專利名稱：實時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是建立在以下基礎(chǔ)上的1.心肌細胞內(nèi)外的離子濃度差形成細胞膜內(nèi)外的電位差，細胞外為正電荷，細胞內(nèi)為負電荷，稱為復極化。此時細胞膜內(nèi)外的電位差處于靜息狀態(tài)，不產(chǎn)生動作電位。2.當細胞內(nèi)外的離子濃度變化時，引起細胞膜內(nèi)外電位差的變化，細胞外為負電荷，細胞內(nèi)為正電荷，稱為除極化，即產(chǎn)生了動作電位，并引起心肌收縮。3.除極化的細胞膜與鄰近處于復極化的細胞膜形成一對電偶，電穴在后，電源在前，并逐步擴布至整個心臟。4.除極后的心肌細胞內(nèi)外離子重新恢復到靜息狀態(tài)，引起心肌細胞膜內(nèi)外電位差復極化。與除極相反，產(chǎn)生的電偶其電穴在前，電源在后，并逐步擴布至整個心肌，引起心肌舒張。5.這種電偶運動引起的具有方向性和強度的電位變化稱為心電向量。當瞬間所有心肌細胞上心電向量以矢量相加的原則合成在一起時，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的主要信息，具有三維空間結(jié)構(gòu)，并隨著時間變化，它的方向性和強度也在變化。
綜上所述，我們可以得出這樣的結(jié)論心肌細胞內(nèi)外離子濃度變化引起心肌細胞膜內(nèi)外電位的除極和復極化，在復極和除極過程中，形成心電向量。所有心肌細胞的心電向量，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度隨時間而變化，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。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的方法，其中最有代表性的是美國專利-5803084。它利用計算機成像技術(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到心電向量為終點的顯示方法，無法做到顯示非起始點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)以及實時的顯示。為了說明這一點，我們應(yīng)先了解它的三維空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)1.首先它確定一個空間的原點，并由此原點延伸出X、Y、Z軸和三個面。
2.這個原點以一定的時間間隔延伸出直線與相同時刻的空間心電向量的終點相聯(lián)結(jié)并構(gòu)成心電向量的空間三維結(jié)構(gòu)。
因此，這個原點既是三維空間結(jié)構(gòu)的原點同時又是計算心電向量角度和振幅的起點。由此引發(fā)出的一個問題是，作為心電向量的起點，必須要求是在X、Y、Z軸均為零電位的點。在實際工作中，它只能描述QRS、P、T或ST向量起點是空間零電位的特殊的心電向量，或者假定它們的起點是空間零電位。因此，如果從QRS、P、T向量的中間某一非空間零電位為起點，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向量起點為空間零電位，才能以此為起始點顯示。因此，它無法做到準確的相互比較和實時顯示三維心電圖。
本發(fā)明涉及新的空間三維成像方法和裝置，做到實時動態(tài)顯示心電向量任一時刻、任一時間段、任一形態(tài)的三維空間心電向量結(jié)構(gòu)，還原心肌電活動的三維空間結(jié)構(gòu)的真實原來面目，提供新的實際心電活動診斷工具。
為了達到上述目的，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。三對電極必須要求是相互垂直，并相交于一點，即三維空間的原點。
2.同時記錄心電向量在三對電極上任一時刻的電位值，并將這些電位值經(jīng)放大，隔離，濾波，A/D轉(zhuǎn)換后輸?shù)接嬎銠C中，即∑f(xi，yi，zi，ti)。
3.以實時或經(jīng)處理后的ti時三對電極上記錄的數(shù)據(jù)垂直于相應(yīng)X、Y、Z軸，交于空間一點。
4.將ti時的空間點與ti+1時的空間點用連線相聯(lián)，形成空間向量段。時間間隔越短，越接近真實的三維心臟電活動。
5.將t1，t2，……，ti，ti+1時的空間點，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位置，同時在此基礎(chǔ)上還可以采用相對位置，進一步顯示三維心電向量，用于比較各個心動周期或一個心動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參考點，它或是整個心電向量中的基點(一般是TP向量段中某一點，即復極化心電信號處于靜息狀態(tài)時的某一點，等于或接近于空間零電位)；或是QRS、P、T、ST向量段的起始點(等于或接近于空間零電位)。相對位置的顯示方法與絕對位置的顯示方法相同。這樣用相對位置的顯示方法可以計算或顯示QRS、T、P、ST向量相對于同一個參考點的方向與強度變化?？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度的基本公式如下任一瞬間三維心電向量空間點的絕對位置＝f(xi，yi，zi，ti)；任一瞬間三維心電向量空間點的相對位置＝fr(xi-xc，yi-yc，zi-zc，ti)；任一瞬間三維心電向量空間點的相對位置強度r=(xi-xc)2+(yi-yc)2+(zi-zc)2;]]>任一瞬間三維心電向量空間點的相對位置角度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度的變化和變化率4.顯示兩個向量段夾角變化和夾角變化率5.顯示ST-T向量的空間絕對位置變化和相對位置變化(參考點或是一個心動周期中心向量的基點或ST向量段起點)6.在單一三維空間中同時顯示一維、二維或三維心電向量變化。
此外，本發(fā)明采用三維動畫顯示原理，實時動態(tài)顯示心電向量三維變化(即四維心電向量圖)。它可以以一個或幾個心動周期為單位連續(xù)顯示，并且每個心動周期每個波時段以不同顏色顯示；也可以以一個或幾個向量段連續(xù)顯示。
此外，本發(fā)明可以用鼠標任意旋轉(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。除了三維直角坐標系外，還可以用三維極坐標系來顯示心電向量。
