一种基于电流密度变化评估心肌损伤的方法和设备

摘要

本发明涉及心脏病学和用于诊断缺血性心肌损伤的方法。进行心磁图检查，在ST-T间期和QRS波群的4个子间期中重建电流密度矢量映射，计算定量诊断指标。特征在于，对于所述时间间期，得到了所有矢量的总长度(总电流)，瞬时映射的自相关系数以及其与在T波峰值上的映射的相关性，计算出了这些曲线的多个定量指标(曲线下的面积，时间间期，它们的比值等)，并将它们的值的范围划分到3个时间间隔。结果是，根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果某个定量指标在所述3个时间间期中的一个的范围内或如果各定量指标的分值小于或等于7(8-16,17和更大)，诊断为损伤不存在(轻微存在，明显存在)。

说明书

技术领域

本发明涉及医学，即心脏病学领域，并能用于电生理学损伤和其他心肌 损伤的诊断。当前，大多数心脏疾病的可靠诊断仍然是当前存在的临床问题。

背景技术

例如，对于通过广泛使用的心脏电活动的分析-ECG方法进行的心肌缺 血的诊断，存在几个已知的诊断标准可以使用，特征为在心动周期的不同 时刻心脏EMF矢量的大小和方向。例如，在矢量-ECG方法[Non-invasive  diagnosis of coronary artery disease using cardiogoniometry performed at rest, W.Schupbach,B.Emese,P.Loretan et al,Swiss Medical Weekly,2008； 138(15-16):230-238,www.smw.ch]中，使用了表征重新极化和去极化过程 的13个大小和角度指标来进行缺血性心脏疾病(IHD)的诊断。

但是该方法具有以下几个明显的局限：

1)只分析了仅反映心肌整体情况的矢量和；结果很多局部的电过程损 害没有检测到。

2)使用的信息仅仅是关于身体表面点之间电势的差异，而没有心肌 内部电流密度分布(CDD)的信息，因此该信息由于心脏周围身体组织的电 性能的不均一性和各向异性而被曲解。

因此，ECG方法的诊断准确性不足以用于IHD的临床诊断。因此， 需要进一步开发无创的，完全安全的方法，该方法对病人无干扰，没有禁 忌，并因此能在不同的临床状况下重复多次。即心磁图(MCG)是一种完全 无创的并且安全的，能提供额外信息的方法。

用于心脏病理学诊断的MCG方法的应用前景是基于任何其他方法不 能确定心肌中局部电流的方向和大小。只有MCG，能检测心脏电流产生 的磁场，允许心脏中心脏电流密度分布的直接重建。

但是对于CDD重建，需要解决，存在于通过测得的磁场分布来计算 磁场源(电流)中存在的所谓的反演静磁场问题(IMP)。

MCG提供能作为心脏中异常电生理过程标志的新的有用信息的能力 特别涵盖在以下文献中：

1.WO 0217769,Ischemia identification,quantification and partial  localization in MCG,A.Bakharev,Cardiomag Imaging Inc,USA,2002.

2.WO 002313,Machine learning for classification of magnetocardiograms, Sternickel K.B,Cardiomag Imaging Inc,USA,2005.3.Chaikovsky I. Magnetocardiography in unshielded location in coronary artery disease detection  using computerized classification of current density vectors maps,Dr.Med. dissertation,University Duisburg-Essen,Germany,2006.

4.UA 90701.Method for estimation of the abnormality rate of electrical  processes in heart's ventricles,IC NASU,MSEC ITiC,Chaikovsky I.,Budnyk M., Bull.No.10,2010.

5.UA a 2011 07571,Method and device for estimation of the myocardial  ischemia degree on the base of the current density distribution maps analysis,I. Chaikovsky,M.Budnyk,16.06.2011.

6.PCT/UA2011/000121,Method and device for evaluation of myocardial  ischemia based on current density maps,I.Chaykovskyy,M.Budnyk, 02.12.2011.

