CN1817300A

CN1817300A - 实时四维心电图成像方法及装置

Info

Publication number: CN1817300A
Application number: CN 200610200052
Authority: CN
Inventors: 吴立群; 张士东
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2006-08-16

Abstract

一种实时四维心电图的成像方法及装置。以位于心脏周围相互垂直的三对电极构成三维空间，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。时间代表第四维。以三对电极上记录的瞬间心电电压为基础构成三维空间心电向量的瞬间位置，将连续的瞬间心电向量位置用连线联接结，构成实时、连续、动态的，具有空间位置、方向和强度的四维心电图，并通过计算机实时动态显示。同时可以实时同步显示一维，二维心电向量的变化和表示三维心电向量瞬间空间位置，角度及其随时间变化的各种数值。

Description

实时四维心电图成像方法及装置

技术领域

本发明涉及一种四维心电图的成像方法及装置。属于医疗电子器械。

背景技术

目前已知人体心脏的电活动是建立在以下基础上的：a.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。此时细胞膜内外的电位差处于静息状态，不产生动作电位。称为复极化。b.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，除极化产生了动作电位，并引起心肌收缩。c.除极时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。d.除极后的心肌细胞内外离子随即重新恢复到静息状态，引起心肌细胞膜内外电位复极。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。e.这种除极与复极不断变化的电偶运动引起的具有方向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，它的方向和强度也不断变化。

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，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。瞬间综合心电向量具有三维空间结构，并且它的方向和强度随时间变化而变化，这是常规心电图和心电向量图的基础。

由于技术上的限制，人们只能从一维心电图(如12导心电图等)或二维心向量图(如常规心电向量图等)，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为起点到三维心电向量值为终点的显示方法，要求心电向量的起点必须是在X、Y、Z轴上均为零电位的点，因此无法做到显示起始点不为三维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)以及实时显示。

发明内容

本发明涉及新的四维空间成像方法和装置，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，还原心肌生物电活动的四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，本发明的四维心电图的显示是建立在这样的基础上：

将三对电极分别放在人体胸部的左右、上下和后前方向，并分别以左右电极对为X轴，从右向左为X轴正方向；以上下电极对为Y轴，从上向下为Y轴正方向；以前后电极对为Z轴，从后向前为Z轴正方向；并且X轴与Y轴形成额面，X轴与Z轴形成横面，Y轴与Z轴形成侧面。三对电极必须要求是相互垂直，并相交于一点，即四维空间的原点。以时间为第四维。

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。

以实时或经处理后的t_i时三对电极上记录的数据分别垂直于相应X、Y、Z轴，交于空间一点，即f_i(x_i，y_i，z_i，t_i)。

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。

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两两连接起来，形成即有空间位置又有方向和强度的心电向量三维结构。

将此心电向量三维结构，通过计算机实时动态显示，形成实时四维心电图。

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：相对三维心电向量点F_i(x_i-x_c，y_i-y_c，z_i-z_c，t_i)＝f_i(x_i，y_i，z_i，t_i)-f_c(x_c，y_c，z_c)，其中f_c(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。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，判断它们前后或相互之间的变化。

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_i(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_i(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振幅：

r＝√((xi-xc)²+(yi-yc)²+(zi-zc)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：P_i(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振幅：

R＝√((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)/R

β₁＝(x_i-x_i+1)/R

γ₁＝(y_i-y_i+1)/R

在此基础上，本发明利用计算机技术和C语言编程可以；

用不同颜色显示不同时间段的心电向量

显示心电向量和心电向量段的角度变化和角度变化率

显示心电向量和心电向量段振幅的变化和变化率

显示两个向量段夹角的变化和夹角变化率

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)

在单一四维心电图中同时显示一维、二维或三维心电向量变化。

实时动态显示心电向量三维变化(即四维心电图)。它可以以一个或几个心动周期为周期连续显示，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为周期连续显示。

可以用鼠标或键盘等任意旋转和放大及缩小三维空间结构，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。

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。

可以通过计算机网络(有线和/或无线，局域和/或广域)远程同步传输，记录和显示。

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，还原心肌生物电活动的真实面目，为心脏生物电活动的诊断提供新的工具。

