專利名稱：心臟標測信號分析處理裝置及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生物醫(yī)學信號分析處理裝置與方法，尤其涉及一種用于分析心臟標測 信號分析處理裝置及其方法。
背景技術：
心臟標測是指從心臟電活動著手，對心律失常進行識別、判斷和定位的過程。心臟 標測的通常做法是首先，將心臟上的感興趣區(qū)域劃分為細小的位點，在每個位點內安放標 測電極或者注入電壓敏感的熒光染料，并確認各位點的物理位置；其次，記錄各位點下心肌 細胞群興奮引起的電位變化；最后，通過觀察對比感興趣區(qū)域內各位點標測信號在心律失 常期間的變化以及它們之間的關聯(lián)與差異，研究者可以細致深入地理解心律失常的電生理 機制，從中尋覓與心律失常的觸發(fā)和維持緊密相連的關鍵因素。進而，醫(yī)生能夠針對這些關 鍵因素選擇合適的治療手段和策略。另一方面，為了對心臟電活動進行更全面、更細致的觀 察，目前心臟標測技術的發(fā)展呈現(xiàn)標測位點“大數(shù)量、高精度”的趨勢。在最近的研究中，標 測位點的數(shù)量級普遍在100以上。這勢必帶來海量的心臟標測數(shù)據(jù)。因此，設計相關的數(shù) 據(jù)分析處理裝置、研究有效數(shù)據(jù)分析方法，以期從海量數(shù)據(jù)中提取關鍵信息，就成為心臟標 測技術的一個重要課題。此外，節(jié)律分析是目前新興的一種心臟標測信號分析方向，旨在研究標測信號所 對應心肌細胞群參與心臟電活動的節(jié)律性(也即周期性)的狀態(tài)。節(jié)律分析的結果中，最 關鍵的是主導節(jié)律的興奮間期(或頻率)和信號規(guī)整程度兩個屬性。前者反映的是，心肌 細胞群最大概率地以哪一個節(jié)律參與心臟電活動；后者反映的是心肌細胞群是否受到多個 心肌興奮發(fā)放源的影響。在正常情況下，竇房結是心臟中唯一發(fā)放電興奮的部位，心臟中所 有心肌細胞參與電活動的過程都受到其支配。此時，心臟標測信號只反應出單一竇性節(jié)律。 但當某些心律失常發(fā)生時，心臟內可能出現(xiàn)一個或多個的異位興奮源。異位興奮源也能發(fā) 放電興奮，且其興奮頻率比竇性興奮顯著地高。此時，竇性節(jié)律與異位節(jié)律共同作用在心臟 上，造成心肌細胞興奮呈現(xiàn)紊亂狀態(tài)。這種狀態(tài)同樣會體現(xiàn)在心臟標測信號中。因此，醫(yī)生 或者研究者可以從標測信號入手，通過節(jié)律分析的方法，找出并定位心律失常期間心臟內 存在的異位驅動，從而為進一步的治療提供目標。現(xiàn)有的節(jié)律分析方法多以傅里葉變換為基礎，計算標測信號的功率譜，并以功率 譜中的最大峰值作為計算結果。但是，由于傅里葉變換會產生大量諧波分量，這些諧波有可 能造成分析結果的誤判；另一方面，心臟標測信號本身包含著各種復雜的頻率成分，這些成 分也會造成功率譜最大峰的偏移，從而影響分析效果。實際應用也表明，基于傅里葉變換的 節(jié)律分析方法只針對節(jié)律性弱、復雜不規(guī)整的心臟標測信號有良好的效果；但對節(jié)律性強 的心臟標測信號，計算結果與真實情況往往有很大出入。

發(fā)明內容
為了解決上述現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明目的在于提供一種心臟標測信號分
4析處理裝置與方法，特別是一種分析心臟標測信號節(jié)律狀態(tài)的裝置及其方法。本發(fā)明的特點是數(shù)據(jù)采集與分析一體化，適用面廣、實時性強。本發(fā)明可以用于 動物實驗中對標測心臟電活動的現(xiàn)場分析；也可以用于協(xié)助臨床診斷。