[发明专利]一种基于图总变分约束的无创心脏电生理反演方法

说明书

本发明公开了一种基于图总变分约束的无创心脏电生理反演方法，基于图总变分约束进行了无创心脏电生理反演，图结构的建立考虑了空间不相邻节点之间相似性，充分利用了心肌跨膜电位序列分布的底层特征，同时考虑了电兴奋传播的时间相关性，提供了高精度的心肌跨膜电位序列分布。本发明通过最终得到的心肌跨膜电位的时空分布，可以准确的观察到心肌梗死时的梗死区域位置及边界、异位起搏发生时的起搏点以及其它电活动异常的区域，在临床的诊断及治疗上具有重要的参考意义。本发明可直接同时重建激活的整个序列，而非按照单个时间点的求解。

技术领域

本发明属于心脏电生理反演技术领域，具体涉及一种基于图总变分约束的无创心脏电生理反演方法。

背景技术

心率失常是威胁人类健康的最严重疾病之一，它可发生在心肌梗死之后的疤痕区域，也可自行发病。梗死的边缘区存在异质性，部分存活的细胞和缺血细胞间形成折返回路，极易造成异位起搏，引起心律失常。梗死愈合后，纤维化的细胞形成慢传导区域也会对心室的正常兴奋传递造成影响，边缘区域可能继续扩散影响正常心肌细胞，直至引发心力衰竭。因此，准确的定位梗死的位置与大小，描绘其边缘区，定位异位起搏点，可以揭示患者心律失常的风险，以预防更严重的心脏疾病。

临床上应用较多的识别病变位置的方法为侵入性导管起搏指导法，将导管放置在心内膜中并进行起搏，以模仿所寻求的搏动，然后将预先诊断为异位起搏的心电图的模式与导管起搏产生的心电图进行比较，相似程度最高的即为目标病变点，以此指导后续的消融手术；但这种方法手术时间长，对病人造成的压力较大，对医生的经验要求较高。因此，用无创的方式精准的定位病变区域，可以减少手术的难度与时间，对医生与病人来说都是迫切的需求，是一个十分值得研究的内容。

通过对人体表面测量的电位的数学处理来推断心脏的电信息，我们称之为心电逆问题，这是一个较为困难的问题，它具有物理和数学上的不适定性。由于测量数据的维度(体表电极的数量，通常为12/64/128导联)远小于未知量的维度(心脏上的节点数，约为10³数量级)，得到的解往往是不唯一的。常见的解决方法有基于2范数的吉洪诺夫正则化、基于1范数的总变分正则化、截断最小二乘法等，这些方法以心脏跨膜电位的空间平滑特性作为约束，得到了一定精度的解；但它们大都孤立的研究了某一时间点上整个心脏的电活动，而没有考虑其时间相关性，因此精度不高，且求解一个心动周期内心脏的兴奋传递情况所需的时间随序列长度线性增加，十分耗时。

因此，选取合适的先验条件作为约束，将电位分布的时间相关性与空间特性结合起来，以提高解的精度，降低计算复杂度，是一个十分值得研究的内容。

发明内容

为了解决心脏电生理的反演问题，本发明提供了一种基于图总变分约束的无创心脏电生理反演方法，以心脏节点上的跨膜电位序列分布的相关性构建图结构，增强相同状态心脏节点间的相似性，区分不同状态的节点。

一种基于图总变分约束的无创心脏电生理反演方法，包括如下步骤：

(1)采集病人的64导联体表电位序列以及胸腔CT扫描图像；

(2)根据胸腔CT扫描图像分别建立躯干和心脏的三维网格模型，并在同一坐标系下进行配准；

(3)结合心肌各向异性传导信息，得到心肌跨膜电位与体表电位间的映射关系Φ＝HU，Φ为体表电位序列，U为心肌跨膜电位序列，H为两者间的转换矩阵；

(4)根据上述映射关系，在已知体表电位序列Φ的基础上利用二阶吉洪诺夫正则化求解心肌跨膜电位序列关于电生理反演问题低精度的初始解

(5)根据初始解并考虑各心脏节点状态的相似程度，建立图结构G＝(V,E,W)，其中V为图结构G的顶点集即所有心脏节点的集合，E为图结构G的边集合即记录了心脏节点间的相似程度，W为权重矩阵即为每条边赋予不同的权重值；

(6)根据上述图结构G根据下式计算心肌跨膜电位序列U的图总变分