CN103654775A - 可视化crbbb/clbbb心脏电活动的等效源重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可视化CRBBB/CLBBB心脏电活动的等效源重构方法，包括：将心磁信号测量仪器提供的经过前期信号处理的阵列分布的心磁测量信号和同步测量的心电信号的时间坐标对准，从单周期心磁信号中截取对应心电信号的QRS段和ST-T段；对心磁测量信号进行插值，获得高分辨率的磁场等高线图，即心磁图；用心磁图的数据计算每个时刻的等效电流偶极子参数及其移动轨迹图，从而实现CRBBB/CLBBB病人心脏电活动的可视化。本发明是一种能够通过磁场最大和最小值反映体电导对磁场作用的源重构方法，可以揭示CRBBB/CLBBB病人心脏范围内电流偶极子的移动轨迹。具有计算速度快，准确性相对较高等优点，便于临床应用。

Description

可视化CRBBB/CLBBB心脏电活动的等效源重构方法

技术领域

本发明涉及信号处理方法，尤其是涉及一种可视化CRBBB/CLBBB心脏电活动的等效源重构方法。

背景技术

七十年代，D.Cohen等人在实验室首次用超导量子干涉仪(SQUID)测量到人体心脏磁场。1976年，心磁仪的开发者相继提出了用心磁图和伪电流密度图(或箭头图，也称之为Hosaka-Cohen变换)诊断心肌缺血，以及心脏磁场等效源定位逆问题求解的理论与方法。

心脏磁场研究的方法大体分为两类：一类是统计分析法，即从心脏磁场等高线图(MFM)和电流密度图(CDM)中提取与疾病相关的特征信息，如，MFM的方向角，重心角，CDM拓扑结构和主电流的方向角等，并根据其统计特性制定有关心脏疾病的诊断准则。目前，这些方法的敏感性和特异性可达到80％左右。另一类是等效电/磁偶极子定位的方法，即通过心磁测量数据重构一个或多个电流源或磁源，从而确定病灶的位置和特征。这种方法目前尚无临床应用的统计数据。

通过人体心脏磁场的测量数据进行心脏疾病诊断，是近年发展起来的一种具有无接触、无创伤优势的重要技术手段。心脏完全性左、右束支传导阻滞(CompleteLeft Bundle Branch Block，CLBBB or Complete Right Bundle Branch Block，CRBBB)，是一种左或右束支兴奋传导障碍疾病。这两种心脏传导系统疾病均属于心律失常。用等效电流偶极子重构方法可以从心磁测量数据中提取CRBBB/CLBBB病人心脏电活动的信息。目前国内外尚无此类研究结果的报道。

发明内容

本发明提供了一种计算速度快、准确性较高的可用于CRBBB/CLBBB病人心脏电活动可视化的等效电流偶极子重构方法。

本发明的目的是可以通过以下技术方案实现：

可视化CRBBB/CLBBB心脏电活动的等效源重构方法，包括以下步骤：

1)将心磁信号测量仪器提供的经过前期信号处理的阵列分布的心磁测量信号和同步测量的心电信号的时间坐标对准，从单周期心磁信号中截取对应心电信号QRS段和ST-T段的数据；

2)对每个通道的心磁测量信号进行插值，获得高分辨率的磁场等高线图，即心磁图；

3)根据心磁图的数据计算每个时刻的等效电流偶极子参数(x₀，y₀，z₀；Q_x，Q_y)，计算公式如下：

x₀＝x_mmax

y₀＝y_mmax

$z_0=\sqrt{2}\·\sqrt{{(x_{m\max }-x_{\max })}^2+{(y_{m\max }-y_{\max })}^2}$

$Q_x=4\mathrm{\πr}{B}_{\max }({(y_{\max }-y_0)}^2+z_0^2-2{(x_{\max }-x_0)}^2)/{\mathrm{\μ}}_0(y_{\max }-y_0)$

$Q_y=-12\mathrm{\π}(x_{\max }-x_0)\sqrt{{(x_{\max }-x_0)}^2+{(y_{\max }-y_0)}^2+z_0^2}{B}_{\max }/{\mathrm{\μ}}_0$

式中，(x₀，y₀，z₀)是等效电流偶极子的空间位置，Q_x、Q_y分别为该电流偶极子在x、y方向上的偶极矩分量。(x_mmax，y_mmax)为测量平面上磁场梯度最大值M_max的位置，(x_max，y_max)为测量平面上磁场强度最大值B_max的位置，r为极值圆半径；

4)根据步骤3)给出等效电流偶极子的移动轨迹图。

步骤2)中，所述的插值计算采用方法为三次样条插值算法。

步骤3)中，计算每个时刻的等效电流偶极子参数时，首先由心磁图确定极值圆，测量平面上磁场强度最大值B_max和最小值B_min间的距离为极值圆的直径，然后利用极值圆和磁场梯度有关数据计算等效电流偶极子的参数。

