CN103829941A - 一种多维心电信号成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种医学检查诊断方法及仪器，特涉及一种多维心电信号成像系统及方法。本发明整合体表电位标测技术和心电向量技术，提供一种新的非侵入性平台记录心脏跨壁电活动的信息，即基于向量中心0点电偶和体表电位标测技术的结合而形成的一种新的类似于卫星定位的无创体表心脏跨壁电活动信息的成像方法和技术。它是一种以解剖定位为基础检测跨壁心电活动信息的非侵入性的心电功能成像方法和技术。本发明可以帮助确定心律失常起源，诊断心肌疾病如心肌肥厚，心肌病，心肌梗死，心肌炎等，为快速实时诊断心脏疾病提供了一个全新的诊断工具。
Description
技术领域
本发明涉及一种医学检查诊断方法及仪器，特涉及一种多维心电信号成像系统及方法。
背景技术
心脏电活动是心脏最基本生理功能特征之一。这种活动反映了心脏兴奋组织的自律性，兴奋性和电传导性。很多心脏疾病可以引起心脏电的兴奋和传导异常，检测心脏的电活动是诊断和治疗心脏疾病的重要组成部分。目前用于检测心电活动技术可以归纳为以下几方面：
1.1 一维心电图(ECG):
通过体表间接记录心脏的电活动。此活动反映了心肌在心动周期中的去极化和复极活动。心电图表示通常与体表电极测量的整体心肌的动作电位的时间和空间的总和，显示方式为时间和振幅的一维曲线。世界第一台心电图机问世至今已百年余。是采用 Einthoven-Goldberger-Wilson 的导联体系，即由双极肢体导联、加压单极肢体导联和单极胸前导联所构成。其优势为时间域的一维线性表达，简单地表达出连续心跳的频率和节律；简单实用和普及。心脏是一个立体的三维架构，心脏的电活动即兴奋和传导也应该是三维形式，然而对于心脏组织在二维或三维空间电活动如心电向量，心电激动传导方向和顺序特征，目前尚无明确的显示模式和方法。
1.2 心向量图(VCG): VCG 由 Frank 30 年代初发明。由于人体是一个三维立体导电结构， 其基本思想是构造正交立体导联体系，从而获取的心脏在三维空间的电活动信息。 左右轴（ X ），头脚轴（Y） 和（正位）前后轴（Z）为代表的垂直相交并增加一个校正电极构成了 7 电极的立体导联体系，围绕一个向量中心点，显示由心脏产生的电力的大小和方向的曲线。然而，受限于当时的科技发展水平，不可能实现肉眼直观的立体空间环体，至今仍然采用将理论上设计的立体心向量环，投影在额面、横面和侧面上，在形成三个平面环体的基础上进行定性、定量分析。结果：临床上更多注重于对这三个平面环体的方位和旋转方向上的观测和描述；未能发挥出本身具有的、更多更有价值的心电信息，心向量图机设备操作繁复，不象传统心电图机那样简单且可以连续描记心跳；传统心电图和心向量图的导联体系不同，描记的图形不能同源比对等；所以 VCG 的价值未能得到应有的认知、推广、普及。
1.3. 立体心电图(3D-ECG): 1989 年由中国学者赵峰教授首先推出(专利 98117316)。该发明是一种结合心电图和向量技术采用 Frank 校正导联体系，从一维空间(线性)和二维空间(平面)通过计算机技术实现传统心电和心向量导联同步采样、显示、转换，记录正交心电图、时间/变向时间/连续/分解/放 大心向量图；并可与传统 12 导心电图一起 24 导联同步观察描记。3D-ECG 意义在于：理论上解决了以往心电检测方法上的时/空域分离、看问题的角度单一片面和主观；奠定了向三维空间发展的理论基础。实际中通过对心电二维平面的信号处理，突显了对传统心电图中的 P、QRS、T、ST 及 U 波的认知，使鉴别和诊断更为客观准确。但该技术不能进行详细的心脏电解剖标测标，通道数目较少。
1.4. 心内膜导管三维标测技术（Carto系统）