专利WO 0023 13考虑了使用神经网络的基于自动图像识别技术之一 (直接基于内核的自组织映射)的诊断方法。就该识别而言，磁性映射对正 常的或病理的都能适用。

该方法的局限在于，其不能使用静磁学反演问题(IPM)的方案，并且 其只能适用于两类映射(正常的和病理的)而不能进一步细化。

在I.Chaikovsky的博士论文“Magnetocardiography in unshielded  location in coronary artery disease detection using computerized classification  of current density vectors maps”中，分析了诊断方法，重建了从J点(QRS 波群终点)到T波终点的CDD映射，基于最大电流密度矢量的方向评估， 将CDD映射分成5个级别——从正常级别到最高病理级别。该方法的局 限在于其仅分析了心室再极化并且该映射仅分了少量的几个级别。

在原型方法UA 90701技术中考虑了通过以下手段对心脏心室电过程 的异常率进行评估：MCG-映射，从QRS波群起始点到T波终点分析CDD 映射，测定局部解剖学参数映射上的高电流密度区域和电流漩涡，计算它 们相对于正常的准偶极子映射(quasi-dipole map)的差异等级以及其在设 置中的平均值。

方法的特点在于其考虑了具有低电流密度的区域，并基于此通过三进 制标度——低、中、高来确定区域不均匀性(regional non-homogeneity  degree，RNH)的程度。然后计算大小比(magnitude ratio)，即在R和T 波的波峰上的最大电流密度矢量的R/T，并基于此通过三进制标度确定整 体不均匀性(GNH)的程度：低——4<R/T<6,中——6<R/T<8,高—— R/T>8。

结果，通过5个水平的标度对异常等级给出结论——低RNH等级和 GNH时为“正常”，低RNH等级和中GNH等级以及中RNH等级和低 GNH等级时为“低异常水平”，低RNH等级和高GNH等级以及高RNH 等级和低GNH等级，或中RNH等级和中GNH等级时为“中异常水平”， 中RNH等级或高GNH等级以及高RNH等级或中GNH等级时为“高异 常水平”，高RNH等级和高GNH等级时为“极高异常水平”。

因此，原型使得确定由于心脏心室的电过程损伤引起的心肌CDD偏 差相对于正常状态下的异常等级成为可能。然而，其也具有缺陷，因为指 标是基于某一时刻——在R波和T波的波峰上——的电流矢量，而在不是 基于心动周期的平均电流矢量计算的。平均指数对于生理学参数的短期干 扰和人际分布是不敏感的。

专利WO 0217769考虑了IHD诊断的相关方法，其中根据在ST-段过 程中在有效偶极子的垂直坐标(深度)存在变化的情况下，将IHD分为4个 严重等级。据此，如果偶极子深度的变化仅发生在1/4的ST-段上(2/4,3/4 或整个ST-段上)，出现第1(第2,第3或第4)IHD等级。在没有IHD的 健康人中，偶极子的深度几乎是恒定值。

原型的优势在于：

1)定量参数是基于反演问题的方案，而不是基于磁场映射(MFM)分 析的；

2)考虑了这些参数在某些心动周期的间期(cardiocycle interval)中的变 化。

该模拟方法的局限在于在偶极近似和磁近似中解决了所述反演问题 (IP)，但没有在电流偶极子中解决所述反演问题，这不符合心脏的真实电 生理过程。简化了基于偶极子模型的分析，这就是在额状面中使用CDD 映射形式的更复杂的模型表示(representations)的原因。CDD映射是一 个矢量场，其中每个矢量代表给定的点处的电流密度，具有被较低幅值矢 量环绕的局部极大值的映射的区域代表心肌的独立的电活性区。也没有分 析去极化过程。

