CN117017300A - 一种融合心磁和心电的心脏源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种融合心磁和心电的心脏源定位方法，包括：基于医学影像获得被试者个性化心脏‑双肺‑躯干模型，采用边界元的方法得到容积导体传导模型，利用源模型和传导模型计算得到仿真信号，再求解得到仿真源，利用实测信号求解得到实际源，对比实际源与仿真源之间相似度后通过加权平均的方法将心磁和心电的源定位结果融合。本发明的提出融合了心磁信号和心电信号对被试者进行心脏源定位，并依据实际源与仿真源之间的相似度分别求解心磁和心电源定位结果的置信度，从而决定二者的加权系数，提高了心脏源定位的精度，可将其应用到临床医学的诊断与治疗中。

Description

一种融合心磁和心电的心脏源定位方法

技术领域

本发明涉及生物医学信号分析领域，特别是涉及一种融合心磁和心电的心脏源定位方法。

背景技术

心脏源定位技术在心律失常和缺血性心脏病的检测、指导导管消融或无创消融手术中有重要的意义，临床中也对心脏源的定位有更高的精度要求。有研究表明，基于心磁信号的源定位和基于心电信号的源定位所表征的源特性具有一定的区别，因此融合两种方式的定位结果来定位心脏源具有更高的定位精度，具有较高的医学研究和临床应用价值。

一般的心脏成像分为功能成像和结构成像，其中包括心磁源成像、心电源成像、超声源成像、X射线衍射成像、CT扫描成像、MRI成像以及CARTO成像等，现有的成像方法或因为X射线的辐射、强磁场等对人体有一定的伤害，或因为需要导管介入造成患者的痛苦，或因为精度达不到临床的要求。融合心磁和心电的心脏源定位方法是心脏源成像的方法之一，相比于其它的方法具有显著的优势，属于非侵入性的、无害的、精度高的心脏源成像方法。对于采用心磁信号和心电信号对心脏源成像的实现，一般分为正问题部分、逆问题部分、仿真验证部分以及实物验证部分等，首先要建立源模型和心脏-双肺-躯干几何模型、经过边界元或者有限元等方法建立容积导体传导模型后仿真得到信号实现正问题部分，根据仿真得到的信号通过逆向问题的求解进行源定位并成像实现逆问题部分，对比逆问题成像结果与所设置的源模型来验证结果的可靠性，最后搭建实物模型验证结果。其中几何模型的建立需要通过人体医学影像如CT、MRI图像，进行分割、网格化等处理后得到所需的模型。使用心磁信号源成像或者心电信号源成像能够直观地观察到心脏内部电流源在一段时间内位置、方向大小等随时间的变化，从而帮助医学诊断心脏异常电活动。

目前临床诊断和治疗对心脏源定位的精度、方法的便利性、无害无创性等有更高的要求，但现有的技术存在精度低、对被试者伤害性较大、适用范围小、可靠性低等缺点。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种融合心磁和心电的心脏源定位方法，将心磁和心电信息融合，利用两种信息之间的交叉互补性，以提高心脏源定位的精度和可靠性；个性化的模型可以更准确地反映患者的生理特征，进一步提高了定位可靠性。与传统的有创手术或强磁、辐射相比，本发明避免了对患者的伤害，从而扩大了适用人群范围。

为实现以上目的及其他的相关目的，本发明技术解决方案如下：

第一方面，本发明提供一种融合心磁和心电的心脏源定位方法，包括以下步骤：

步骤1：CT扫描贴有标记点的被试者上半身，将获得的CT图像进行分割、网格化处理，获得被试者的个性化心脏-双肺-躯干的网格化的CT模型，利用3D扫描仪扫描得到包含心磁采集板、心电电极片及贴有标记点的被试者躯干的扫描模型，将CT模型与所述扫描模型进行配准，得到配准后的整体模型；