该系统采用GPRS卫星定位原理将标测导管头端采集的磁场信号转换为电信号，与同时采集的心内电信号一起经滤波、放大并数字化处理后输入到工作站中形成三维的电解剖标测图。例如通过围绕地球的三个同步人造卫星，可精确计算出一架飞机的位置； CARTO系统应用这一原理则是将心脏视为地球，应用磁场发生器代替卫星，通过感知专用导管中的磁感应线圈从而准确定位该导管三维空间位置，记录导管位置和该点心内电图，实时重建心脏三维解剖结构，且叠加颜色显示相关电生理信息。其优点是可以将心电生理与心腔内的解剖结构结合在一起，进行三维重建，显示为带有颜色的立体图像，从而有助于鉴别复杂性心律失常并指导消融。
目前，应用Carto对心腔内电生理（ EP）和心脏解剖空间的三维重建，而不是真正的心脏电生理与心脏解剖结构的三维重建，而且Carto只能在心导管实验室进行，其间映射导管插入心脏，小心地移动到不同地点，心脏周围的绘制和识别心律失常的起源。一旦确定心律失常的起源点，通过消蚀心律失常起源组织。但心内膜导管标测技术亦有一些限制，包括：
风险和限制，相关的侵入性和耗时的过程。当前点至点映射信息不能同步提供，不能提供的全貌（双向心房或双心室）的电活动。只提供一个腔室在一个时间映射信息。
1.5 体表电位标测技术：多年前有关研究人员提出了体表测量心脏活动的系统(Rudy, 2013)。这些系统被称为体表电位的映射（Body surface potential mapping, BSPM）的系统。凡标准 ECG 系统采用 9个胸前测量点 （即V1-V9)，而BSPM 使用 32 至 300 个测量点。更重要的是，他们允许临床医师制定一个躯干地图的同步电活动信息图。以这种方式，它们可以反映遵循的心跳有关的体表心电活动特征，并能同步显示不同区域的体表心电活动。研究表明，这些系统可更好检测心脏活动的局部变化。BSPM 系统将用于检测心脏节律变化。 然而，如何关联体表电位和心脏跨壁电活动仍然是一个没有解决的难题。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明提供了一种新的多维心电成像系统及方法( multi-dimensional cardiac electrical imaging, MCEI )和方法，本发明整合体表电位标测技术和心电向量技术，提供一种新的非侵入性平台记录心脏跨壁电活动的信息，即基于向量中心0点电偶和体表电位标测技术的结合而形成的一种新的类似于卫星定位的无创体表心脏跨壁电活动信息的成像方法和技术。它是一种以解剖定位为基础的心电功能成像方法，检测跨壁心电活动信息（心跨壁电位，心电图，心电激活地图如去极化，复极化模式）的非侵入性成像技术。本发明可以帮助确定心律失常起源，诊断心肌疾病如心肌肥厚，心肌病，心肌梗死，心肌炎等，为快速实时诊断心脏疾病提供了一个全新的诊断工具。
本发明的技术方案是：一种多维心电信号成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.将三组参考电极分别放置左右轴、头脚轴、前后轴，以获得和由 X、Y、Z三个相互垂直相交构成的三维立体心电心向量中心0点电偶；
b.按照成像需求，放置多层体表阵列电极，每层体表阵列电极按照常规心电图单极胸导联放置；
c.同步采集分析阵列电极数据；
d.对采集到的阵列电极数据进行分析处理，并成像显示。其有益效果是：可将每层体表阵列电极采集的信号同步显示，便于对疾病的诊疗。本方法基于向量中心0点电偶和体表电位标测技术的结合而形成一种新的类似于卫星定位的无创体表心脏跨壁电活动信息的成像方法。
如上所述的多维心电信号成像方法，其特征在于：所述的步骤c中，采用多路复用器控制同步采集阵列电极数据。其有益效果是：实现了在体表同步获取心脏不同部位的电信号。
