TWI446895B - 具有表面電位轉換多導程數的即時心臟血管功能評估系統及其心電訊號分析方法 - Google Patents

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Description

具有表面電位轉換多導程數的即時心臟血管功能評估系統及其 心電訊號分析方法
本發明係關於一種具有表面電位轉換多導程數的即時心臟血管功能評估系統及其方法，尤指利用重建演算法重建心電訊號，及計算評估參數演算法計算心電訊號的離散程度者。
在心血管疾病中，冠狀動脈疾病(Coronary Artery Disease,CAD)是造成猝死的主要殺手，其病變為提供心臟氧氣及養份的冠狀動脈發生狹小及阻塞現象，進而造成心肌組織產生損傷現象。冠狀動脈疾病依其嚴重程度，有心絞痛、心肌梗塞及心因性猝死等不同的表現，心絞痛指的是因為心肌暫時缺氧所造成的心臟疼痛，典型的表現就是在寒冷的天氣、情緒緊張時、運動或吃大餐後，感到前胸有悶痛或壓迫感，心肌梗塞比心絞痛更嚴重，因為它表示心肌壞死已無法復生，嚴重者會導致心臟衰竭，較為嚴重的是心因性猝死，它多是因為突發性的心室性心律不整使心臟停擺，無法打出有效的血液輸出量，導致休克致死。故冠狀動脈疾病有隱形殺手之稱，平常並沒有特殊症狀，透過靜止狀態心電圖也不易觀察到特殊異常，只有在心肌缺氧時，才會出現異常。
臨床上目前針對冠狀動脈疾病常用的診斷工具，有運動心電圖(Treadmill ECG)、鉈心肌顯像掃描(Thallium scan)及電腦斷層血管攝影(CT-angio)等，然而，相關的檢測方式由於設備體積、成本及量測方式等因素，於臨床即時診斷與居家健康管理的應用上會產生相當程度使用的限制。傳統的心電圖(Electrocardiogram,ECG)訊號也常用來作為評估冠狀動脈疾病的主要工具，然而其僅能提供十二導程訊號，分別提供心臟的縱切面與橫切面的心臟心電訊號，雖其裝置簡單且操作便利，然其在空間解析度的不足，及於相關病徵的研判分析上僅能提供有限的資訊，將侷限其應用與分析。又，高解析度的心磁圖(Magnetocardiography,MCG)雖能提供足夠的空間訊息，但因為高單價及體積龐大而難以普及化。
本發明的主要目的係利用心磁圖(Magnetocardiography,MCG)應用於冠狀動脈疾病(Coronary Artery Disease,CAD)相關研究分析的成果為基礎，致力於透過多導程心電圖(Electrocardiogram,ECG)訊號的量測及多維映射圖重建，有效提升心電圖訊號的空間解析度、降低裝置成本與縮小體積，再透過結合已於心磁圖上驗證的演算法，開發應用於冠狀動脈疾病之便於攜帶、無輻射性、即時分析及早期預測的具表面電位轉換多導程數的即時心臟血管功能評估系統。
為達上述目的，本發明的第一態樣係提供一種具有表面電位轉換多導程數的即時心臟血管功能評估系統，其包含：一心電訊號量測單元，其具有至少一導程，該些導程位於不同空間位置，該心電訊號量測單元紀錄該些導程所量測的心電訊號，該心電訊號具有P波、Q波、R波、S波及T波；一重建單元，其電連接該心電訊號量測單元，該重建單元具有重建演算法以計算該心電訊號的特徵向量，並以該特徵向量為基底計算特徵值矩陣，該重建單元利用該些導程的心電訊號及特徵值矩陣計算另外不同空間位置的至少一重建心電訊號，該重建心電訊號具有重建P波、重建Q波、重建R波、重建S波及重建T波；以及一計算評估參數單元，其電連接該重建單元，該計算評估參數單元具有計算評估參數演算法；其中該計算評估參數單元接收該些心電訊號及該些重建心電訊號，並計算該些心電訊號的Q波起始點到T波結束點間的時間差，與計算該些重建心電訊號的重建Q波起始點到重建T波結束點間的重建時間差隨時間的不同在空間位置上的變異性，並利用該計算評估參數演算法評估該些心電訊號及該些重建心電訊號的離散程度。
本發明的第二態樣係提供一種具有表面電位轉換多導程數的即時心臟血管功能評估方法，其包含下列步驟：使心電訊號量測單元利用至少一導程量測設置於不同空間位置的心電訊號，該心電訊號具有P波、Q波、R波、S波及T波；使重建單元利用重建演算法計算該心電訊號的特徵向量，並以該特徵向量為基底計算特徵值矩陣，該重建單元係利用該些導程的心電訊號與特徵值矩陣計算另外不同空間位置的至少一重建心電訊號，該重建心電訊號具有重建P波、重建Q波、重建R波、重建S波及重建T波；以及使計算評估參數單元接收該些心電訊號及該些重建心電訊號，並計算該些心電訊號的Q波起始點到T波結束點間的時間差，與計算該些重建心電訊號的重建Q波起始點到重建T波結束點間的重建時間差隨時間的不同在空間位置上的變異性，並利用該計算評估參數演算法評估該些心電訊號及該些重建心電訊號的離散程度。
