R波檢測方法
【專利說明】R波檢測方法
[0001]本申請是基于申請?zhí)枮?01280052033.X、申請日為2012年9月7日、發(fā)明名稱為“ R波檢測方法”的專利申請的分案申請。
[0002]相關(guān)申請
[0003]本申請要求于2011年9月8日提交的美國臨時申請61/573，557和于2011年10月17日提交的美國臨時申請61/627，728的權(quán)利，這些美國臨時申請的全部內(nèi)容以引用的方式合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明總體上涉及心臟信號處理，更具體地涉及分析ECG信號以檢測QRS復(fù)合波的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0005]在熒光透視成像系統(tǒng)的背景中描述本發(fā)明，可選地，該熒光透視成像系統(tǒng)可以使用心臟門控信號來基于心臟周期數(shù)據(jù)從其圖像流選擇某些圖像。
[0006]解剖標(biāo)測系統(tǒng)提供感興趣的心腔中的導(dǎo)航導(dǎo)管的三維位置，并且，在一些情形下，還可以被用來構(gòu)造心腔的3D圖。但是，獲取和操作這些系統(tǒng)都非常昂貴。因此，這些系統(tǒng)僅僅在介入程序期間使用的少數(shù)實驗室中可用，并且，這些系統(tǒng)中的一些可能需要特別設(shè)計的導(dǎo)管，例如，具有內(nèi)置傳感器的導(dǎo)管。
[0007]常規(guī)的熒光透視系統(tǒng)可在用于對導(dǎo)管和其它儀器成像和實時導(dǎo)航和用于在介入程序期間放置引線和支架的所有的成像的心臟介入實驗室中使用。除了初始獲取成本以夕卜，這種系統(tǒng)幾乎不需要持續(xù)的操作成本。此外，常規(guī)的熒光透視系統(tǒng)能夠使任何類型的導(dǎo)管可視化。
[0008]圖1A和1B示出在房顫消融程序期間從常規(guī)的熒光透視系統(tǒng)獲得的圖像的兩個示例。在圖1A和1B中示出標(biāo)測和消融導(dǎo)管2、被安置在食道(在心臟后側(cè))內(nèi)的食道探頭3、多電極筐導(dǎo)管4和冠狀靜脈竇導(dǎo)管5。這些導(dǎo)管包括無線電波吸收材料，并且，相比于諸如肺6和心臟輪廓7的生物組織提供良好的圖像對比度。X射線在肺中的衰減劣于心臟的衰減，因為，肺被填充有空氣，并且，其密度小于正常解剖組織。盡管有在不同取向上的各種結(jié)構(gòu)和導(dǎo)管的位置，但在這些圖像中沒有可辨的不同導(dǎo)管的深度(z軸)信息。
[0009]如圖1A和1B所示，由常規(guī)系統(tǒng)產(chǎn)生的熒光透視圖像具有不能提供3D圖像數(shù)據(jù)的局限性。雙平面熒光透視(來自兩個不同方向的兩個2D視圖)可以被用來確定諸如導(dǎo)管的對象的相對位置。但是，它的用處由于成本和過度的輻射而受限，并且，介入實驗室中只有1%至2%具有執(zhí)行雙平面熒光透視的能力。
[0010]圖2示出用來獲取2D熒光透視圖像數(shù)據(jù)的常規(guī)熒光透視系統(tǒng)10。用于常規(guī)熒光透視的成像過程涉及將X射線束發(fā)送通過臺子12上的患者(未示出)的X射線源11。通過致動控制板15上的腳踏板9來開始產(chǎn)生X射線，該控制板15被連接到(連接未示出)熒光透視系統(tǒng)10。X射線檢測器13可以是平板檢測器或圖像增強(qiáng)器/攝像機(jī)組件，其接收透過患者的X射線并將X射線能量轉(zhuǎn)換為圖像。X射線源11和X射線檢測器13被安裝在C臂8的相對端上。在適當(dāng)?shù)臅r候，檢測器13使用X射線檢測層和光電子轉(zhuǎn)換層(例如，光電二極管或電子收集層)來執(zhí)行轉(zhuǎn)換，該X射線檢測層在被X射線刺激時產(chǎn)生光或釋放電子，其中，與每一個圖像元素(像素)中的X射線信號強(qiáng)度成比例的電荷信號被收集。然后，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換產(chǎn)生數(shù)字圖像。無論X射線檢測器是什么樣，然后，所得到的數(shù)字圖像都被處理，可能被存儲，并且被顯示在屏幕14上?？刂瓢逡?5示出。然后，可以在計算機(jī)顯示器14上顯示圖像。