如上所述的多维心电信号成像方法，所述的成像显示信息包括心脏在一维及二维空间的跨壁电位、传导时间和速度，以及构建跨壁电位、向量、激动激活图、去极化，复极化模式1维, 2维和3维立体图形信息重建。其有益效果是：采用该方法一次采集的心电信号可获得多种心电功能的信息（即，特定心脏部位的跨壁电位得幅度，时程特征，传导时间和速度， 并据此构建的激动激活图、去极化，复极化模式）。因此为为临床提供一种新的无创多维心电信号成像方法可应用于各种心血管疾病所致心电活动异常的诊疗。
如上所述的多维心电信号成像方法，其特征在于：所述的多路复用器控制不同通道之间的同步时间小于 10微秒。其有益效果是：能同步显示心脏不同区域的跨壁心电活动。
如上所述的多维心电信号成像方法，其特征在于：所述的多层体表阵列电极为42点阵电极或252点阵电极。其有益效果是：提供反映心脏所有不同解剖定位的基本采集通道数目和更能反映细微变化的特定解剖部位的高通量采集通道数目。
如上所述的多维心电信号成像方法，其特征在于：它还包括步骤显示心脏在时间变化的立体心脏电位活动图，激动顺序图，向量图。其有益效果是：通过一次信号采集获得多种心电功能信息。
一种多维心电信号成像系统，包括体表阵列电极立体导联体系，电极接口模块，信号采集及处理硬件模块，数据处理系统，所述的体表阵列电极立体导联体系由三维立体心电心向量体系和映射心脏部位的现代体表阵列电极组成，所述的电极接口模块将采集的电极传送到信号采集及处理硬件模块，所述的显示信号采集及处理硬件模块包括前置放大器、滤波器、多路复用器，二级放大器、光电隔离模块、数模转换模块；所述的数据处理系统用来存储系统设置文件、用户信息、采集信号、分析结果即显示，其特征在于：所述的多路复用器能将采集的阵列电极信号同步传输到数据处理系统，并且可以同步显示阵列电极信号。其有益效果是：可将每层体表阵列电极同步显示，便于对疾病的诊疗。
如上所述的成像系统，其特征在于：所述的多路复用器控制通道之间的同步时间小于 10微秒。其有益效果是：能同步显示心脏不同区域的跨壁心电活动信息，且可以通过持续不断的显示，形成三维立体心脏的动态显示。
附图说明
图1A.立体导联体系电极在体表放置示意图（电极在前胸体表放置部位）；
图1B. 立体导联体系电极在体表放置示意图（电极在后胸体表放置部位）；
图 2. 0 点电偶示意图，X、Y、Z 三 个相互垂直相交构成的三维立体心脏心向量 0 点示意图，通过组合参考电极导联获得和由 X、Y、Z 三 个相互垂直相交构成的三维立体心脏心向量 0 点电偶。
图 3. 点阵标测立体导联体系放置水平， 反映心脏解剖定位的立体体表电位标测点阵导联体系放置水平。
图 4. 点阵标测立体导联体系，通过该点阵标测立体导联体系在第第四肋间获得的体表电位获反映相应心脏解剖部位（如左心室尖部间隔， 前壁，侧壁，后壁等）的与 0 点电偶相关的跨壁电位活动。
图 5. 点阵标测立体导联体系，通过该点阵标测立体导联体系在第第三肋间获得的体表电位获反映相应心脏解剖部位（如左心室中部间隔， 前壁，侧壁，后壁等）的与 0 点电偶相关的跨壁电位活动。
图 6. 点阵标测立体导联体系，通过该点阵标测立体导联体系在第第二肋间获得的体表电位获反映相应心脏解剖部位（如左心室基底部间隔， 前壁，侧壁，后壁等）的与 0 点电偶相关的跨壁电位活动。
图 7、信号采集及分析系统的总体设计
图8、信号采集控制系统流程图。
图9、多通道一维电信号记录实时显示界面。
图10、多通道一维电信号信实时分析显示界面。
图11. 多通道二维电信号信实时分析显示界面。
图12. 多通道三维电信号信实时分析显示界面。
图13-A-F 信号采集与分析实例1。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明。
