CN101933803B - 心脏标测信号分析处理装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种心脏标测信号分析处理装置与方法，特别是一种用于分析心脏标测信号节律状态的装置及其方法。本发明所述装置包括：标测电极、多级放大器、数据采集卡、采集模块、信号分析处理单元和输出装置。本发明所述方法以自相关函数为基础，其特点是将信号自相关函数序列中最大峰与次大峰之间的时间间隔作为该段信号主导节律激动间期的估计，次大峰的幅度值作为该段信号规整程度的衡量指标。本发明可以用于动物实验中对心脏电活动的现场分析；也可以用于协助临床诊断。由于本发明采用采集与分析一体化结构，所使用方法简单有效，因而具有适用面广、实时性强的特点。

Description

心脏标测信号分析处理装置及其方法

技术领域

本发明涉及生物医学信号分析处理装置与方法，尤其涉及一种用于分析心脏标测信号分析处理装置及其方法。

背景技术

心脏标测是指从心脏电活动着手，对心律失常进行识别、判断和定位的过程。心脏标测的通常做法是：首先，将心脏上的感兴趣区域划分为细小的位点，在每个位点内安放标测电极或者注入电压敏感的荧光染料，并确认各位点的物理位置；其次，记录各位点下心肌细胞群兴奋引起的电位变化；最后，通过观察对比感兴趣区域内各位点标测信号在心律失常期间的变化以及它们之间的关联与差异，研究者可以细致深入地理解心律失常的电生理机制，从中寻觅与心律失常的触发和维持紧密相连的关键因素。进而，医生能够针对这些关键因素选择合适的治疗手段和策略。另一方面，为了对心脏电活动进行更全面、更细致的观察，目前心脏标测技术的发展呈现标测位点“大数量、高精度”的趋势。在最近的研究中，标测位点的数量级普遍在100以上。这势必带来海量的心脏标测数据。因此，设计相关的数据分析处理装置、研究有效数据分析方法，以期从海量数据中提取关键信息，就成为心脏标测技术的一个重要课题。

此外，节律分析是目前新兴的一种心脏标测信号分析方向，旨在研究标测信号所对应心肌细胞群参与心脏电活动的节律性(也即周期性)的状态。节律分析的结果中，最关键的是主导节律的兴奋间期(或频率)和信号规整程度两个属性。前者反映的是，心肌细胞群最大概率地以哪一个节律参与心脏电活动；后者反映的是心肌细胞群是否受到多个心肌兴奋发放源的影响。在正常情况下，窦房结是心脏中唯一发放电兴奋的部位，心脏中所有心肌细胞参与电活动的过程都受到其支配。此时，心脏标测信号只反应出单一窦性节律。但当某些心律失常发生时，心脏内可能出现一个或多个的异位兴奋源。异位兴奋源也能发放电兴奋，且其兴奋频率比窦性兴奋显著地高。此时，窦性节律与异位节律共同作用在心脏上，造成心肌细胞兴奋呈现紊乱状态。这种状态同样会体现在心脏标测信号中。因此，医生或者研究者可以从标测信号入手，通过节律分析的方法，找出并定位心律失常期间心脏内存在的异位驱动，从而为进一步的治疗提供目标。

现有的节律分析方法多以傅里叶变换为基础，计算标测信号的功率谱，并以功率谱中的最大峰值作为计算结果。但是，由于傅里叶变换会产生大量谐波分量，这些谐波有可能造成分析结果的误判；另一方面，心脏标测信号本身包含着各种复杂的频率成分，这些成分也会造成功率谱最大峰的偏移，从而影响分析效果。实际应用也表明，基于傅里叶变换的节律分析方法只针对节律性弱、复杂不规整的心脏标测信号有良好的效果；但对节律性强的心脏标测信号，计算结果与真实情况往往有很大出入。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种心脏标测信号分析处理装置与方法，特别是一种分析心脏标测信号节律状态的装置及其方法。

本发明的特点是：数据采集与分析一体化，适用面广、实时性强。本发明可以用于动物实验中对标测心脏电活动的现场分析；也可以用于协助临床诊断。

本发明提出的心脏标测信号分析处理装置，由标测电极1、多级放大器2、数据采集卡3、采集模块4、信号分析处理单元5和输出显示装置11组成，标测电极1、多级放大器2、数据采集卡3、采集模块4和信号分析处理单元5依次联接，采集模块4和信号分析处理单元5的输出端分别连接输出显示装置11，其中：