[0011]圖3A示出用于熒光透視系統(tǒng)10的坐標(biāo)系。z軸被限定為從X射線源11到X射線檢測器13的中心。X射線(與熒光透視儀可互換地使用)臺子12限定X軸和y軸。這三個軸用實線示出。這些軸的交點是在由軸x、y和z限定的3D空間的(0，0，0)處的中心，即，原點。由于C臂8能夠移動，所以在C臂8被定向在如圖2所示的垂直位置或PA位置(前后位置)時在此處限定z軸。
[0012]X射線源11包括陰極和陽極。電子與產(chǎn)生形成錐形束的X射線光子的陽極材料相互作用。該束由準(zhǔn)直器葉片控制，以限制患者的輻射暴露。X射線光子沿直線傳播，在精確的位置處在X射線檢測器13上形成圖像，該精確的位置表示X射線從源11的發(fā)射點到檢測器13中的該位置(圖像中的像素)的沿路中所有遇到的物質(zhì)。該像素的強(qiáng)度由沿著該路徑遇到的材料(組織、造影劑、介入工具)的類型和量限定。X射線束的衰減隨著穿過的組織的原子數(shù)和密度而變。對于X射線圖像分辨率的當(dāng)前商用標(biāo)準(zhǔn)是約0.2mm x0.2_。
[0013]由于熒光透視圖像是投影，所以它們表示3D解剖結(jié)構(gòu)的成像體積?；赬射線源11、患者解剖結(jié)構(gòu)和檢測器位置在Z方向(平行于穿過中心0的中心射線)上的位置，根據(jù)精確的幾何規(guī)則，將該體積轉(zhuǎn)換為X射線檢測器13上的2D投影圖像。由于X射線源11離被成像的解剖結(jié)構(gòu)的有限距離，所以X射線投影成像體現(xiàn)了固有的失真。結(jié)果，更靠近X射線源11的對象在檢測到的圖像中比更遠(yuǎn)離X射線源11的對象被放大得多，在不知道感興趣對象沿著z軸的位置(或先驗尺寸)的情況下無法解決這些模糊。
[0014]圖3B是從X射線機(jī)10的X射線源11的輸出的錐形形狀和幾何布置得到的幾何放大率的圖示。圖3B示出包括源11、臺子12和檢測器13的X射線機(jī)10的幾何結(jié)構(gòu)的簡單的2D表示。具有寬度\的對象在檢測器13上形成具有圖像寬度^的圖像。(為了簡單起見，這種對象和圖像也分別被稱為參考標(biāo)識符I和w1<3 )對象位于離源11的距離SOD (源至對象距離)處，并且，檢測器13位于離源11的距離SID(源至圖像距離)處。通過簡單的幾何學(xué)，《1與w。之比等于SID與S0D之比。因此，這種布置的幾何放大率Μ是M = SID/SOD ο
[0015]在名稱為“3DModel Creat1n of Anatomic Structures Using Single-PlaneFluoroscopy”的美國專利申請N0.12/885, 710中，公開了一種用于使用單平面焚光透視估計諸如導(dǎo)管尖端的感興趣點的3D坐標(biāo)的算法。該算法通過如下來計算3D位置估計值:(1)確定初始的導(dǎo)管尖端位置的3D坐標(biāo)；(2)使導(dǎo)管前進(jìn)小的測量量，并且獲得熒光透視圖像；
