採用胸導聯重建Frank導聯的方法和裝置的製作方法

2023-12-08 23:30:51

專利名稱：採用胸導聯重建Frank導聯的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電生理學，特別是採用導生的胸導聯(lead)的簡化集合來提供代表人體心電活動的Frank X，Y，Z導聯信號的ECG監測和分析系統。
背景技術：
在近60年，多種檢測和分析人體心臟電活動的診斷方法發展起來，這些方法包括(a)心電圖(electrocardiography)，(b)矢量心動描記術(vectorcardiography)和(c)極譜心動描記術(polarcardiography)，所有這些方法都基於用於記錄心臟所產生電位的有關裝置，人體所產生的電位由放在人體表面的電極來檢測。
這樣產生的記錄是圖形化的，需要將該記錄解釋和分析為有關病人或其他人心臟狀況的結果信息。在歷史上，通過人體到記錄裝置的有線連接直接產生了這種可視圖形記錄。隨著計算機技術的發展，使得產生以數字存儲信息的形式的這種記錄已成為可能，這可用於以後的重現複製及分析用。同樣地，隨著通信技術的發展，不僅使無線檢測成為可能，而且使對所獲取信號進行遙控複製、重現和分析也成為可能。
(a)心動描記術一種常規12導聯心電圖(ECG)的產生包括在人體表面一選定點處10個導聯電極的布置(其中之一為地或參考電極)。每個電極與一個或多個其它電極相結合以檢測各心肌細胞的去極化和再極化所產生的電位。將所檢測出的電位進行組合和處理以生成12條隨電位變化的時間軌跡。這樣生成的軌跡如下


其中，在該標準中，最廣泛使用的用於製作仰臥病人短期心電圖記錄的系統，這些電位如上所述，它們的有關電極位置是vL左臂上電極的電位；vR左臂上電極的電位；vF左腿上電極的電位；v1位於第4肋間隙中右胸骨、前胸上電極的電位；v2位於第4肋間隙中左胸骨、前胸上電極的電位；v4位於第5肋間隙中左鎖骨中線上電極的電位；v3位於v2和v4間中間位置上的電極的電位；v6位於第5肋間隙中左腋中線上電極的電位；v5位於v4和v6電極中間位置上的電極的電位；vG(以上未示出)是地或參考電位，相對於它測出vL、vR、vF和v1-v6。特別地，儘管不一定，但該地或參考電極是放在右腿上的。
由於ECG涉及到熟悉廣泛的各種各樣導聯軌跡中的模式，因此要正確的解釋ECG需要大量經驗。一些採用非常規性導聯繫統的ECG，在解釋常規ECG過程中，必定降低了已經完善的經驗體，也許因此通常被認為是不受歡迎的。只有相當少的熟悉該非常規性系統的人才能理解該記錄信號。
然而，由於測試設備的改進，其它導聯繫統也已經發展起來，這種測試設備的改進允許將心動描記術延伸到能走動的，甚至精力旺盛的運動員中，而且可進行幾小時或甚至幾天的記錄。例如，在應力測試中，儘管採用的電極數目相同，但將電極從雙臂移到了軀幹。通過這種變化，也改變了I、II、III、aVR、aVL和aVF的軌跡。
(b)矢量心動描記術通過用偶極子等量心臟發生器(dipole equivalent cardiacgenerator)代替心臟可以對由心臟電活動而引起的體表上的電位差的模式進行算術逼近。該偶極子的幅度和方向用心矢量來表示，其可隨心跳的周期而連續變化。該心臟的XYZ坐標軸生成隨時間變化的x，y和z信號，其可以被繪成x，y，z軌跡。Ernest Frank研製出產生這些軌跡的正交導聯(參見，一種精確的空間矢量心電圖的臨床應用系統，發行號13737，1956年5月)。Frank用實驗方法測定出每個軌跡的圖像面，由此，涉及了一個採用7個電極和一個地電極的系統。這種電極的常規字母標記和它們各自的位置是E位於前(胸)正中線；M位於後背正中線；I位於右腋中線；A位於左腋中線；C位於前中線和左腋中線的45度處；F位於左腿上；H位於頸背部.
