一种基于ECGI的室性早搏异常激动点定位方法

摘要

本发明公开了一种基于ECGI的室性早搏异常激动点定位方法，该方法通过建立64导联体表电位数据和计算机断层扫描成像的联合采集框架，得到个性化的心脏‑躯干模型，通过Tikhonov正则化求解心电逆问题，重建心外膜电位从而准确定位室性早搏的异常激动点，具有重要的实际应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于心脏电生理分析技术领域，具体涉及一种基于ECGI的室性早搏 异常激动点定位方法。

背景技术

心电描记法(Electrocardiography)通过在体表记录心脏搏动周期中去极化 和复极过程引起的电位变化，成为非侵入式地揭示心脏电生理活动的一项十分 重要的方法。如果将心脏看作电场源，那么在心脏到体表的空间里就分布着相 应的电场，在体表可以记录各个位置的电位。所谓心脏的电生理反演，就是通 过体表电位分布，由外到内地推断心脏内的电活动由于心肌缺血而导致的异常 情况。临床上医生通过心电图诊断心脏相关的疾病，这一过程也可以看作是心 脏的电生理反演，只不过医生凭借的是基于经验积累的定性判断，具有很强的 主观性。

随着现代科学技术发展，基于数字心脏模型和计算机仿真的电生理反演成 为可能。Rudy等人提出了心电功能成像(ECGI)的概念，并利用256个电极记 录体表电位，同时通过平扫CT获取躯干和心脏的几何结构信息，进而建立边界 元模型推导出关联体表电位和心外膜电位的转换矩阵，最后利用Tikhonov正则 化方法和广义最小残差算法对心脏表面的电位、心电图、等时线和去极化类型 等进行重建。但是ECGI目前并没有被广泛应用到临床上，这反映了ECGI本身 存在的若干缺陷，包括它要求使用多达256根电极来记录病人的体表电位，这 不仅提高了检查的成本，同时增加了操作的复杂度等。

目前临床上对室性早搏的诊断主要依据12导联心电图，然而这样的方法只 能对室性早搏进行初步诊断，不能提供诸如发生早搏的位置、早搏的提前时间 等更加详细的信息。另一方面，在室性早搏的消融手术中，外科医生还借助于 侵入式的手段直接测量心脏目标位置的电生理活动，对室性早搏的异常激动点 进行定位。然而侵入式的方法效率不高，而且具有一定风险。因此，如何从现 有的诊疗手段出发，在体外对室性早搏异常激动点进行定位，成为一个十分有 意义的研究问题。

发明内容

本发明提供了一种基于ECGI的室性早搏异常激动点定位方法，该方法通过 记录体表电位分布和计算机断层扫描成像，建立个性化的心脏-躯干模型，然后 通过电生理反演对早搏点的位置进行准确定位。

一种基于ECGI的室性早搏异常激动点定位方法，包括如下步骤：

(1)采集室性早搏病人的64导联体表电位数据以及胸腔断层扫描成像数 据；

(2)基于所述的胸腔断层扫描成像数据分别建立病人的三维躯干几何模型 和三维心脏几何模型，进而将三维躯干几何模型和三维心脏几何模型在同一坐 标空间内对齐，得到三维心脏-躯干模型；

(3)对所述的64导联体表电位数据进行预处理，并在发生室性早搏的心 动周期内标记QRS间期；

(4)根据所述的三维心脏-躯干模型通过计算心电正问题得到描述心外膜电 位与体表电位之间映射关系的变换矩阵；然后根据该变换矩阵对标记发生室性 早搏心动周期内的体表电位数据进行反演即求解心电逆问题，重建出心外膜电 位分布数据，进而根据心脏电兴奋传播时序图和心外膜电位分布数据对异常激 动点进行准确定位。

所述的步骤(1)中采集室性早搏病人的64导联体表电位数据以及胸腔断 层扫描成像数据，具体操作过程为：首先，使病人穿戴上分布有64个电极导联 的体表电位记录马甲，以采集病人的64导联体表电位数据；然后，将马甲上各 电极的导线拔去或剪断，将保留有电极的马甲继续穿戴在病人身上并使病人接 受计算机断层扫描，以获取病人的胸腔断层扫描成像数据。