(3)測量導(dǎo)管尖端的初始位置和圖像中的位置之間的導(dǎo)管尖端的位置變化；(4)計算在X和y方向上的導(dǎo)管尖端位置的實際(物理)變化；(5)基于X和y上的導(dǎo)管尖端位置的變化和熒光透視圖像的幾何結(jié)構(gòu)來計算導(dǎo)管尖端的3D位置；以及(6)重復(fù)這些步驟，以產(chǎn)生導(dǎo)管尖端的一系列3D位置。該算法取決于知道導(dǎo)管尖端的初始3D坐標(biāo)和將導(dǎo)航前進(jìn)小的可測量的量以能夠假設(shè)導(dǎo)管尖端在直線上移動。該假設(shè)允許使用直線距離公式來計算連續(xù)的感興趣點位置的3D坐標(biāo)。最初的模型試驗已經(jīng)表明在滿足假設(shè)時現(xiàn)有的算法是合理的(誤差〈8_)。但是，在一些情景中，對于導(dǎo)管前進(jìn)的約束太嚴(yán)以至于不能減少3D位置誤差。
[0016]在 Internat1nal Journal of B1medical Imaging, Vol.2010, ArticleID 631264 上發(fā)布的 Pascal Fallavollita 的標(biāo)題為“Is Single-View FluoroscopySufficient in Guiding Cardiac Ablat1n Procedures ?” 的文章描述了使用 X 射線系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)和成像濾波及圖案識別技術(shù)來估計導(dǎo)管尖端的深度(z軸坐標(biāo))的系統(tǒng)。本發(fā)明相對于Fallavol 1 ita的方法是一個顯著的改進(jìn)，實現(xiàn)了提高的精確度，并以自動化的方式這樣做，以避免對臨床醫(yī)生的額外的要求。本發(fā)明識別在熒光透視系統(tǒng)內(nèi)存在的線索，并且，使用復(fù)合計算算法來識別導(dǎo)管的3D位置。熒光透視圖像中的像素值受平面外角度、深度和離中心射線的距離的影響，并且，考慮這些和其它的特性來確定導(dǎo)管尖端的3D位置的更加精確的估計值。在確定了導(dǎo)管尖端的3D位置的情況下，產(chǎn)生各種3D圖，例如，激活和電壓。
[0017]對于可用的方法，希望在熒光透視環(huán)境中確定3D坐標(biāo)的方法的z軸精確度應(yīng)該實現(xiàn)±4mm的深度(z坐標(biāo))精確度。例如，因為由心臟消融導(dǎo)管形成的典型的病變可能是直徑為約4-6_，所以至少希望這樣的精確度；從而，為了本發(fā)明的方法在這種介入程序期間可用，希望該量級上的定位精確度。
[0018]發(fā)明目的
[0019]本發(fā)明的目的在于提供一種產(chǎn)生對于在來自活體的ECG信號內(nèi)發(fā)生的R波的精確指示的R波檢測器。
[0020]本發(fā)明的R波檢測器的另一個目的是提供一種提供心率的非常精確的指示的R波檢測器。
[0021]本發(fā)明的R波檢測器的另一個目的是提供一種可靠地檢測具有寬變化特性的ECG信號中的R波的R波檢測器。
[0022]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種以獨立于檢測到先前檢測到的R波的ECG信號的電平的閾值操作的R波檢測器。
[0023]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種以超低率的假陰性和假陽性檢測檢測R波的R波檢測器。
[0024]本發(fā)明的R波檢測器的另一個目的在于提供一種能夠產(chǎn)生可靠的門控信號給醫(yī)療成像系統(tǒng)的R波檢測器。
[0025]本發(fā)明的R波檢測器的另一個目的是提供一種能夠可靠地從有噪聲的ECG信號檢測R波的R波檢測器。
[0026]本發(fā)明的R波檢測器的另一個目的是提供一種具有低計算要求且自動地以最小的延遲操作的R波檢測器。
[0027]本發(fā)明的R波檢測器的另一個目的是提供一種在單個ECG信號信道上操作的R波檢測器。
[0028]本發(fā)明的R波檢測器的另一個目的是提供一種能夠通過利用多個ECG信號信道來提供進(jìn)一步提尚了的精確度的R波檢測器。
[0029]本發(fā)明的R波檢測器的另一個目的是提供一種提供持續(xù)的ECG信號連接的可靠指示的R波檢測器。
