基于跳动心脏模型的心脏电功能成像方法

摘要

本发明公开了一种基于跳动心脏模型的心脏电功能成像方法。基于双心室的电力耦合心脏模型得到心脏位置位移变化；采用边界元方法分别建立跳动心脏不同时刻心外膜与体表电位之间的传递矩阵TBH；获取躯干的不同时刻体表电位分布φB，求解心外膜电位分布，实现心脏电功能成像；采用常用的Tikhonov正则化方法求解心外膜电位分布。本发明提出的基于动态心脏模型的心脏电功能成像方法，能够有效的克服静态心脏模型中所引入的几何误差，获取较精确的心外膜电位分布成像，正确的检测出心脏电活动信息，为心脏疾病的预防和治疗提供了很有意义的临床信息。

说明书

技术领域

本发明涉及心脏电功能成像方法，尤其是涉及一种基于跳动心脏模型的心脏电功能成像方法。

背景技术

心血管疾病仍然是导致心脏突然停止的主要原因，据估计在西方国家每年有250,000人因此而丧失生命。最常见的导致心脏突然停止跳动的主要原因就是心律失常，(诸如室颤，室动过速)，它使心脏的跳动失去同步性导致猝死。如果在心律失常后的几分钟内没有实施除颤或心肺复苏(Cardiopulmonaryresuscitation，CPR)，死亡将无法避免。一些患者在猝死前没有出现任何心脏疾病先兆和诊状。虽然如此，最近研究证明36％的猝死的年青运动员都患有一定的肥厚性心肌症。此外，那些患有充血性心衰疾病的人具有极高的概率死于心律失常猝死(发生概率是普通人群的6-9倍)。将近一半的慢性心衰病人由于持续性的心动过速而容易死于猝死。因此，在预防猝死的过程中，识别和定位诸如室动过速类的心律失常是至关重要的。研究开发一种无创的心脏电功能及心律失常的形态成像是非常必要的。这种心脏电功能成像能够区分出那些处于心律失常危险中的人群，做好预防准备，以防止猝死。

心律失常是导致人体死亡和病残的一个主要原因。显然，诊断和治疗处于心律失常危险中的患者是十分重要而且必要的。常规的诊断技术，诸如标准的12导联心电图(ECG)的是心脏电活动在体表低分辨率的投影，只提供心脏电活动整体的反映。同时测量体表多个位置的记录，即体表电位分布图，能够提高比心电图跟高分辨率的心电活动投影，但仍然并没有真正反映心脏源的电活动。体表电位图也没有足够的分辨率来反映心脏内局部事件的过程。如果我们能够获取心脏心外膜表面的电活动情况，那么在心律失常诊断方面将具有巨大的诊断价值。心脏电功能成像(Noninvasive Electrical Function Imaging ofthe Heart，EFIH)是一种新的成像模式，即能够无创的成像心脏表面的心电活动情况。在心脏电功能成像中，可以通过多电极背心记录体表电位图(Body Surface PotentialMaps，BSPMs)，然后使用CT图像获取几何信息，通过数学算法，能够无创的重建心外膜的电位、电描记图、等势线等。心脏电功能成像的目的是使心脏电功能成像能够提供一种形态成像类似于CT或MRI，但提供心脏的功能和影像诊断。心脏电功能成像是有希望成为检测心脏电功能异常的诊断工具，心脏电功能成像能够确定异位起搏点的位置，这在指导射频消融治疗手术中具有非常重要的意义，而且心脏电功能成像能够重建关于心肌梗塞的异常的电生理特性。心脏电功能成像方法的评价不仅限于各种心脏疾病患者，也应用于正常心脏功能评估。

在心脏电功能成像研究的文献中，心脏模型的重构都没有考虑心脏在一个心动周期内的舒张、收缩运动，忽略了心脏在运动过程中位置的变化，基本上假定处于静止状态，称之为“静态”心脏模型。在整个心动周期内，由于心脏机械形变导致心脏运动，因此心脏的几何位置发生变化，这就产生了不同的心脏-躯干模型，通过边界元方法可以得到不同的传递矩阵。当假定心脏处于静止状态，忽略心脏的几何位移引入几何误差，将导致逆问题解的性能降低。本发明提出的建立真实的、跳动的心脏模型对心脏电功能成像以获取心脏电活动信息具有非常重要的临床意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于跳动心脏模型的心脏电功能成像方法，对由体表电位推断心外膜电位的分布的求解算法进行研究，为国内外的心脏电功能成像的研究提供一种稳定、精确的求解方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案，该方法包括以下各步骤：

(1)基于双心室的电力耦合心脏模型计算跳动心脏各单元在心动周期中的形变；

(2)在心动周期内，由于心室壁的运动导致心脏形变，这就形成了不同的心脏-躯干模型，相对形变RD用来估量心脏形变的程度，其定义如下：

$\mathrm{RD}=\frac{{\Sigma }_i^n\left|\right|\mathrm{node}\_t\left(i\right)-\mathrm{node}\_\mathrm{ed}\left(i\right)\left|\right|}{{\Sigma }_i^n\left|\right|\mathrm{node}\_\mathrm{ed}\left(i\right)\left|\right|}---\left(1\right)$

