CN1253761A

CN1253761A - 动态心电标测方法及其装置

Info

Publication number: CN1253761A
Application number: CN 99116919
Authority: CN
Inventors: 方祖祥; 邹人强
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2000-05-24
Anticipated expiration: 2019-09-27
Also published as: CN1124824C

Abstract

本发明涉及一种动态心电标测方法及其装置。采用柔性印刷电路片制作的电极阵列作为标测电极,获取心电单极信号,经电极复用,得到双极信号。对上述信号进行分析处理,检测出特征点,生成动态等时标测图、波动图和矢场图等。本发明不仅可用于常规的异位兴奋、异位传导的心电标测,而且适用于房颤等心脏多兴奋源、多径传导的变异无序情况下的心电标测,在临床上具有重要意义。

Description

动态心电标测方法及其装置

本发明涉及一种心电位标测的方法及其装置。

常规的心电标测是用来揭示心脏各部位激动的先后顺序以及兴奋的传导过程，以便寻找出心律失常时的异常传导途径和异位兴奋的源点。它是心脏电生理研究的重要工具。就临床而言，心电标测可分为心内膜标测和心外膜标测。前者利用心导管电极在心内某处固定一支导管电极作为参考点，而利用另一支或几支导管在不同的位置探查除极波(即兴奋传递波)到达的时刻，然后比较各点的先后次序，在平面上将代表除极波同时到达的各点连线而成一幅等时标测图。由于导管能达到的位置受到客观条件的制约，心脏的某些部位(例如左房、左室)往往不易标测到。另外，由于导管是通过浅表血管插入的，其数量受到限制。因此，多部位的探查往往要分时分批进行。这就要求心跳必须是规则的、可同步的。在心律失常时往往不能办到，尤其是在房颤(AF)时对心房的活动更是无序的、非重复的。后者是在开胸手术时，在心脏外表(外膜)贴靠多点电极，通过电极阵元对心脏的除极波进行同时探查，可作出等时标测图。其优点是免除了利用一个参考点的逐次比对，可对单次心搏(心跳)——无论是正常的(窦性的)或异常的(异位早搏)都可标测到除极波的传递过程。但是，对房颤情形，其异位兴奋源点在空间分布上是多源性的，且在时间上是非重复性的。因此，上述通常用来表征单次心搏的除极途径的等时标测图已不能表达房颤的异位兴奋和异常传播规律，必须要有新的标测方法和系统。此外，常规的心电标测系统采用双极探查的方式，即对心表某一位点的标测采用一对电极(双极)测量其电位差。这种方式能精确探查电极对之间的电活动，而忽视了电极对之间的空间的探测，若在两电极对之间的小区域发生除极或传导，则可能相邻两对电极都探测不到，即影响探测的全面性和精确度。而且，这种标测电极，其电极点数量必须足够多(是探查道数的一倍)，其电极引出线就是一大把，体积较大，容易造成混乱和折断，给使用带来麻烦。此外，这种电极造价也比较昂贵。

本发明的目的在于提出一种能够表征心脏异位兴奋、异位传导的分布及变异的动态心电标测方法及其装置，而且，这种方法和装置使用方便，价格便宜。

本发明提出的心电标测方法，采用均匀排布于柔性绝缘基片上的m×n电极阵列作为标测电极，贴靠于心外膜，以获取心电信号，经放大器将各路电极信号放大同样倍数，再采用多路同步采样及高速A/D转换方式，将电极信号转换成数字信号送入计算机，然后进行有关分析处理。

本发明所采用的标测电极模片，是一种电极点以m×n阵列形式排列的柔性印刷电路片，电极间距离保持衡定而又不失柔软性。一般地，4≤m，n≤20。m为电极阵列的行数，n为每行电极点的个数。电极阵列和电极导线通过柔性电路片形成一体化结构，如图1所示。电极引出线可与相应的接插件连接。

上述电极阵列可采用下述两种比较好的排布方式：

一种是正方阵列形式，即电极阵列相邻两行的电极点上下垂直对准，成为行列形式，行距与列距均相同，如图2所示。另一种是蜂窝阵列形式，即相邻两行的电极点上下成60度角度错开，上一行相邻两电极点与下一行对应的电极点构成一个正三角形。这种电极阵列其中任一电极点的上下左右(边缘部分除外)有6个等距相邻的电极点，构成一个正六边形，形似蜂窝状，如图3所示。