附图说明

图1.表示本发明实时四维心电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的三维空间结构。

图3.表示一个心动周期的四维心电图(包括P、QRS、ST、T、TP向量)。

图4.表示几个心动周期的四维心电图。

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向量的四维心电图。

图6.表示以一个心动周期为周期，实时连续显示一维、二维、三维心电向量的四维心电图。

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、三维心电向量的四维心电图。

图8.显示异常心向量图(下壁心肌梗塞)一维、二维、三维心电向量的四维心电图。

具体实施方式

下面结合附图加以说明

图1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，形成四维心电图，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3三维心电向量31，32，33分别表示P向量段，QRS向量段和T向量段。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向量段的三维心电向量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，三维心电向量。图6中61表示一维心电向量，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)上的二维心电向量，63表示同步显示的三维心电向量。

图7表明以计算机三维显示方法，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显示异常四维心电图(下壁心肌梗塞)的一维、二维、三维心电向量图。图8中91表示一维心电向量，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)上的二维心电向量，93表示同步显示的三维心电向量。

Claims

1.一个实时四维心电图成像的装置。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(或三维空间零电位点)，左右位的一对电极为三维空间结构的X轴，以右向左为X轴的正方向：后前位的一对电极为三维空间结构的Z轴，以后向前为Z轴正方向；上下位的一对电极为三维空间结构的Y轴，以上向下为Y轴正方向。以时间为第四维。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ti时刻，三对电极上的电位差数值为依据，分别作图垂直于相应的X、Y、Z轴，并相交于一点，形成ti时刻空间心电向量的点。其表达式为fi(xi，yi，zi，ti)。在ti+1时刻，用同样方法构成ti+1时刻空间心电向量的另一点。其表达式为fi+1(xi+1，yi+1，zi+1，ti+1)。用连线将两点fi，ft+1连接，构成空间心电向量段P(fi，ft+1)，它具有三维空间的位置，方向和强度。C.将t1，t2，……，ti，ti+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、方向和强度的四维心电图，并通过计算机实时动态显示。

2.在权利要求1.基础上，可以在三维空间相对位置上实时动态显示四维心电图，其特怔为：A.选择一个三维空间相对参考点，它或是三维空间心电向量TP段上某一点(即处于静息状态下，等于或接近三维空间零电位即三维空间原点)的电位值；或是三维空间心电向量P、QRS、T、ST向量段起始点的电位值，其数值表达式为三维空间点fc(xc，yc，zc)，作为新的三维空间原点。B.以ti时刻，三对电极上电位数值，减去三维空间相对参考点的电位数值，形成ti时刻，新的相对的三维空间点。表达式为Fi(xi-xc，yi-yc，zi-zc，ti)。然后用相同方法，于t1，t2，……，ti，ti+1时刻，形成新的相对的三维空间点，并用连线将其新的相对的三维空间点，两两相连接，构成具有新的相对参考原点的四维心电图。它或是以P、QRS、T、ST向量段为周期，也可以以一个或几个心动周期为周期，通过计算机实时动态显示。C.计算具有新的相对参考原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.所述的四维心电图，其特征：包括不同的三维空间心电向量段(如P，QRS，T，ST，PR，TP段等)，或不同的心动周期等，用不同颜色显示。

4.根据权利要求1.和要求2.所述的四维心电图，其特征：包括在单一四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.所述的四维心电图，其特征：包括显示任一三维心电向量和心电向量段的角度变化和变化率、振幅变化和振幅变化率、两个三维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(其相对位置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.所述的四维心电图，其特征：包括通过计算机实时动态显示一维、二维、三维心电向量的变化。它可以以一个或几个心动周期为周期连续显示，也可以以一个或几个三维心电向量段为周期连续显示。

7.根据权利要求1.和要求2.所述的四维心电图，其特征：包括可以用鼠标或键盘等任意旋转和放大及缩小三维空间结构的显示，可以从任一角度观察三维心电向量的空间变化。

8.根据权利要求1.和要求2.所述的四维心电图，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.所述的四维心电图，其特征：包括可以同时显示十二导心电图、心向量图、高频心电图、频域心电图、Q-T离散度图、心率变异图等。

10.根据权利要求1.和要求2.所述的四维心电图，其特征：包括可以通过有线和/或无线网络与远端计算机连接并同步显示。