CN1363254A - 实时三维心电向量图成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种三维心电图的成像方法及装置。以相互垂直的三对电极为基础构成三维空间,其中三对电极的交点为三维空间的原点,三对电极分别代表三维空间的X,Y,Z轴。以三对电极上记录的心电电压为依据描绘出三维空间心电向量的瞬间位置,将连续的心电向量位置用连线联接结,构成三维心电向量图。并可以实时地同步显示一维,二维,三维心电向量的变化及表示三维心电向量空间位置和变化的各种数值。

Description

实时三维心电向量图成像方法及装置

本发明涉及一种三维心电图的成像方法及装置。众所周知人体心脏的电活动是建立在以下基础上的：1.心肌细胞内外的离子浓度差形成细胞膜内外的电位差，细胞外为正电荷，细胞内为负电荷，称为复极化。此时细胞膜内外的电位差处于静息状态，不产生动作电位。2.当细胞内外的离子浓度变化时，引起细胞膜内外电位差的变化，细胞外为负电荷，细胞内为正电荷，称为除极化，即产生了动作电位，并引起心肌收缩。3.除极化的细胞膜与邻近处于复极化的细胞膜形成一对电偶，电穴在后，电源在前，并逐步扩布至整个心脏。4.除极后的心肌细胞内外离子重新恢复到静息状态，引起心肌细胞膜内外电位差复极化。与除极相反，产生的电偶其电穴在前，电源在后，并逐步扩布至整个心肌，引起心肌舒张。5.这种电偶运动引起的具有方向性和强度的电位变化称为心电向量。当瞬间所有心肌细胞上心电向量以矢量相加的原则合成在一起时，形成瞬间综合向量。6.这种瞬间综合向量包含了心脏电活动的主要信息，具有三维空间结构，并随着时间变化，它的方向性和强度也在变化。

综上所述，我们可以得出这样的结论：心肌细胞内外离子浓度变化引起心肌细胞膜内外电位的除极和复极化，在复极和除极过程中，形成心电向量。所有心肌细胞的心电向量，组成瞬间综合心电向量。它具有三维空间结构，并且它的方向性和强度随时间而变化，是常规心电图和心向量图的基础。

由于技术上的限制，人们以往只能从一维心电图或二维心向量图，从不同角度部分地反映三维心电活动。它是片面的，非直观的。几十年来，人们一直努力寻找显示三维心电活动的方法，其中最有代表性的是美国专利-5803084。它利用计算机成像技术，描绘了单一心电向量的三维空间结构，但由于它采用的三维空间描述方法是从原点到心电向量为终点的显示方法，无法做到显示非起始点为空间零电位的各种心电向量(包括异常心电向量和大量正常心电向量)以及实时的显示。为了说明这一点，我们应先了解它的三维空间结构的基础：

1.首先它确定一个空间的原点，并由此原点延伸出X、Y、Z轴和三个面。

2.这个原点以一定的时间间隔延伸出直线与相同时刻的空间心电向量的终

点相联结并构成心电向量的空间三维结构。

因此，这个原点既是三维空间结构的原点同时又是计算心电向量角度和振幅的起点。由此引发出的一个问题是，作为心电向量的起点，必须要求是在X、Y、Z轴均为零电位的点。在实际工作中，它只能描述QRS、P、T或ST向量起点是空间零电位的特殊的心电向量，或者假定它们的起点是空间零电位。因此，如果从QRS、P、T向量的中间某一非空间零电位为起点，则无法正确地显示它的空间三维结构；因此，如果QRS、P、T中任一向量起点不是空间零电位，就无法在同一三维空间中共同显示和比较；因此，为了要求起始点为空间零电位，只能描述经数据处理后，找出QRS、P、T或ST向量，并人为规定出QRS、P、T或ST向量起点为空间零电位，才能以此为起始点显示。因此，它无法做到准确的相互比较和实时显示三维心电图。

本发明涉及新的空间三维成像方法和装置，做到实时动态显示心电向量任一时刻、任一时间段、任一形态的三维空间心电向量结构，还原心肌电活动的三维空间结构的真实原来面目，提供新的实际心电活动诊断工具。

