CN107361760A - 心磁图仪诊断系统及应用该系统的心磁图仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种心磁图仪及应用于该心磁图仪中的心磁图仪诊断系统。所述系统具体包括：用户登录、用户管理、病人信息、参数配置、器件调试、数据采集、平均心磁、成像处理、诊断报告、系统帮助、系统退出等几个部分。其中，成像处理不仅可以显示心脏上方磁场分布情况、电流密度排布及指向，还可以显示等磁图、电流密度图随时间的演变情况。此外，该心磁软件还提出了若干个判断心脏健康状况的参数及其正常范围，从而方便医生定量评估心脏健康状况。与现有技术相比，该软件集数据采集、数据滤波、成像分析、诊断报告于一体，界面清晰、操作简单，可直接提供给临床医生使用，为临床诊断心血管疾病提供重大参考价值。

Description

心磁图仪诊断系统及应用该系统的心磁图仪

技术领域

本发明属于生物医学信号分析领域，具体涉及一种心磁图仪，以及应用于心磁图仪的心磁图仪诊断系统。

背景技术

研究表明，迄今为止，心血管疾病(Cardiovascular disease，CVD)仍然是导致人类死亡的主要原凶，欧洲每年有400多万人因患CVD而死亡，几乎占到欧洲全部死亡人数的一半。在我国CVD的患病人数和死亡率也逐年上升，据中国心血管病报告，2014年农村CVD死亡率为295.63/10万，城市CVD死亡率为261.99/10万。

心磁图(Magnetocardiogram，MCG)因具有完全无创、无辐射、无接触、灵敏度高、早期诊断能力强等优点已成为诊断VCD中最具发展前景的工具。与临床上传统CVD诊断工具(心电图、超声心动图)相比，心磁图具有以下无可比拟的优点：①灵敏度高。心磁图使用当今最为灵敏的超导量子干涉器件作为心磁的敏感元件，其单个器件的灵敏度高达1fT/sqr(Hz)②信噪比高。由于磁信号传输不受生物组织的影响，因此与心电图和超声心动图相比，心磁图的信噪比更高。③对切向电流敏感。由于心电图是从体表记录心脏每一心动周期所产生的电活动变化图形，无法检测心脏活动的切向电流，尤其是涡流，而磁信号不仅可检测切向电流，还可对整个心脏上方的电流成二维及三维图像，根据心脏模型反演算法，还可对病灶位置进行定位。

心磁图虽有上述众多优点，但仍有一些难题需要解决。例如，如何从采集的数据中提取有用信息对CVD进行早期诊断？如何定位病灶？虽然近年来有许多学者提出了各种各样的方法诊断CVD，但这些方法的识别精度不高，且算法复杂，无法直接给临床医生使用。因此，如何研制一款操作简单、诊断精度高的心磁图软件仍然是我们面临的难题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种操作简单、诊断精度高、可直接应用于临床的心磁图软件，并进一步提供搭载有该软件的心磁图仪，从而解决现有技术对心血管疾病诊断精度不高、算法复杂、无法直接给临床医生使用等缺点。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种心磁图仪诊断系统，应用于心磁图仪，所述系统包括：数据采集模块，用于采集心磁数据，并对所述心磁数据进行质量评估；当判断出采集的心磁数据达到预设质量标准时，将该数据保存到数据库；反之，则丢弃该数据，重新采集心磁数据；平均心磁模块，用于对某一通道的心磁数据进行平均以得到平均后一个周期的心磁数据，并予以显示；成像处理模块，用于从所述数据库中读取所述平均后一个周期的心磁数据，以进行时间波组图、等磁图、电流密度图、或空间波组图的分析。

于本发明一实施例中，所述成像处理模块还用于：从所述数据库中读取若干胸腔测量点位置信号通道的心磁数据，并对这些数据进行周期分隔后选择某一周期的心磁数据，以进行时间波组图、等磁图、电流密度图、或空间波组图的分析。

于本发明一实施例中，所述时间波组图指平均后各个通道一个周期的心磁数据随时间演变图。

于本发明一实施例中，所述等磁图的生成是通过以下方式实现的：截取各个通道某个时刻的心磁数据；让各通道某个时刻的心磁数据与对应的胸腔位置坐标进行对应；对按位置排列好的二维心磁数据进行二维插值；对插值后的二维数据查颜色表，并绘制等磁图。

