CN113499075A - 一种基于心磁信号的心肌缺血评估方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于心磁信号的心肌缺血评估方法和装置。其中，所述方法包括：通过心磁图仪获取心脏的磁场图；将所述磁场图转换为对应的电流密度矢量图；对电流密度矢量图的QRS除极阶段和STT复极阶段进行分析，根据分析结果对心肌缺血情况进行评估。本发明实施例的技术方案，通过将磁场图转换为电流密度矢量图可以将心磁图的判读与医生熟知的电生理结合起来，使判读流程简便化、自动化和准确化，进而优化了心肌缺血的评估方法。
Description
技术领域
本发明实施例涉及数据分析技术领域，尤其涉及一种基于心磁信号的心肌缺血评估方法和装置。
背景技术
冠心病作为一种常见的心血管疾病，近年来患病率处于持续上升阶段。冠心病常伴随有心肌缺血，患者心肌缺血情况的判别对于了解病情、制定治疗方案等环节有着重要作用。当前，常采用心电图来检测患者心肌缺血的情况，但是目前心电图准确率一般只有30％-40％，无法筛查出“隐性心脏病患者”，发现疾病时已属于晚期或发病期。而心磁图可获得丰富的心脏电磁活动信息，发现“心电图正常”的心脏病患者。
心磁图仪是一种简单、快速、准确、便宜的针对心肌缺血的检查设备，采用超高灵敏度的SQUID探测仪，能完整的捕获到心脏电流产生的磁场，避免了常规心电图从窦房结传导至体表电极所造成的心电信号的衰减和畸变，从而能够对冠心病伴随的心肌缺血情况做出准确而可靠的判断。
然而，心磁图仪虽然可以准确的记录心脏磁信号，但是心磁图仪的诊断需要依赖人工去判读磁场图，但磁场图很多医生不了解，因此无法进行准确地判读，存在一定的应用盲区。
发明内容
本发明提供一种心磁信号的心肌缺血评估方法和装置，以使判读流程简便化、自动化和准确化，优化心肌缺血的评估方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于心磁信号的心肌缺血评估方法，所述方法包括：
通过心磁图仪获取心脏的磁场图；
将所述磁场图转换为对应的电流密度矢量图；
对电流密度矢量图的QRS除极阶段和STT复极阶段进行分析，根据分析结果对心肌缺血情况进行评估。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于心磁信号的心肌缺血评估装置，所述装置包括：
获取模块，通过心磁图仪获取心脏的磁场图；
转换模块，将所述磁场图转换为对应的电流密度矢量图；
评估模块：对电流密度矢量图的QRS除极阶段和STT复极阶段进行分析，根据分析结果对心肌缺血情况进行评估。
本发明首先通过心磁图仪获取心脏的磁场图，并将获取到的磁场图转换为对应的电流密度矢量图，通过对心脏不同阶段的电流密度矢量图的分析，来评估心肌缺血的情况，通过将磁场图转换为电流密度矢量图可以将心磁图的判读与医生熟知的电生理结合起来，使判读流程简便化、自动化和准确化，进而优化了心肌缺血的评估方法。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于心磁信号的心肌缺血评估方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种心脏偶极子的类比示意图；
图3为心脏除极和复极阶段对应的电流方向示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于心磁信号的心肌缺血评估方法的具体流程图；
图5为病人在五个区域对应的活力值曲线示意图；
图6为QRS除极阶段正常人的电流密度矢量图；
图7为正常人和冠心病患者的电流密度矢量图对比；
图8为本发明实施例提供的一种基于心磁信号的心肌缺血评估装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例
