔离级；电阻网络；15导联系统；前置放大器；滤波器；二级放大器；光电隔离器；采样保持器；模数转换(A/D)；USB接口；PC计算机；绘图仪或热敏记录仪。

信号处理装置包括：

对所述电信号采集装置输出各路心向量信号进行空间域处理，包括由X、Y、Z三个相互垂直相交构成的三维立体心向量模型、并通过所述输出装置绘出相应轨迹曲线的一个心向量三维空间处理单元；

对所述电信号采集装置输出各路心向量信号予以平面处理，包括由X-Y组成额面、X-Z组成横面、Y-Z组成侧面的一个心向量二维空间处理单元；

对所述电信号采集装置输出各路心向量信号进行线性投影的处理，包括将虚拟导联轴分别投影在由X-Y组成额面、X-Z组成横面和Y-Z组成侧面的一维线性表达的处理单元；

对所述电信号采集装置输出的1D线性、2D平面和3D立体心电信号进行综合分析处理，并通过输出装置观察图像和绘出相应曲线的一个综合分析单元；

如图8-9所示，绘出的曲线包括：十二导心电图、正交心电图、向量心电图、时间心向量图、变向时间心向量图、连续心向量图和立体心向量图。上述图形可以同步或分项连续绘出的输出装置。

一种向量心电图仪及实现方法，包括有如下步骤：

一个心向量三维空间处理单元对所述电信号采集装置输出各路心向量信号进行空间域处理，包括由X、Y、Z三个垂直相交的轴线构成三维立体心向量模型、并通过所述输出装置绘出相应的轨迹曲线；

一个心向量二维空间处理单元对所述电信号采集装置输出各路心向量信号予以平面处理，包括由X-Y组成额面、X-Z组成横面、Y-Z组成侧面；

一个心向量一维线性处理单元对所述电信号采集装置输出各路心向量信号进行线性投影的处理，包括将虚拟导联轴投影在由X-Y组成额面、X-Z组成横面和Y-Z组成侧面上；

一个综合分析单元对所述电信号采集装置输出的1D线性、2D平面和3D立体心电信号进行综合分析处理，并通过输出装置观察图象和绘出相应的曲线；

综合分析后，通过输出装置绘出的曲线包括：十二导心电图、正交心电图、向量心电图、时间心向量图、变向时间心向量图、连续心向量图、立体心向量图、同时，上述图形可以分项描记，也可以同步连续描记。

实施例2：

如图3所示，向量心电图的导联是是由计算机软件实现的虚拟导联。每个虚拟导联有一个面属性、一个角度属性并确定该导联的方向后，计算机就可以根据该导联轴计算和描记出相应的心电图形。

本系统提供的虚拟导联轴，是分别在额面、横面和侧面上0～360度范围内内，设定0～18个导联轴，三面共设54个虚拟导联轴，每个导联轴间最小度数为0.5度，可以根据需要设置各导联轴的角度。向量心电图(z-VECG)可与传统12导心电图(ECG)同步显示描记，也可与其他二维或三维心电图同步观察描记。

实施例3：

向量心电图仪还提供了一种教学演示功能模块，有助于理解一、二、三维心电图之间生成转换的相互关系。如：图4.显示额面中导联轴角度为30°时生成的向量心电图。图5.为横面多导联向量心电图瞬间生成演示，是针对一个心动周期的动态显示过程，即从平面VCG的开始端(起点)，到结束端(终点)。随瞬时间逐点推移描绘的同时，各导联轴按各自在坐标系中的角度，同步显示描绘出相应的向量心电图。图6.“自由导联轴”的投影是z-VECG与VCG对照的一种显示方式。自由导联轴是一个由用户随意改变角度的导联轴，该轴是一个带有方向箭头的矢量线，矢量线的中心点位于VCG坐标的原点(0)，矢量线上有毫伏单位刻度，用来衡量振幅，箭头方向为向量心电图振幅的正值(+)，反之为负值(-)。当旋转该导联轴到某一个角度时，同时出现相应的z-VECG，便于教学和认知。图7.QRS最大心向量的振幅和角度是用来判别向量环的主体朝向，如前后、左右、上下，设有两种显示：1.是二维(平面)VCG的最大向量振幅和角度；2.是三维(立体)心电图的最大向量振幅和角度。虽然许多时候两个矢量很接近甚至重合，但它们是客观存在的两个不同的量，非绝对等同。分别用两种不同颜色标出。

