專利名稱：實(shí)時(shí)三維心電向量圖成像方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維心電圖的成像方法及裝置。眾所周知人體心臟的電活動(dòng)是建立在以下基礎(chǔ)上的1.心肌細(xì)胞內(nèi)外的離子濃度差形成細(xì)胞膜內(nèi)外的電位差，細(xì)胞外為正電荷，細(xì)胞內(nèi)為負(fù)電荷，稱為復(fù)極化。此時(shí)細(xì)胞膜內(nèi)外的電位差處于靜息狀態(tài)，不產(chǎn)生動(dòng)作電位。2.當(dāng)細(xì)胞內(nèi)外的離子濃度變化時(shí)，引起細(xì)胞膜內(nèi)外電位差的變化，細(xì)胞外為負(fù)電荷，細(xì)胞內(nèi)為正電荷，稱為除極化，即產(chǎn)生了動(dòng)作電位，并引起心肌收縮。3.除極化的細(xì)胞膜與鄰近處于復(fù)極化的細(xì)胞膜形成一對(duì)電偶，電穴在后，電源在前，并逐步擴(kuò)布至整個(gè)心臟。4.除極后的心肌細(xì)胞內(nèi)外離子重新恢復(fù)到靜息狀態(tài)，引起心肌細(xì)胞膜內(nèi)外電位差復(fù)極化。與除極相反，產(chǎn)生的電偶其電穴在前，電源在后，并逐步擴(kuò)布至整個(gè)心肌，引起心肌舒張。5.這種電偶運(yùn)動(dòng)引起的具有方向性和強(qiáng)度的電位變化稱為心電向量。當(dāng)瞬間所有心肌細(xì)胞上心電向量以矢量相加的原則合成在一起時(shí)，形成瞬間綜合向量。6.這種瞬間綜合向量包含了心臟電活動(dòng)的主要信息，具有三維空間結(jié)構(gòu)，并隨著時(shí)間變化，它的方向性和強(qiáng)度也在變化。
綜上所述，我們可以得出這樣的結(jié)論心肌細(xì)胞內(nèi)外離子濃度變化引起心肌細(xì)胞膜內(nèi)外電位的除極和復(fù)極化，在復(fù)極和除極過程中，形成心電向量。所有心肌細(xì)胞的心電向量，組成瞬間綜合心電向量。它具有三維空間結(jié)構(gòu)，并且它的方向性和強(qiáng)度隨時(shí)間而變化，是常規(guī)心電圖和心向量圖的基礎(chǔ)。
由于技術(shù)上的限制，人們以往只能從一維心電圖或二維心向量圖，從不同角度部分地反映三維心電活動(dòng)。它是片面的，非直觀的。幾十年來，人們一直努力尋找顯示三維心電活動(dòng)的方法，其中最有代表性的是美國專利-5803084。它利用計(jì)算機(jī)成像技術(shù)，描繪了單一心電向量的三維空間結(jié)構(gòu)，但由于它采用的三維空間描述方法是從原點(diǎn)到心電向量為終點(diǎn)的顯示方法，無法做到顯示非起始點(diǎn)為空間零電位的各種心電向量(包括異常心電向量和大量正常心電向量)以及實(shí)時(shí)的顯示。為了說明這一點(diǎn)，我們應(yīng)先了解它的三維空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)1.首先它確定一個(gè)空間的原點(diǎn)，并由此原點(diǎn)延伸出X、Y、Z軸和三個(gè)面。
2.這個(gè)原點(diǎn)以一定的時(shí)間間隔延伸出直線與相同時(shí)刻的空間心電向量的終點(diǎn)相聯(lián)結(jié)并構(gòu)成心電向量的空間三維結(jié)構(gòu)。
因此，這個(gè)原點(diǎn)既是三維空間結(jié)構(gòu)的原點(diǎn)同時(shí)又是計(jì)算心電向量角度和振幅的起點(diǎn)。由此引發(fā)出的一個(gè)問題是，作為心電向量的起點(diǎn)，必須要求是在X、Y、Z軸均為零電位的點(diǎn)。在實(shí)際工作中，它只能描述QRS、P、T或ST向量起點(diǎn)是空間零電位的特殊的心電向量，或者假定它們的起點(diǎn)是空間零電位。因此，如果從QRS、P、T向量的中間某一非空間零電位為起點(diǎn)，則無法正確地顯示它的空間三維結(jié)構(gòu)；因此，如果QRS、P、T中任一向量起點(diǎn)不是空間零電位，就無法在同一三維空間中共同顯示和比較；因此，為了要求起始點(diǎn)為空間零電位，只能描述經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，找出QRS、P、T或ST向量，并人為規(guī)定出QRS、P、T或ST向量起點(diǎn)為空間零電位，才能以此為起始點(diǎn)顯示。因此，它無法做到準(zhǔn)確的相互比較和實(shí)時(shí)顯示三維心電圖。