于本发明一实施例中，所述电流密度图指在所述等磁图的基础上，对心磁数据进行差分变换，并用箭头指明电流方向而生成的。

于本发明一实施例中，所述空间波组图指把所述若干个通道的平均后一个周期的心磁数据按位置排列。

于本发明一实施例中，所述成像处理模块还用于从所述等磁图和所述电流密度图中提取：T波电流角度、T波磁场角度、T波正负比值、TT波磁场两极变化值、TT波磁场角度最大值、TT波磁角度最小值、TT波磁场角度变化值、TT波电流角度变化值、TT波电流角度最大值、及TT波电流角度最小值中的一种或多种，并予以显示。

于本发明一实施例中，所述数据采集模块判断采集的心磁数据是否达到预设质量标准是通过以下方式实现的：对采集到的心磁数据进行预处理；识别预处理后的心磁数据中QRS波的R峰，并对预处理后的心磁数据进行周期分隔；基于周期分隔后的心磁数据，计算多个与心磁数据相关联的、用以评估心磁信号的质量评估参数；根据各所述评估参数对所述心磁信号的质量进行等级划分。

于本发明一实施例中，所述平均心磁模块对心磁数据进行平均以得到平均后一个周期的心磁数据是通过以下方式实现的：计算预设模版信号与被检信号之间的相似系数，并经阈值判断剔除部分干扰后再进行周期性平均。

于本发明一实施例中，还包括：病人信息模块，用于将用户输入的病人信息存储至所述数据库中，及根据用户输入的检索条件从所述数据库中获取相应的病人信息并予以显示。

于本发明一实施例中，还包括：参数配置模块，用于：串口配置、采集通道配置、滤波器参数配置、一阶梯度补偿配置、及二阶梯度补偿配置中的一种或多种组合。

于本发明一实施例中，所述一阶梯度补偿配置通过一阶梯度补偿算法对环境噪声进行补偿，包括：建立目标函数其中，G_j,X_j,Y_j,Z_j分别为信号通道和三轴参考通道的输出电压，k₁,k₂,k₃分别为参考通道XYZ方向的补偿系数，j为数据点标号，i为数据起始点，n为目标函数的窗口长度；根据式计算系数k₁,k₂,k₃，从而得到第m点处的梯度计补偿输出SG_m＝G_m-k₁X_m-k₂Y_m-k₃Z_m，其中，m∈[i,i+n-1]。

于本发明一实施例中，还包括：器件调试模块，用于将信号通道和参考通道的SQUID传感器调至预设工作状态，包括：加入测试信号，调节器件偏置和直流补偿参数，以使所述SQUID传感器采集回来的信号波形幅度达到预设值并且波形相对于X轴对称。

于本发明一实施例中，所述器件调试模块通过黄金分隔器件自动调试算法为调试缩短时间，包括：步骤1)设定误差t、调节范围a，b，其中，a<b；步骤2)定义X1＝a+(1-r)(b-a)，X2＝a+r(b-a)，其中，r为分数；比较f(X1)和f(X2)的大小，若f(X1)<f(X2)，则a＝X1；否则b＝X2，其中，f(X1)和f(X2)分别为所述SQUID传感器在X1、X2时刻采集回来的信号大小；步骤3)继续步骤2)的调试过程，直到b-a<t跳出循环，此时，器件已调到预设工作状态。

于本发明一实施例中，还包括：诊断报告模块，用于根据图像分析中提取的各参数、各参数的正常范围、图像是否规则、及诊断结果，生成诊断报告以供打印。

如上所述，本发明提出的心磁图仪诊断系统及应用该系统的心磁图仪，集数据采集、数据滤波、成像分析、诊断报告于一体，界面清晰、操作简单，可直接提供给临床医生使用，为临床诊断心血管疾病提供重大参考价值。