步骤2：利用optically pumped magnetometer(OPM)磁传感器采集被试者心磁信号，利用多通道心电采集设备采集被试者心电信号，心磁信号和心电信号采集为同步采集，采集时长确保包含多个完整的心动周期，采集结束后对心磁信号和心电信号进行信号处理，提高心磁及心电信号信噪比；

步骤3：基于步骤1得到的整体模型采用边界元的数值计算方法获得描述心脏-双肺-躯干中电磁传导过程的容积导体传导模型，结合偶极子源或分布式源的心脏等效电流源模型，计算得到电流源至体外心磁、体表心电的引导场矩阵；

步骤4：利用偶极子源或分布式源的心脏等效电流源模型和步骤3得到的心磁和心电的引导场矩阵仿真得到体外心磁磁场信号和体表心电电势信号，进一步求解心磁、心电的仿真电流源，并利用实测信号求解心磁、心电的实际电流源，依据心磁及心电各自的仿真源与实际源之间的相似度，分别求解心磁、心电源定位置信度，计算得到心磁实际源和心电实际源的加权系数，并对心磁和心电的实际电流源进行加权平均融合操作，得到被试者的心磁和心电融合源定位结果。

为了进一步优化上述技术方案，本发明所采取的技术措施还包括：

进一步地，所述步骤1中，所述标记点贴在被试者的侧腰，作为侧腰标记点进行CT扫描，心磁和心电数据同步采集，以及使用3D扫描仪获得扫描模型，侧腰标记点消除人在呼吸时正腹部上下起伏对模型的影响且扫描时不受电极片与采集板位置的影响。

进一步地，所述步骤4中，加权平均融合操作的实现过程如下：

(41)将心脏内部空间栅格化，得到N个栅格点，每个栅格点位置为D_i(x,y,z)，其中x，y，z为空间坐标值，将每个栅格点位置的电流偶极子分解为三个正交的偶极子分别为/>共得到3N个电流偶极子，作为心脏等效源模型，其中i＝1,...,N；

(42)3N个电流偶极子分别利用心磁的引导场矩阵仿真得到体外磁场信号，再利用该磁场信号进行源定位计算，得到3N个心磁仿真源，心磁仿真源位置分别用M’_ij(x,y,z)表示；3N个电流偶极子分别利用心电的引导场矩阵仿真得到体表电势信号，再利用该电势信号进行源定位计算，得到3N个心电仿真源，心电仿真源位置分别用E’_ij(x,y,z)表示，其中i＝1,...,N，j＝1,2,3；

(43)采用实测心磁信号进行源定位计算得到心磁实际源位置M(x,y,z)，采用实测心电信号进行源定位计算得到心电实际源位置E(x,y,z)；

(44)计算心磁源定位的置信度α₁，令r₀＝F_min(M'_ij,M)，其中F函数为评估多维空间中两点相似性的函数，min表示其最小值；在心磁仿真源位置中计算F(M'_ij,M)≤3r₀的位置个数为m，并取出这m个位置与这m个位置所对应的设定偶极子的位置，分别为P'_k、P_k，k＝1,...,m，r_1k＝F(P'_k,M)，r_2k＝F(P'_k,P_k)，则计算心电源定位的置信度α₂，令d₀＝F_min(E'_ij,E)，在心电仿真源位置中计算F(E'_ij,E)≤3d₀的位置个数为e，并取出这e个位置与这e个位置所对应的设定偶极子的位置，分别为S'_q、S_q，q＝1,...,e，d_1q＝F(S'_q,E)，d_2q＝F(S'_q,S_q)，则/>

(45)计算心磁和心电实际源的加权系数分别为：最后融合心磁实际源位置M和心电实际源位置E的结果为Y＝ω₁M+ω₂E，得到被试者的心磁和心电融合源定位结果。

进一步地，所述评估多维空间中两点相似性的函数包括欧式距离、曼哈顿距离、切比雪夫距离、闵可夫斯基距离或标准化欧式距离。

第二方面，本发明提供一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器、通信接口和存储器通过通信总线完成相互间的通信；