图1为本发明实施例提供的一种基于心磁信号的心肌缺血评估方法的流程图，本实施例可适用于对心肌缺血状况进行评估的情况，该方法可以由一种基于心磁信号的心肌缺血评估装置来执行，该装置可以通过软件和/或硬件的方式来实现。
为了介绍本发明的后续实施例，首先对心脏产生磁场的原理进行介绍。
当心室收缩时，去极化通过心脏扩散，心肌周围的细胞外液带更多的负电荷，心脏的其他部位却是带正电荷。这就产生了不同区域之间的电位差，心电图电极可以检测到。心脏偶极子是一个既有方向(从心脏最负的区域到最正的区域)又有振幅(电压)的矢量。在心脏去极化过程中，即当心脏动作电位从其来源心房扩散到心室最远的角落时，由于正电荷离子(Na+和Ca2+)进入心肌细胞，围绕心肌的细胞外液变得更负。因为去极化波的传播不是瞬间的、均匀的，而且因为心肌壁的质量不相等，最小和最去极化的心肌质量随时间而变化。这有点像一个带有正负末端的旋转电池，当去极化波通过心脏腔室传播时，它会在三维空间中旋转。偶极子是一个矢量。也就是说，它有方向和大小，就像风一样。你可以把心脏偶极子想象成一个箭头从心脏最去极化的区域指向最极化的区域。箭头两端的位置取决于去极化波如何通过心脏扩散，以及有多少心肌细胞被去极化或复极化。偶极点在某一特定时刻从最大质量的去极化心肌到最大质量的复极化心肌。心脏偶极子的一个方便的类比是一个显示风向的风向标，这种类比的缺陷在于，像心脏偶极子这样的矢量既有方向又有大小，而风向标仅仅显示风的方向。具体参见图2中的A、B、C和D，该图很好地描述了当从固定的视角观察矢量改变方向时会发生什么。具体的解释如下：
A、风向标指向风来的方向，因为指针的尾部对风的阻力最大，吹起来与风平行。
B、想象你正从东向西看一个风向标。如果风是从北方或南方吹来的，那么风向标就会呈现为一个笔直的长箭头。
C、如果风吹得更偏西或偏东，而你没有改变你的位置，那么风向标的长度会随着它的旋转而缩短。从一个固定的位置，你不知道风是往东吹还是往西吹。
D、如果风直接吹东或西，风向标将有效地消失。
这就是当波移动和偶极子改变方向时，在心脏的特定方向上的一对电极上去极化的扩散。靠近心脏表面的肌细胞的动作电位比位于心肌深处的肌细胞的动作电位要短。这是因为靠近心脏表面的心肌细胞(心外膜下心肌细胞)有更多的钾离子通道，导致动作电位更快的复极化。正因为如此，心室的复极开始于外心包下，而你可能认为它开始于间隔并向外扩散，就像去极一样。其结果是，心室去极化和复极化时，正负电荷的分布是相似的，因此两者在心电图上呈同一方向的偏转。
正是由于心脏的这些电活动，才能产生一个较大的磁场，从而心磁图仪才能收集到心脏的磁信号并进行分析。
继续参见图3，图3为心脏除极和复极阶段对应的电流方向示意图。处于下方的电流密度矢量图的方向与处于上方的电流方向一致。
进一步的，本发明实施例提供的一种基于心磁信号的心肌缺血评估方法具体包括如下步骤：
S110、通过心磁图仪获取心脏的磁场图。
本实施例中，为了提高磁场图判读的准确性，需要对获取到的磁场图进行检测。如果磁场图中的信号出现了很多不平滑的地方，则需要对磁场信号进行去噪、滤波等预处理操作，以获取到平滑的磁场信号图。若通过上述预处理方式无法获取平滑的磁场信号图，则需要通过心磁图仪进行重新测试，以获取平滑的心磁图仪信号，从而确保信号的可靠性，为后续的判读提供可靠的数据源，有助于提高判读的准确性。
S120、将所述磁场图转换为对应的电流密度矢量图。
具体的，本实施例中对于心磁信号的电流密度重构逆向算法，首先利用引导场概念，建立磁通量与电流密度之间的关系式，其次将准静态条件下心脏磁场微分方程(散度和旋度)通过双傅里叶变换，转化为傅氏空间的卷积分求和方程，再引入格林函数和波平面方法获得傅氏空间方程解，最后再施以傅里叶逆变换，获得心脏电流源的空间分布，从而得到磁场图对应的电流密度矢量图。
S130、对电流密度矢量图的QRS除极阶段和STT复极阶段进行分析，根据分析结果对心肌缺血情况进行评估。
本实施例中通过将磁场图反转演变为电流密度矢量图，实现了将心磁图仪判读与医生熟知的电生理结合起来，通过分析患者的电流密度矢量图与正常人的电流密度矢量图之间的差异，可以快速准确的确定患者的心肌缺血情况。该方法与现有技术中依赖人工去判读磁场的方法相比，该方式使判读流程简便化、自动化和准确化。