所述的步骤(2)中建立三维躯干几何模型的具体实现过程为：首先，通过 成像在胸腔断层扫描图像中人工标记出各电极点的位置以获取各电极点的三维 坐标，进而对三维空间中的电极点进行Delaunay三角剖分从而获得病人的三维 躯干几何模型。

所述的步骤(2)中建立三维心脏几何模型的具体实现过程为：首先，通过 成像在胸腔断层扫描图像中截取心脏短轴方向上的若干切片：向下至少应包含 心尖位置，向上至少包含右心室流出道位置；然后，对上述心脏短轴方向上的 切片图像进行分割，分别得到心外膜、左心内膜和右心内膜的边界轮廓；最后， 将上述一系列平行的边界轮廓用三角网格连接，即得到三维心脏几何模型。

所述的步骤(2)中考虑到数字图像空间与心脏生理空间在各正交方向上的 单位差异，因此需要将三维躯干几何模型和三维心脏几何模型在同一坐标空间 内对齐，具体地根据DICOM(DigitalImagingandCommunicationsinMedicine， 医学数字成像和通信)中的关键字段信息对三维心脏几何模型的尺寸和空间位置 进行校正，将校正后的三维心脏几何模型与三维躯干几何模型融合即得到三维 心脏-躯干模型。

所述的步骤(3)中对64导联体表电位数据进行预处理的具体方法为：首 先通过滤波对各通道的电位信号进行去噪处理；然后采用多项式拟合的方法对 各通道去噪处理后的电位信号进行平滑处理；最后剔除工作状态不良的电极所 对应通道的电位信号。

所述的步骤(4)中对标记发生室性早搏心动周期内的体表电位数据进行反 演，通过对以下目标函数进行优化求解以重建出心外膜电位分布数据；

其中：H为描述心外膜电位与体表电位之间映射关系的变换矩阵，为标记发 生室性早搏心动周期内的体表电位数据，心外膜电位数据，λ为正则化参数， ||||₂为二范数，L为单位矩阵、梯度算子或拉普拉斯算子。

本发明基于ECGI的室性早搏异常激动点定位方法，通过建立64导联体表 电位数据和计算机断层扫描成像的联合采集框架，得到个性化的心脏-躯干模型， 通过Tikhonov正则化求解心电逆问题，重建心外膜电位从而准确定位室性早搏 的异常激动点，具有重要的实际应用价值。

附图说明

图1为采集体表电位数据的64导联电极分布位置示意图。

图2为胸腔断层扫描影像中各电极的位置示意图。

图3为个性化的3D躯干模型示意图。

图4为分割心脏短轴图像中心外膜、左心内膜和右心内膜的边界轮廓示意 图。

图5为个性化的3D心脏表面网格模型示意图。

图6为校正后的3D心脏-躯干模型示意图。

具体实施方式

为了更为明确地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技 术方案进行详细说明。

本发明基于ECGI的室性早搏异常激动点定位方法，具体实施步骤如下：

S1.采集室性早搏病人的64导联体表电位数据和穿戴体表电位记录马甲的 胸腔计算机断层扫描成像数据。

使病人首先穿戴分布64个电极的马甲进行体表电位数据记录，64导联在体 表的分布位置如图1所示；然后病人在拔去或剪短马甲上的导线后继续穿着该 马甲接受计算机断层扫描，记录躯干和心脏的几何结构。

S2.从计算机断层扫描影像中建立个性化的3D躯干几何模型。

在胸腔断层扫描影像中64导联的电极位置明显可见，如图2所示，可以在 图像空间直接人工标记出电极点的位置；然后获得电极点的三维坐标。再对上 述空间离散点进行Delaunay三角化从而获得个性化的3D躯干模型，如图3所 示。