Claims (7)

1.一种向量心电图仪实现方法，其特征是：包括以下步骤；

步骤1.采集Frank导联体系的正交心电图数据，记录人体心脏生物电各个时刻的空间电压振幅；

步骤2.设定虚拟导联轴：向量心电图的导联轴由一组用软件设定的虚拟导联组成，每个虚拟导联皆有一个面属性和一个角度属性，并且确定出导联轴的方向。在额面(F)、横面(H)和侧面(S)上各自的0～360度范围内，设定0～18个导联轴，三个面共设有54个虚拟导联轴，可随意调整其导联轴角度，导联轴之间的最小夹角为0.5度；

步骤3.将空间中每一个瞬间电压分量，用一个“空间点”来表示。将各空间点的远端连成一条曲线，就形成了立体心向量环。将立体心向量环投影在额、横、侧三个平面后，形成平面心向量图(Vectorcardiogram，VCG)；又在三个平面环体上从不同的角度做若干条虚拟导联轴线的投影，通过计算机计算并得出该导联轴的向量心电图波形。

2.根据权利要求1所述的一种向量心电图仪实现方法，其特征是：额(F)、横(H)、侧(S)三个平面上可随意设定0～54个虚拟导联轴，并且同步描记出相应虚拟导联轴数目和角度的向量心电图。

3.根据权利要求1或2所述的一种向量心电图仪实现方法，其特征是：向量心电图(z-VECG)与平面心向量图(VCG)对照显示，是以一个心动周期的电活动数据为依据，三个观测面(F、H、S)的中心为VCG，z-VECG以各自的角度环绕在VCG周围作为动态显示方式。

4.根据权利要求1或2所述的一种向量心电图仪实现方法，其特征是：从VCG的开始端(起点)到结束端(终点)，按照瞬时间逐点推移描绘，同时动态同步描绘周边的、各虚拟导联轴的向量心电图(z-VECG)。

5.根据权利要求1或2所述的一种向量心电图仪实现方法，其特征是：设定“自由导联轴”，三个面各自拥有一个自由导联轴，该轴的中心点位于平面VCG坐标的原点(0)，轴线上有毫伏单位刻度，箭头为z-VECG振幅的正值(+)，反之为负值(-)；其显示效果为VCG不转，而自由导联轴在以原点为中心随意旋转的同时，动态描绘出相应坐标角度的z-VECG。

6.根据权利要求1或2所述的一种向量心电图仪实现方法，其特征是：可以1～78导联同步或选择性描记：十二导心电图、正交心电图、向量心电图、时间心向量图、变向时间心向量图、连续心向量图、立体心向量图和立体影像心电图。

7.一种向量心电图仪，其特征是：包括心电采集装置、信号处理装置和向量心电图仪的显示装置；

心电采集装置包括：16根电极线，并行15通道输入Einthoven-Goldberger-Wilson和Frank导联系统；15个隔离级；电阻网络；15导联系统；前置放大器；滤波器；二级放大器；光电隔离器；采样保持器；模数转换(A/D)；USB接口；

向量心电图仪的显示装置包括PC计算机；绘图仪或热敏记录仪；

信号处理装置包括：对所述心电采集装置输出各路心向量信号进行空间域处理，包括由X、Y、Z三个垂直相交的轴线构成三维立体心向量模型、并通过所述输出装置绘出相应的轨迹曲线的一个心向量三维空间处理单元；

对所述心电采集装置输出各路心向量信号予以平面处理，包括由X-Y组成额面、X-Z组成横面、Y-Z组成侧面的一个心向量二维空间处理单元；

对所述心电采集装置输出各路心向量信号进行线性投影的处理，包括将虚拟导联轴分别投影在由X-Y组成额面、X-Z组成横面和Y-Z组成侧面的一个心向量一维线性的处理单元；

对所述心电信号采集装置输出的1D线性、2D平面和3D立体心电信号进行综合分析处理，并通过输出装置观察图像和绘出相应曲线的一个综合分析单元。

对所述电信号采集装置输出的1D线性、2D平面和3D立体心电信号进行综合分析处理，并通过输出装置观察三维心电图的生成、转换的教学影像模块单元。

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