本發(fā)明涉及新的空間三維成像方法和裝置，做到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示心電向量任一時(shí)刻、任一時(shí)間段、任一形態(tài)的三維空間心電向量結(jié)構(gòu)，還原心肌電活動(dòng)的三維空間結(jié)構(gòu)的真實(shí)原來面目，提供新的實(shí)際心電活動(dòng)診斷工具。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的三維心電向量的三維顯示是建立在這樣的基礎(chǔ)上1.將三對(duì)電極分別放在人體胸部的左右、上下和后前方向，并分別以右左為X軸，從右向左為X軸正方向；以上下為Y軸，從上向下為Y軸正方向；以后前為Z軸，從后向前為Z軸正方向；并以X軸與Y軸形成額面，X軸與Z軸為橫面，Y軸與Z軸為側(cè)面。三對(duì)電極必須要求是相互垂直，并相交于一點(diǎn)，即三維空間的原點(diǎn)。
2.同時(shí)記錄心電向量在三對(duì)電極上任一時(shí)刻的電位值，并將這些電位值經(jīng)放大，隔離，濾波，A/D轉(zhuǎn)換后輸?shù)接?jì)算機(jī)中，即∑f(xi，yi，zi，ti)。
3.以實(shí)時(shí)或經(jīng)處理后的ti時(shí)三對(duì)電極上記錄的數(shù)據(jù)垂直于相應(yīng)X、Y、Z軸，交于空間一點(diǎn)。
4.將ti時(shí)的空間點(diǎn)與ti+1時(shí)的空間點(diǎn)用連線相聯(lián)，形成空間向量段。時(shí)間間隔越短，越接近真實(shí)的三維心臟電活動(dòng)。
5.將t1，t2，……，ti，ti+1時(shí)的空間點(diǎn)，用上述方法以向量段的方式聯(lián)結(jié)起來，形成即有空間位置和方向性又有強(qiáng)度的心電向量三維結(jié)構(gòu)。
以上所述是心電向量在三維空間的絕對(duì)位置，同時(shí)在此基礎(chǔ)上還可以采用相對(duì)位置，進(jìn)一步顯示三維心電向量，用于比較各個(gè)心動(dòng)周期或一個(gè)心動(dòng)周期各向量段之間的比較，其表示方法是∑f(xi-xc，yi-yc，zi-zc，ti)，其中f(xc，yc，zc)為心向量變化過程中的相對(duì)參考點(diǎn)，它或是整個(gè)心電向量中的基點(diǎn)(一般是TP向量段中某一點(diǎn)，即復(fù)極化心電信號(hào)處于靜息狀態(tài)時(shí)的某一點(diǎn)，等于或接近于空間零電位)；或是QRS、P、T、ST向量段的起始點(diǎn)(等于或接近于空間零電位)。相對(duì)位置的顯示方法與絕對(duì)位置的顯示方法相同。這樣用相對(duì)位置的顯示方法可以計(jì)算或顯示QRS、T、P、ST向量相對(duì)于同一個(gè)參考點(diǎn)的方向與強(qiáng)度變化?？梢杂糜谙嗷ケ容^，判斷它們之間前后或相互關(guān)系。
三維心電向量的空間位置和方向和強(qiáng)度的基本公式如下任一瞬間三維心電向量空間點(diǎn)的絕對(duì)位置＝f(xi，yi，zi，ti)；任一瞬間三維心電向量空間點(diǎn)的相對(duì)位置＝fr(xi-xc，yi-yc，zi-zc，ti)；任一瞬間三維心電向量空間點(diǎn)的相對(duì)位置強(qiáng)度r=(xi-xc)2+(yi-yc)2+(zi-zc)2;]]>任一瞬間三維心電向量空間點(diǎn)的相對(duì)位置角度α＝(zi-zc)/r；β＝(xi-xc)/r；γ＝(yi-yc)/r；任一瞬間三維心電向量段位置＝fl(xi-xi+1，yi-yi+1，zi-zi+1，ti)任一瞬間三維心電向量段強(qiáng)度r1=(xi-xi+1)2+(yi-yi+1)2+(zi-zi+1)2;]]>任一瞬間三維心電向量段角度α1＝(zi-zi+1)/r1；β1＝(xi-xi+1)/r1；γ1＝(yi-yi+1)/r1；