本發(fā)明提出的心臟標測信號分析處理裝置，由標測電極1、多級放大器2、數(shù)據(jù)采 集卡3、采集模塊4、信號分析處理單元5和輸出顯示裝置11組成，標測電極1、多級放大器 2、數(shù)據(jù)采集卡3、采集模塊4和信號分析處理單元5依次聯(lián)接，采集模塊4和信號分析處理 單元5的輸出端分別連接輸出顯示裝置11，其中標測電極1，用于安放在心臟上的感興趣區(qū)域；多級放大器2，將來自標測電極1的微弱的心電標測信號放大到適合后續(xù)數(shù)據(jù)采 集卡3采集的幅度，并濾除信號中不需要的頻率成分；數(shù)據(jù)采集卡3，對放大后的心電標測信號進行采樣，轉化為數(shù)字信號，并存入采集 卡數(shù)據(jù)緩存中；采集模塊4，將采集卡數(shù)據(jù)緩存中的心臟標測數(shù)據(jù)讀入內存，并定時地存為數(shù)據(jù)文 件；信號分析處理單元5，對心電標測數(shù)據(jù)進行分析處理；輸出顯示裝置11，用于顯示心臟標測數(shù)據(jù)的波形和分析處理結果。本發(fā)明中，所述信號分析處理單元5由預處理模塊6、激動時刻提取模塊7、頻域分 析模塊8、時域分析模塊9和非線性分析模塊10組成，預處理模塊6、激動時刻提取模塊7、 時域分析模塊9依次聯(lián)接，預處理模塊6的輸出端分別連接頻域分析模塊8和非線性分析 模塊10，頻域分析模塊8、時域分析模塊9和非線性分析模塊10的輸出端分別連接輸出顯 示裝置11 ；預處理模塊6用于去除心臟標測信號中疊加的外部噪聲和干擾；激動時刻提取 模塊7旨在從心臟標測信號中提取其對應心肌細胞群興奮的時刻；時域分析模塊9分析信 號的時域特性；頻域分析模塊8分析信號的頻域特性；非線性分析模塊10從信號中提取更 為復雜的非線性信息。本發(fā)明中，所述標測電極可以是柔性電極等。本發(fā)明中，所述非線性分析模塊10中包含用于分析心臟標測信號節(jié)律狀態(tài)的節(jié) 律分析單元12。本發(fā)明中，所述節(jié)律分析單元12采用的是自相關函數(shù)序列峰值法將信號自相關 函數(shù)序列中最大峰與次大峰之間的時間間隔作為該段信號主要節(jié)律激動間期的估計，次大 峰的幅度值作為該段信號規(guī)整程度的衡量指標。本發(fā)明中，標測電極.1、多級放大器2和數(shù)據(jù)采集卡3由硬件電路實現(xiàn)；采集模塊 4和信號分析處理單元5可以在計算機上或者DSP上實現(xiàn)；輸出顯示裝置11則可以選用液 晶屏、計算機顯示器或報警器等中任一種。本發(fā)明提出的一種心臟標測信號分析處理方法，特別是一種適用于動物實驗現(xiàn)場 或者臨床應用的節(jié)律分析方法。該方法以心臟標測信號的自相關函數(shù)為基礎，其原理是周 期信號的自相關函數(shù)也是周期信號，且自相關函數(shù)的周期與信號周期一致。如前所述，在某 些心律失常期間，心臟內可能出現(xiàn)除竇房結以外的異位興奮源。此時，心臟標測信號可以視 為竇性節(jié)律信號與異位節(jié)律信號按特定規(guī)則疊加、重構而成。因此，標測信號的自相關函數(shù) 與兩種節(jié)律信號的節(jié)律特征(周期、信號幅度)緊密相關。所以，我們可以從信號的自相關
5函數(shù)中推算出標測信號當前的節(jié)律狀態(tài)。本發(fā)明提出的心臟標測信號分析處理方法，具體步驟如下a.從動物或人的心臟中采集心臟標測數(shù)據(jù)；b.選擇感興趣的標測位點和時間區(qū)段，將數(shù)據(jù)送入信號分析處理單元；c.對心臟標測數(shù)據(jù)進行預處理，消除各種干擾和噪聲；d.對每個標測位點的信號進行節(jié)律分析，逐個的計算其自相關函數(shù)序列，計算公 式如下
1 N-IR(J) = —V χ{ )χ(η - τ)
