基于心磁信號的臨床診斷軟件系統(tǒng)

艾海明, 張晏銘，Primin Mykhailo

1 北京開放大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院 （北京 100081）；2 首都體育學(xué)院運動科學(xué)與健康學(xué)院 （北京 100191）；3 北京美爾斯通科技發(fā)展股份有限公司 （北京 101500）

超導(dǎo)量子干涉器是一種無創(chuàng)、非接觸的理想醫(yī)療儀器，具有超高的生物磁場（如與大腦、心臟和其他肌肉相關(guān)的磁場）檢測靈敏度[1]。心磁圖儀是集超導(dǎo)量子干涉器、空間鑒別、計算機信息處理等高新技術(shù)于一體的儀器，具有靈敏度高、無輻射、無創(chuàng)等優(yōu)點。近年來，心磁圖儀檢查已成為一種新型的心臟健康篩查手段[2-3]，臨床診斷有效性主要取決于臨床診斷軟件系統(tǒng)的心磁信號源數(shù)據(jù)獲取與處理、逆向問題求解、心臟場源特征及時空分析等性能。本研究基于9通道心磁圖儀，分析其最新研制的軟件系統(tǒng)（SoftMAG）。

1 軟件系統(tǒng)的架構(gòu)

根據(jù)心磁信號的數(shù)據(jù)流處理過程，我們可以將心磁圖儀臨床診斷軟件系統(tǒng)劃分為相對獨立的階段軟件包：（1）心磁數(shù)據(jù)采集與數(shù)字化、源數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫讀寫存儲、源數(shù)據(jù)預(yù)處理；（2）心動周期時段心磁信號波群分析、場源特征及時空分析、診斷參數(shù)計算確定。第一階段的軟件包輸出的文件格式為二進(jìn)制，主要用于記錄、存儲心臟上方20 cm×20 cm 區(qū)域內(nèi)的36個心磁信號和1個參考心電信號及對P-QRS-T 波群的均值化處理；第二階段的軟件包主要以醫(yī)學(xué)解釋為目的進(jìn)行等磁圖重構(gòu)、逆向方程求解出偶極子模型和（或）電流密度向量分布等數(shù)字信號處理。基于心磁信號的臨床診斷軟件系統(tǒng)的架構(gòu)見圖1，其中第一行對應(yīng)第一階段的軟件包，第二行對應(yīng)第二階段的軟件包，每個軟件包由若干個功能獨立的程序模塊組成。

圖1 基于心磁信號的臨床診斷軟件系統(tǒng)的架構(gòu)

2 心磁信號的初始化處理模塊

本模塊包含3個邏輯上可分離的程序單元：（1）心磁數(shù)據(jù)輸入和記錄單元；（2）心磁數(shù)據(jù)庫操作單元；（3）心磁信號預(yù)處理單元。前兩個單元為獨立的EXE 程序，第三個單元由順序數(shù)據(jù)流處理組成，也可表示為EXE 程序。該模塊中的微控制器程序提供單元之間的數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)庫操作工作模式選取及用戶界面操作等功能。第一個單元提供13通道聯(lián)機心磁數(shù)據(jù)輸入、脫機顯示和存儲等功能，實時控制所需心磁信號的質(zhì)量，防止干擾和調(diào)整心磁圖儀技術(shù)元件參數(shù)。第二個單元有3種工作機制：（1）輸入新患者記錄和（或）新心磁測量記錄，初始化外部數(shù)據(jù)程序單元，并存儲至數(shù)據(jù)庫；（2）提取現(xiàn)有的心磁數(shù)據(jù)，便于進(jìn)一步分析和解釋；（3）記錄與存儲心磁測量案例的研究結(jié)果數(shù)據(jù)庫。

3 心磁信號的預(yù)處理單元

本單元的預(yù)處理算法包括心電信號波形形態(tài)分析算法、心磁信號數(shù)據(jù)濾波算法和P-QRS-T 波群均值化算法。預(yù)處理的第一步為心磁信號和同步心電信號波群形態(tài)分析、P-QRS-T 波群基點和邊界點識別及波群分類確定。由于心磁圖儀在非屏蔽室內(nèi)進(jìn)行心磁信號測量，導(dǎo)致心磁信號源數(shù)據(jù)存在強噪聲，因此，心磁圖儀使用3通道參考矢量磁強計采集附近環(huán)境干擾噪聲[4]，預(yù)處理單元通過自適應(yīng)算法將9通道所采集的心磁信號源數(shù)據(jù)減去磁強計所采集的參考噪聲，使提高心磁信號信噪比上千倍成為可能，還可手動刪除心磁信號質(zhì)量極差的躍變、尖峰、短脈沖等波群。由于噪聲與心磁信號存在弱相關(guān)，因此，心動周期心磁信號波群均值化可降低隨機噪聲水平。

4 心臟場源的時空分析及估計軟件模塊

本軟件模塊算法功能包括20 cm×20 cm 平面區(qū)域36個等間距點心磁信號二維插值、心動周期分析時段選取、等磁圖重構(gòu)、心磁信號波形形態(tài)分析、等磁圖定量分析、基于逆向問題求解方程的偶極子與平面電流密度向量確定、偶極子與電流密度特性計算、不同類型心臟疾病的診斷參數(shù)確定等，具體包含4個邏輯上可分離的程序單元：（1）心磁圖儀心動周期均值化計算單元；（2）心室系統(tǒng)復(fù)極化同態(tài)性分析單元；（3）逆向問題求解場源偶極子模型與平面電流密度向量分布單元；（4）不同類型心臟疾病自動診斷及結(jié)果輸出單元。其中，逆向問題求解需借助雙重積分傅里葉變換實現(xiàn)[5]，心臟疾病自動診斷結(jié)果輸出則采用類似于模式識別的分類算法。

5 小結(jié)

基于心磁信號的心臟健康篩查技術(shù)是一種全新的、迅速發(fā)展的醫(yī)療手段。心磁圖儀既可提供與心電圖相似的心磁信號波形分析方法，也可提供等磁圖、電流密度向量分布等圖示，可更方便、直觀地診斷疾病。經(jīng)驗豐富的臨床醫(yī)師可通過該可視化方式建立個人評判心臟正常與否和各種心臟病理診斷的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則。

總之，本研究分析的SoftMAG 軟件系統(tǒng)有助于國內(nèi)醫(yī)師和醫(yī)工技術(shù)人員進(jìn)行心磁圖儀的臨床應(yīng)用及國產(chǎn)化研究。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ Budnyk MM, Minov YD, Lyakhno VY, et al. Development of improved superconductive axial gradiometers for SQUID biomagnetic application [J]. Low Temp Phys, 2018, 44(233): 308-313.

［2］ Bang WD, Kim K, Lee YH, et al. Reploarization heterogeneity of magnetocardiography predicts long-term prognosis in patients with acute myocardial infarction [J]. Yonsei Med J, 2016, 57(6): 1339-1346.

［3］ Shin ES, Lam YY, Her AY, et al. Incremental diagnostic value of combined quantitative and qualitative parameters of magnetocardiography to detect coronary artery disease [J]. Int J Cardiol, 2017, 228: 948-952.

［4］ Maslennikov YV, Primin MA, Slobodchikov VY, et al. The DCSQUID-based magnetocardiographic systems for clinical use [J]. Physics Procedia, 2012, 36: 88-93.

［5］ Primin MA, Nedayvoda IV. A method and an algorithm to reconstruct the spatial structure of current density vectors in magnetocardiography [J]. Cybern Syst Anal, 2017, 53(3): 485-494.