在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明可以；1.用不同顏色顯示不同時(shí)間段的心電向量2.顯示心電向量和心電向量段的角變化和角變化率3.顯示心電向量和心電向量段強(qiáng)度的變化和變化率4.顯示兩個(gè)向量段夾角變化和夾角變化率5.顯示ST-T向量的空間絕對(duì)位置變化和相對(duì)位置變化(參考點(diǎn)或是一個(gè)心動(dòng)周期中心向量的基點(diǎn)或ST向量段起點(diǎn))6.在單一三維空間中同時(shí)顯示一維、二維或三維心電向量變化。
此外，本發(fā)明采用三維動(dòng)畫顯示原理，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示心電向量三維變化(即四維心電向量圖)。它可以以一個(gè)或幾個(gè)心動(dòng)周期為單位連續(xù)顯示，并且每個(gè)心動(dòng)周期每個(gè)波時(shí)段以不同顏色顯示；也可以以一個(gè)或幾個(gè)向量段連續(xù)顯示。
此外，本發(fā)明可以用鼠標(biāo)任意旋轉(zhuǎn)和放大縮小三維空間結(jié)構(gòu)，從任一角度觀察三維心電向量。除了三維直角坐標(biāo)系外，還可以用三維極坐標(biāo)系來顯示心電向量。
此外，本發(fā)明采用數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，記錄瞬間心電向量的數(shù)值和變化率以及病人的情況等，用圖表方式進(jìn)一步顯示。并可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)同步傳輸，記錄，顯示。
由于采用上述新的三維空間顯示方法，可以不受限制，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地，真實(shí)地顯示任意三維心向量圖的結(jié)構(gòu)或經(jīng)過處理后的任意三維心電向量相對(duì)的三維結(jié)構(gòu)，還原心肌電活動(dòng)的原來真實(shí)面目，為心電活動(dòng)的診斷提供新的工具。
下面結(jié)合附圖加以進(jìn)一步證明

圖1.表示本發(fā)明實(shí)時(shí)三維心電向量圖裝置的主要結(jié)構(gòu)方框。
圖2.表示以互相垂直的并交于一點(diǎn)的三對(duì)電極為基礎(chǔ)，構(gòu)成用于顯示三維心電向量圖的三維空間結(jié)構(gòu)。
圖3.表示一個(gè)心動(dòng)周期的三維心電向量圖(包括P、QRS、ST、T、TP向量)。
圖4.表示幾個(gè)心動(dòng)周期的三維心電向量圖。
圖5.表示以QRS向量起點(diǎn)，同時(shí)又以此起點(diǎn)為相對(duì)參考點(diǎn)的QRS向量的三維心電向量圖。
圖6.表示以一個(gè)心動(dòng)周期為單位，實(shí)時(shí)連續(xù)顯示的一維、二維、三維心電向量圖。
圖7.表示以一定時(shí)間為間隔的相鄰兩個(gè)心電向量段為單位，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)連續(xù)顯示一維、二維、三維心電向量圖。
圖8.同步顯示上述正常的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖、心向量圖和三維心電向量圖及以及目前存貯在數(shù)據(jù)庫中的各種數(shù)據(jù)(包括f(xi，yi，zi，ti)空間向量角和振幅變化及變化率等)。