ArT其中χ是標測信號，τ是相對時間位移，η是信號序號；e.將自相關函數(shù)序列進行歸一化；f.在每個歸一化后的自相關函數(shù)序列中搜尋其最大峰和次大峰，將最大峰與次大 峰之間的時間間隔作為該段信號主導節(jié)律興奮間期的估計，次大峰的幅度值作為該段信號 規(guī)整程度的衡量參數(shù)(幅度越大，信號越規(guī)整)；g.對于單個標測位點，觀察其信號自相關函數(shù)序列的包絡，可以推算出該位點下 的心肌細胞電活動受幾種節(jié)律影響，以哪種為主；h.對于感興趣標測區(qū)域，根據(jù)區(qū)域內各位點主導節(jié)律激動間期、規(guī)整程度可以繪 制偽彩色圖或者三維直方圖，以直觀地體現(xiàn)心律失常期間心臟上各種興奮節(jié)律的分布狀 況。本發(fā)明中，在研究心肌電興奮傳播方向時可以調用激動時刻提取模塊，即分析各 個標測位點下心肌細胞群興奮的時序，其計算結果可以用于與節(jié)律分析結果參照對比。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果1.將采集裝置與分析處理系統(tǒng)糅合在一起，所采用的分析處理方法簡單有效，因 此可以實現(xiàn)動物實驗或者臨床治療中的現(xiàn)場分析；2.基于自相關函數(shù)的節(jié)律分析方法具有更強的適應性，在正常心律下和心律失常 期間都能有良好的分析結果。因而此方法可以用于手術中的檢測和長程的心律失常機制研允。


圖1是本發(fā)明裝置的結構示意圖；圖2是本發(fā)明裝置應用于心外膜標測動物實驗實施例1的結構示意圖；圖3是本發(fā)明方法應用于心外膜標測動物實驗實施例1的工作流程圖；圖4是本發(fā)明方法的運算結果示意圖。圖中標號1是標測電極，2是多級放大器，3是數(shù)據(jù)采集卡，4是采集模塊，5是信 號分析處理單元，6是預處理模塊，7是激動時刻提取模塊，8是頻域分析模塊，9是時域分析 模塊，10是非線性分析模塊，11是輸出顯示裝置，12是節(jié)律分析單元。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
實施例1 如圖1所示，本發(fā)明提出的心臟標測信號分析處理裝置包括一套標測 電極1，用于從心臟感興趣部位采集心臟標測信號；一套多級放大器2，其輸入端經(jīng)電纜線 與標測電極1末端相連，旨在將毫伏級的心臟標測信號放大到伏特級，同時濾除信號中不 需要的頻率成分；一塊數(shù)據(jù)采集卡3，輸入端接入放大器2的輸出，用于對模擬心電標測信 號進行采樣，模數(shù)轉換，并存入采集卡3的數(shù)據(jù)緩存；一套采集模塊4，定時地從采集卡3的 數(shù)據(jù)緩存中讀取心臟標測數(shù)據(jù)，并保存為數(shù)據(jù)文件；一個信號分析處理單元5，包括預處理 6、激動時刻提取7、頻域分析8、時域分析9和非線性分析等模塊10，用于對已采集到的心電 標測信號進行在線或離線的分析處理；一個輸出顯示裝置11，用于顯示分析處理結果。裝 置中標測電極1、多級放大器2、數(shù)據(jù)采集卡3通過硬件實現(xiàn)；采集模塊4和信號分析處理單 元5可以在計算機或者DSP上實現(xiàn)；兩部分通過USB數(shù)據(jù)線相連；輸出顯示裝置11可選用 液晶屏、計算機顯示器或者報警器等中任一種。工作時，信號分析處理單元根據(jù)操作人員的 預先設定從內存或數(shù)據(jù)文件中讀取一段心臟標測數(shù)據(jù)；首先，進行預處理消除信號中的噪 聲干擾；其次，提取信號中的心肌細胞興奮時刻信息；再次，按照設定調用一個或者多個分 析模塊中的分析處理單元；最后將分析結果傳輸?shù)捷敵鲲@示裝置，以偽彩色圖或者三維直 方圖等方式呈現(xiàn)出來。圖2是本發(fā)明用于心外膜標測動物實驗的實施例。在該實例中，心臟上的標測區(qū) 域是心外膜(即心臟外表面)。標測電極1在外科手術開胸的前提下縫合到心外膜上；多 級放大器2的放大倍數(shù)通常選取500-2000倍，有效頻率范圍為3-600赫茲；數(shù)據(jù)采集卡3 的采樣頻率為2000赫茲。為保證處理的實時性，信號分析處理單元5在動物實驗現(xiàn)場通常 只進行節(jié)律分析12。其工作流程是首先，對內存中的心臟標測數(shù)據(jù)進行預處理6 ；其次，將 預處理后的數(shù)據(jù)送入節(jié)律分析單元12進行自相關函數(shù)等運算；最后將節(jié)律分析的結果分 別以主導節(jié)律分布圖和信號規(guī)整程度分布圖分布輸出到顯示裝置11 ；其中激動時刻提取7 為可選模塊，其運算結果可用于與節(jié)律分析12的結果進行比對。