存储器，用于存放计算机程序；

处理器，用于执行存储器上所存放的计算机程序，执行时实现一种融合心磁和心电的心脏源定位方法。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理执行时实现一种融合心磁和心电的心脏源定位方法。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)传统的心脏源定位方法要达到一定的精度，一般使用增强CT、CARTO等结构成像的方法对被试者都是有伤害或者有创的，本发明中采用心磁信号和心电信号功能成像的源定位方法对被试者无创无害，操作简单，能够很大程度减轻疾病患者的痛苦，适用人群广泛。

(2)传统的心脏源定位方法，或是只使用心电信号进行源定位，或是只使用心磁信号进行源定位，两者所表征的源的特性不同，对源定位的精度有限，本发明结合两者的定位结果，交叉互补，将两者表征的源特性结合起来，提高定位精度，能够应用到临床诊断与治疗中，可靠性更高。本发明采用多通道的OPM采集心磁信号相比于SQUID等其它磁传感器精度高、操作简单可在室温下使用。

(3)本发明针对被试者建立个性化的模型，并依据实际求解源与仿真求解源之间的相似度决定心磁和心电源定位结果的置信度，从而决定二者的加权系数，提高了心脏源定位的精度，不同被试者的CT模型不同、加权平均的系数不同，针对性强，精度更高。

附图说明

图1显示为本发明的心脏源定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明方法实现步骤如下：

步骤1：CT扫描贴有标记点的被试者上半身，将获得的CT图像进行分割、网格化处理，获得被试者的个性化心脏-双肺-躯干的网格化的CT模型，利用3D扫描仪扫描得到包含心磁采集板、心电电极片及贴有标记点的被试者躯干的扫描模型，将CT模型与所述扫描模型进行配准，得到配准后的整体模型。

所述标记点贴在被试者的侧腰，作为侧腰标记点进行CT扫描，心磁和心电数据同步采集，以及使用3D扫描仪获得扫描模型，侧腰标记点消除人在呼吸时正腹部上下起伏对模型的影响且扫描时不受电极片与采集板位置的影响。

所述3D扫描仪为光学扫描仪、激光扫描仪或其它精度较高、扫描速度较快的扫描仪。

所述配准，是将心脏-双肺-躯干CT模型，建立CT模型三维坐标系，根据标记点获取被试者在该坐标系的坐标值，然后利用扫描模型分别获得OPM磁传感器在该坐标系的坐标值、电极片在该坐标系的坐标值，将OPM磁传感器和电极片的三维坐标系信息转换到CT模型的三维坐标系，实现CT模型与磁传感器、电极片的同时配准。

步骤2：利用OPM磁传感器采集被试者心磁信号，利用多通道心电采集设备采集被试者心电信号，心磁信号及心电信号采集为同步采集，采集时长要确保包含多个完整的心动周期，采集结束后对心磁信号和心电信号进行信号处理，提高心磁及心电信号信噪比。

所述中心磁采集设备使用的是多通道OPM磁传感器测量阵列，数量包括但不限于16、32、36、64，若干个传感器镶嵌在心磁采集面板上。心电采集设备使用的是多通道体表电位标测系统，电极材料采用氯化银或其它材料，保证在心磁和心电同时采集时，心磁设备和心电设备相互没有影响。

步骤3：基于步骤1得到的整体模型采用边界元的数值计算方法获得描述心脏-双肺-躯干中电磁传导过程的容积导体传导模型，结合偶极子源或分布式源的心脏等效电流源模型，计算得到电流源至体外心磁、体表心电的引导场矩阵。

步骤4：利用偶极子源或分布式源的心脏等效电流源模型和步骤3得到的心磁和心电的引导场矩阵仿真得到体外心磁磁场信号和体表心电电势信号，进一步求解心磁、心电的仿真电流源，并利用实测信号求解心磁、心电的实际电流源，依据心磁及心电各自的仿真源与实际源之间的相似度，分别求解心磁、心电源定位置信度，计算得到心磁实际源和心电实际源的加权系数，并对心磁和心电的实际电流源进行加权平均融合操作，得到被试者的心磁和心电融合源定位结果。