圖9.顯示異常心向量圖(下壁心肌梗塞)的一維、二維、三維心電向量圖。
圖10.同步顯示異常心向量圖(下壁心肌梗塞)的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖、心向量圖和三維心電向量圖及以及目前存貯在數(shù)據(jù)庫中的各種數(shù)據(jù)(包括f(xi，yi，zi，ti)空間向量角和振幅變化及變化率等)。
參照附圖，圖1中電極1表示威爾遜電極和佛蘭克電極，將人體的心電信號(hào)，經(jīng)電阻導(dǎo)聯(lián)選擇網(wǎng)絡(luò)電路2和放大隔離濾波電路3以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4，變成數(shù)字信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)5。用VC++語言，采用計(jì)算機(jī)窗口技術(shù)，實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，計(jì)算機(jī)三維成像技術(shù)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將數(shù)字化的人體心電信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理后，形成三維心電向量圖，12導(dǎo)心電圖，高頻心電圖，頻域心電圖、Q-T離散度、心率變異等，并由顯示器6顯示或打印機(jī)7輸出。
圖2表明佛蘭克電極系統(tǒng)的三對(duì)互相垂直的電極，如何構(gòu)成三維心電向量的三維空間結(jié)構(gòu)。圖2a中電極11表示由右向左的一對(duì)電極，構(gòu)成圖2b中三維空間結(jié)構(gòu)的x軸；圖2a中電極12表示由上向下的一對(duì)電極，構(gòu)成圖2b中三維空間結(jié)構(gòu)的y軸；圖2a中電極13表示由后向前的一對(duì)電極，構(gòu)成圖2b中三維空間結(jié)構(gòu)的z軸。圖2a中三對(duì)電極的交點(diǎn)，構(gòu)成圖2b中三維空間結(jié)構(gòu)的原點(diǎn)。圖2a中的電極14是無關(guān)電極。
以ti瞬間三對(duì)電極上的電壓數(shù)值為依據(jù)，垂直于相應(yīng)數(shù)值的x，y，z軸，形成ti瞬間三維心電向量空間的點(diǎn)。以同樣方法，建立ti+1瞬間三維心電向量空間的另一點(diǎn)。用連線將兩點(diǎn)聯(lián)接，形成ti-ti+1瞬間三維心電向量段，相當(dāng)于圖7中三維空間向量段73。如將一個(gè)心動(dòng)周期中的t1，t2，……，ti，ti+1時(shí)的空間點(diǎn)，用上述方法以向量段的方式聯(lián)結(jié)起來，即形成圖3中三維心電向量31，32，33(有空間位置和方向又有強(qiáng)度的心電向量三維結(jié)構(gòu))。圖3中的三維心電向量31，32，33分別表示P環(huán)，QRS環(huán)和T環(huán)。圖3中的34，35，36分別表示三維心電向量在x-y面(額面)，z-y面(側(cè)面)，x-z面(橫面)上的投影，即二維心向量圖。
圖4顯示連續(xù)三個(gè)心動(dòng)周期的三維心電向量41。圖4中的42-a，42-b，42-c分別表示連續(xù)三個(gè)心動(dòng)周期的三維心電向量41在x-y面(額面)，z-y面(側(cè)面)，x-z面(橫面)上的投影。
圖5顯示單一QRS環(huán)51的三維空間結(jié)構(gòu)。其中藍(lán)色和綠色分別代表QRS環(huán)的起始向量和終末向量。圖5中的52-a，52-b，52-c分別表示QRS環(huán)的三維心電向量51在x-y面(額面)，z-y面(側(cè)面)，x-z面(橫面)上的投影。
圖6表明同步實(shí)時(shí)連續(xù)顯示，一個(gè)心動(dòng)周期的一維，二維，三維心電圖。圖6中61表示一維心電圖，62-a，62-b，62-c表示投影在x-y面(額面)，z-y面(側(cè)面)，x-z面(橫面)上的二維心電圖，63表示同步顯示的三維心電圖。