請參閱第1圖，其係為本發明具體實施例系統的方塊圖，如圖所示，本發明第一態樣的即時心臟血管功能評估系統100包含心電訊號量測單元110、重建單元120及計算評估參數單元130，第1圖中，心電訊號量測單元110具有三個導程1182、1184、1186，需說明的是，第1圖係舉例心電訊號量測單元110具有三個導程，然其導程數目並不以此為限，其可為任意數目的導程組合，例如十二導程。
請參閱第2圖，其係為本發明具體實施例多導程電極放置位置的示意圖，如圖所示，電極VR、VL及VF係用以量測人體200體表多個空間位置的心電訊號，電極VR、VL及VF係位於不同的空間位置，導程1182、1184、1186係透過電極VR、VL及VF以分別擷取貼於人體200體表不同空間位置的心電訊號S1 、S2 及S3 。
請參閱第1圖、第2圖、第3A圖及第3B圖，其中第3A圖為本發明具體實施例一個空間位置完整週期的心電訊號圖，第3B圖為本發明具體實施例多個空間位置完整週期的心電訊號圖，如圖所示，心電訊號量測單元110擷取及紀錄導程1182、1184、1186所量測的心電訊號S1 、S2 及S3 ，由圖可觀察到完整的心電訊號中係具有P波、Q波、R波、S波及T波，重建單元120電連接於心電訊號量測單元110及計算評估參數單元130之間，心電訊號量測單元110具有訊號緩衝器112、放大器113及濾波器114，放大器113電連接於訊號緩衝器112與濾波器114之間，訊號緩衝器112電連接該些導程1182、1184、1186且接收不同空間位置的電極VR、VL及VF(如第2圖所示)所擷取的心電訊號S1 、S2 及S3。
訊號緩衝器112用以避免心電訊號量測單元110受到強大電流的破壞，其中訊號緩衝器112提供一足夠大的輸入阻抗以耦合體表量測到的微弱心電訊號至放大器113，放大器113接收並提供足夠大的心電訊號，濾波器114主要的功能係去除心電訊號的基線漂移、高頻雜訊及電源訊號的干擾，濾波頻帶範圍為0.5Hz~150Hz的帶通及配合60Hz的帶阻，需說明的是，心電訊號量測單元110更可具有數位/類比訊號轉換器115(Analog/Digital Converter)，數位/類比訊號轉換器115電連接於濾波器114，心電訊號經濾波器114濾波後傳送至數位/類比訊號轉換器115轉換為數位訊號，以提供後續重建單元120分析演算使用。
請參閱第1圖及第4圖，其中第4圖為本發明具體實施例重建演算法流程的示意圖，如圖所示，重建單元120係具有重建演算法，其係利用主成份分析(Principal Component Analysis,PCA)計算所量測的多導程心電訊號的正交的特徵向量(Eigen Vector)φ ，如第4圖(a)所示。PCA轉換可以將量測到的心電訊號改以互相獨立的變數表示，並以線性方式組合而成，
X =k 1 φ 1 +k 2 φ 2 +k 3 φ 3 +…+k n φ n
其中X 為原始訊號，其經過轉換後將以等號右邊的形式表示，φ 為互相獨立的變數，而k 為該變數的權重係數，將兩者以線性的方式組合，用來表示原始的訊號。
將相關矩陣中所有的特徵向量當成基底時可以形成矩陣Φ ，其中的行向量φ t 稱為特徵向量。
接著，並以特徵向量φ i 為基底計算出另外不同空間位置的導程相對應的特徵值(Eigen Value)矩陣k ，如第4圖(b)所示。k 就是由相關係數集合而成的矩陣，將多導程的心電圖訊號作為輸入訊號，以PCA轉換將訊號分解成一多項式，其中每一項係由PCA轉換而來的基底和其相關係數相乘而成，再利用PCA轉換的特性，由特徵值決定特徵向量重要性的性質，來選擇最重要的特徵向量來做為重建基底，用以重建出多導程的心電圖訊號。
S R =S T *k,