所述加权平均融合操作的实现如下：

(41)将心脏内部空间栅格化，得到N个栅格点，每个栅格点位置为D_i(x,y,z)，其中x，y，z，为空间坐标值，将每个栅格点位置的电流偶极子分解为三个正交的偶极子分别为/>得到3N个电流偶极子,作为心脏等效源模型，其中i＝1,...,N；

(42)3N个电流偶极子分别利用心磁的引导场矩阵仿真得到体外磁场信号，再利用该磁场信号进行源定位计算，得到3N个心磁仿真源，心磁仿真源位置分别用M’_ij(x,y,z)表示；3N个电流偶极子分别利用心电的引导场矩阵仿真得到体表电势信号，再利用该电势信号进行源定位计算，得到3N个心电仿真源，心电仿真源位置分别用E’_ij(x,y,z)表示，其中i＝1,...,N，j＝1,2,3；

(43)采用实测心磁信号进行源定位计算得到心磁实际源位置M(x,y,z)，采用实测心电信号进行源定位计算得到心电实际源位置E(x,y,z)；

(44)计算心磁源定位的置信度α₁，令r₀＝F_min(M'_ij,M)，其中F函数为评估多维空间中两点相似性的函数，min表示其最小值；在心磁仿真源位置中计算F(M'_ij,M)≤3r₀的位置个数为m，并取出这m个位置与这m个位置所对应的设定偶极子的位置，分别为P'_k、P_k，k＝1,...,m，r_1k＝F(P'_k,M)，r_2k＝F(P'_k,P_k)，则计算心电源定位的置信度α₂，令d₀＝F_min(E'_ij,E)，在心电仿真源位置中计算F(E'_ij,E)≤3d₀的位置个数为e，并取出这e个位置与这e个位置所对应的设定偶极子的位置，分别为S'_q、S_q，q＝1,...,e，d_1q＝F(S'_q,E)，d_2q＝F(S'_q,S_q)，则/>

(45)计算心磁和心电实际源的加权系数分别为：最后融合心磁实际源位置M和心电实际源位置E的结果为Y＝ω₁M+ω₂E，得到被试者的心磁和心电融合源定位结果。

总之，本发明的一种融合心磁和心电的心脏源定位方法首先是利用源模型和容积导体传导模型计算得到仿真心磁、心电信号，再求解获得仿真源，利用实测心磁、心电信号计算获得实际源，再依据实际源与仿真源之间的相似度，计算出心磁及心电定位结果的置信度以决定加权系数，最后将心磁、心电的实际源加权平均得到融合定位结果。其中需要CT扫描、配准等过程建立被试者个性化的CT模型，用于信号的仿真和源定位结果的成像。本发明相对于现有的定位方法提高定位精度，具有较高的医学应用价值。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的系统或方法。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理机器功效，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，举凡所述技术领域中具有通常知识者在为脱离本发明多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 (6)

1.一种融合心磁和心电的心脏源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：CT扫描贴有标记点的被试者上半身，将获得的CT图像进行分割、网格化处理，获得被试者的个性化心脏-双肺-躯干的网格化的CT模型，利用3D扫描仪扫描得到包含心磁采集板、心电电极片及贴有标记点的被试者躯干的扫描模型，将CT模型与所述扫描模型进行配准，得到配准后的整体模型；

步骤2：利用OPM磁传感器采集被试者心磁信号，利用多通道心电采集设备采集被试者心电信号，心磁信号和心电信号采集为同步采集，采集时长确保包含多个完整的心动周期，采集结束后对心磁信号和心电信号进行信号处理，提高心磁及心电信号信噪比；