圖7表明以計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫顯示方法，以瞬間三維心電向量段為單位，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)連續(xù)顯示一維，二維，三維心電向量。圖7中73表明了處于一維心電向量71進(jìn)行到某一瞬間時(shí)的三維心電向量段。72-a，72-b，72-c表示同一瞬間的三維心電向量段在x-y面(額面)，z-y面(側(cè)面)，x-z面(橫面)上的投影。
圖8同步顯示上述正常的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖、心向量圖和三維心電向量圖及以及目前存貯在數(shù)據(jù)庫中的各種數(shù)據(jù)(包括f(xi，yi，zi，ti)空間向量角和振幅變化及變化率等)。圖8a是十二導(dǎo)聯(lián)心電圖；圖8b是心向量圖中x，y，z軸上的電壓變化；圖8c是以表格方式顯示存貯在數(shù)據(jù)庫中三維心電向量的各種數(shù)據(jù)(包括f(xi，yi，zi，ti)空間向量角和振幅變化及變化率等)；圖8d是以圖表方式顯示存貯在數(shù)據(jù)庫中三維心電向量的各種數(shù)據(jù)(包括f(xi，yi，zi，ti)空間向量角和振幅變化及變化率等)。其中α，β，γ表示角度變化值，r表示振幅的變化值。
圖9顯示異常心向量圖(下壁心肌梗塞)的一維、二維、三維心電向量圖。圖9中91表示一維心電圖，92-a，92-b，92-c表示投影在x-y面(額面)，z-y面(側(cè)面)，x-z面(橫面)上的二維心電圖，93表示同步顯示的三維心電圖。
圖10同步顯示異常心向量圖(下壁心肌梗塞)的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖、心向量圖和三維心電向量圖及以及目前存貯在數(shù)據(jù)庫中的各種數(shù)據(jù)(包括f(xi，yi，zi，ti)空間向量角和振幅變化及變化率等)。顯示方法與圖8相同。
權(quán)利要求
1.一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示三維心電向量的裝置。它是由威爾遜電極和佛蘭克電極，電阻導(dǎo)聯(lián)選擇網(wǎng)絡(luò)電路，放大隔離濾波電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，計(jì)算機(jī)，顯示器和打印機(jī)等組成。其特征為A.位于心臟周圍三對(duì)電極互相垂直相交于一點(diǎn)，其中相交點(diǎn)做為三維空間結(jié)構(gòu)的原點(diǎn)，左右位的一對(duì)電極為三維空間結(jié)構(gòu)的X軸，并以右向左作為X軸的正方向；后前位的一對(duì)電極為三維空間結(jié)構(gòu)的Z軸，并以后向前為正方向；上下位的一對(duì)電極為三維空間結(jié)構(gòu)的Y軸并以上向下為正方向。以X、Y軸構(gòu)成額面；以Y、Z軸構(gòu)成側(cè)面；以X、Z軸構(gòu)成橫面。B.以ti時(shí)刻，三對(duì)電極上的電位差數(shù)值為依據(jù)，垂直于相應(yīng)的X、Y、Z軸，并相交于一點(diǎn)，形成空間心電向量的點(diǎn)。以ti+1時(shí)刻，用同樣方法構(gòu)成空間心電向量的另一點(diǎn)。用連線將兩點(diǎn)連接，構(gòu)成空間心電向量段，它具有三維空間的位置，方向和強(qiáng)度。C.將t1，t2，……，ti，ti+1時(shí)刻的空間心電向量點(diǎn)用上述方法兩兩相連接，構(gòu)成實(shí)時(shí)、連續(xù)、動(dòng)態(tài)的，具有空間位置、方向和強(qiáng)度的三維心電向量。