[0030]根據(jù)下面的描述和附圖，本發(fā)明的這些和其它目的將是清楚的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0031]本發(fā)明是一種用于從得自于活體的ECG信號檢測R波的方法。所述方法包括如下步驟:(a)從活體獲取ECG信號；(b)將ECG信號數(shù)字化為數(shù)字ECG信號；(c)用帶通濾波器對數(shù)字ECG信號進(jìn)行濾波，并且，對數(shù)字ECG信號應(yīng)用絕對值濾波器，以產(chǎn)生濾波的ECG信號；(d)對于濾波的ECG信號的每一個序列值，將濾波的ECG信號與ECG跟蹤閾值(TT)進(jìn)行比較；(e)如果濾波的ECG信號不大于TT，則遞增計數(shù)器，但是，如果濾波的ECG信號大于TT，則將計數(shù)器設(shè)置為0 ;以及(f)將計數(shù)器與預(yù)定的不應(yīng)計數(shù)RC進(jìn)行比較，并且，如果計數(shù)等于RC，則輸出指示已經(jīng)檢測到R波的R波觸發(fā)。
[0032]本發(fā)明的一個重要應(yīng)用是提供門控信號給熒光透視成像系統(tǒng)以選擇具有最少的運動偽影或者相對于心動周期處于特定的相位的解剖結(jié)構(gòu)的圖像。本文中公開的本發(fā)明的R波檢測器在作為其發(fā)明人包括本發(fā)明的發(fā)明人的同時提交的專利申請的主題的這種熒光透視成像系統(tǒng)的背景中被描述。
[0033]展示本文中使用的某些術(shù)語的定義將有助于理解本發(fā)明。
[0034]如本文中使用的術(shù)語“不透射線醫(yī)療對象”是指基本上不透射線并且具有固定的尺寸的各種醫(yī)療儀器、工具、插件等，例如導(dǎo)管尖端、起搏器和除顫器導(dǎo)線、支架、較大的醫(yī)療對象的可識別部分等。本文的大部分在確定心臟導(dǎo)管尖端的位置和取向的背景中描述本發(fā)明。但是，本實施例不應(yīng)當(dāng)是限制性的；本發(fā)明可適用于各種各樣的不透射線醫(yī)療對象，并且，對象類型和示例對象的特定列表也不應(yīng)當(dāng)是限制性的。術(shù)語“不透射線醫(yī)療對象”有時在本文中被簡稱為“醫(yī)療對象”。
[0035]如本文中使用的，術(shù)語“單平面熒光透視”是指熒光透視系統(tǒng)以在程序期間拍攝所有的圖像的固定的角度的操作。本發(fā)明是用于3D重建在人體的區(qū)域(例如，心腔)內(nèi)移動時的導(dǎo)管的位置的方法。雖然本發(fā)明涉及只使用一個固定的角度來產(chǎn)生圖像，如本文中稍后描述的，但是，本發(fā)明可以包括用于獨立地評價深度的兩個視圖以用于初始化。
[0036]如本文中使用的術(shù)語“兩視圖熒光透視測量”是指使用在C臂的不同角度處拍攝的兩個熒光透視圖像的Ρ0Ι 3D位置確定。
[0037]如本文中使用的術(shù)語“形成圖像像素的簇”是指這樣的過程，通過該過程，圖像中的像素被分組在一起或者相互關(guān)聯(lián)，作為感測的醫(yī)療對象的可能的圖像。
[0038]如本文中使用的術(shù)語“像素級幾何計算”是指保持原始像素強(qiáng)度值且允許對像素強(qiáng)度值執(zhí)行統(tǒng)計計算的計算。像素級幾何計算稍后在本文中被更詳細(xì)地描述。
[0039]如本文中使用的術(shù)語“有效X射線尺寸”是指以一致的方式測量的尺寸，使得即使這些尺寸不等于被測量的不透射線醫(yī)療對象的實際物理尺寸，有效尺寸也被一致地感測，并且因此，在測量過程中可以被依賴。下面在本文中包括對有效X射線尺寸的進(jìn)一步討論。
[0040]如本文中使用的術(shù)語“梯形失真”是指由于平面外取向角而導(dǎo)致的圖像寬度的變化。