其中，心脏收缩过程包括QRS除极和STT复极两个阶段，本实施例中通过对这两个阶段的电流密度矢量图进行全方位的分析，为心肌缺血的评估提供多种手段和途径。
进一步参见图4，图4为本发明实施例提供另一种基于心磁信号的心肌缺血评估方法的流程图，本实施例在上述实施例的基础上，提供了一种具体的心磁图仪判读方法。
具体包括以下步骤：
步骤1、检查心磁图仪检测信号。
如果获取的心磁信号是平滑的，则是正常信号；如果信号出现了很多不平滑的地方，代表有噪音干扰，需要进行预处理或者重新测试。
步骤2、QRS除极分4个阶段判断心肌活力。
其中，上述4个阶段对应图2中的室间隔除极阶段、胸前区和侧壁除极阶段、心室完全除极阶段以及心室复极阶段。通过将患者四个阶段对应的心脏活性与正常人的心脏活性进行对比，可以判断出患者是否曾经患有心肌梗塞。
步骤3、QRS除极分5个区域判断三大血管情况。
具体的，将QRS除极阶段的电流密度矢量图划分为五个区域；
根据所述五个区域对应的电流矢量密度图分别确定所述五个区域内的血管活性；
其中，所述五个区域包括前壁、左心室室壁、后壁、室间隔以及尖部。
本实施例中，电流密度矢量图可以反映出心脏不同区域的血管活性，通过应用软件，可以将不同区域对应的电流密度矢量图与正常的电流密度矢量图的对比结果以图像的形式输出，具体可以参见图5，图5代表病人在五个区域对应的活力值曲线示意图，每个区域对应三个活力值范围，若曲线处于最上方的活力值范围，则说明此区域血管的活性较高；若曲线处于中间的活力值范围，则说明此处区域的活力值正常；若曲线处于最下方的活力值范围，则说明此区域的活力值较低。示例性的，1区域对应的曲线后半段处于最下方的活力值范围，因此可以说明前壁活性较低。
步骤4、分析QRS阶段的电流密度矢量图。
具体的，将所述QRS除极阶段的电流密度矢量图与正常人的QRS除极阶段电流密度矢量图进行比较；若存在偏差，则存在心肌缺血情况。
进一步参见图6，图6为QRS除极阶段正常人的电流密度矢量图。具体可以分为四个阶段，即对应图2中的室间隔除极阶段、胸前区和侧壁除极阶段、心室完全除极阶段以及心室复极阶段。
从室间隔开始，通过左右束支流向左心室和右心室，最后覆盖整个心室。QRS第一阶段主电流为左下方，第二和第三阶段主电流为右下方，第四阶段电流往上方。若获取的到电流密度矢量图的与图6中对应的电流方向和位置不同，则可以判断出心脏存在心肌缺血的情况。
同样的，对电流密度矢量图的QRS除极阶段和STT复极阶段进行分析，根据分析结果对心肌缺血情况进行评估，包括：将所述STT复极阶段的电流密度矢量图与正常人的STT复极阶段电流密度矢量图进行比较；若存在偏差，则存在心肌缺血情况。
步骤5、确定KI值。其中，心肌缺血评估指数表示为KI值。本实施例中，通过获取QRS除极阶段正常矢量和不正常矢量的比值AIQRStotal，STT复极阶段正常矢量和不正常矢量的比值AIST-Ttotal，STT复极阶段数据的平滑度ADur，STT复极阶段数据的均一性Сcor，R峰值电流和T峰值电流的比值R/Tcurrent，磁场图的形态MAPtyp；将获取到的各值进行相加以确定心肌缺血评估指数；所述心肌缺血评估指数值越大则表示心脏越正常。
具体的，这里KI值的计算是将STT周期分割成若干份，每份12ms间隔，并对这个时间段的磁场图进行分析，主要通过以下数据进行分析：QRS正常矢量和不正常矢量的比值AIQRStotal，STT段正常矢量和不正常矢量的比值AIST-Ttotal，STT段数据的平滑度ADur，ST段数据的均一性Сcor，R峰值电流和T峰值电流的比值R/Tcurrent，磁场图的形态MAPtyp。
KI值为这些数据共同产生的系数，KI＝AIQRStotal+AIST-Ttotal+ADur+Сcor+R/Tcurrent+MAPtyp。