原型方法PCT/UA2011/000121(UA a 2011 07571)涵盖了基于电流密度 CDD映射评估心肌缺血等级的方法，并用于电生理学紊乱和其他心肌损 伤的诊断。根据该方法，进行MCG检查；重建额状面的CDD映射，并计 算在ST-T间期的和QRS波群的每个映射的电流密度矢量长度。该方法的 特征在于，对于ST-T和QRS的4个子区间，分配三个角度矢量方向分 区——正常，中间和异常，4个子区间代表，室间隔1,左心室的前壁和心 尖部2,左心室侧壁3,基底心肌区域4的去极化。计算定向在正常 (LNORM),异常(LPATH)和中间(LI)分区的矢量的每个映射的总长度，瞬 时异常指数Al＝100×LNORM/(LNORM+LPATH+1/2×LI)以及它们对于每 个Alave间期的平均值。结果是，如果Alave落入间期70<Alave<100 或40≤Alave<70(0≤Alave<40)，诊断1-4区不存在缺血或存在缺血(轻 微，明显)。设备包括至少一个电子模块，进行至少一个计算阶段并能包括 嵌入式微控制器，或进行至少一个使用电脑软件的阶段。

原型方法的优点是使用CDD映射而不是MFM，使用平均相对异常指 数Alave代替瞬时指数，并将表征去极化过程的QRS波群分配到4个子间 期。所有的这些使得能分析心室激发的每个阶段，并因此鉴定四个心肌区 域中的一个缺血的等级(ischemization degree)。

原型方法的缺陷在于只考虑电流密度矢量的大小和方向，而没有考虑 映射的其他定量参数。另一个缺陷是，应用的是平均指数，这不能考虑其 随时间的变化。

因此，提出的用于诊断缺血性心肌损伤的方法相比于所述原型的优势 在于：

1)不使用电流密度矢量的大小-角度参数，而是使用CDD映射的其 他整体定量指标(总电流,相关性,自相关性)，它们大体上概括了CDD 映射的总体变化。

2)另外使用概括的评分指数，该指数为不同等级(轻微，明显)心室损 伤不存在或存在时的分数的总和。

3)记述基于CDD映射计算的定量指数随时间的变化。

发明内容

本发明的主要任务是，通过引入新的额外指标，使用这些参数的根据经 验限定的范围，引入额外的操作来计算这些参数的数值，以及用于确定心肌 损伤是否存在以及存在时的严重等级(轻微或明显)的诊断规则，来改进诊断方 法。

为了使用提出的方法解决上述任务，记录磁场映射，重建CDD映射，以 电流矢量的长度之和计算总电流映射，确定电流映射与T波顶部映射之间的 相关系数和自相关系数，对于心室去极化和再极化的每个阶段建立这些参数 的变化曲线，分别计算这些阶段的每个阶段中的描述这些曲线的某些间期的 形状和持续时间的数值，基于这些数值得出结论，使用具有电子模块的设备， 包括使用微处理器或电脑程序。

在基于电流密度分布(CDD)映射指数中的电流密度变化来评估心肌损伤 的方法中给定的任务是通过以下步骤解决的：

1)进行心磁图检查；

2)在额状面重建电流密度分布映射，并计算整个心动周期中每个映射的 电流密度矢量大小；

3)计算整个心动周期中每个映射的总电流；

4)绘制ST-T间期中的总电流时间变化曲线；

5)基于第4)项的总电流变化曲线，计算ST段持续时间(J点到T波起 始点)；

6)计算第5)项的ST-段持续时间与整个ST-T间期持续时间的比值；

7)根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果第6)项所述间期的比 值小于25％(25-35％，大于35％)，诊断为损伤不存在(轻微，明显)；

8)计算在代表整个心室的去极化的QRS波群(Q点到J点)中的总电流 曲线；

9)根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果第8)项所述QRS波群 的持续时间小于0.11s(0.11-0.14s,大于0.14s)，诊断为损伤不存在(轻微，明 显)；

10)计算QRS波群的4个时间子间期的总电流曲线,所述4个时间子间 期代表，室间隔(1),左心室LV的前壁和心尖部(2),左心室侧壁(3),基底心肌 区域(4)的去极化；