为了达到上述目的，本发明的三维心电向量的三维显示是建立在这样的基础上：

1.将三对电极分别放在人体胸部的左右、上下和后前方向，并分别以右左

为X轴，从右向左为X轴正方向；以上下为Y轴，从上向下为Y轴正方

向；以后前为Z轴，从后向前为Z轴正方向；并以X轴与Y轴形成额

面，X轴与Z轴为横面，Y轴与Z轴为侧面。三对电极必须要求是相互

垂直，并相交于一点，即三维空间的原点。

2.同时记录心电向量在三对电极上任一时刻的电位值，并将这些电位值经

放大，隔离，滤波，A/D转换后输到计算机中，即∑f(x_i，y_i，z_i，t_i)。

3.以实时或经处理后的t_i时三对电极上记录的数据垂直于相应X、Y、Z

轴，交于空间一点。

4.将t_i时的空间点与t_i+1时的空间点用连线相联，形成空间向量段。时间间

隔越短，越接近真实的三维心脏电活动。

5.将t₁，t₂，……，t_i，t_i+1时的空间点，用上述方法以向量段的方式联结起

来，形成即有空间位置和方向性又有强度的心电向量三维结构。

以上所述是心电向量在三维空间的绝对位置，同时在此基础上还可以采用相对位置，进一步显示三维心电向量，用于比较各个心动周期或一个心动周期各向量段之间的比较，其表示方法是∑f(x_i-x_c，y_i-y_c，z_i-z_c，t_i)，其中f(x_c，y_c，z_c)为心向量变化过程中的相对参考点，它或是整个心电向量中的基点(一般是TP向量段中某一点，即复极化心电信号处于静息状态时的某一点，等于或接近于空间零电位)；或是QRS、P、T、ST向量段的起始点(等于或接近于空间零电位)。相对位置的显示方法与绝对位置的显示方法相同。这样用相对位置的显示方法可以计算或显示QRS、T、P、ST向量相对于同一个参考点的方向与强度变化。可以用于相互比较，判断它们之间前后或相互关系。

三维心电向量的空间位置和方向和强度的基本公式如下：

任一瞬间三维心电向量空间点的绝对位置：＝f(x_i，y_i，z_i，t_i)；

任一瞬间三维心电向量空间点的相对位置：＝f_r(x_i-x_c，y_i-y_c，z_i-z_c，t_i)；

任一瞬间三维心电向量空间点的相对位置强度： $r=\sqrt{{(x_i-x_c)}^2+{(y_i-y_c)}^2+{(z_i-z_c)}^2};$

任一瞬间三维心电向量空间点的相对位置角度：

  α＝(z_i-z_c)/r；

  β＝(x_i-x_c)/r；

  γ＝(y_i-y_c)/r；

任一瞬间三维心电向量段位置：＝f_l(x_i-x_i+1，y_i-y_i+1，z_i-z_i+1，t_i)

任一瞬间三维心电向量段强度： $r_1=\sqrt{{(x_i-x_{i+1})}^2+{(y_i-y_{i+1})}^2+{(z_i-z_{i+1})}^2};$

任一瞬间三维心电向量段角度：

  α₁＝(z_i-z_i+1)/r₁；

  β₁＝(x_i-x_i+1)/r₁；

  γ₁＝(y_i-y_i+1)/r₁；

在此基础上，本发明可以；

1.用不同颜色显示不同时间段的心电向量

2.显示心电向量和心电向量段的角变化和角变化率

3.显示心电向量和心电向量段强度的变化和变化率

4.显示两个向量段夹角变化和夹角变化率

5.显示ST-T向量的空间绝对位置变化和相对位置变化(参考点或是一个心

动周期中心向量的基点或ST向量段起点)

6.在单一三维空间中同时显示一维、二维或三维心电向量变化。

此外，本发明采用三维动画显示原理，实时动态显示心电向量三维变化(即四维心电向量图)。它可以以一个或几个心动周期为单位连续显示，并且每个心动周期每个波时段以不同颜色显示；也可以以一个或几个向量段连续显示。

此外，本发明可以用鼠标任意旋转和放大缩小三维空间结构，从任一角度观察三维心电向量。除了三维直角坐标系外，还可以用三维极坐标系来显示心电向量。

此外，本发明采用数据库结构，记录瞬间心电向量的数值和变化率以及病人的情况等，用图表方式进一步显示。并可以通过计算机网络同步传输，记录，显示。

由于采用上述新的三维空间显示方法，可以不受限制，实时、动态地，真实地显示任意三维心向量图的结构或经过处理后的任意三维心电向量相对的三维结构，还原心肌电活动的原来真实面目，为心电活动的诊断提供新的工具。