S3.从计算机断层扫描影像中建立个性化的3D心脏几何模型。

首先截取心脏短轴方向上的若干切片，向下至少应包含心尖位置，向上至 少包含右心室流出道位置；然后对上述心脏短轴图像进行分割，分别得到心外 膜、左心内膜和右心内膜的边界轮廓，如图4所示；再将上一步得到的一系列 平行轮廓用三角网格连接，得到心脏的三维表面网格模型，如图5所示。

S4.将躯干模型和心脏模型在同一空间对齐，得到个性化的心脏-躯干模型。

考虑到数字图像空间和心脏生理空间在各正交方向上的单位差异，因此需 要根据DICOM中的关键字段信息对3D心脏模型的尺寸和空间位置进行校正， 校正后的3D心脏-躯干模型如图6所示。

S5.对体表电位信号进行预处理，包括去噪、平滑、标记电极和周期等。

首先对体表电位信号进行去噪处理，常用的滤波器包括傅立叶快速变换、 小波变换和Butterworth滤波器等；然后对采集到的体表电位数据进行平滑处理 目的是将电信号拉回到同一条基线上。本实施方式中采用多项式拟合的方法， 多项式的阶次选择5阶或者6阶时可以获得较好的结果；最后还需要标记出工 作状态不良的电极，在后面的计算中将该电极信号排除在外，同时还需要标记 发生室性早搏心动周期的QRS间期。

S6.根据步骤S4中得到的心脏-躯干模型，建立边界元模型计算心电正问题 得到描述心外膜电位与体表电位之间映射关系的变换矩阵。

心电场可以看作是准静电场，并假设躯干模型是均匀的，因此每个时刻的 电位分布可以在均匀、无源场区域用拉普拉斯方程表示为：

${▿}^2\Phi (x,t)=0$

本实施方式中利用边界元方法求取拉普拉斯方程的数值解，基本思想是将 连续的求解域表示成一组离散的有限的元素的组合，用这样的组合去逼近求解 域。在每一个单元内可以用近似函数表示整个求解域上的未知场函数，而近似 函数一般是未知场函数在单元内插值表示。因此利用插值函数确定了组合体上 的场函数，这样就把连续无限自由度的问题转换成离散的有限自由度问题。根 据上述边界元模型，在模型内的任一点有：

其中：G是三维空间的格林函数，q是源点到场点之间的距离。

在边界上的积分方程为：

其中，c_i＝1–θ/4π，其含义为以边界点为球心，作一个半径很小的球，该球面与 边界面相交，则θ就是交界面对i所张的立体角。相应的离散形式为：

假设边界面S被分解为z₀个单元，每一个单元都有上述离散形式的积分方 程，写成合并形式的边界元方程组为：

可以通过公式消元法求得转换矩阵H，它描述了心外膜电位和体表电位之 间的映射关系。

S7.利用变换矩阵对标记的室性早搏心动周期内的体表电位信号进行反演， 重建出心外膜电位分布。

假设N个点的体表电位和M个点的心外膜电位其中满足N＞M； 它们之间的关系可以通过线性矩阵表示为：

上述公式是病态的，即转换矩阵H的最大特征值和最小特征值之比很大， 不能直接求逆，而是通过转化为求解最小二次泛函问题，本实施方式中使用 Tikhonov正则化方法求解上述单参数最小化问题即：

其中，λ为正则化参数，表征解的平滑性和保真度之间的平衡系数；而算子L取 单位矩阵I的时候，对应零阶的Tikhonov正则化；当L为梯度算子的时候，对 应一阶的Tikhonov正则化；当L为拉普拉斯算子的时候，则为二阶Tikhonov 正则化。最终求解的心外膜电位可以写成以下等价形式：

S8.重建出心外膜电位后，根据心脏电兴奋传播时序图对异常激动点(高电 位)进行准确定位。

经实验验证，计算机运行环境为：8G内存，CPU为inteli5，主频3.47GHz； 通过上述实施过程重建得到心外膜电位和异常激动点定位结果，异常激动点分 别位于右心室流出道室间隔侧和右心室流出道后间隔，该结果与Ensite3000系 统在术中通过侵入式方法测量的异常激动点位置相当吻合。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用 本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改， 并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此， 本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做 出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。