11)计算第10项的4个子间期与电生理学已知的“适当”持续时间值的比 值；

12)如果4个子间期中的一个的比值范围在0.8到1.2(0.7-0.8和1.2-1.5, 低于0.7且高于15)，则诊断第10项中所述的心肌区域(1)-(4)是否存在(轻微， 明显)损伤；

13)计算第11)项中计算得到的4个子间期比值的算术平均值；

14)根据以下规则诊断是否存在心室损伤——如果第13)项所述的算术 平均值范围在0.8到1.2(0.7-0.8和1.2-1.5,低于0.7且高于15)，诊断为损伤 不存在(轻微，明显)；

15)如果QRS波群中存在负波，计数它们的数量；

16)根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果QRS波群中负波的数 值小于1(2-3,大于3)，诊断为损伤不存在(轻微，明显)；

17)计算在ST-T间期中瞬时映射与T波峰值上获得的映射的相关系数 的相关性；

18)基于第17)项的相关曲线，计算ST段持续时间(J点到T波起始点)；

19)计算第18)项的ST段持续时间与整个ST-T间期持续时间的比值；

20)根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果第19)项的间期比值 小于25％(25-35％,大于35％)，诊断为损伤不存在(轻微，明显)；

21)计算T波峰值的最大相关系数(定义其等于1)与其在ST-T间期第4 个点处(J点之后40ms)的相关系数值之间的差值；

22)根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果第21)项所述的差值 小于30％(30-50％，大于50％)，诊断为损伤不存在(轻微，明显)；

23)计算ST-T间期的平均相关系数；

24)根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果第23)项所述平均相关 系数高于75％,(60-75％,低于60％)，诊断为损伤不存在(轻微，明显)；

25)计算在QRS波群中瞬时映射与R波峰值上的映射的相关系数的时间 相关性；

26)根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果第25)项所述的相关 曲线，在曲线迅速上升/下降时刻，含有2个(1个,0个)特征拐点，诊断为 损伤不存在(轻微，明显)；

27)计算在QRS波群中瞬时映射的自相关系数的时间相关性；

28)根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果第27)项所述的自相 关曲线含有2个(1个,0个)明显的局部最小值，诊断为损伤不存在(轻微，明 显)；

29)对诊断“损伤不存在”给0分；“损伤轻微存在(明显存在)”给1(2) 分；

30)根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果第7,9,12,14,16,18, 20,22,24,26,28项所述的各个指标根据第29项计算的分数之和小于或等于 7(8-16,17或更大)，诊断为损伤不存在(轻微，明显)；

31)使用设备对第3-30项中至少一项进行计算，所述设备包括至少一个 通过嵌入式微处理器控制的电子单元；

32)第31)项所述设备的使用方式为通过外部计算机对其进行控制。

提出的方法相比于现有技术的新颖性在于：

1)使用基于IPM的新的定量CDD指标(总电流,相关性，自相关性)，以 获得更可靠的对心肌损伤的存在和严重等级的评估；

2)使用不同类型的定量指标，如时间，电流，相关系数；

3)组合不同种类的指标用于基于广义的评分标准形成诊断结论；

4)计述了基于CDD映射计算的定量指数随时间的变化。

技术效果在于：

1)提高了损伤检测的可靠性；

2)能为心肌损伤的存在和严重等级提供更准确的评估；

3)能确定损伤的位置。

附图说明

图1为方法和设备的示意图。

图2为ST段(J点到T波起始点)的总电流曲线。垂直标记指的是T 波出现的起始点:A)损伤不存在；B)损伤明显存在。

图3为在代表整个心室去极化的QRS波群(Q点到J点)中的总电流 曲线。垂直标记指的对应T波峰值的点:A)损伤不存在；B)损伤明显存在。

图4为在ST-T间期瞬时映射与T波峰值上的映射的相关系数的时间 相关曲线:A)损伤不存在；B)损伤明显存在。

图5为在QRS波群中瞬时映射与R波峰值上的映射的相关系数的时 间相关曲线:A)损伤不存在；B)损伤明显存在。

图6为在QRS波群中瞬时映射的自相关系数的时间相关曲线:A)损 伤不存在；B)损伤明显存在。

具体实施方式

在本发明方法的主要实施方式中，所述方法包含操作顺序，执行算法的 各个步骤，各个步骤在执行时使用所提出的方法。所述方法的示意图如图1 所示，其中虚线的步骤没有描述提出的方法，仅用于说明其背景。