根据步骤4)中随时间变化的等效电流偶极子位置参数获得电流偶极子移动轨迹图，从而实现CRBBB/CLBBB病人心脏电活动的可视化。

本发明采用等效电流偶极子重构方法(即等效源重构方法)，通过多通道心磁测量数据反演心脏等效电流偶极子，并通过每个时刻的源参数解给出心脏范围内电流偶极子的移动轨迹，具有计算速度快，准确性相对较高等优点，便于临床应用，可用于CRBBB/CLBBB病人心脏电活动可视化。本发明也是一种能够通过磁场最大和最小值反映体电导对磁场作用的源定位方法。

附图说明

图1为心脏磁场强度信号和36通道的SQUID测点位置示意图；

其中，(1a)为胸腔表面36组单周期的心磁测量数据示意图，(1b)为6×6的SQUID阵列分布示意图；

图2为经过信号处理后的单周期的心磁信号和同步测量的心电信号示意图；

其中，(2a)为CRBBB的心磁信号图，(2b)CRBBB的心电信号图，(2c)CLBBB的心磁信号图，(2d)CLBBB的心电信号图；

图3为经数据插值后的心磁图；

图4为极值圆示意图；

图5为CRBBB和CLBBB心磁数据的等效源重构结果；

其中，(5a)为CRBBB的等效源重构结果图，(5b)为CLBBB的等效源重构结果图，(5a)或(5b)的左上图为等效电流源的位置(x₀，y₀)，右上图是等效源的深度曲线，左下和右下两幅图分别是等效源在x、y方向上源矩分量随时间变化的曲线；

图6为用CRBBB病人心磁数据计算得到的心脏范围内的等效单电流偶极子移动轨迹；

其中，箭头为源的移动方向；(6a)为QRS段(b处)和T段(d处)的轨迹；(6b)为xoy平面上QRS段中QR和RS的电流偶极子移动轨迹；(6c)是zoy平面上QRS段中QR和RS段的移动轨迹；(6d)是T波段的电流偶极子移动轨迹；

图7是用CLBBB病人心磁数据计算得到的心脏范围内的等效单电流偶极子移动轨迹；

其中，(7a)是QRS段(b处)和T段(d处)的轨迹，；(7b)是xoy平面上QRS段中QR段和RS段的电流偶极子移动轨迹；(7c)是zoy平面上QRS段中QR段和RS段的移动轨迹；(7d)是T段的电流偶极子移动轨迹。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

可视化CRBBB/CLBBB心脏电活动的等效源重构方法，包括以下步骤：

1)如图1所示，心磁测量信号是在人体胸腔表面用阵列分布的超导量子干涉器(心磁信号测量仪器)实时采集的磁场信号。

本实施例中的心磁信号是6×6阵列分布的36通道心脏磁场数据，相邻测点的间距为4厘米。人体胸腔表面的测量平面为坐标系的xoy平面，向下垂直于测量平面的方向为坐标系的z轴方向。

单周期心脏磁场信号和同步测量的心电信号如图2所示。

2)对心磁测量信号进行前期信号处理，前期信号处理是指由心磁信号测量仪器自动完成的或者由人工完成的对测量信号的滤波，以及从测量得到的多周期长数据截取单周期数据的工作，信号滤波包括去除高频噪声、低频噪声、工频噪声以及白噪声等。

3)将心磁信号测量仪器提供的经过前期信号处理的36通道的心磁测量信号和同步测量的心电信号的时间坐标对准，从单周期心磁信号中截取对应心电信号QRS段和ST-T段的信号。将心电图t_max时刻向前100ms处作为ST-T段的起始时刻t_beg，或取T波峰值前50个时刻的数据。

4)对各通道心磁信号作三次样条插值，从而得到401×401的高分辨率磁场等高线图，即心磁图，如图3所示。其中极大值B_zmax用“o”表示，极小值B_zmin用“x”表示。

5)根据心磁图计算每个时刻的等效电流偶极子参数(x₀，y₀，z₀；Q_x，Q_y)。

由Biot-Savart定理可知，无限大均匀介质中的单电流偶极子(x₀，y₀，z₀；Q_x，Q_y)在空间中z＝0平面上任意点(x，y)产生的磁场为：

$B_z(x,y)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\·\frac{(y-y_0)\·Q_x-(x-x_0)\·Q_y}{{({(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{z_0}^2)}^{3/2}}---\left(1\right)$

式中，B_z为坐标系z方向测量到的磁场强度。μ₀为真空磁导率。其梯度M为：

$M=\sqrt{{\left(\frac{\∂B_z}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{{\∂B}_z}{\∂y}\right)}^2}---\left(2\right)$