如圖3所示，本發(fā)明方法在心外膜標測動物實驗中對實驗數(shù)據(jù)進行節(jié)律分析時， 其工作流程是1.通過本發(fā)明裝置從動物心臟外表面采集心臟標測信號，并轉化為數(shù)字形式；2.從已得數(shù)據(jù)中根據(jù)預設參數(shù)中設定的感興趣標測位點和標測時段(長度通常 為5-20秒)選取待分析數(shù)據(jù)矩陣(一個標測位點的數(shù)據(jù)為一行)；3.對待分析數(shù)據(jù)進行預處理；4.對預處理后的數(shù)據(jù)矩陣逐行地進行自相關函數(shù)計算(相對位移的范圍通常為 0-2秒)，歸一化后，得到自相關序列；(如有必要，可以逐個位點地繪制自相關序列分布圖，以分析相應的心肌細胞群興 奮的節(jié)律狀態(tài))5.在自相關函數(shù)序列中搜尋最大峰和次大峰的位置，以兩峰的間隔作為信號主導 節(jié)律興奮間期的估計，以次大峰的幅度值作為衡量信號規(guī)整程度的指標；6.在記錄完所有標測位點信號的節(jié)律狀態(tài)后，以偽彩色圖的方式繪制感興趣區(qū)域 內主導節(jié)律分布圖和規(guī)整程度分布圖。 圖4是一張本發(fā)明方法應用于心外膜動物實驗分析結果示意圖。實驗數(shù)據(jù)取自動 物心臟中的右心耳部位，數(shù)據(jù)時間段為動物發(fā)生心房顫動(一種復雜心律失常)之后的20秒。分析結果示意圖以偽彩色圖的形式繪制，各種色彩所代表的數(shù)值范圍標注在圖的右側。 如前所述，自相關主次峰的間隔是信號主導節(jié)律部分的興奮間期的估計。圖4a表明AB兩個 區(qū)域內存在高頻率興奮(興奮間期< 100ms)；而C區(qū)域的興奮間期卻明顯較AB區(qū)域要長。 這一現(xiàn)象是符合右心耳電極(B片)與竇房結(竇性節(jié)律的興奮間期通常比異位源的要顯 著的長)、刺激電極之間的物理位置關系的動物實驗中B片的左上部離上腔靜脈最近，而 竇房結恰好在上腔靜脈與右心房交界處的界溝附近；而刺激電極大致位置正如圖中‘0’所 示。圖4b進一步體現(xiàn)了 ABC三個區(qū)域的差別。自相關次大峰的幅度是衡量信號規(guī)整程度 的指標。C區(qū)域的信號規(guī)整程度最低，A最高，B相對低。圖4c是A區(qū)域的等時圖(激動時 刻提取模塊7的分析結果)，可以發(fā)現(xiàn)在A區(qū)域內信號向左下傳播的。比較三張圖可以確定 的是，刺激電極附近可能存在一個異位興奮源，A區(qū)域是心房顫動發(fā)生時動物心臟上的異位 源發(fā)放的興奮傳播的一個優(yōu)勢路徑，而C區(qū)域同時受到竇房結下傳興奮和異位源上傳興奮 的影響。
權利要求
一種心臟標測信號分析處理裝置，由標測電極(1)、多級放大器(2)、數(shù)據(jù)采集卡(3)、采集模塊(4)、信號分析處理單元(5)和輸出顯示裝置(11)組成，其特征在于標測電極(1)、多級放大器(2)、數(shù)據(jù)采集卡(3)、采集模塊(4)和信號分析處理單元(5)依次聯(lián)接，采集模塊(4)和信號分析處理單元(5)的輸出端分別連接輸出顯示裝置(11)，其中標測電極(1)，用于安放在心臟上的感興趣區(qū)域；多級放大器(2)，將來自標測電極(1)的微弱的心電標測信號放大到適合后續(xù)數(shù)據(jù)采集卡(3)采集的幅度，并濾除信號中不需要的頻率成分；數(shù)據(jù)采集卡(3)，對放大后的心電標測信號進行采樣，轉化為數(shù)字信號，并存入采集卡數(shù)據(jù)緩存中；采集模塊(4)，將采集卡數(shù)據(jù)緩存中的心臟標測數(shù)據(jù)讀入內存，并定時地存為數(shù)據(jù)文件；信號分析處理單元(5)，對心電標測數(shù)據(jù)進行分析處理；輸出顯示裝置(11)，用于顯示心臟標測數(shù)據(jù)的波形和分析處理結果。