步骤1.进行MCG检查，对磁场映射集进行初步的信号处理和计算。

提出的方法的具体实施包括，初步进行MCG检查，同时在第二标准引 线中进行ECG注册并处理接收的信号。最后一步包括多个操作：MFM映射 集的初步的处理(过滤，去除具有脉冲干扰的波群,选择相同类型的心动周期 并求平均值)与计算，以及在20×20cm的方形面积内进行CDD映射的重建。 这些操作记载在专利UA 77722,UA 77723,UA 20101,UA 21299中并且不是 本发明的主题。

步骤2.在额状面重建CDD映射，并计算整个心动周期中的电流密度矢 量大小

CDD映射是一个矢量场，其中各矢量放置在规则网格(通常方网格)上。 每个矢量反映了局部值(local values),即在给定点处的电流密度。此处使用根据 WO/2002/00108[Computer-based method for automatically processing data, especially magnetocardiographic data,of biomagnetic fields.S.Romanovich, F.Steinberg,2001]的反演问题解决方法。该方法之前在专利UA 83050,UA  83061,UA 90701和原型专利PCT/UA2011/000121(UAa201107571)中使用 过。结果是获得了在额状面的CDD映射，其中各矢量放置在具有2cm间距 的10×10的方网格上。

计算电流密度矢量的大小。在主要的实施方式中，计算映射中的100个 点的矢量的正投影。使用已知的通过矢量投影来表示该矢量长度的公式计算 该矢量的大小。以1ms的时间采样速率连续对所有CDD映射进行计算。

这些操作与UA90701以及原型PCT/UA2011/000121(UAa201107571)中 的相似但不是本发明的主题。

步骤3.分析在ST-T间期的总电流。该步骤包括执行以下操作：

3.1计算整个心动周期中每个映射的总电流；

3.2绘制所述ST-T间期的总电流时间变化曲线。在图2上(a-损伤不存在； b-损伤明显存在)示出了在所述ST-T间期(J点到T波起始点)的总电流曲线。 垂直标记表示T波的起点，其根据在电流密度迅速增加时刻的拐点来确定。

3.3基于根据第3.1项的总电流变化曲线，计算ST段持续时间(J点到T 波起始点)；

3.4计算根据第3.2项的ST-段持续时间与整个ST-T间期持续时间的比值；

3.5根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果根据第3.4项所述间期 的比值小于25％(25-35％，大于35％)，诊断为损伤不存在(轻微，明显)；

步骤4.分析QRS波群上的总电流时间特性。该步骤包括执行以下操作：

4.1.计算在代表整个心室的去极化的QRS波群(Q点到J点)中的总电流 曲线，参见图3，其中垂直标记表示对应T波峰值的点(a-损伤不存在；b-损 伤明显存在)；

4.2在所述QRS波群持续时间小于0.11s(0.11-0.14s,大于0.14s)时，诊 断心室损伤是否存在(轻微，明显)；

4.3计算QRS波群的4个时间子间期的总电流曲线,所述4个时间子间期 代表，室间隔(1),左心室LV的前壁和心尖部(2),左心室侧壁(3),基底心肌区 域(4)的去极化；

4.4计算根据第4.3项的4个子间期的持续时间与电生理学已知的“适当” 持续时间值的比值；

4.5如果4个子间期中的一个的比值范围在0.8到1.2(0.7-0.8和1.2-1.5, 低于0.7且高于15)，诊断第4.3项所述的心肌区域(1)-(4)是否存在(轻微，明 显)损伤；