前5個電極(E，M，I，A和C)都位於同一橫向水平上，近似在第4、5肋間隙處。與這些電極相連的線性電阻組合網絡給出合適標度的X，Y和Z電位信號作為輸出。
遺憾地是，x，y和z軌跡不象12導聯ECG那樣容易解釋。然而，Frank試圖將他的這個系統用作另外的目的矢量心電圖。
雖然矢量心電圖已長期成為一個心電圖教學的基礎，但它從未受到廣泛的應用。這項技術的要求很高並且電極布置系統與常規ECG所需系統不同。這要求額外的工作量，分別地用不同的電極布置來記錄12導聯ECG還是很必要的。
(c)極譜心動描記術另一種稱為極譜心動描記術的心矢量表示法，從1960年以來一直使用(見G.E.Dower，極譜心動描記術，Springfield，I11，Thomas，1971)。它在確定異常性方面具有某些固有的優點，形成了用於自動化分析的成熟程序的基礎。根據x，y和z信號，極譜心動描記術採用Frank導聯繫統。為了可以與所建立的12導聯ECG相競爭，採用導聯矢量概念得出了一個電阻網絡，其可將x，y和z信號線性轉換成被稱為導生的12導聯信號的12導聯心電圖信號的模擬量(見G.E.Dower的一種用於Frank導聯繫統的模擬標準12導聯心電圖的導聯合成器，心電學雜誌1101，1968，G.E.Dower，H.B.Machado，J.A.Osborne的從心電矢量導聯得到心電圖，臨床心臟學397，1980；和G.E.Dower的ECGD從VCG導聯得到ECG(Ecitorial)，心電學雜誌17189，1984)。該導生的12導聯ECG一般稱為ECGD。由於ECGD可以被一個解釋醫生接受，因此技術人員不必使用傳統ECG中所需的所有電極。而且，有關的計算機設備可以根據x，y和z的記錄繪出矢量心電圖和其它有用的顯示圖。不過，需要有Frank導聯繫統所需的電極數量。另外，技術人員記錄x，y，z信號所需的工作量大約與一個傳統ECG所需工作量相同。


圖1示出了現有技術的病人監測系統，例如由西門子醫學系統有限公司(Iselin，新澤西)所製造和銷售的，採用SC7000型床邊監測器1，一個無限通信網絡2，和一個多視圖工作站(MVWS3)。如圖所示，肢體導聯電極RA，LA，RL和LL放在病人的標準肢體電極的位置。胸電極V1，V2，V3，V4，V5和V6分別放在病人的Frank電極位置I，E，C，A，M和H上。Frank電極F的基值通過公式F＝((2×導聯II)-(導聯I))/3用代數計算出。
下列線性方程表示了SMS主導聯至X，Y，Z變換的處理步驟5，在床邊監測器1中執行X＝0.610*V4+0.171*V3-0.781*V1 (公式1)Y＝0.437*II-0.218*I+0.345*V5-1.000*V6 (公式2)Z＝0.133*V4+0.736*V5-0.264*V1-0.374*V2-0.231*V3(公式3)在圖2中，表格1是上述公式的矩陣表示法。
在監測器1中，用圖2中表格2所示的簡化的DOWER變換的處理步驟6對採用SMS-主導聯至X，Y，Z變換計算出的X，Y，Z導聯進行轉換。這兩種線性變換結合起來在SC7000床邊監測器中產生一組導生的導聯，其可用在通信網絡2上。用在通信網絡2上的這組導生的導聯包括導生的導聯dV1，dV2，dV3，dV4，dV5和dV6。採用下述的處理步驟7，用一個代數公式在監測器1上導生的出擴增導聯aVR＝-0.5(I+II)aVL＝I-0.5(II)aVF＝II-0.5(I)假定L是一個9×1導聯矩陣，表示在一特殊瞬間的導聯值，L=V1V2V3V4V5V6IIIIII]]>和SMSPrime表示表格1中的3×9變換，Rdower1表示表格2中的9×3變換，該導生的導聯組D(dI，dII，dV1，dV2，dV3，dV4，dV5和dV6)可如下計算D＝RDower·SMSPrime·LMVWS3放在一個遠端位置，例如在一個護士站，接收從床邊監測器1輸出到通信網絡2上的信號作為輸入信號(receives the asinput signals the output signal)。用MVWS3內的一個應用軟體使該組導生的導聯可用於網絡2上，並且採用圖2中的表格3表示的Edenbrandt變換來重構X，Y，Z導聯。