2.根據(jù)權利要求1所述的心臟標測信號分析處理裝置，其特征在于所述信號分析處理 單元(5)由預處理模塊(6)、激動時刻提取模塊(7)、頻域分析模塊(8)、時域分析模塊(9) 和非線性分析模塊(10)組成，預處理模塊(6)、激動時刻提取模塊(7)、時域分析模塊(9) 依次聯(lián)接，預處理模塊(6)的輸出端分別連接頻域分析模塊(8)和非線性分析模塊(10)，頻 域分析模塊(8)、時域分析模塊(9)和非線性分析模塊(10)的輸出端分別連接輸出顯示裝 置(10)；預處理模塊(6)用于去除心臟標測信號中疊加的外部噪聲和干擾；激動時刻提取 模塊(7)旨在從心臟標測信號中提取其對應心肌細胞群興奮的時刻；時域分析模塊(9)分 析信號的時域特性；頻域分析模塊(8)分析信號的頻域特性；非線性分析模塊(10)從信號 中提取更為復雜的非線性信息。
3.根據(jù)權利要求1所述的心臟標測信號分析處理裝置，其特征在于所述非線性分析模 塊(10)中包含用于分析心臟標測信號節(jié)律狀態(tài)的節(jié)律分析單元(12)。
4.根據(jù)權利要求1所述的心臟標測信號分析處理裝置，其特征在于所述節(jié)律分析單元 (12)采用的是自相關函數(shù)序列峰值法將信號自相關函數(shù)序列中最大峰與次大峰之間的 時間間隔作為該段信號主要節(jié)律激動間期的估計，次大峰的幅度值作為該段信號規(guī)整程度 的衡量指標。
5.根據(jù)權利要求1所述的心臟標測信號分析處理裝置，其特征在于所述輸出顯示裝置(II)是液晶屏、計算機顯示器或報警器中任一種。
6.一種心臟標測信號分析處理方法，其特征在于具體步驟如下a.從動物或人的心臟中采集心臟標測數(shù)據(jù)；b.選擇感興趣的標測位點和時間區(qū)段，將數(shù)據(jù)送入信號分析處理單元；c.對心臟標測數(shù)據(jù)進行預處理，消除各種干擾和噪聲；d.對每個標測位點的信號進行節(jié)律分析，逐個的計算其自相關函數(shù)序列，計算公式如下 其中Χ是標測信號，τ是相對時間位移，η是信號序號；e.將自相關函數(shù)序列進行歸一化；f.在每個歸一化后的自相關函數(shù)序列中搜尋其最大峰和次大峰，將最大峰與次大峰之 間的時間間隔作為該段信號主導節(jié)律興奮間期的估計，次大峰的幅度值作為該段信號規(guī)整 程度的衡量參數(shù)，即幅度越大，信號越規(guī)整；g.對于單個標測位點，觀察其信號自相關函數(shù)序列的包絡，可以推算出該位點下的心 肌細胞電活動受幾種節(jié)律影響，以哪種為主；h.對于感興趣標測區(qū)域，根據(jù)區(qū)域內各位點主導節(jié)律激動間期、規(guī)整程度可以繪制偽 彩色圖或者三維直方圖，以直觀地體現(xiàn)心律失常期間心臟上各種興奮節(jié)律的分布狀況。
全文摘要
本發(fā)明提出一種心臟標測信號分析處理裝置與方法，特別是一種用于分析心臟標測信號節(jié)律狀態(tài)的裝置及其方法。本發(fā)明所述裝置包括標測電極、多級放大器、數(shù)據(jù)采集卡、采集模塊、信號分析處理單元和輸出裝置。本發(fā)明所述方法以自相關函數(shù)為基礎，其特點是將信號自相關函數(shù)序列中最大峰與次大峰之間的時間間隔作為該段信號主導節(jié)律激動間期的估計，次大峰的幅度值作為該段信號規(guī)整程度的衡量指標。本發(fā)明可以用于動物實驗中對心臟電活動的現(xiàn)場分析；也可以用于協(xié)助臨床診斷。由于本發(fā)明采用采集與分析一體化結構，所使用方法簡單有效，因而具有適用面廣、實時性強的特點。
文檔編號A61B5/0452GK101933803SQ20101025763
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月19日 優(yōu)先權日2010年8月19日
發(fā)明者劉梁, 周拓, 孫莉倩, 方祖祥, 楊翠微, 林都督 申請人:復旦大學