上述电极阵列可获得m×n个单极电信号，即可获得各电极点处的单极标测信号。此外，还可取阵列中相邻两电极点形成双极导联，获得双极信号。对于正方阵列形式，其双极信号数量为k＝m(n-1)+(m-1)n＝2mn-m-n。对于蜂窝阵列形式，其双极信号数量为k＝m(n-1)+(m-1)(2n-1)＝3mn-2(m+n)+1。这样，通过电极信号的复用，大大提高了对电极的利用率，减少电极引出线数目，从而可使用较少量的电极获得足够多的检测信号。例如，当m＝n＝8时，按正方阵列形式，单极信号有8×8＝64个，双极信号有2×8×8-8-8＝112个，总共有176个信号。按蜂窝阵列形式，其单极信号为64个，双极信号为3×8×8-2×(8+8)+1＝161个，总共有225个信号。而若采用常规双极标测，仅可获得32个双极信号。

为了进一步减少通道放大器的数量，我们还采取用两相邻电极点的单极信号差分的方法来替代双极测量。对于正方阵列电极，设{US_ij(t)}为第i行、第j列的电极点在t时刻的单极信号(简记为{U_ij})，用BxS_ij(t)和ByS_ij(t)表示i，j处电极点在水平和垂直方向两相邻电极间的双极信号(简记为{B_ij})，则有：

利用上述获得的心电的单极信号和双极信号，本发明可分析标测特征点。从心脏电生理原理获知，当心电除极波(DW)传播时，其波前达到某个电极时，该电极的电位即升高，而通过后电位又恢复到基础值。一次DW通过就会在该电极上出现一次电位偏转，因此，对于单极检测信号，其峰点代表了DW到达时刻；而对双极检测信号而言，一次DW的通过则表现为一个“N”型的电位偏转，其双峰之间的过零点对应于DW的到达这对电极中点的时刻。依此原则，检测出各路代表DW到达时刻的特征点：单极信号的峰点和双极信号双峰之间的过零点。以UT_ij(t_k)、BxT_ij(te)、ByT_ij(tg)分别表示单极信号、双极信号x方向、双极信号y方向的特征点集合(简记为{Tij})，k、e、g＜N，其中N为数据长度。对于30秒时间长度的检测数据，若采样速率为2.5KS/S，其长度N约为30×2.5k＝75k。

根据上述预处理结果，本发明可进一步采用下述三种方式表达动态心电标测。

1.动态等时标测图。在某一采样时间段内(如30秒)，将已经检测到的特征点数据(包括单极信号UT_ij(t_k)，双极信号x方向数据B_xT_ij(t₁)，双极信号y方向数据ByT_ij(t_g)进行插值运算，以获得在初始时刻及其后某些时刻如2ms、4ms、6ms……时DW到达的空间位置的值，并标记在m×n电极列阵的空间分布图中，再将代表相同时刻的(如2ms、4ms、6ms……等)的空间点进行连线(不同时刻的连线可以用不同的颜色，以示区分)，从而获得等时标测图。将特征点数据依时间次序输入并进行作图，便可获得逐幅变化的动态等时标测图。如图4～图5所示。

2.波动图。在屏幕上展示电极列阵的平面位置。将同一时刻t采样获得的单极和双极信号{US_ij(t)}和{BS_ij(t)}数组分别以调辉或伪彩色(不同的幅度数值可用不同的颜色表示)方式对各对应电极点进行调辉或彩色调制，再对电极点之间的空间进行函数插值，即可连续地得到犹如波浪的反应心电电位激动分布和传播路径的波动图，如图6所示。这种波动图包含了幅度和相位的全部信息，动态反映了心电除极波的传播过程，使心表电活动直观(可视化且可用慢动作方式显示演变过程，可作为房颤电生理研究和临床治疗的分析依据。

3.矢场图和矢场散点图。利用已经获得的双极信号数组B_xS_ij(t)及B_yS_ij(t)，根据三角函数关系求得除极波进入该位置的角度和大小(即传播方向和传播速度)，并在电极阵列图上标出该时刻的矢场分布图。如图7、图8所示。在电极点i、j点处某时刻的矢量大小和角度可由下式求得：

| \overset{&RightArrow;}{V} | = \sqrt{B_{x} S_{ij}^{2} (t) + B_{y} S_{ij}^{2} (t)}