[0041]如本文中使用的術(shù)語“不應(yīng)計數(shù)(refractory count) ”是指對應(yīng)于一時間段的計數(shù)。對于如何確定該時間段不應(yīng)當(dāng)有限制，即，它不必由計數(shù)器確定。
[0042]如本文中使用的術(shù)語“觸發(fā)窗濾波器”是指這樣的過程，通過該過程，到這種濾波器的輸入基于由該濾波器接收到的其它輸入而在特定的時間窗(鎖定期)期間被忽略。
[0043]如本文中使用的術(shù)語“或門”是指執(zhí)行邏輯“或”運算的裝置或過程。該運算對于儀器領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說是公知的。
[0044]術(shù)語“位置”和“地點”在本文中可互換地用來指諸如導(dǎo)管尖端或其它成像結(jié)構(gòu)的對象的3D坐標(biāo)。
[0045]在某些實施例中，通過應(yīng)用下述的計算TT = TTp+c2(ST-TTp)來確定TT，其中，TTP是TT的前一值，c2是常數(shù)，并且，ST是在前一預(yù)定的時間段(tj期間的濾波的ECG信號的最大值的比率(Cl)。在一些這樣的實施例中，如果在預(yù)定的斷開期(tD)內(nèi)沒有發(fā)生R波觸發(fā)，則TT被設(shè)置為ST。在一些優(yōu)選實施例中，Cl是約0.5，c 2是約0.25，t ?是約2秒，RC對應(yīng)于約90毫秒的時間段，并且，tD是約5秒。在某些實施例中，t D是在約2至10秒的范圍內(nèi)。在其它的實施例中，(^可以在約0.4至0.7的范圍內(nèi)，(:2可以在約0.15至0.8的范圍內(nèi)，k可以至少為約1.5秒，并且，不應(yīng)計數(shù)RC可以對應(yīng)于在約30至250毫秒的范圍內(nèi)的時段。
[0046]本發(fā)明的另一個方面是一種用于從得自于活體的ECG信號檢測R波的方法，其中，ECG信號包括多個ECG信道信號，所述方法包括如下步驟:(1)提供多個信道R波檢測器，每一個信道R波檢測器處理多個信道ECG信號中的不同信號，以產(chǎn)生多個信道觸發(fā)信號中的不同的信道觸發(fā)信號；以及(2)將每一個信道觸發(fā)信號輸入到復(fù)合R波檢測器，以產(chǎn)生復(fù)合R波觸發(fā)。本發(fā)明的復(fù)合R波檢測器比多個信道R波檢測器中的每一個更加精確地檢測R波。
[0047]在一些優(yōu)選實施例中，所述多個信道觸發(fā)信號中的每一個是到觸發(fā)窗濾波器的輸入，并且，復(fù)合R波檢測器的復(fù)合觸發(fā)輸出由來自信道R波檢測器中的任何一個的信道觸發(fā)信號觸發(fā)，用于其它信道R波檢測器的所有的信道觸發(fā)信號在復(fù)合R波檢測器觸發(fā)輸出被觸發(fā)之后的預(yù)定的時間段內(nèi)不觸發(fā)復(fù)合R波檢測器。在這些實施例中的一些中，觸發(fā)復(fù)合R波檢測器的信道觸發(fā)信號是在預(yù)定的時間段結(jié)束之后的第一接收信道觸發(fā)信號。
[0048]在其它的優(yōu)選實施例中，多個信道觸發(fā)信號中的每一個是到其輸出是復(fù)合R波檢測器的觸發(fā)輸出的“或”門的輸入，并且在這些優(yōu)選實施例中的一些中，每一個信道觸發(fā)信號包括對于由其對應(yīng)的信道R波檢測器檢測到的每一個R波的預(yù)定持續(xù)時間的單脈沖，并且，復(fù)合R波檢測器觸發(fā)輸出由“或”門輸出的前沿觸發(fā)。
[0049]在高度優(yōu)選的實施例中，多個信道R波檢測器中的每一個執(zhí)行如下步驟:(1)從活體獲取其對應(yīng)的ECG信道信號；(2)將其對應(yīng)的ECG信道信號數(shù)字化為對應(yīng)的數(shù)字ECG信道信號；(3)用帶通濾波器對其對應(yīng)的數(shù)字ECG信道