由于上述公式中每个数据对应的值越大，则表明心脏健康，所以这里KI越往大心脏则越趋于正常，越小则心脏问题越严重。
步骤6、分析STT阶段的电流密度矢量图。
具体的，将所述STT复极阶段的电流密度矢量图与正常人的STT复极阶段电流密度矢量图进行比较；若存在偏差，则存在心肌缺血情况。
在STT阶段，主电流方向是指向右下方的，图7是正常人和冠心病CAD患者的电流密度矢量图对比。正常人的电流密度矢量图，主向量指向右下方居多，且有两个涡旋；如果磁场图谱右上角有异常电流则代表左回旋支有缺血现象，右下角和中间出现异常电流则代表左降支有缺血现象，右边有异常电流则代表右支有缺血现象。
本发明实施例通过将磁场图反演为电流密度矢量图可以将心磁图仪判读与医生熟知的电生理结合起来，使判读流程简便化、自动化和准确化。同时设置了KI值的计算方法，通过直观地观察KI值可以初步得出被测试者是否具有心肌缺血，再通过QRS和STT段的电流密度矢量图和QRS分区分阶段心肌活力图确定心肌缺血程度。这种半自动化的诊断流程可以帮助医生更快更好地进行诊断，从而不需要进行有创检查来判断心肌缺血。本发明实施例的临床验证方案设计如下：
本次临床试验受试者分为三组：一组是用“金标准”(冠脉造影及冠状动脉血流储备分数)确定为心肌缺血且达到行血运重建标准的患者，为“病例组1”；第二组是经“金标准”证实心肌缺血但尚未达到行血运重建标准的患者，为“病例组2”；第三组为“金标准”检查证实无心肌缺血或经临床检查(静息心电图、负荷心电图、超声心动)证实为正常人群者，为“阴性对照组”。
病例组1的数量不得少于总样本数量的30％。
病例组1入选要求：冠状动脉狭窄程度≥80％者，无需进行FFR检查；50％≤冠状动脉狭窄程度<80％，冠状动脉血流储备分数FFR≤0.8者；
以上两项满足其一即可入选“病例组1”。
病例组2入选要求：50％≤冠状动脉狭窄程度<80％，冠状动脉血流储备分数FFR>0.8；
阴性对照组入选要求：冠状动脉狭窄程度＜50％；无心血管病史，体格检查正常，静息心电图、负荷心电图及超声心动图未提示有临床意义的异常。
以上两项满足其一即可入选“阴性对照组”。
运用本方法进行判读后，判定结果临床报告如下表所示：
| 总符合率 | 90.48％ |
| 灵敏度 | 93.75％ |
| 特异性 | 87.10％ |
| 阳性预测值 | 88.24％ |
| 阴性预测值 | 93.10％ |
| Kappa值 | 80.93％ |
由此可见心磁图仪用该方法进行判读得出的检测结果与金标准结果总符合率达到预设目标、一致性较好。
图8为本发明实施例提供的一种基于心磁信号的心肌缺血评估装置，包括：
获取模块210，通过心磁图仪获取心脏的磁场图；
转换模块220，将所述磁场图转换为对应的电流密度矢量图；
评估模块230，对电流密度矢量图的QRS除极阶段和STT复极阶段进行分析，根据分析结果对心肌缺血情况进行评估。
其中，所述评估模块具体用于：
将QRS除极阶段的电流密度矢量图划分为五个区域；
根据所述五个区域对应的电流矢量密度图分别确定所述五个区域内的血管活性；
其中，所述五个区域包括前壁、左心室室壁、后壁、室间隔以及尖部。
所述评估模块210还具体用于：
将所述QRS除极阶段的电流密度矢量图与正常人的QRS除极阶段电流密度矢量图进行比较；
若存在偏差，则存在心肌缺血情况。
所述评估模块210还具体用于：
将所述STT复极阶段的电流密度矢量图与正常人的STT复极阶段电流密度矢量图进行比较；
若存在偏差，则存在心肌缺血情况。
进一步地，所述装置还包括评估指数确定模块，具体用于：
获取QRS除极阶段正常矢量和不正常矢量的比值，STT复极阶段正常矢量和不正常矢量的比值，STT复极阶段数据的平滑度，STT复极阶段数据的均一性，R峰值电流和T峰值电流的比值，磁场图的形态；
将获取到的各值进行相加以确定心肌缺血评估指数；
所述心肌缺血评估指数值越大则表示心脏越正常。