下面结合附图加以进一步证明：

图1.表示本发明实时三维心电向量图装置的主要结构方框。

图2.表示以互相垂直的并交于一点的三对电极为基础，构成用于显示三维心电向量图的三维空间结构。

图3.表示一个心动周期的三维心电向量图(包括P、QRS、ST、T、TP向量)。

图4.表示几个心动周期的三维心电向量图。

图5.表示以QRS向量起点，同时又以此起点为相对参考点的QRS向量的三维心电向量图。

图6.表示以一个心动周期为单位，实时连续显示的一维、二维、三维心电向量图。

图7.表示以一定时间为间隔的相邻两个心电向量段为单位，实时动态连续显示一维、二维、三维心电向量图。

图8.同步显示上述正常的十二导联心电图、心向量图和三维心电向量图及以及目前存贮在数据库中的各种数据(包括f(x_i，y_i，z_i，t_i)空间向量角和振幅变化及变化率等)。

图9.显示异常心向量图(下壁心肌梗塞)的一维、二维、三维心电向量图。

图10.同步显示异常心向量图(下壁心肌梗塞)的十二导联心电图、心向量图和三维心电向量图及以及目前存贮在数据库中的各种数据(包括f(x_i，y_i，z_i，t_i)空间向量角和振幅变化及变化率等)。

参照附图，图1中电极1表示威尔逊电极和佛兰克电极，将人体的心电信号，经电阻导联选择网络电路2和放大隔离滤波电路3以及模数转换电路4，变成数字信号，输入计算机5。用VC++语言，采用计算机窗口技术，实时数字信号处理技术，计算机三维成像技术，数据库技术，将数字化的人体心电信号，经计算机存储和处理后，形成三维心电向量图，12导心电图，高频心电图，频域心电图、Q-T离散度、心率变异等，并由显示器6显示或打印机7输出。

图2表明佛兰克电极系统的三对互相垂直的电极，如何构成三维心电向量的三维空间结构。图2a中电极11表示由右向左的一对电极，构成图2b中三维空间结构的x轴；图2a中电极12表示由上向下的一对电极，构成图2b中三维空间结构的y轴；图2a中电极13表示由后向前的一对电极，构成图2b中三维空间结构的z轴。图2a中三对电极的交点，构成图2b中三维空间结构的原点。图2a中的电极14是无关电极。

以t_i瞬间三对电极上的电压数值为依据，垂直于相应数值的x，y，z轴，形成t_i瞬间三维心电向量空间的点。以同样方法，建立t_i+1瞬间三维心电向量空间的另一点。用连线将两点联接，形成t_i-t_i+1瞬间三维心电向量段，相当于图7中三维空间向量段73。如将一个心动周期中的t₁，t₂，……，t_i，t_i+1时的空间点，用上述方法以向量段的方式联结起来，即形成图3中三维心电向量31，32，33(有空间位置和方向又有强度的心电向量三维结构)。图3中的三维心电向量31，32，33分别表示P环，QRS环和T环。图3中的34，35，36分别表示三维心电向量在x-y面(额面)，z-y面(侧面)，x-z面(横面)上的投影，即二维心向量图。

图4显示连续三个心动周期的三维心电向量41。图4中的42-a，42-b，42-c分别表示连续三个心动周期的三维心电向量41在x-y面(额面)，z-y面(侧面)，x-z面(横面)上的投影。

图5显示单一QRS环51的三维空间结构。其中蓝色和绿色分别代表QRS环的起始向量和终末向量。图5中的52-a，52-b，52-c分别表示QRS环的三维心电向量51在x-y面(额面)，z-y面(侧面)，x-z面(横面)上的投影。

图6表明同步实时连续显示，一个心动周期的一维，二维，三维心电图。图6中61表示一维心电图，62-a，62-b，62-c表示投影在x-y面(额面)，z-y面(侧面)，x-z面(横面)上的二维心电图，63表示同步显示的三维心电图。

图7表明以计算机三维动画显示方法，以瞬间三维心电向量段为单位，实时动态连续显示一维，二维，三维心电向量。图7中73表明了处于一维心电向量71进行到某一瞬间时的三维心电向量段。72-a，72-b，72-c表示同一瞬间的三维心电向量段在x-y面(额面)，z-y面(侧面)，x-z面(横面)上的投影。

图8同步显示上述正常的十二导联心电图、心向量图和三维心电向量图及以及目前存贮在数据库中的各种数据(包括f(x_i，y_i，z_i，t_i)空间向量角和振幅变化及变化率等)。图8a是十二导联心电图；图8b是心向量图中x，y，z轴上的电压变化；图8c是以表格方式显示存贮在数据库中三维心电向量的各种数据(包括f(x_i，y_i，z_i，t_i)空间向量角和振幅变化及变化率等)；图8d是以图表方式显示存贮在数据库中三维心电向量的各种数据(包括f(x_i，y_i，z_i，t_i)空间向量角和振幅变化及变化率等)。其中α，β，γ表示角度变化值，r表示振幅的变化值。