附图说明

图1显示为本发明一实施方式中的心磁图仪诊断系统的功能模块图；

图2显示为本发明一实施方式中的病人信息模块的显示界面图；

图3显示为本发明一实施方式中的参数配置模块的显示界面图；

图4显示为本发明一实施方式中的一阶梯度补偿配置界面图；

图5显示为本发明一实施方式中的器件调试模块的显示界面图；

图6显示为本发明一实施方式中的心磁数据采集流程示意图；

图7显示为本发明一实施方式中的数据采集模块的显示界面图；

图8显示为本发明一实施方式中的平均心磁模块的显示界面图；

图9显示为本发明一实施方式中的成像分析流程示意图；

图10显示为本发明一实施方式中的成像分析中的等磁图、电流密度图和时间波组图的界面；

图11显示为本发明一实施方式中的成像分析中等磁图随时间演变的界面；

图12显示为本发明一实施方式中的成像分析中电流密度图随时间演变的界面；

图13显示为本发明一实施方式中的成像分析中的空间波组图的界面；

图14显示为本发明一实施方式中的心磁软件中的诊断报告界面。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种心磁图仪诊断系统，该软件集数据采集、数据滤波、成像分析、诊断报告于一体，界面清晰、操作简单，可直接提供给临床医生使用，为临床诊断心血管疾病提供重大参考价值，解决了现有心脏疾病识别方法精度不高，且算法复杂，无法直接给临床医生使用问题。

下面结合具体实施方式和附图对本发明提供的心磁图仪诊断系统作进一步的阐述，但本发明绝非仅局限于以下实施方式。

本发明的心磁图仪诊断系统各部分状态机图如附图1所示，具体包括：用户登录、用户管理、病人信息、参数配置、器件调试、数据采集、平均心磁、成像处理、诊断报告、系统帮助、系统退出等几个部分。

所述的用户登录指用户输入用户名和密码，软件会自动到数据库中查找该用户，若用户名和密码都正确的话，则进入病人信息界面。为便于软件的使用和管理，我们为用户设置了两种角色：管理员和医生。管理员具有最高权限，可对后期的用户管理、参数配置等界面进行操作，而医生则无法进入用户管理和参数配置界面。

所述的用户管理其权限只对管理员开放，管理员登录后可对用户进行添加、删除、编辑等操作。

所述的病人信息指用户进入病人信息界面后，如附图2所示，可根据病人姓名、或病人ID、或疾病等信息检索所需要的病人信息；同时也可通过输入姓名、性别、身高等信息新建一个病历。为方便医生更详细地记录病人信息，我们设置了疾病史和诊断史两个子窗口，在疾病史窗口中，医生可方便的勾选病人以前所患疾病，如冠心病、心律失常、有无晕厥等；在诊断史窗口中，医生可记录病人以前的疾病诊断情况。

所述的参数配置如附图3所示，包括：串口配置、采集通道配置、滤波器参数配置、一阶梯度补偿配置、二阶梯度补偿配置等。所述的串口配置指配置串口的通信口、波特率、数据位数、停止位数、校验方式等；所述的采集通道配置指根据连接的硬件配置心磁图仪的采样率、信号范围、物理通道名、逻辑通道名、比例尺、偏移量及标识、各采集卡间同步等。

为提高心磁信号的信噪比，我们设计了数字滤波器对数据进行预处理，滤波器的参数可在滤波器参数配置界面进行设置，例如，可设置选择高通、低通、带阻及相应的频带等参数对采集卡采集的原始数据进行滤波。

为进一步去除环境噪声，结合硬件梯度计我们设计了一阶梯度计和二阶梯度计及其补偿算法。根据心磁图仪应用的具体环境情况(无屏蔽环境噪声较大、屏蔽环境噪声较小)，我们可方便的选择一阶梯度计或二阶梯度计对环境噪声进行补偿。一阶梯度补偿配置如附图4所示，其中，S1～S36为胸腔位置信号通道心磁数据。

本发明中，补偿算法采用优化后的最小二乘补偿算法。以三轴参考补偿为例，假设补偿的目标函数为

其中，G_j,X_j,Y_j,Z_j分别为信号通道和三轴参考通道的输出电压，k₁,k₂,k₃分别为参考通道XYZ方向的补偿系数。j为数据点标号，i为数据起始点，n为目标函数的窗口长度。根据式

可计算出系数k₁,k₂,k₃。由此可得第m点处的梯度计补偿输出SG_m＝G_m-k₁X_m-k₂Y_m-k₃Z_m，一般m点选择位于i与i+n-1之间。

所述的器件调试界面如附图5所示，主要是用于把信号通道和参考通道的所有SQUID传感器都调至最佳工作状态，具体操作方法是加入test信号，调节器件偏置和直流补偿等参数使SQUID传感器采集回来的信号波形幅度最大并且波形相对于X轴对称。

由于心磁图仪的信号通道加上参考通道，其和多达50至上百通道，如果这些通道的SQUID传感器全通过手动调试的话，不仅浪费时间，也浪费人力，因此为方便器件调试和缩短调试时间，我们开发了一种黄金分隔器件自动调试算法。该算法具体操作流程为：