α＝arctg^-1(B_yS_ij(t)/B_xS_ij(t))。

矢场分布图不仅展示了同一时刻各位点的心肌的兴奋状况，更主要地显示出波前的位置和DW的移动方向，特别是对房颤的标测可显示各位点心肌参与DW传播的方位和AF时各处心肌纤维除极的空间相关性。

由于不同时刻t的矢场分布图是不同的，在AF时更是不重复的。为了对各点心肌对AF的参与程度、参与方式(传导方向)有一总体上、统计上的了解，对一个时间段(例如10秒、20秒或30秒等)逐点将矢量端(表示该矢量大小和方向)以散点图方式表示出来。矢量场散点图表达出观察的时间段内各处心肌的参与心电信号传导的程度(矢量幅值)和担负传导的主要倾向。对AF的电生理机制研究和临床治疗有重要意义。

由上可见，本发明是一种对心电全区域的多方式动态标测方法。对应于该方法，本发明设计了相应的标测装置。该装置由m×n柔性阵列标测电极片(4≤m，m≤20)，放大器、A/D转换卡、主计算机、大屏幕显示器、高速打印机等部份组成。如图9所示。这里，m×n柔性阵列电极片用于标测心外膜的电位信号。m×n路放大器具有相同的放大倍数和相同的滤波特性，用来将各路电信号分别放大，放大倍数可在100倍、250倍、500倍、1000倍、5000倍等范围内可调。A/D转换卡将各路同步采样获得的心电信号转换为数字信号(例如12bit)，然后由总线馈送至主计算机，进行分析处理。主计算机除用于系统控制进行实时信号采集并存储各种数据外，还进行快速的后处理，包括进行双极信号的计算、特征点的检测、动态等时图的生成、波动图的生成、矢场图和矢场散点图的生成等。大屏幕显示器在主机控制下，用于显示动态标测图、波动图、矢量分布图等。高速打印机可将检测数据和有关标测图形打印出来。

利用本发明制成的标测仪进行了动物和临床试验，证实动态心电标测是可行的，且观察和记录到前述三种标测量。

本发明提出的标测方法和标测装置不仅在规则心律、固定传导途径的情况下对兴奋的定位和传播路径有意义，可以标测出早搏源点和异位传导等部位。还适用于对房颤情形的标测。它将长时间(如30秒)全区域(如5×5cm)的幅度和相位信息以及传播途径综合地展示在动感图上，可以直观地用视觉加以观察、分析判断病症所在，而且还可以对各部位的心肌参与除极兴奋的程度(频数与强度)及与前后左右相邻心肌的相关性进行统计性处理。此外，本发明采用电极复用法，不仅在单极标测之外补充了大量双极信息，而且是全区域的信息采集，在所观察范畴内的任何兴奋源、传播或阻断都不会漏失，因此是全信息标测并提高了标测精确度。同时电极加工容易、接线简单，放大器数目亦少，大大降低造价，而且，使用十分方便。

只要对标测电极进行更换和对显示方式稍作修改，本发明亦可用于心内膜标测。例如网篮状心内膜导管标测电极的使用，可对心内膜各点电位的变化进行同时的多点采样，并可以三维(立体)方式将心房内(或心室内)的等时图、波动图显示和打印出来。无疑这对电生理研究是十分有益的。