图9显示异常心向量图(下壁心肌梗塞)的一维、二维、三维心电向量图。图9中91表示一维心电图，92-a，92-b，92-c表示投影在x-y面(额面)，z-y面(侧面)，x-z面(横面)上的二维心电图，93表示同步显示的三维心电图。

图10同步显示异常心向量图(下壁心肌梗塞)的十二导联心电图、心向量图和三维心电向量图及以及目前存贮在数据库中的各种数据(包括f(x_i，y_i，z_i，t_i)空间向量角和振幅变化及变化率等)。显示方法与图8相同。

Claims (9)

1.一个动态实时显示三维心电向量的装置。它是由威尔逊电极和佛兰克电极，电阻导联选择网络电路，放大隔离滤波电路，模数转换电路，计算机，显示器和打印机等组成。其特征为：

A.位于心脏周围三对电极互相垂直相交于一点，其中相交点做为三维空间结构的原点，左右位的一对电极为三维空间结构的X轴，并以右向左作为X轴的正方向；后前位的一对电极为三维空间结构的Z轴，并以后向前为正方向；上下位的一对电极为三维空间结构的Y轴并以上向下为正方向。以X、Y轴构成额面；以Y、Z轴构成侧面；以X、Z轴构成横面。

B.以t_i时刻，三对电极上的电位差数值为依据，垂直于相应的X、Y、Z轴，并相交于一点，形成空间心电向量的点。以t_i+1时刻，用同样方法构成空间心电向量的另一点。用连线将两点连接，构成空间心电向量段，它具有三维空间的位置，方向和强度。

C.将t₁，t₂，……，t_i，t_i+1时刻的空间心电向量点用上述方法两两相连接，构成实时、连续、动态的，具有空间位置、方向和强度的三维心电向量。

2.在权利要求1.基础上，可以在三维空间相对位置上显示三维心电向量，其特怔为：

A.选择一个相对参考点，或是PT段上某一点(处于静息状态下，等于或接近三维空间零电位)；或是P、QRS、T、ST向量的起始点，其表达式为f(x_c，y_c，z_c)。

B.以t_i时刻，三对电极上电位数值，减去参考点的电位数值，形成t_i时刻，新的相对的三维空间点。表达式为f(x_i-x_c，y_i-y_c，z_i-z_c，t_i)。然后用相同方法，于t₁，t₂，……，t_i，t_i+1时刻，形成新的相对的三维空间点，并用连线将其三维空间点，两两相连接，构成相对于参考点的三维心电向量结构。它或是以P、QRS、T、ST向量段为单位，也可以一个心动周期为单位显示。

C.计算相对于参考点的心电向量和心电向量段的空间位置、角度变化和变化率、振幅变化和变化率、两心电向量段夹角变化和变化率等。

3.根据权利要求1.和要求2.所述的三维心电向量中不同时间段，用不同颜色显示。

4.根据权利要求1.和要求2.所述的三维心电向量，其特征：包括在单一三维空间中同时显示一维、二维、三维心电向量的变化。

5.根据权利要求1.和要求2.所述的三维心电向量，其特征：包括显示任一心电向量和心电向量段的角变化和角变化率、强度变化和强度变化率、两心电向量段夹角变化和变化率、S-T向量的空间绝对位置变化和相对位置变化(其参考点或是一个心动周期中某点或是ST向量段起点)。

6.根据权利要求1.和要求2.所述的三维心电向量，其特征：包括采用三维动画原理，以每秒25-50帧，实时动态显示三维心电向量的变化。它可以一个或几个心动周期为单位显示，也可以一个或几个心电向量段为单位连续显示。

7.根据权利要求1.和要求2.所述的三维心电向量，其特征：包括用鼠标任意旋转和放大缩小三维空间结构，从任一角度观察三维心电图的空间变化。

8.根据权利要求1.和要求2.所述的三维心电向量，其特征：包括采用数据库同步记录瞬间心电向量的变化数值，变化率以及记录病人情况，并以图表的方式同步显示。

9.根据权利要求1.和要求2.所述的三维心电向量，其特征：包括同时显示十二导心电图、心向量图、三维心电图、高频心电图、频域心电图、Q-T离散度、心率变异。

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