本发明实施例所提供的心磁信号的心肌缺血评估装置可执行本发明任意实施例所提供的心磁信号的心肌缺血评估方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种基于心磁信号的心肌缺血评估方法，其特征在于，所述方法包括：
通过心磁图仪获取心脏的磁场图；
将所述磁场图转换为对应的电流密度矢量图；
对电流密度矢量图的QRS除极阶段和STT复极阶段进行分析，根据分析结果对心肌缺血情况进行评估。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对电流密度矢量图的QRS除极阶段和STT复极阶段进行分析，根据分析结果对心肌缺血情况进行评估，包括：
将QRS除极阶段的电流密度矢量图划分为五个区域；
根据所述五个区域对应的电流矢量密度图分别确定所述五个区域内的血管活性；
其中，所述五个区域包括前壁、左心室室壁、后壁、室间隔以及尖部。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对电流密度矢量图的QRS除极阶段和STT复极阶段进行分析，根据分析结果对心肌缺血情况进行评估，包括：
将所述QRS除极阶段的电流密度矢量图与正常人的QRS除极阶段电流密度矢量图进行比较；
若存在偏差，则存在心肌缺血情况。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对电流密度矢量图的QRS除极阶段和STT复极阶段进行分析，根据分析结果对心肌缺血情况进行评估，包括：
将所述STT复极阶段的电流密度矢量图与正常人的STT复极阶段电流密度矢量图进行比较；
若存在偏差，则存在心肌缺血情况。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取QRS除极阶段正常矢量和不正常矢量的比值，STT复极阶段正常矢量和不正常矢量的比值，STT复极阶段数据的平滑度，STT复极阶段数据的均一性，R峰值电流和T峰值电流的比值，磁场图的形态；
将获取到的各值进行相加以确定心肌缺血评估指数；
所述心肌缺血评估指数值越大则表示心脏越正常。
6.一种基于心磁信号的心肌缺血评估装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，通过心磁图仪获取心脏的磁场图；
转换模块，将所述磁场图转换为对应的电流密度矢量图；
评估模块，对电流密度矢量图的QRS除极阶段和STT复极阶段进行分析，根据分析结果对心肌缺血情况进行评估。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述评估模块具体用于：
将QRS除极阶段的电流密度矢量图划分为五个区域；
根据所述五个区域对应的电流矢量密度图分别确定所述五个区域内的血管活性；
其中，所述五个区域包括前壁、左心室室壁、后壁、室间隔以及尖部。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述评估模块还具体用于：
将所述QRS除极阶段的电流密度矢量图与正常人的QRS除极阶段电流密度矢量图进行比较；
若存在偏差，则存在心肌缺血情况。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述评估模块还具体用于：
将所述STT复极阶段的电流密度矢量图与正常人的STT复极阶段电流密度矢量图进行比较；
若存在偏差，则存在心肌缺血情况。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括评估指数确定模块，具体用于：
获取QRS除极阶段正常矢量和不正常矢量的比值，STT复极阶段正常矢量和不正常矢量的比值，STT复极阶段数据的平滑度，STT复极阶段数据的均一性，R峰值电流和T峰值电流的比值，磁场图的形态；
将获取到的各值进行相加以确定心肌缺血评估指数；
所述心肌缺血评估指数值越大则表示心脏越正常。
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