本发明的系统硬件包括四个部分：体表阵列电极立体导联体系、电极接口模块、信号采集及处理硬件模块、数据处理系统。
如图1 –图6展示了体表阵列电极立体导联体系，该导联体系结合了经典的的三维立体心电心向量体系和映射相应心脏部位的现代通用的体表阵列电极 (见参考文献2，3）。通过该导联体系获得的体表电位获反映相应心脏解剖部位（如左心室中段间隔， 前壁，侧壁，后壁等）的与 0 点电偶相关的跨壁电位活动。如图3至图6所示， 按常规心电图单极胸导联 V1-V10部位在第四肋间放置点阵电极反映左心室尖部间隔， 前壁，侧壁，后壁的电位， 而任何一点（如V1,V2,V3…)所记录到的电活动是0点电偶至该点记录的体表电位的差值电位即0点电偶至该点的特定心肌的跨壁心电位。可用如下公式表示： P(0-V1)=PV1 - P0 如此类推获得每一点的跨壁心电位：P(0-V1), P(0-V2)，P(0-V3) ….. 在第三肋间放置点阵电极我们可以获得反映左心室中段间隔， 前壁，侧壁，后壁的电位， 和在第二肋间放置点阵电极我们可以获得反映左心室基底段间隔， 前壁，侧壁，后壁的电位。基于以上基本原理，体表阵列电极的密度可根据需求有42电极扩展到252（42阵列电极 x 6)。
附图1A和图1B中，小圆表示体表电位标测点阵导联记录电极（共42个）。大圆表示参考电极（共三组6个）组成左右轴（ X ），头脚轴（Y） 和（正位）前后轴（Z）以获得和由 X、Y、Z三个相互垂直相交构成的三维立体心电心向量中心0点电偶。
图7显示信号采集及分析系统的总体设计，体表阵列电极立体导联体系、电极接口模块、信号采集及处理硬件模块、数据处理系统。电极接口模块由42电极点阵或252电极点阵组成。42电极接口模块由1个SCXI接口组成；252电极接口模块由6个SCXI接口组成。在用户主界面中的信号采集处理参数设置模块、信号采集处理控制及实时显示模块中，可设置信号采集频率，放大倍数，以及根据实际情况确定所需采集的通道数，可将原始心电信号选择性存储到数据处理系统。
图8显示信号采集及处理部分由前置放大器、滤波器、多路复用器，二级放大器、光电隔离模块、 数模转换模块组成；数据处理系统用来存储系统设置文件、用户信息、采集信号及分析结果，并显示分析结果。信号同步采用多路复用器控制，通道之间同步需要的时间量级，不超过 10微秒。
该系统软件主要包括五个部分：信号采集处理参数设置模块、信号采集处理控制及实时显示模块、多通道一维电信号分析模块、多通道多维电信号分析模块。
信号采集处理参数设置模块用来对信号采集硬件系统初始化设置；信号采集处理控制及实时显示模块用来实时控制信号采集、滤波、数据存储控制及实时显示。信号采集频率可设置为1000Hz至9000Hz；数字滤波器可选择高通、低通、带通不同滤波模式；综合心电显示模块一实现并在屏幕上显示以时间轴+线性表达, 可显示30秒至10分钟多通道信号进行实时、长时、同步、组合、转换、观察和描记；信号同步原理见图7采用多路复用器控制，通道之间同步需要的时间量级，不超过 10微秒；采集的多通道信号按ASCII文件格式存储，且软件采集参数如采样频率，放大倍数等参数均存储如文件中。
多通道一维电信号分析模块包括以下内容：
一维心电分析可以同步分析所采集的多通道心电信号P、QRS、T波波群的电压和时程变化。因每一个通道记录的心电信号反映特定的心脏部位的电活动，因此，可以观察和分析整体心脏多个部位在特定时间段的心电活动。