令 ${\∂B}_Z/\∂x={\∂B}_Z/\∂y=0,$ 由(1)可得：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\∂B}_Z}{\∂x}={\mathrm{\μ}}_0\·(3(x-x_0)(y-y_0)Q_x+({(y-y_0)}^2+z_0^2-2{(x-x_0)}^2)Q_y)/4\mathrm{\π}=0\\ \frac{{\∂B}_Z}{\∂y}={\mathrm{\μ}}_0\·(({(x-x_0)}^2+z_0^2-2{(y-y_0)}^2)Q_x+3(x-x_0)(y-y_0)Q_y)/4\mathrm{\π}=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

由(3)可得：

${(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2=z_0^2/2---\left(4\right)$

首先由磁场等高线图确定极值圆。测量平面上磁场强度最大值B_max(x_max，y_max)和最小值B_min(x_min，y_min)间的距离为极值圆的直径D，如图4所示。产生该磁场的等效单电流偶极子的深度和偶极矩可通过公式(2)、(3)和(4)得到：

x₀＝x_mmax

y₀＝y_mmax

$z_0=\sqrt{2}\·\sqrt{{(x_{m\max }-x_{\max })}^2+{(y_{m\max }-y_{\max })}^2}---\left(5\right)$

$Q_x=4\mathrm{\πr}{B}_{\max }({(y_{\max }-y_0)}^2+z_0^2-2{(x_{\max }-x_0)}^2)/{\mathrm{\μ}}_0(y_{\max }-y_0)$

$Q_y=-12\mathrm{\π}(x_{\max }-x_0)\sqrt{{(x_{\max }-x_0)}^2+{(y_{\max }-y_0)}^2+z_0^2}{B}_{\max }/{\mathrm{\μ}}_0$

式中，(x₀，y₀，z₀)是等效电流偶极子的空间位置，Q_x、Q_y分别为该电流偶极子在x、y方向上的偶极矩分量，(x_mmax，y_mmax)为测量平面上磁场梯度最大值M_max的位置。

6)根据步骤5)用QRS段及T波峰前50个时刻的数据计算得到的等效电流偶极子(x₀，y₀)作轨迹图，从而实现CRBBB/CLBBB病人心脏电活动的可视化。图5给出了两组数据的计算结果，可见CRBBB/CLBBB病人的源深度不同，源矩的变化趋势相反，有明显的特征差别，便于临床区分。

图6和7中T波段的重构电流偶极子移动轨迹图包含如下信息：(6d)CRBBB的移动轨迹从右到左，(7d)CLBBB的移动轨迹从左到右。因此，本发明揭示了CRBBB/CLBBB病人心脏电活动的特征。

Claims (4)

1.可视化CRBBB/CLBBB心脏电活动的等效源重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将心磁信号测量仪器提供的经过前期信号处理的阵列分布的心磁测量信号和同步测量的心电信号的时间坐标对准，从单周期心磁信号中截取对应心电信号QRS段和ST-T段的数据；

2)对每个通道的心磁测量信号进行插值，获得高分辨率的磁场等高线图，即心磁图；

3)根据心磁图的数据计算每个时刻的等效电流偶极子参数(x₀，y₀，z₀；Q_x，Q_y)，计算公式如下：

x₀＝x_mmax

y₀＝y_mmax

$z_0=\sqrt{2}\·\sqrt{{(x_{m\max }-x_{\max })}^2+{(y_{m\max }-y_{\max })}^2}$

$Q_x=4\mathrm{\πr}{B}_{\max }({(y_{\max }-y_0)}^2+z_0^2-2{(x_{\max }-x_0)}^2)/{\mathrm{\μ}}_0(y_{\max }-y_0)$

$Q_y=-12\mathrm{\π}(x_{\max }-x_0)\sqrt{{(x_{\max }-x_0)}^2+{(y_{\max }-y_0)}^2+z_0^2}{B}_{\max }/{\mathrm{\μ}}_0$

式中，(x₀，y₀，z₀)是等效电流偶极子的空间位置，Q_x、Q_y分别为该电流偶极子在x、y方向的偶极矩分量。(x_mmax，y_mmax)为测量平面上磁场梯度最大值M_max的位置，(x_max，y_max)为测量平面上磁场强度最大值B_max的位置，r为极值圆半径；

4)根据步骤3)给出等效电流偶极子的移动轨迹图。

2.根据权利要求1所述的可视化CRBBB/CLBBB心脏电活动的等效源重构方法，其特征在于，步骤2)中，所述的插值计算采用方法为三次样条插值算法。

3.根据权利要求1所述的可视化CRBBB/CLBBB心脏电活动的等效源重构方法，其特征在于，步骤3)中，计算每个时刻的等效电流偶极子参数时，首先由心磁图确定极值圆，测量平面上磁场强度最大值B_max和最小值B_min间的距离为极值圆的直径，然后利用极值圆和磁场梯度有关数据计算等效电流偶极子的参数。

4.根据权利要求1所述的可视化CRBBB/CLBBB心脏电活动的等效源重构方法，其特征在于，其特征在于，根据步骤4)中随时间变化的等效电流偶极子位置参数获得电流偶极子移动轨迹图，从而实现CRBBB/CLBBB病人心脏电活动的可视化。

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