附图说明

图1为柔性标测电极结构图。

图2为电极点方阵排列形式。

图3为电极点蜂窝排列形式。

图4为由本发明测得的窦性心律时的等时图。其中图4(a)～(f)依次为t＝4ms、8ms、12ms、16ms、20ms、24ms时的等时图。

图5为由本发明测得的室颤时的等时图，其中图5(a)～(f)依次为t＝20ms、40ms、60ms、80ms、100ms、120ms时的等时图。

图6为由本发明测得的窦性心律时右室除极波动图，其中图6(a)～(o)依次为t＝0ms，2ms，4ms，…，28ms时的波动图。

图7为由本发明测得的窦性心律时的除极矢量图和除极矢量散点图。其中图7(a)为窦性心律时多道心电记录，图7(b)为除极矢场图，图7(c)为除极矢场散点图。

图8为由本发明测得的室颤时的除极矢场图和除极矢场散点图。其中，图8(a)为房颤时多道心电记录，图8(b)为除极矢场图，图8(c)为除极矢场散点图。

图9本发明标测系统的结构框图。

图10为本发明特征点检测计算程序框图。其中，图10(a)为检测单极信号峰点，图10(b)为检测双极信号过零点。

图11为本发明动态等时图生成的计算程序框图。

图12为本发明波动图生成的计算程序框图。

图13为本发明除极矢场图及除极矢场散点图生成计算程序框图。其中，图13(a)为生成矢场图，图13(b)为生成矢场散点图。

图中标号：1为电极阵列，2为各电极引出线，3为柔性印刷电路片，4为单电极点，5为双极中位点，6为接插件，7为保护膜层。

作为实施例，标测系统的电极阵列取m×n＝8×8，电极片大小为5×5cm，每个电极点的直径为2.0mm，相距3.0mm，电极表面镀金作为保护层，并且分别由0.1mm的细导线引出。柔性电极通过接插件与放大器连接。对于8×8电极阵列，共有66路独立放大器。其中，64路分别用来放大64个电极测得的心电信号，另2路用作体表心电放大，各路放大器均设有40-500HZ的4阶Bessel带通滤波及50HZ点滤波。所有放大器均采用浮置技术，共模抑制比CMRR≥100db；输入阻抗≥5MΩ；应用侧与供电侧耐压≥4000VAC；漏电≤10μA。

主计算机对特征点的检测、动态等时图的生成、波动图的生成、矢场图和矢场散点图的生成的计算处理程序的框图如图10-图13所示。

对于66道心电波形的显示采用分屏(每屏16道)滚动显示的方式，并用20寸彩显进行1024×768精度的windows操作界面下的全屏滚动格式。滚屏速度，从100mm/s～800mm/s可调。对波形显示或动感标测均可冻结观察。波形记录可采用宽幅喷打，宽度为320mm。

Claims

1.一种动态心电标测方法，其特征在于采用m×n柔性电极阵列作为标测电极，以获取心电单极信号，经放大器将各路电极信号放大同样倍数，再利用多路同步采样及高速A/D转换方式，将电极信号转换成数字信号，然后进行分析处理，这里4≤m，n≤20，m为电极阵列行数，n为每行电极点个数。

2.根据权利要求1所述的动态心电标测方法，其特征在于对电极阵列中相邻两电极点形成双极导联，计算相邻两单电极的差分电信号，获得双极信号。

3.根据权利要求2所述的动态心电标测方法，其特征在于检测出某一时段内单极信号的所有峰点和双极信号在x方向上和y方向上的所有过零点，获得各电极点除极波到达时刻的特征点集合。

4.根据权利要求3所述的动态心电标测方法，其特征在于将特征点数据进行插值运算，以获得如在2ms，4ms，6ms，……等整数时刻对应的空间位置的值，并标记在m×n电极列阵的空间分布图中，再将代表相同时刻的空间点依次进行连线，获得等时标测图，将特征点数据按时间次序依次输入，获得动态等时标测图。

5.根据权利要求2所述的动态心电标测方法，其特征在于在某一采样时间段内，将某一时刻采样获得的单极和双极信号数据分别以辉度或伪彩色调制方式对各对应电极点进行调辉或彩色编码调制，再对电极点之间的区域进行函数插值，获得代表该时刻除极波前幅度和空间分布的图象，连续送入上述数据，获得反映心电电位激动分布和传播路径的波动图。

6.根据权利要求2所述的动态心电标测方法，其特征在于利用双极信号在x方向和y方向上的数据，求得除极波进入该位置的角度和幅值大小，在电极阵列图上标出该时刻的矢场分布图；对一个时间段，逐次将各位点的矢量端以散点方式表示出来，形成矢场散点图。

7.一种动态心电标测装置，其特征在于它由m×n柔性阵列标测电极模片(4≤m，n≤20)、多路放大器、A/D转换卡、主计算机、大屏幕显示器、高速打印机经电路连接组成，电极片通过接插件与放大器连接，电极上探测到的心电信号经放大器放大，经A/D转换卡转换成数字信号，由总线馈送给主计算机，主计算机实施双极信号的计算、特征点的检测、动态等时图的生成、波动图的生成、矢场分布图的生成等，并与大屏幕显示器连接。