该模块打开所记录的文件（ASCII文件），如图9 所示， 在同一界面显示某一特定时间段的42通道的心电信号，该信号反映不同部位心电波群P 波QRS波群 和T波形态和峰值的特征和发生时间上的差异。 而任何一点（如V1,V2,V3…)所记录到的体表心脏映射电活动是0点电偶至该点记录的体表电位的差值电位即0点电偶至该点的特定心肌的跨壁心电位。可用如下公式表示： P(0-V1)=PV1 - P0 如此类推获得每一点对应的心肌的跨壁电位：P(0-V1), P(0-V2)，P(0-V3) …..多通道一维电信号分析模块对记录到的心动周期中心脏跨壁电位分析提取有关参数，如电活动的时间、空间、瞬间、间期、方位、振幅、比值和形态等参数，通过这些参数的定性和定量变化，为近一步二维，三维电生理分析提供依据。
多通道多维电信号分析模块包括以下内容：
如图10-12所示，在一维心电波的同步活动特征分析的基础上，如R波， T波峰电位变化的基础上进一步进行二维，三维，四维分析。另外通过与参考电极为基准的心脏如心房心室多个不同部位的除极时间和计算。并通过计算心向量环包括P环，QRS环和T环。该模块可显示从窗口显示平面和采集电极的对应关系显示出二维心脏电位活动图，激动顺序图，向量图，时间电位图部位在二维空间的某一心电波的同步活动特征。三维分析：在一维及二维分析的基础上，按照心脏立体结构显示出和采集电极的对应关系显示出三维心脏电位活动图，激动顺序图，向量图，时间电位图。体表电位显示模块用来显示体表电极在体表记录到的电位差异，并用彩色等高线图进行二维图片表示及用电影形式播放以显示体表电位随心脏激动变化时序，显示方式包括二维平面图、三维立体图及电影播放。
以反映心室除极的心电QRS波群为例，通过分析不同部位导联的QRS复合波的的峰值或持续时间值 可以获得心室二维，三维心脏电位活动图，心室激动顺序图。允许电刺激已经通过心室传导系统的路径的时间可视化，并且还能够确定不同部位产生的QRS波群的快慢的时间。 本系统可以是用来评估传统心电变量（即，节侓， PR间隔，向量轴， QRS波群的宽度，并且取向和在水平方向和正面的平面线圈的方向）移动。
四维分析：在三维基础上，可以显示心脏在时间变化的立体心脏电位活动图，激动顺序图，向量图。
以下结合附图13A至13F，对本发明具体实施方案做进一步说明：
本发明的心电检测显示方法可以通过图13的信号采集及分析系统实现。
步骤1、导联放置，如图13A-C所示展示了体表阵列电极立体导联体系信号采集模式， 通过该导联体系获得的体表电位获反映相应心脏解剖部位（如左心室中段间隔， 前壁，侧壁等）的与 0 点电偶相关的跨壁电位活动。如图13A所示， 按常规心电图单极胸导联 V1-V7部位在第四肋间放置点阵电极反映左心室尖部间隔， 前壁，侧壁的电位， 而任何一点（如V1,V2,V3…)所记录到的电活动是0点电偶至该点记录的体表电位的差值电位即0点电偶至该点的特定心肌的跨壁心电位。 在第三肋间放置点阵电极我们可以获得反映左心室中段间隔， 前壁，侧壁的电位。和在第二肋间放置点阵电极我们可以获得反映左心室基底段间隔， 前壁，侧壁的电位。基于以上基本原理，体表阵列电极的密度可根据需求有42电极扩展到252电极（42阵列电极 x 6)，与现有的放置方式一样但自第二肋间到第四肋间的3层增至9层， 每层电极之间距离相等， 而横向电极数由14增至28，例如，V1由一个电极增至2个 （V1a, V1b), 如此类推， V2a,V2b,V3a,V3b 等，电极之间距离相等。增加后的高通量 采集通道数目和更能反映细微变化的特定解剖部位的高通量采集通道数目。
步骤2、采集体表心电信号数据。如图7所示，在用户主界面中的信号采集处理参数设置模块、信号采集处理控制及实时显示模块中，可设置信号采集频率，放大倍数，以及根据实际情况确定所需采集的通道数，可将原始心电信号选择性存储到数据处理系统。 图13D-E显示 采集的左室特定部位的特定心肌的跨壁心电位。