其中node_ed为心脏舒张末期心外膜各点i的位置，node_t是在时刻t心外膜的坐标位置，n为所有心外膜的点数；

(3)采用边界元方法分别建立跳动心脏不同时刻心外膜电位分布与体表电位分布之间的传递矩阵T_BH；

(4)获取躯干的不同时刻体表电位分布采用常用的Tikhonov正则化方法求解心外膜电位分布，实现心脏电功能成像。

所述的基于双心室电力耦合心脏模型获取在心动周期内心脏跳动位移变化信息，在不同时刻形成不同的心脏-躯干模型。

所述的实现心脏电功能成像，在心电图QRS波段期间，利用动态心脏电功能成像方法分别获取心外膜的电位分布，以获取心脏电活动信息，与静态心脏电功能成像方法得到结果比较，在QRS波段期间，由于心室发生较小形变，基于动态心脏模型和基于静态心脏模型的心脏电功能成像得到心外膜电位分布成像的结果非常相似。

所述的实现心脏电功能成像，在心电图ST-T波段期间，利用动态心脏电功能成像方法分别获取心外膜的电位分布，与静态心脏电功能成像方法得到结果比较，在ST-T波段期间，由于心室发生较明显形变，如果假设心室处于静止状态模型，忽略心脏的跳动，会引入大量的几何误差，导致静态心脏电功能成像的误差非常大，因此在ST-T波段期间，动态心脏功能成像方法，考虑了由于心脏跳动而产生几何位置变法，避免了在心脏电功能成像过程中引入几何误差，改善了心外膜电信息分布成像质量。

本发明具有的有益效果是：

本发明提出的基于动态心脏模型的心脏电功能成像方法，能够有效的克服静态心脏模型中所引入的几何误差，获取较精确的心外膜电位分布成像，正确的检测出心脏电活动信息，为心脏疾病的预防和治疗提供了很有意义的临床信息。

附图说明

图1基于动态心脏模型的心脏电功能成像的结构框图。

图2跳动心脏模型中的心脏形变计算的原理框图。

图3心脏电功能成像方法中，体表电位分布仿真的基本框图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于动态心脏模型的心脏电功能成像方法，用于成像心外膜电位分布信息，以检测心脏电活动信息，具体的实施步骤如下：

(1)由CT获取人体的心脏、肺、躯干的几何信息，进行三角形网格划分，建立心脏-躯干模型。体表划分成412个节点，820个网格；心脏表面由339个结点，654个三角形网格组成；肺由297个节点，586个的三角形网格组成。

(2)采用有限元方法，充分考虑了心肌的纤维旋向，将心室划分为13层节点，1979个单元，5937自由度。然后根据LFX模型中的心肌种类以及兴奋传播算法可得到心肌的兴奋时序分布，提取有限元节点的兴奋时序，采用有限元分析中等参元理论和复合材料理论，计算得到心电信号激励产生的心肌收缩力，根据力学特性分析计算心室中各单元在心动周期中的形变，如图2所示。

(3)采用边界元方法建立心外膜与体表电位之间的传递矩阵T_BH，得体表电位分布与心外膜电位分布之间的传递矩阵维数为：412×339。边界元法是在边界积分方程法和有限元基础上发展起来的一种数值计算方法，它结合了两种算法的优点。边界元法的剖分对象为场域的边界面，可以将复杂的三维问题处理转换为只有人体表面和心脏表面的二维问题，因而提高了计算的效率。

(4)体表电位仿真框图如图3所示。在本发明中，根据心脏-躯干模型，采用边界元方法建立心外膜电位分布于体表电位分布之间的传递矩阵T_BH；由心脏细胞的动作电位波形和兴奋时序分布，可以求解细胞的跨膜动作电位基于一封闭的心脏表面根据心脏表面源方法可确定跨膜动作电位和心脏表面电位之间的关系T_mH，可以得到整个心脏表面的电位分布；并取心外膜电位分布作为心脏源，由传递矩阵可以求解体表电位分布

(5)通过步骤2中建立了跳动心脏模型，步骤3求得各时刻传递矩阵T_BH，步骤4实现仿真得到各时刻体表电位分布。根据图1所示心脏电功能成像的结构框图，采用Tikhonov正则化求解心外膜电位分布的值逆重构出心外膜电位分布成像。

(6)在心电图QRS波段期间，取心室兴奋后27ms时刻，这时相对形变0.0052948；采用心脏表面源方法计算得到该时刻心外膜电位分布；利用动态心脏电功能成像方法分别获取心外膜的电位分布，其中逆重构心外膜电位成像质量的相对误差RE为：0.3324，相关系数CC为：0.93572；基于静态心脏模型的心脏电功能成像得到心外膜电位分布，其成像质量RE＝0.36193，CC＝0.92397。在QRS波段期间，由于心室发生较小形变，基于动态心脏模型和基于静态心脏模型得到的结果非常相似。

(7)在心电图ST-T波段期间，取心室兴奋后147ms时刻，这时相对形变0.035254；采用心脏表面源方法计算该时刻心外膜电位分布；利用动态心脏电功能成像方法分别获取心外膜的电位分布，其中逆重构心外膜电位成像质量的相对误差RE为：0.2972，相关系数CC为：0.9368；基于静态心脏模型的心脏电功能成像得到心外膜电位分布，其中成像质量RE＝2.1436，CC＝0.074131。在ST-T波段期间，心室收缩发生较明显形变，动态心脏功能成像方法，考虑了由于心脏跳动而产生几何位置变法，避免了在心脏电功能成像过程中引入几何误差，所获取心外膜电位分布成像的性能远好于基于静态心脏模型的心脏电功能成像方法。