1)设定误差t，和调节范围a，b并且a<b；

2)定义X1＝a+(1-r)(b-a)，X2＝a+r(b-a)，其中，r是取值在0～1的分数，比较f(X1)和f(X2)的大小，若f(X1)<f(X2)，则a＝X1；否则b＝X2。其中，f(X1)和f(X2)分别为SQUID传感器在X1、X2时刻采集回来的信号大小；

3)若b-a<t，则跳出循环，器件已调到最佳工作状态，否则转入步骤2)，继续调试。

所述的数据采集的流程图如附图6所示，数据采集界面如附图7所示，指SQUID器件全部调试完毕处于锁定状态后，开始采集心磁数据。指定采集时间，当数据采集完成后，依次对数据乘校准系数、数据滤波、最小二乘补偿、数据显示、信号质量评估等操作。根据信号质量评估结果，若本次采集数据质量较好，则把数据保存到数据库，否则丢弃本次数据，重新采集。所述的信号质量评估指对采集到的心磁数据进行预处理；识别预处理后的心磁数据中QRS波的R峰，并对预处理后的心磁数据进行周期分隔；基于周期分隔后的心磁数据，计算多个与心磁数据相关联的，用以评估心磁信号的质量评估参数；最后根据各个评估参数对心磁信号质量进行等级划分。

所述的平均心磁界面如附图8所示，指为提高心磁数据的信噪比，选择某一通道，利用选择性心磁平均算法对该通道的心磁数据进行平均，得到平均后一个周期的心磁数据，并显示。所述的选择性平均心磁算法指基于模板匹配的方式，通过计算模版信号与被检信号之间的相似系数，经阈值判断剔除部分干扰后再进行周期性平均。

所述的成像处理流程图如附图9所示，指从数据库中读取胸腔上方36点位置信号通道的心磁数据，对数据进行周期分隔，然后选择某一周期的心磁数据或平均后一个周期的心磁数据，进行时间波组图、等磁图、电流密度图、空间波组图分析。

所述的等磁图是利用等磁图算法生成的，其步骤包括截取各个通道某个时刻的心磁数据；计算各通道在胸腔表面对应的位置坐标；让各通道某个时刻的心磁数据与对应的胸腔位置坐标进行对应，并将对应后的各坐标按位置排列以形成二维矩阵；对按位置排列好的二维心磁数据进行二维插值；在颜色表中查到与各插值后的心磁数据值相对应的颜色，并在心磁图的对应位置显示出来以绘制出彩色的心磁图。

所述的时间波组图指平均后各个通道一个周期的心磁数据随时间演变图。

所述的电流密度图指在等磁图的基础上，对心磁数据进行差分变换，并用箭头指明电流方向。

等磁图、电流密度图、时间波组图如附图10所示，移动时间波组图中的纵轴线A，等磁图和电流密度图会随之改变，方便医生观察感兴趣时刻的图像信息。

所述的空间波组图如附图11所示，指把36个通道的平均后一个周期的心磁数据按位置排列。

为进一步分析图像随时刻的演变信息，选择某一时间段，按等间隔划分，画了多个不同时刻的等磁图和电流密度图，如附图12和附图13所示，方便医生查询心脏活动随时间的演变情况。

为定量诊断心脏健康状态，我们从等磁图、电流密度图中计算了T波电流角度、T波磁场角度、T波正负比值、TT波磁场两极变化值、TT波磁场角度最大值、TT波磁角度最小值、TT波磁场角度变化值、TT波电流角度变化值、TT波电流角度最大值、TT波电流角度最小值等参数，如图10所示。

所述的诊断报告如附图14所示，指医生根据图像分析中提取的参数、各参数的正常范围、和图像是否规则等信息综合判断病人健康状况，把诊断结果写入报告中，并打印报告。

所述的系统帮助指点开该按钮后显示软件的版本及操作说明信息。

所述的系统退出指点此按钮则退出整个软件。

除此之外，本发明还提供一种搭载有前述任一实施方式的心磁图仪诊断系统的心磁图仪设备。由于前述实施方式中的技术特征已有详细说明，于此不再详细展开。

综上所述，本发明的心磁图仪诊断系统及应用该系统的心磁图仪，有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种心磁图仪诊断系统，其特征在于，应用于心磁图仪，所述系统包括：