假定N是一個8×1導聯矩陣，表示在一特殊瞬間的導生的導聯值，N=dV1dV2dV3dV4dV5dV6dIIdI]]>而Edenbrandt表示表格3中的3×8變換，該導生的Frank導聯組F(X，Y，Z)可以如下計算F＝Edenbrandt·N採用與在監測器1上導生的擴增(augmented)導聯相同的代數公式導生的MVWS22中的擴增導聯。由於這些公式的輸入實際上是導生的導聯I和II，因此實際上也存在有一些擴增導聯。
在這種ECG應用中，醫生已表現出對抽樣的(即實際上的)肢體導聯的偏愛超過了導生的肢體導聯。遺憾的是，現有工作沒有提供抽樣的肢體導聯的使用。如果用抽樣的肢體導聯代替導生的肢體導聯，則採用表格3所示的Edenbrandt轉換進行Frank X，Y，Z導聯的重建就失敗了。
因此，仍然存在對這種方法和裝置進行改進的需要，用這種改進的方法和裝置可完善用於分析人體心臟活動的Frank X，Y，Z信號，並使用減少了的導生的信號的數目。本發明就滿足這些需要並提供了其它一些相關優越性。特別是，本發明降低了信號傳輸網絡中的帶寬要求，而且減少了重建Frank X，Y，Z導聯信號所用的CPU周期數(不再需要dI、dII信號以及按照這些信號進行的運算，比較表3和表6)。它還允許在系統中保持實際的抽樣肢體導聯，而不是導生的肢體導聯。
發明概述在一種該類型的ECG監測和分析系統中，電極被放於人體上以檢測心臟的電活動，將電極布置為能夠根據所檢測的電活動來構成Frank導聯X，Y，Z的方式，一種將ECG信號轉換成Frank X，Y，Z導聯的方法和裝置，包括一個輸入端，其只對相應於導生的胸導聯dV1，dV2，dV3，dV4，dV5和dV6的一組輸入信號進行響應，一個用於存儲轉換矩陣係數的存儲器和一個輸出端，用於提供與所述轉換矩陣係數施加到所述輸入信號相應的輸出信號，所述輸出信號對應於所述Frank X，Y和Z導聯。
本發明降低了ECG信號通信網絡的帶寬要求並減少了構成Frank導聯所需處理過程的複雜性。本發明的其它特徵及優點還將結合以優選實施例圖示本發明原理的附圖及下列更詳細的描述而更加清楚。
附圖的簡要說明以下附圖示出了該發明，在這些附圖中圖1如前所述示出了一種Frank導聯結構的已有技術的方法和裝置；圖2示出了可用於理解圖1中方法和裝置的表格1-3；圖3示出了本發明Frank導聯結構的方法和裝置；以及圖4示出了可用於理解圖1中方法和裝置的表格4-6；優選實施例的詳述參見圖3，肢體導聯電極RA，LA，RL和LL放置在病人10的真實的肢體導聯位置上。胸電極V1，V2，V3，V4，V5和V6分別放置在病人10的Frank電板位置I，E，C，A，M和H處。Frank電極F的組成將通過下列公式用代數方法計算出F＝((2×導聯II)-(導聯I))/3。
一個西門子SC7000型床邊監測器12用作接收由電極14所檢測到的信號。監測器12內部的信號處理器16包括一個SMS-主導聯到X，Y，Z信號轉換的處理步驟16a，其按照下列線性方程處理主導聯電極信號X＝0.610*V4+0.171*V3-0.781*V1 (公式4)Y＝0.437*II-0.218*I+0.345*V5-1.000*V6 (公式5)Z＝0.133*V4+0.736*V5-0.264*V1-0.374*V2-0.231*V3 (公式6)在圖4中，表格4表示公式4，5和6的矩陣表示法。
採用SMS-主導聯到X，Y，Z變換所計算出的X，Y，Z信號通過處理步驟16b轉換回它們自己本身，該處理步驟16b採用了圖4中表格5所示的簡化的DOWER變換。這兩種線性變換結合起來在SC7000床邊監測器中產生一組可用於網絡的導生的導聯。
然而，按照本發明的原理，該組實際上可網絡用的導生的導聯是一個全部導生的導聯的子集，包括導生的導聯dV1，dV2，dV3，dV4，dV5和dV6。而且，在本發明中，抽樣導聯I，II和III可作成網絡用的(即實際的或真實的導聯)，這可與提供給圖1現有技術中所述網絡用的導生的肢體導聯相比。利用下述的代數組合處理步驟18，用一個代數公式推導生的SC70000床邊監測器上的擴增導聯aVR，aVL，aVFaVR＝-0.5(I+II)aVL＝I-0.5(II)aVF＝II-0.5(I)假定L是一個9×1導聯矩陣，表示了在一特殊瞬間的導聯值，L=V1V2V3V4V5V6IIIIII]]>和SMSPrime表示表4中的3×9變換，RDower表示表5中的9×3變換，該導生的導聯組D(dI，dII，dV1，dV2，dV3，dV4，dV5和dV6)可如下計算D＝RDower·SMSPrime·L然而，如圖3所示，在本發明中只有導生的導聯子集(即dV1-dV2)可與真實的肢體導聯I，II和III一起用於系統網絡20。