步骤3、对采集到的心电信号数据进行分析处理，如图13包括一维心电电位幅度如 P-QRS-T 波群的基于对体表信号的分析得到心脏在一维及二维空间的跨壁电位、传导时间和速度，基于这些信息再进一步根据我们发表公开的通用计算方法(见参考文献4-8). 并构建跨壁电位、向量、 激动图、去极化，复极化模式1维, 2维和3维立体图形信息。
以 2维心室QRS电位图为例，将自动分析所测量的42个电极获得的QRS峰值按每个电极所对应的心脏的解剖坐标位置（横坐标（X) 左-右）纵坐标(Y) 上下）构建一个能反映心脏不同区域的QRS峰值变化的2维地型图。同样，将自动分析所测量的42个电极获得的QRS起始时间按每个电极所对应的心脏的解剖坐标位置（横坐标（X) 左-右）纵坐标(Y) 上下）则构建一个能反映心脏不同区域心室QRS激动顺序图。而3维立体图是在一个反映42个电极所在部位的立体心脏解剖图，将电极获得的心电信息输入获得相应的QRS峰值变化的3维地型图或3维QRS激动顺序图等。
这些步骤均在在用户主界面中的多通道一维电信号分析模块、体表电位显示模块、心肌激动顺序显示 模块完成。
本发明相比传统的非侵入性的 12 导联心电图，多维心电成像系统可以得到高分辨率的跨心壁的电位信息，可以帮助确定心律失常起源（心房或心室），诊断心肌疾病如心肌肥厚，心肌病（缓慢传导区域），心肌梗死（低电压， 碎裂电位，晚电位），心肌炎等，为快速实时诊断心脏疾病提供了一个全新的诊断工具。
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Claims (8)
1.一种多维心电信号成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.将三组参考电极分别放置左右轴、头脚轴、前后轴，以获得和由 X、Y、Z三个相互垂直相交构成的三维立体心电心向量中心0点电偶；
b.按照成像需求，放置多层体表阵列电极，每层体表阵列电极按照常规心电图单极胸导联放置；
c.同步采集分析阵列电极数据；
d.对采集到的阵列电极数据进行分析处理，并成像显示。
2. 如权利要求1所述的多维心电信号成像方法，所述的成像显示信息包括心脏在一维及二维空间的跨壁电位、传导时间和速度，以及构建跨壁电位、向量、激动激活图、去极化，复极化模式1维, 2维和3维立体图形信息重建。
3.如权利要求1所述的多维心电信号成像方法，其特征在于：所述的多路复用器控制不同通道之间的同步时间小于 10微秒。
4.如上所述的多维心电信号成像方法，其特征在于：所述的步骤c中，采用多路复用器控制同步采集阵列电极数据。
5.如权利要求1、2或3所述的多维心电信号成像方法，其特征在于：所述的多层体表阵列电极为42点阵电极或252点阵电极。
6.如权利要求1、2或3所述的多维心电信号成像方法，其特征在于：它还包括步骤显示心脏在时间变化的立体心脏电位活动图，激动顺序图，向量图。
7.一种多维心电信号成像系统，包括体表阵列电极立体导联体系，电极接口模块，信号采集及处理硬件模块，数据处理系统，所述的体表阵列电极立体导联体系由三维立体心电心向量体系和映射心脏部位的现代体表阵列电极组成，所述的电极接口模块将采集的电极传送到信号采集及处理硬件模块，所述的显示信号采集及处理硬件模块包括前置放大器、滤波器、多路复用器，二级放大器、光电隔离模块、数模转换模块；所述的数据处理系统用来存储系统设置文件、用户信息、采集信号、分析结果即显示，其特征在于：所述的多路复用器能将采集的阵列电极信号同步传输到数据处理系统，并且可以同步显示阵列电极信号。
8.如权利要求7所述的成像系统，其特征在于：所述的多路复用器控制通道之间的同步时间小于 10微秒。
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