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，用圖表方式進一步顯示。并可以通過計算機網(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，實時、動態(tài)地，真實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的三維結(jié)構(gòu)，還原心肌電活動的原來真實面目，為心電活動的診斷提供新的工具。
下面結(jié)合附圖加以進一步證明

圖1.表示本發(fā)明實時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的三對電極為基礎(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.表示一個心動周期的三維心電向量圖(包括P、QRS、ST、T、TP向量)。
圖4.表示幾個心動周期的三維心電向量圖。
圖5.表示以QRS向量起點，同時又以此起點為相對參考點的QRS向量的三維心電向量圖。
圖6.表示以一個心動周期為單位，實時連續(xù)顯示的一維、二維、三維心電向量圖。
圖7.表示以一定時間為間隔的相鄰兩個心電向量段為單位，實時動態(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，經(jīng)電阻導聯(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，輸入計算機5。用VC++語言，采用計算機窗口技術(shù)，實時數(shù)字信號處理技術(shù)，計算機三維成像技術(shù)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將數(shù)字化的人體心電信號，經(jīng)計算機存儲和處理后，形成三維心電向量圖，12導心電圖，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7輸出。
圖2表明佛蘭克電極系統(tǒng)的三對互相垂直的電極，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電極，構(gòu)成圖2b中三維空間結(jié)構(gòu)的z軸。圖2a中三對電極的交點，構(gòu)成圖2b中三維空間結(jié)構(gòu)的原點。圖2a中的電極14是無關(guān)電極。
以ti瞬間三對電極上的電壓數(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。以同樣方法，建立ti+1瞬間三維心電向量空間的另一點。用連線將兩點聯(lián)接，形成ti-ti+1瞬間三維心電向量段，相當于圖7中三維空間向量段73。如將一個心動周期中的t1，t2，……，ti，ti+1時的空間點，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)三個心動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)三個心動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表明同步實時連續(xù)顯示，一個心動周期的一維，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表明以計算機三維動畫顯示方法，以瞬間三維心電向量段為單位，實時動態(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進行到某一瞬間時的三維心電向量段。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
1.一個動態(tài)實時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，計算機，顯示器和打印機等組成。其特征為A.位于心臟周圍三對電極互相垂直相交于一點，其中相交點做為三維空間結(jié)構(gòu)的原點，左右位的一對電極為三維空間結(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時刻，三對電極上的電位差數(shù)值為依據(jù)，垂直于相應(yīng)的X、Y、Z軸，并相交于一點，形成空間心電向量的點。以ti+1時刻，用同樣方法構(gòu)成空間心電向量的另一點。用連線將兩點連接，構(gòu)成空間心電向量段，它具有三維空間的位置，方向和強度。C.將t1，t2，……，ti，ti+1時刻的空間心電向量點用上述方法兩兩相連接，構(gòu)成實時、連續(xù)、動態(tài)的，具有空間位置、方向和強度的三維心電向量。
2.在權(quán)利要求1.基礎(chǔ)上，可以在三維空間相對位置上顯示三維心電向量，其特怔為A.選擇一個相對參考點，或是PT段上某一點(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，其表達式為f(xc，yc，zc)。B.以ti時刻，三對電極上電位數(shù)值，減去參考點的電位數(shù)值，形成ti時刻，新的相對的三維空間點。表達式為f(xi-xc，yi-yc，zi-zc，ti)。然后用相同方法，于t1，t2，……，ti，ti+1時刻，形成新的相對的三維空間點，并用連線將其三維空間點，兩兩相連接，構(gòu)成相對于參考點的三維心電向量結(jié)構(gòu)。它或是以P、QRS、T、ST向量段為單位，也可以一個心動周期為單位顯示。C.計算相對于參考點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、強度變化和強度變化率、兩心電向量段夾角變化和變化率、S-T向量的空間絕對位置變化和相對位置變化(其參考點或是一個心動周期中某點或是ST向量段起點)。
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畫原理，以每秒25-50幀，實時動態(tài)顯示三維心電向量的變化。它可以一個或幾個心動周期為單位顯示，也可以一個或幾個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，其特征包括同時顯示十二導心電圖、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。以相互垂直的三對電極為基礎(chǔ)構(gòu)成三維空間,其中三對電極的交點為三維空間的原點,三對電極分別代表三維空間的X,Y,Z軸。以三對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。并可以實時地同步顯示一維,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