标测电极1，用于安放在心脏上的感兴趣区域；

多级放大器2，将来自标测电极1的微弱的心电标测信号放大到适合后续数据采集卡3采集的幅度，并滤除信号中不需要的频率成分；

数据采集卡3，对放大后的心电标测信号进行采样，转化为数字信号，并存入采集卡数据缓存中；

采集模块4，将采集卡数据缓存中的心脏标测数据读入内存，并定时地存为数据文件；

信号分析处理单元5，对心电标测数据进行分析处理；

输出显示装置11，用于显示心脏标测数据的波形和分析处理结果。

本发明中，所述信号分析处理单元5由预处理模块6、激动时刻提取模块7、频域分析模块8、时域分析模块9和非线性分析模块10组成，预处理模块6、激动时刻提取模块7、时域分析模块9依次联接，预处理模块6的输出端分别连接频域分析模块8和非线性分析模块10，频域分析模块8、时域分析模块9和非线性分析模块10的输出端分别连接输出显示装置11；预处理模块6用于去除心脏标测信号中叠加的外部噪声和干扰；激动时刻提取模块7旨在从心脏标测信号中提取其对应心肌细胞群兴奋的时刻；时域分析模块9分析信号的时域特性；频域分析模块8分析信号的频域特性；非线性分析模块10从信号中提取更为复杂的非线性信息。

本发明中，所述标测电极可以是柔性电极等。

本发明中，所述非线性分析模块10中包含用于分析心脏标测信号节律状态的节律分析单元12。

本发明中，所述节律分析单元12采用的是自相关函数序列峰值法：将信号自相关函数序列中最大峰与次大峰之间的时间间隔作为该段信号主要节律激动间期的估计，次大峰的幅度值作为该段信号规整程度的衡量指标。

本发明中，标测电极.1、多级放大器2和数据采集卡3由硬件电路实现；采集模块4和信号分析处理单元5可以在计算机上或者DSP上实现；输出显示装置11则可以选用液晶屏、计算机显示器或报警器等中任一种。

本发明提出的一种心脏标测信号分析处理方法，特别是一种适用于动物实验现场或者临床应用的节律分析方法。该方法以心脏标测信号的自相关函数为基础，其原理是周期信号的自相关函数也是周期信号，且自相关函数的周期与信号周期一致。如前所述，在某些心律失常期间，心脏内可能出现除窦房结以外的异位兴奋源。此时，心脏标测信号可以视为窦性节律信号与异位节律信号按特定规则叠加、重构而成。因此，标测信号的自相关函数与两种节律信号的节律特征(周期、信号幅度)紧密相关。所以，我们可以从信号的自相关函数中推算出标测信号当前的节律状态。

本发明提出的心脏标测信号分析处理方法，具体步骤如下：

a.从动物或人的心脏中采集心脏标测数据；

b.选择感兴趣的标测位点和时间区段，将数据送入信号分析处理单元；

c.对心脏标测数据进行预处理，消除各种干扰和噪声；

d.对每个标测位点的信号进行节律分析，逐个的计算其自相关函数序列，计算公式如下：

$R\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{N}\underset{0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)x(n-\mathrm{\τ})$

其中x是标测信号，τ是相对时间位移，n是信号序号；

e.将自相关函数序列进行归一化；

f.在每个归一化后的自相关函数序列中搜寻其最大峰和次大峰，将最大峰与次大峰之间的时间间隔作为该段信号主导节律兴奋间期的估计，次大峰的幅度值作为该段信号规整程度的衡量参数(幅度越大，信号越规整)；

g.对于单个标测位点，观察其信号自相关函数序列的包络，可以推算出该位点下的心肌细胞电活动受几种节律影响，以哪种为主；

h.对于感兴趣标测区域，根据区域内各位点主导节律激动间期、规整程度可以绘制伪彩色图或者三维直方图，以直观地体现心律失常期间心脏上各种兴奋节律的分布状况。

本发明中，在研究心肌电兴奋传播方向时可以调用激动时刻提取模块，即分析各个标测位点下心肌细胞群兴奋的时序，其计算结果可以用于与节律分析结果参照对比。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.将采集装置与分析处理系统糅合在一起，所采用的分析处理方法简单有效，因此可以实现动物实验或者临床治疗中的现场分析；