最後，重建單元120係利用導程1182、1184、1186的該些心電訊號S1 、S2 及S3 與特徵值矩陣k ，以分別計算出另外不同空間位置所對應的重建心電訊號SR ，如第4圖(c)所示，其中，重建心電訊號SR 具有重建P波、重建Q波、重建R波、重建S波及重建T波，計算評估參數單元130係具有計算評估參數演算法，心電訊號於量測時，由於傳遞方向性及身體組織所產生的內阻的差異，所以在不同電極所黏貼的空間位置將產生不同的向量投影，以致量測到不同波形的週期性訊號，例如傳統十二導程心電圖分為六導程的肢導與六導程的胸導以分別提供心臟縱切面及橫切面的訊號。
重建單元120中的重建演算法係利用實際貼有電極VR、VL及VF所量測紀錄的心電訊號，藉由重建演算法計算出特徵值矩陣及特徵值，只要將各導程的心電訊號值乘以特徵值矩陣，即藉由重建單元120的重建演算法可間接計算出另外不同空間位置相對應的重建心電訊號，以解決空間上解析度不足，及於病徵的研判分析上所能提供資訊有限的問題。
計算評估參數單元130具有計算評估參數演算法，本評估參數為SIQTc ，其計算評估參數演算法為：，其中SIQTc 為心電訊號S1 、S2 及S3 及重建心電訊號SR 的離散程度，S為該心電訊號與該重建心電訊號的總測量點數目，k為固定空間位置，n為最接近該固定空間位置的測量點數目，QTc為該不同空間位置的心電訊號的時間差與該重建心電訊號的重建時間差所構成的多維空間。該心電訊號的Q波至T波時間差QT與重建心電訊號的重建Q波至T波時間差QT所構成的多維空間QTc，可以下列公式求得：，其中QT為心電訊號Q波至T波的時間差或重建心電訊號Q波至T波的時間差，RR為相鄰兩個R波的R波時間差或相鄰兩個重建R波間的重建R波時間差。
請參閱第5A圖及第5B圖，第5A圖為本發明具體實施例正常條件下的空間位置中QTc的分布狀態圖，第5B圖為本發明具體實施例異常條件下的空間位置中QTc的分布狀態圖，如圖所示，計算評估參數單元130係分別接收心電訊號量測單元110的該些導程1182、1184、1186所量測的心電訊號S1 、S2 及S3 ，及重建單元120計算所得的該些重建心電訊號SR ，並計算該些心電訊號的Q波起始點到T波結束點間的時間差，與計算該些重建心電訊號的重建Q波起始點到重建T波結束點間的重建時間差隨時間的不同在空間位置上的變異性，並利用計算評估參數演算法評估該些心電訊號S1 、S2 及S3 及該些重建心電訊號SR 的離散程度(即SIQTc 值)。計算評估參數單元130係根據SIQTc 值判斷較正常值大的特徵，即根據其離散程度，以判斷該心電訊號的患者是否患有心臟血管疾病。接下來，計算評估參數單元130係利用T波傳播(T-Wave Propagation)演算法以計算不同空間位置的T波變異情況，以作為心臟血管疾病的病灶定位之用。
於另一實施例，心電訊號量測單元110更包含一通訊單元140，係電連接心電訊號量測單元110、重建單元120及計算評估參數單元130，通訊單元140以無線或有線通訊方式透過網路170以與遠端的服務平台180連接，同步傳輸心電訊號、重建心電訊號及離散程度(即SIQTc 值)等資訊，使服務平台180同步獲得資訊，提供醫療單位共用，作為遠端診斷時的參閱依據。
需說明的是，本發明中的重建演算法及計算評估參數演算法係可以硬體電路方式或軟體方式實現。
本發明的第二態樣係提供一種具有表面電位轉換多導程數的即時心臟血管功能評估方法，請參閱第1圖至第6圖，其中第6圖為本發明具體實施例方法的流程圖，該方法係適用上述實施例的即時心臟血管功能評估系統100，故關於該即時心臟血管功能評估系統100的元件結構、電路連接等不再贅述，該即時心臟血管功能評估方法包含下列步驟：步驟S602：使心電訊號量測單元110利用導程1182、1184及1186量測設置於不同空間位置的心電訊號S1 、S2 及S3 ，該心電訊號具有P波、Q波、R波、S波及T波；步驟S604：使重建單元120利用重建演算法以主成份分析(Principal Component Analysis,PCA)計算所量測的多導程心電訊號的正交的特徵向量(Eigen Vector)，並以該特徵向量為基底計算出特徵值矩陣。重建單元120係利用該些導程1182、1184及1186的心電訊號S1 、S2 及S3 與該特徵值矩陣，以計算重建出另外不同空間位置所對應的至少一重建心電訊號SR ，重建心電訊號SR 具有重建P波、重建Q波、重建R波、重建S波及重建T波；步驟S606：使計算評估參數單元130接收心電訊號量測單元110量測的心電訊號S1 、S2 及S3 及重建單元120計算所得的重建心電訊號SR ，並計算心電訊號S1 、S2 及S3 的Q波起始點到T波結束點間的時間差，與計算重建心電訊號SR 的重建Q波起始點到重建T波結束點間的重建時間差隨時間的不同在空間位置上的變異性，並利用計算評估參數演算法評估該些心電訊號S1 、S2 及S3 及該些重建心電訊號SR 的離散程度，以判斷該患者是否患有心臟血管疾病。
