[发明专利]一种基于低秩稀疏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低秩稀疏约束的无创心脏电生理反演方法，该方法根据心脏跨膜电位分布的时空相关性先验条件，将跨膜电位的时空分布图分解为表示平滑电位成分的低秩矩阵和表示电位突出细节的稀疏矩阵，通过引入低秩约束和稀疏约束将心电病态逆问题的解约束到唯一最优解。本发明结合研究对象个性化的三维心脏模型，得到研究对象心脏跨膜电位的三维动态分布影像，具有重要的实际应用价值。

技术领域

本发明属于心脏电生理分析技术领域，具体涉及一种基于低秩稀疏约束的无创心脏电生理反演方法。

背景技术

随着医学水平的不断发展，大量心脏疾病的诊断方法被提出并应用于临床诊断，这些方法主要分为侵入式和非侵入式两大类。侵入式心脏电生理成像技术最常用的包括Ensite系统和CARTO系统等，其中CARTO系统通过磁场定位技术对心脏进行三维电解剖标测，Ensite系统通过腔内电极探测腔内电场，采用拉普拉斯方程逆运算法得到心脏电位分布；侵入式方法能够较准确地提供心脏内部结构和电位信息，但是手术中的病人存在一定的风险。

非侵入式方法中最广泛应用于临床医学的是心电图描记法，心电图描记法通过在胸腔表面放置电极记录体表电位的变化，医生通过心电图波形的形状、振幅和时序变化可以大致推断出心脏的电生理活动是否存在异常。由于心电图描记法的便捷和安全性，使其成为临床诊断中非常重要的手段，但心电图描记法也存在明显的不足，体表电位变化只是心脏电生理活动的粗略映射，医生只能根据经验主观推断，不能精确定位病灶点的具体位置和形状。

为了提高非侵入式方法诊断的精确性，产生了一系列基于特定电生理先验条件的无创电生理成像的计算方法，通过体表电位记录和三维心脏模型重构出跨膜电位在心脏的空间分布和时序变化，其中吉洪诺夫正则化方法是计算病态线性逆问题的经典的单参数方法，0序吉洪诺夫对应于最小能量解估计，1序吉洪诺夫对应于最光滑解估计，2序吉洪诺夫对应于最平滑解估计。此外，还有截断奇异值、L1范数和全变分等计算方法也应用于心电逆问题的求解，但是以上方法都是基于单个先验条件(如跨膜电位的平滑性)来对解进行约束，且只利用了单帧电位信号的空间分布特点，然而病变的心脏具有更复杂的时空分布特性，单一的空间平滑约束具有一定的局限性。因此，探索更复杂的心脏电生理先验条件，更好地利用跨膜电位的时空分布特性来重构出符合真实情况的心脏电位分布，是一个十分有意义的研究问题。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于低秩稀疏约束的无创心脏电生理反演方法，该方法利用了心电分布的时空相关性，将心脏跨膜电位的时空分布图像分解为代表平滑背景的低秩矩阵和表示突出细节的稀疏矩阵，由此克服心电逆问题的物理病态性，将解约束到唯一的最优估计。

一种基于低秩稀疏约束的无创心脏电生理反演方法，包括如下步骤：

(1)采集研究对象的体表电位数据(64导联及64导联以上的)以及胸腔断层扫描影像数据；

(2)基于所述胸腔断层扫描影像数据分别建立研究对象的三维躯干几何模型和三维心脏几何模型，进而将三维躯干几何模型和三维心脏几何模型统一到同一个坐标系下，得到三维心脏-躯干模型；

(3)根据心脏与躯干的几何关系建立心脏-躯干准静态电场模型，利用边界元方法求解该电场模型即计算心电正问题，得到心脏跨膜电位到体表电位的映射关系即Φ＝HU，H为映射矩阵，U为心脏跨膜电位矩阵，Φ为体表电位矩阵；

(4)对所述体表电位数据进行预处理；

(5)根据所述映射矩阵H建立体表电位到心脏电位的逆问题求解模型并引入低秩和稀疏约束，进而对预处理后的体表电位数据进行反演即求解心电逆问题，重建出跨膜电位在三维心脏几何模型上的分布数据。