2.基于自相关函数的节律分析方法具有更强的适应性，在正常心律下和心律失常期间都能有良好的分析结果。因而此方法可以用于手术中的检测和长程的心律失常机制研究。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置应用于心外膜标测动物实验实施例1的结构示意图；

图3是本发明方法应用于心外膜标测动物实验实施例1的工作流程图；

图4是本发明方法的运算结果示意图。

图中标号：1是标测电极，2是多级放大器，3是数据采集卡，4是采集模块，5是信号分析处理单元，6是预处理模块，7是激动时刻提取模块，8是频域分析模块，9是时域分析模块，10是非线性分析模块，11是输出显示装置，12是节律分析单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：如图1所示，本发明提出的心脏标测信号分析处理装置包括：一套标测电极1，用于从心脏感兴趣部位采集心脏标测信号；一套多级放大器2，其输入端经电缆线与标测电极1末端相连，旨在将毫伏级的心脏标测信号放大到伏特级，同时滤除信号中不需要的频率成分；一块数据采集卡3，输入端接入放大器2的输出，用于对模拟心电标测信号进行采样，模数转换，并存入采集卡3的数据缓存；一套采集模块4，定时地从采集卡3的数据缓存中读取心脏标测数据，并保存为数据文件；一个信号分析处理单元5，包括预处理6、激动时刻提取7、频域分析8、时域分析9和非线性分析等模块10，用于对已采集到的心电标测信号进行在线或离线的分析处理；一个输出显示装置11，用于显示分析处理结果。装置中标测电极1、多级放大器2、数据采集卡3通过硬件实现；采集模块4和信号分析处理单元5可以在计算机或者DSP上实现；两部分通过USB数据线相连；输出显示装置11可选用液晶屏、计算机显示器或者报警器等中任一种。工作时，信号分析处理单元根据操作人员的预先设定从内存或数据文件中读取一段心脏标测数据；首先，进行预处理消除信号中的噪声干扰；其次，提取信号中的心肌细胞兴奋时刻信息；再次，按照设定调用一个或者多个分析模块中的分析处理单元；最后将分析结果传输到输出显示装置，以伪彩色图或者三维直方图等方式呈现出来。

图2是本发明用于心外膜标测动物实验的实施例。在该实例中，心脏上的标测区域是心外膜(即心脏外表面)。标测电极1在外科手术开胸的前提下缝合到心外膜上；多级放大器2的放大倍数通常选取500-2000倍，有效频率范围为3-600赫兹；数据采集卡3的采样频率为2000赫兹。为保证处理的实时性，信号分析处理单元5在动物实验现场通常只进行节律分析12。其工作流程是：首先，对内存中的心脏标测数据进行预处理6；其次，将预处理后的数据送入节律分析单元12进行自相关函数等运算；最后将节律分析的结果分别以主导节律分布图和信号规整程度分布图分布输出到显示装置11；其中激动时刻提取7为可选模块，其运算结果可用于与节律分析12的结果进行比对。

如图3所示，本发明方法在心外膜标测动物实验中对实验数据进行节律分析时，其工作流程是：

1.通过本发明装置从动物心脏外表面采集心脏标测信号，并转化为数字形式；

2.从已得数据中根据预设参数中设定的感兴趣标测位点和标测时段(长度通常为5-20秒)选取待分析数据矩阵(一个标测位点的数据为一行)；

3.对待分析数据进行预处理；

4.对预处理后的数据矩阵逐行地进行自相关函数计算(相对位移的范围通常为0-2秒)，归一化后，得到自相关序列；

(如有必要，可以逐个位点地绘制自相关序列分布图，以分析相应的心肌细胞群兴奋的节律状态)