本發明透過重建演算法所得到不同空間位置的多導程心電訊號，以增加心電訊號的空間解析度，配合計算評估參數演算法作為心臟血管功能的評估，藉以定位心臟血管疾病的位置，即時對心臟血管作功能評估。
惟以上所述者，僅為本發明的較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
100．．．心臟血管功能評估系統
110．．．心電訊號量測單元
112．．．訊號緩衝器
113‧‧‧放大器
114‧‧‧濾波器
115‧‧‧數位/類比訊號轉換器
1182‧‧‧導程
1184‧‧‧導程
1186‧‧‧導程
120‧‧‧重建單元
130‧‧‧計算評估參數單元
140‧‧‧通訊單元
170‧‧‧網路
180‧‧‧服務平台
200‧‧‧人體
VR‧‧‧電極
VL‧‧‧電極
VF‧‧‧電極
S1‧‧‧心電訊號
S2‧‧‧心電訊號
S3‧‧‧心電訊號
SR‧‧‧重建心電訊號
S602-S606‧‧‧步驟
第1圖為本發明具體實施例系統的方塊圖。
第2圖為本發明具體實施例多導程電極放置位置的示意圖。
第3A圖為本發明具體實施例一個空間位置完整週期的心電訊號圖。
第3B圖為本發明具體實施例多個空間位置完整週期的心電訊號圖。
第4圖為本發明具體實施例重建演算法流程的示意圖。
第5A圖為本發明具體實施例正常條件下的空間位置中QTc的分布狀態圖。
第5B圖為本發明具體實施例異常條件下的空間位置中QTc的分布狀態圖。
第6圖為本發明具體實施例方法的流程圖。
100．．．心臟血管功能評估系統
110．．．心電訊號量測單元
112．．．訊號緩衝器
113．．．放大器
114．．．濾波器
115．．．數位/類比訊號轉換器
1182．．．導程
1184．．．導程
1186．．．導程
120．．．重建單元
130．．．計算評估參數單元
140．．．通訊單元
170．．．網路
180．．．服務平台
S1 ．．．心電訊號
S2 ．．．心電訊號
S3 ．．．心電訊號
SR ．．．重建心電訊號

Claims (13)

  1. 一種具有表面電位轉換多導程數的即時心臟血管功能評估系統，其包含：一心電訊號量測單元，其具有至少一導程，該些導程位於不同空間位置，該心電訊號量測單元紀錄該些導程所量測的心電訊號，該心電訊號具有P波、Q波、R波、S波及T波；一重建單元，其電連接該心電訊號量測單元，該重建單元具有重建演算法以計算該心電訊號的特徵向量，並以該特徵向量為基底計算特徵值矩陣，該重建單元利用該些導程的心電訊號及特徵值矩陣計算另外不同空間位置的至少一重建心電訊號，該重建心電訊號具有重建P波、重建Q波、重建R波、重建S波及重建T波；以及一計算評估參數單元，其電連接該重建單元，該計算評估參數單元具有計算評估參數演算法，且該計算評估參數演算法為：，其中SIQTc 為該些心電訊號及該些重建心電訊號的離散程度，S為該心電訊號與該重建心電訊號的總測量點數目，k為固定空間位置，n為最接近該固定空間位置的測量點數目，QTc 為該心電訊號的時間差與該重建心電訊號的重建時間差所構成的多維空間；其中該計算評估參數單元接收該些心電訊號及該些重建心電訊號，並計算該些心電訊號的Q波起始點到T波結束點間的時間差，與計算該些重建心電訊號的重建Q 波起始點到重建T波結束點間的重建時間差隨時間的不同在空間位置上的變異性，並利用該計算評估參數演算法評估該些心電訊號及該些重建心電訊號的離散程度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之即時心臟血管功能評估系統，其中該心電訊號的時間差與該重建心電訊號的重建時間差所構成的多維空間係以下列公式求得：，其中QT為該時間差或該重建時間差，RR為相鄰兩個R波的R波時間差或相鄰兩個重建R波的重建R波時間差。