步骤5.分析QRS波群上的总电流-时间特性。该步骤包括执行以下操作：

5.1.计算第4.4项中计算的4个子间期比值的算术平均值；

5.2.根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果第5.1项所述的算术平 均值范围在0.8到1.2(0.7-0.8和1.2-1.5,低于0.7且高于15)，诊断为损伤不 存在(轻微，明显)；

5.3.如果QRS波群中存在负波，计数它们的数量；

5.4.根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果QRS波群中负波的数 目小于1(2-3,大于3)，诊断为损伤不存在(轻微，明显)；

步骤6.分析在ST-T间期的相关系数。该步骤包括执行以下操作：

6.1.计算在ST-T间期中瞬时映射与T波峰值上的映射的相关系数的时间 相关性，参见图4(a-损伤不存在；b-损伤明显存在)；

6.2.基于第6.1项的相关系数曲线，计算ST段持续时间(J点到T波起始 点)；

6.3计算第6.2项的ST段持续时间与整个ST-T间期持续时间的比值；

6.4根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果根据第6.3项所述的间 期比值小于25％(25-35％,大于35％)，诊断为损伤不存在(轻微，明显)；

6.5计算T波峰值的最大相关系数(定义其等于1)与其在ST-T间期第4个 点处(J点之后40ms)的相关系数值之间的差值；

6.6根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果根据第6.5项所述的差 值小于30％(30-50％，大于50％)，诊断为损伤不存在(轻微，明显)；

6.7计算ST-T间期的平均相关系数；

6.8根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果根据第6.7项所述的平 均相关系数高于75％(60-75％,低于60％)，诊断为损伤不存在(轻微，明显)；

步骤7.分析QRS波群的相关系数和自相关系数。该步骤包括执行以下操 作：

7.1计算在QRS波群中瞬时映射与R波峰值上的映射的相关系数的时间 相关性，参见图5(a-损伤不存在；b-损伤明显存在)；

7.2根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果第7.1项的相关系数曲 线，在该曲线迅速上升或下降时刻，含有2(1,0)个特征拐点，诊断为损伤不 存在(轻微，明显)；

7.3根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果根据第7.1项所述的差 值小于41％(41-60％,大于60％)，诊断为损伤不存在(轻微，明显)；

7.4计算在QRS波群中瞬时映射的自相关系数的时间相关曲线，参见图 6(a-损伤不存在；b-损伤明显存在)；

7.5根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果根据第7.4项的自相关 系数曲线含有2(1,0)个明显的局部最小值，诊断为损伤不存在(轻微，明显)；

步骤8.基于广义的评分标准的诊断。该步骤包括执行以下操作：

8.1对诊断“损伤不存在”给0分；“损伤轻微存在(明显存在)”给1(2) 分；

8.2根据以下规则诊断心室损伤是否存在——如果根据第3.5,4.2,4.5,5.2, 5.4,6.4,6.6,6.8,7.2,7.3,7.5项所述的各个定量指标根据第8.1项计算的分数 之和小于或等于7(8-16,17和更大)，诊断为损伤不存在(轻微，明显)；

在主要实施方式中，所有所述操作和根据步骤3-8的计算使用以下设备 进行，所述设备包括至少一个通过嵌入式的微处理器控制的电子单元。在另 一个实施方式中，所述电子模块中的至少一个模块使用外部计算机控制。

对本发明方法的具体实施方式的详细描述仅用于示例说明的目的。对于 具有MCG数据分析经验且通常是心脏病学领域的人而言清楚的是，在实施 时可引入一些改变和修饰，例如，将心动周期间期分为其他数目的子间期， 使用定量指标间期的其他组合方式，通过一些参数改变对不同诊断的评分标 度，增加或减少评分等级的数目，改变数值指标的求平均值方法，或引入其 他对于心肌损伤的不存在，存在和严重等级的解释，等。但我们认为，所述 改变和修饰以及其他改变和修饰，在与提出的本发明的本质和范围没有明显 不同的情况下，都落入本申请的范围之内。