步骤3：基于步骤1得到的整体模型采用边界元的数值计算方法获得描述心脏-双肺-躯干中电磁传导过程的容积导体传导模型，结合偶极子源或分布式源的心脏等效电流源模型，计算得到电流源至体外心磁、体表心电的引导场矩阵；

步骤4：利用偶极子源或分布式源的心脏等效电流源模型和步骤3得到的心磁和心电的引导场矩阵仿真得到体外心磁磁场信号和体表心电电势信号，进一步求解心磁、心电的仿真电流源，并利用实测信号求解心磁、心电的实际电流源，依据心磁及心电各自的仿真源与实际源之间的相似度，分别求解心磁、心电源定位置信度，计算得到心磁实际源和心电实际源的加权系数，并对心磁和心电的实际电流源进行加权平均融合操作，得到被试者的心磁和心电融合源定位结果。

2.根据权利要求1所述的一种融合心磁和心电的心脏源定位方法，其特征在于：所述步骤1中，所述标记点贴在被试者的侧腰，作为侧腰标记点进行CT扫描，心磁和心电数据同步采集，以及使用3D扫描仪获得扫描模型，侧腰标记点消除人在呼吸时正腹部上下起伏对模型的影响且扫描时不受电极片与采集板位置的影响。

3.根据权利要求1所述的一种融合心磁和心电的心脏源定位方法，其特征在于：所述步骤4中，加权平均融合操作的实现过程如下：

(41)将心脏内部空间栅格化，得到N个栅格点，每个栅格点位置为D_i(x,y,z)，其中x，y，z为空间坐标值，将每个栅格点位置的电流偶极子分解为三个正交的偶极子分别为/>共得到3N个电流偶极子，作为心脏等效源模型，其中i＝1,...,N；

(42)3N个电流偶极子分别利用心磁的引导场矩阵仿真得到体外磁场信号，再利用该磁场信号进行源定位计算，得到3N个心磁仿真源，心磁仿真源位置分别用M’_ij(x,y,z)表示；3N个电流偶极子分别利用心电的引导场矩阵仿真得到体表电势信号，再利用该电势信号进行源定位计算，得到3N个心电仿真源，心电仿真源位置分别用E’_ij(x,y,z)表示，其中i＝1,...,N，j＝1,2,3；

(43)采用实测心磁信号进行源定位计算得到心磁实际源位置M(x,y,z)，采用实测心电信号进行源定位计算得到心电实际源位置E(x,y,z)；

(44)计算心磁源定位的置信度α₁，令r₀＝F_min(M’_ij,M)，其中F函数为评估多维空间中两点相似性的函数，min表示其最小值；在心磁仿真源位置中计算F(M’_ij,M)≤3r₀的位置个数为m，并取出这m个位置与这m个位置所对应的设定偶极子的位置，分别为P_k'、P_k，k＝1,...,m，r_1k＝F(P′_k,M)，r_2k＝F(P′_k,P_k)，则计算心电源定位的置信度α₂，令d₀＝F_min(E′_ij,E)，在心电仿真源位置中计算F(E′_ij,E)≤3d₀的位置个数为e，并取出这e个位置与这e个位置所对应的设定偶极子的位置，分别为S'_q、S_q，q＝1,...,e，d_1q＝F(S'_q,E)，d_2q＝F(S'_q,S_q)，则/>

(45)计算心磁和心电实际源的加权系数分别为：最后融合心磁实际源位置M和心电实际源位置E的结果为Y＝ω₁M+ω₂E，得到被试者的心磁和心电融合源定位结果。

4.根据权利要求3所述的一种融合心磁和心电的心脏源定位方法，其特征在于：所述评估多维空间中两点相似性的函数包括欧式距离、曼哈顿距离、切比雪夫距离、闵可夫斯基距离或标准化欧式距离。

5.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器、通信接口和存储器通过通信总线完成相互间的通信；

存储器，用于存放计算机程序；

处理器，用于执行存储器上所存放的计算机程序，执行时实现权利要求1-4任意之一所述的方法。

6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4任意之一所述的方法。