数据采集模块，用于采集心磁数据，并对所述心磁数据进行质量评估；当判断出采集的心磁数据达到预设质量标准时，将该数据保存到数据库；反之，则丢弃该数据，重新采集心磁数据；

平均心磁模块，用于对某一通道的心磁数据进行平均以得到平均后一个周期的心磁数据，并予以显示；

成像处理模块，用于从所述数据库中读取所述平均后一个周期的心磁数据，以进行时间波组图、等磁图、电流密度图、或空间波组图的分析。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述成像处理模块还用于：从所述数据库中读取若干胸腔测量点位置信号通道的心磁数据，并对这些数据进行周期分隔后选择某一周期的心磁数据，以进行时间波组图、等磁图、电流密度图、或空间波组图的分析。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述时间波组图指平均后各个通道一个周期的心磁数据随时间演变图。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述等磁图的生成是通过以下方式实现的：

截取各个通道某个时刻的心磁数据；

让各通道某个时刻的心磁数据与对应的胸腔位置坐标进行对应；

对按位置排列好的二维心磁数据进行二维插值；

对插值后的二维数据查颜色表，并绘制等磁图。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电流密度图指在所述等磁图的基础上，对心磁数据进行差分变换，并用箭头指明电流方向而生成的。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述空间波组图指把所述若干个通道的平均后一个周期的心磁数据按位置排列。

7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述成像处理模块还用于从所述等磁图和所述电流密度图中提取：T波电流角度、T波磁场角度、T波正负比值、TT波磁场两极变化值、TT波磁场角度最大值、TT波磁角度最小值、TT波磁场角度变化值、TT波电流角度变化值、TT波电流角度最大值、及TT波电流角度最小值中的一种或多种，并予以显示。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集模块判断采集的心磁数据是否达到预设质量标准是通过以下方式实现的：

对采集到的心磁数据进行预处理；

识别预处理后的心磁数据中QRS波的R峰，并对预处理后的心磁数据进行周期分隔；

基于周期分隔后的心磁数据，计算多个与心磁数据相关联的、用以评估心磁信号的质量评估参数；

根据各所述评估参数对所述心磁信号的质量进行等级划分。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述平均心磁模块对心磁数据进行平均以得到平均后一个周期的心磁数据是通过以下方式实现的：计算预设模版信号与被检信号之间的相似系数，并经阈值判断剔除部分干扰后再进行周期性平均。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：病人信息模块，用于将用户输入的病人信息存储至所述数据库中，及根据用户输入的检索条件从所述数据库中获取相应的病人信息并予以显示。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：参数配置模块，用于：串口配置、采集通道配置、滤波器参数配置、一阶梯度补偿配置、及二阶梯度补偿配置中的一种或多种组合。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述一阶梯度补偿配置通过一阶梯度补偿算法对环境噪声进行补偿，包括：

建立目标函数其中，G_j,X_j,Y_j,Z_j分别为信号通道和三轴参考通道的输出电压，k₁,k₂,k₃分别为参考通道XYZ方向的补偿系数，j为数据点标号，i为数据起始点，n为目标函数的窗口长度；

根据式计算系数k₁,k₂,k₃，从而得到第m点处的梯度计补偿输出SG_m＝G_m-k₁X_m-k₂Y_m-k₃Z_m，其中，m∈[i,i+n-1]。

13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：器件调试模块，用于将信号通道和参考通道的SQUID传感器调至预设工作状态，包括：加入测试信号，调节器件偏置和直流补偿参数，以使所述SQUID传感器采集回来的信号波形幅度达到预设值并且波形相对于X轴对称。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述器件调试模块通过黄金分隔器件自动调试算法为调试缩短时间，包括：

步骤1)设定误差t、调节范围a，b，其中，a<b；

步骤2)定义X1＝a+(1-r)(b-a)，X2＝a+r(b-a)，其中，r为分数；

比较f(X1)和f(X2)的大小，若f(X1)<f(X2)，则a＝X1；否则b＝X2，其中，f(X1)和f(X2)分别为所述SQUID传感器在X1、X2时刻采集回来的信号大小；

步骤3)继续步骤2)的调试过程，直到b-a<t跳出循环，此时，器件已调到预设工作状态。

15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：诊断报告模块，用于根据图像分析中提取的各参数、各参数的正常范围、图像是否规则、及诊断结果，生成诊断报告以供打印。