2.在權(quán)利要求1.基礎(chǔ)上，可以在三維空間相對(duì)位置上顯示三維心電向量，其特怔為A.選擇一個(gè)相對(duì)參考點(diǎn)，或是PT段上某一點(diǎn)(處于靜息狀態(tài)下，等于或接近三維空間零電位)；或是P、QRS、T、ST向量的起始點(diǎn)，其表達(dá)式為f(xc，yc，zc)。B.以ti時(shí)刻，三對(duì)電極上電位數(shù)值，減去參考點(diǎn)的電位數(shù)值，形成ti時(shí)刻，新的相對(duì)的三維空間點(diǎn)。表達(dá)式為f(xi-xc，yi-yc，zi-zc，ti)。然后用相同方法，于t1，t2，……，ti，ti+1時(shí)刻，形成新的相對(duì)的三維空間點(diǎn)，并用連線將其三維空間點(diǎn)，兩兩相連接，構(gòu)成相對(duì)于參考點(diǎn)的三維心電向量結(jié)構(gòu)。它或是以P、QRS、T、ST向量段為單位，也可以一個(gè)心動(dòng)周期為單位顯示。C.計(jì)算相對(duì)于參考點(diǎn)的心電向量和心電向量段的空間位置、角度變化和變化率、振幅變化和變化率、兩心電向量段夾角變化和變化率等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1.和要求2.所述的三維心電向量中不同時(shí)間段，用不同顏色顯示。
4.根據(jù)權(quán)利要求1.和要求2.所述的三維心電向量，其特征包括在單一三維空間中同時(shí)顯示一維、二維、三維心電向量的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1.和要求2.所述的三維心電向量，其特征包括顯示任一心電向量和心電向量段的角變化和角變化率、強(qiáng)度變化和強(qiáng)度變化率、兩心電向量段夾角變化和變化率、S-T向量的空間絕對(duì)位置變化和相對(duì)位置變化(其參考點(diǎn)或是一個(gè)心動(dòng)周期中某點(diǎn)或是ST向量段起點(diǎn))。
6.根據(jù)權(quán)利要求1.和要求2.所述的三維心電向量，其特征包括采用三維動(dòng)畫原理，以每秒25-50幀，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示三維心電向量的變化。它可以一個(gè)或幾個(gè)心動(dòng)周期為單位顯示，也可以一個(gè)或幾個(gè)心電向量段為單位連續(xù)顯示。
7.根據(jù)權(quán)利要求1.和要求2.所述的三維心電向量，其特征包括用鼠標(biāo)任意旋轉(zhuǎn)和放大縮小三維空間結(jié)構(gòu)，從任一角度觀察三維心電圖的空間變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1.和要求2.所述的三維心電向量，其特征包括采用數(shù)據(jù)庫同步記錄瞬間心電向量的變化數(shù)值，變化率以及記錄病人情況，并以圖表的方式同步顯示。
9.根據(jù)權(quán)利要求1.和要求2.所述的三維心電向量，其特征包括同時(shí)顯示十二導(dǎo)心電圖、心向量圖、三維心電圖、高頻心電圖、頻域心電圖、Q-T離散度、心率變異。
全文摘要
一種三維心電圖的成像方法及裝置。以相互垂直的三對(duì)電極為基礎(chǔ)構(gòu)成三維空間,其中三對(duì)電極的交點(diǎn)為三維空間的原點(diǎn),三對(duì)電極分別代表三維空間的X,Y,Z軸。以三對(duì)電極上記錄的心電電壓為依據(jù)描繪出三維空間心電向量的瞬間位置,將連續(xù)的心電向量位置用連線聯(lián)接結(jié),構(gòu)成三維心電向量圖。并可以實(shí)時(shí)地同步顯示一維,二維,三維心電向量的變化及表示三維心電向量空間位置和變化的各種數(shù)值。
文檔編號(hào)A61B5/044GK1363254SQ01104029
公開日2002年8月14日 申請日期2001年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月19日
發(fā)明者吳立群 申請人:吳立群