本技术公开了一种基于可学习下降算法的心脏电生理成像重建方法,能够实现从体表电位BSP到心肌跨膜电位TMP的重建,与传统的图像层面的正则化方法相比,本发明具有更好的正则效果,并且可以学习到测量数据中的先验信息。此外,与直接用神经网络替换正则项的方法相比,本发明可解释性更强,并且具有更少的参数量,因此非常适合临床应用,可信度更高。通过对于心肌缺血和异位起搏疾病进行心肌跨膜电位重建,根据各项评价指标证明了本发明的优越性,与其他方法相比,实验过程中本发明与真值更加接近,重建效果更加精确。
背景技术
心脏病是发病率和死亡率较高的常见疾病。获取心脏电生理信号对心脏疾病的诊断和治疗非常重要。目前现代临床医学对于心脏疾病的诊断主要可分为非侵入式和侵入式两种,其中侵入式诊断可以精确地诊断心脏疾病的类型及定位心脏疾病的病灶,但这种有创的诊断方式必须将仪器放入人体内,对患者的健康带来危害,存在一定的安全隐患。
随着医学的进步,目前已发展出了无创心脏电生理成像(ElectrocardiographicImaging,ECGI)技术,由体表测得心电图信号作为心脏表面电位的直接映射,通过多导联心电信号和心脏躯干几何模型逆向重建得到心脏表面电信号,无创心电成像相比于侵入式诊断对于改善对病人的诊断和治疗具有重大的临床意义。ECGI获取的心脏电信号即为心肌跨膜电位(Transmembrane Potential,TMP),指的是心脏细胞膜内外的电势差,其经过从心脏胸腔导体模型,在体表测得的电压即体表电位(Body Surface Potentials Map,BSP),比如我们所熟悉的标准12导联心电图(Electrocardiographic,ECG)。根据12导联心电图观测,医生可以初步判断患者心血管疾病的类型和位置。然而,这种判断是基于医生的经验和知识,并不具备十分准确的特点。且BSP仅为心脏电信号的间接测量,仅能对心脏状态进行粗略评估。TMP可以根据电压的幅值显示出梗死的区域和起搏的位置,TMP重建成像与其相比对疾病的诊断更有优势。
通过体表电位BSP反向重建心脏表面电位TMP属于心电逆问题,但心脏表面节点数量远大于体表电位的导联数量,会存在无穷多个解,所以是一个病态的逆问题。将TMP从高维度压缩到低维度进行逆向求解,信息必然会有所丢失。需要引入更多的先验信息进行求解。在求解ECG逆问题中,常见的方法框架分为三大类:1.基于传统迭代优化方法;2.基于数据驱动的深度学习方法;3.基于数学模型的深度学习方法。
Tikhonov方法是最为经典的传统正则化方法之一,可得到大致的解,但由于没有利用心肌跨膜电位时间序列各帧之间的相关性,得到的结果通常过于平滑,信息丢失过大,不利于疾病的诊断。变分自编码器(Variational Autoencoders,VAE)是一个生成模型,可以从大量的数据特征中学习出潜在的数据分布,但缺少生理模型约束,对于数据质量和数量的要求高。
实现思路