5.在自相关函数序列中搜寻最大峰和次大峰的位置，以两峰的间隔作为信号主导节律兴奋间期的估计，以次大峰的幅度值作为衡量信号规整程度的指标；

6.在记录完所有标测位点信号的节律状态后，以伪彩色图的方式绘制感兴趣区域内主导节律分布图和规整程度分布图。

图4是一张本发明方法应用于心外膜动物实验分析结果示意图。实验数据取自动物心脏中的右心耳部位，数据时间段为动物发生心房颤动(一种复杂心律失常)之后的20秒。分析结果示意图以伪彩色图的形式绘制，各种色彩所代表的数值范围标注在图的右侧。如前所述，自相关主次峰的间隔是信号主导节律部分的兴奋间期的估计。图4a表明AB两个区域内存在高频率兴奋(兴奋间期＜100ms)；而C区域的兴奋间期却明显较AB区域要长。这一现象是符合右心耳电极(B片)与窦房结(窦性节律的兴奋间期通常比异位源的要显著的长)、刺激电极之间的物理位置关系的：动物实验中B片的左上部离上腔静脉最近，而窦房结恰好在上腔静脉与右心房交界处的界沟附近；而刺激电极大致位置正如图中‘0’所示。图4b进一步体现了ABC三个区域的差别。自相关次大峰的幅度是衡量信号规整程度的指标。C区域的信号规整程度最低，A最高，B相对低。图4c是A区域的等时图(激动时刻提取模块7的分析结果)，可以发现在A区域内信号向左下传播的。比较三张图可以确定的是，刺激电极附近可能存在一个异位兴奋源，A区域是心房颤动发生时动物心脏上的异位源发放的兴奋传播的一个优势路径，而C区域同时受到窦房结下传兴奋和异位源上传兴奋的影响。

Claims (4)

1.一种心脏标测信号分析处理装置，由标测电极(1)、多级放大器(2)、数据采集卡(3)、采集模块(4)、信号分析处理单元(5)和输出显示装置(11)组成，其特征在于标测电极(1)、多级放大器(2)、数据采集卡(3)、采集模块(4)和信号分析处理单元(5)依次联接，采集模块(4)和信号分析处理单元(5)的输出端分别连接输出显示装置(11)，其中：

标测电极(1)，用于安放在心脏上的感兴趣区域；

多级放大器(2)，将来自标测电极(1)的微弱的心电标测信号放大到适合后续数据采集卡(3)采集的幅度，并滤除信号中不需要的频率成分；

数据采集卡(3)，对放大后的心电标测信号进行采样，转化为数字信号，并存入采集卡数据缓存中；

采集模块(4)，将采集卡数据缓存中的心脏标测数据读入内存，并定时地存为数据文件；

信号分析处理单元(5)，对心电标测数据进行分析处理；所述信号分析处理单元(5)由预处理模块(6)、激动时刻提取模块(7)、频域分析模块(8)、时域分析模块(9)和非线性分析模块(10)组成，预处理模块(6)、激动时刻提取模块(7)、时域分析模块(9)依次联接，预处理模块(6)的输出端分别连接频域分析模块(8)和非线性分析模块(10)，频域分析模块(8)、时域分析模块(9)和非线性分析模块(10)的输出端分别连接输出显示装置(10)；预处理模块(6)用于去除心脏标测信号中叠加的外部噪声和干扰；激动时刻提取模块(7)旨在从心脏标测信号中提取其对应心肌细胞群兴奋的时刻；时域分析模块(9)分析信号的时域特性；频域分析模块(8)分析信号的频域特性；非线性分析模块(10)从信号中提取更为复杂的非线性信息；

输出显示装置(11)，用于显示心脏标测数据的波形和分析处理结果。

2.根据权利要求1所述的心脏标测信号分析处理装置，其特征在于所述非线性分析模块(10)中包含用于分析心脏标测信号节律状态的节律分析单元(12)。

3.根据权利要求2所述的心脏标测信号分析处理装置，其特征在于所述节律分析单元(12)采用的是自相关函数序列峰值法：将信号自相关函数序列中最大峰与次大峰之间的时间间隔作为该段信号主要节律激动间期的估计，次大峰的幅度值作为该段信号规整程度的衡量指标。

4.根据权利要求1所述的心脏标测信号分析处理装置，其特征在于所述输出显示装置(11)是液晶屏、计算机显示器或报警器中任一种。

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