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之即時心臟血管功能評估系統，其中該心電訊號量測單元更具有一訊號緩衝器、一放大器及一濾波器，該訊號緩衝器電連接該些導程，該放大器電連接於該訊號緩衝器與該濾波器之間，該訊號緩衝器接收該些導程所量測的心電訊號，並用以保護該心電訊號量測單元，該放大器接收並用以放大該心電訊號，該濾波器濾除該心電訊號的干擾雜訊。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之即時心臟血管功能評估系統，更包含一通訊單元，係電連接該心電訊號量測單元、該重建單元及該計算評估參數單元，該通訊單元係藉由無線或有線通訊方式與遠端的服務平台連接，以同步傳輸該些心電訊號、該些重建心電訊號及該離散程度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之即時心臟血管功能評估系統，其中該重建演算法係以硬體電路方式實現。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之即時心臟血管功能評估系 統，其中該計算評估參數演算法係以硬體電路方式實現。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之即時心臟血管功能評估系統，其中該計算評估參數單元係根據該離散程度以判斷該心電訊號是否為心臟血管疾病的訊號。
  8. 一種具有表面電位轉換多導程數的心電訊號分析方法，其包含下列步驟：使心電訊號量測單元利用至少一導程量測設置於不同空間位置的心電訊號，該心電訊號具有P波、Q波、R波、S波及T波；使重建單元利用重建演算法計算該心電訊號的特徵向量，並以該特徵向量為基底計算特徵值矩陣，該重建單元係利用該些導程的心電訊號與特徵值矩陣計算另外不同空間位置的至少一重建心電訊號，該重建心電訊號具有重建P波、重建Q波、重建R波、重建S波及重建T波；以及使計算評估參數單元接收該些心電訊號及該些重建心電訊號，並透過一評估參數演算法來計算該些心電訊號的Q波起始點到T波結束點間的時間差，與計算該些重建心電訊號的重建Q波起始點到重建T波結束點間的重建時間差隨時間的不同在空間位置上的變異性，並利用該計算評估參數演算法評估該些心電訊號及該些重建心電訊號的離散程度，其中該計算評估參數演算法為：，其中SIQTc 為該些 心電訊號及該些重建心電訊號的離散程度，S為該心電訊號與該重建心電訊號的總測量點數目，k為固定空間位置，n為最接近該固定空間位置的測量點數目，QTc 為該心電訊號的時間差與該重建心電訊號的重建時間差所構成的多維空間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之心電訊號分析方法，其中該心電訊號的時間差與該重建心電訊號的重建時間差所構成的多維空間係以下列公式求得：，其中QT為該時間差或該重建時間差，RR為相鄰兩個R波的R波時間差或相鄰兩個重建R波的重建R波時間差。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之心電訊號分析方法，其中該心電訊號量測單元更包含一訊號緩衝器、一放大器及一濾波器，該訊號緩衝器電連接該些導程，該放大器電連接於該訊號緩衝器與該濾波器之間，該訊號緩衝器接收該些導程所量測的心電訊號，並用以保護該心電訊號量測單元，該放大器接收並用以放大該心電訊號，該濾波器濾除該心電訊號的干擾雜訊。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之心電訊號分析方法，更包含一通訊單元，係電連接該心電訊號量測單元、該重建單元及該計算評估參數單元，該通訊單元係藉由無線或有線通訊方式與遠端的服務平台連接，以同步傳輸該些心電訊號、該些重建心電訊號及該離散程度。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之心電訊號分析方法，其中 該重建演算法係以硬體電路方式實現。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之心電訊號分析方法，其中該計算評估參數演算法係以硬體電路方式實現。
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