將一個西門子多視圖工作站(MVWS)22與網絡連接，MVWS22內的應用軟體處理(耗費)可用於網絡(dV1-dV6)上的這組導生的導聯並採用新「Murray」變換處理步驟24重構X，Y，Z導聯，其以圖4中的表格6所示的矩陣形式來表示。
假定W是一個6×1導聯矩陣，表示在一特殊瞬間的導生的導聯值，W=dV1dV2dV3dV4dV5dV6]]>而「Murray」表示表格6中的3×6變換，該導生的Frank導聯組F(X，Y，Z)可以如下計算F＝Murray·W如圖3中的代數結合處理步驟26所示，用一代數公式導生的MVWS22中的擴增導聯aVR，aVL，aVF。如臨床醫生優選的以及按照本發明，由於代數合處理步驟26的輸入是真實導聯I和II，因此實際上存在一些標準的擴增導聯。
因此，已經示出和描述了一種由導生的胸導聯重建Frank導聯的新方法和裝置，其可實現了所要求的所有的目的和優點。當考慮該說明書和附圖所公開的最佳實施例後，本發明的許多變化、改進、變型和其它用途和應用對於本領域技術人員來說將是很下顯而易見的。例如，雖然在此示出了按照本領域公知的常規技術Frank位置I，E，C，A，M來設置電極，但是也可以允許採用其它的X，Y，Z導聯電極設置，如象美國專利6052615中所述的EASI導聯繫統。
所有不脫離本發明精神和範圍的變化、改進、變型和其它用途和應用都認為是在本專利的範圍內。
權利要求
1.一種提供FrankX，Y和Z導聯的心電圖信號轉換網絡，包括一個輸入端，其只對相應於導生的胸導聯dV1，dV2，dV3，dV4，dV5和dV6的一組輸入信號進行響應。一個用於存儲轉換矩陣係數的存儲器，該轉換矩陣係數由信號輸入端施加到轉換矩陣以產生轉換矩陣輸出信號；以及一個輸出端，用於提供與所述轉換矩陣係數施加到所述輸入信號相應的輸出信號，所述輸出信號對應於所述FrankX，Y和Z導聯。
2.如權利要求1所述的裝置，其中所述輸入信號對應於每個所述胸導聯dV1，dV2，dV3，dV4，dV5和dV6。
3.如權利要求1所述的裝置，其中所述轉換矩陣係數對應於下列值，具有10％容差
4.如權利要求1所述的裝置，其中所述轉換矩陣係數對應於下列值，具有10％容差
5.如權利要求1所述的裝置，其中所述轉換矩陣係數對應於下列值，具有10％容差
6.如權利要求1所述的裝置，其中所述轉換矩陣係數對應於下列值，具有10％容差
7.在一個具有連接到位於第一位置的病人身上可用於獲取心電圖信號的心電圖電極的病人監測系統中，可重建FrankX，Y，Z導聯，一個位於遠離所述第一位置的第二位置處的處理器，其只接收相應於導生的胸導聯dV1，dV2，dV3，dV4，dV5和dV6的輸入信號並將所述信號施加到一轉換矩陣以便提供相應於FrankX，Y，Z導聯的輸出信號。
8.如權利要求7所述的裝置，其中所述處理器是病人心電圖監測器/工作站的一部分，其被連接以通過一通信網絡接收所述輸入信號。
9.如權利要求7所述的裝置，其中所述處理器還至少接收一標準心電導聯I和II以生成標準擴增導聯信號。
10.如權利要求9所述的裝置，其中所述擴增導聯信號至少包括aVR，aVL，aVF。
11.如權利要求7所述的裝置，其中所述處理器還接收一標準心電導聯I、II和III以產生標準的擴增導聯信號。
12.如權利要求11所述的裝置，其中所述擴增導聯信號至少包括aVR，aVL，aVF。
13.一種病人監測系統包括一個與病人連接並放在一起的監測器，用於獲取來自病人的心電圖信號；一個遠離所述病人放置的工作站，用於處理與所述心電圖信號有關的信號；一個通信網絡，用於將與所述已獲取的心電圖信號有關的信號連接到一遠端位置；其中所述工作站包括一個用於提供FrankX，Y和Z導聯的心電圖信號轉換網絡，所述工作站具有一個輸入端，該輸入端通過該通信網絡接收一組只對應於導生的胸導聯dV1，dV2，dV3，dV4，dV5和dV6的輸入信號，一個用於存儲轉換矩陣係數的存儲器，和一個用於提供相應於所述輸入信號的所述轉換矩陣係數的輸出信號的輸出端，所述輸出信號對應於所述FrankX，Y和Z導聯。
14.如權利要求13所述的系統，其中所述工作站還至少接收一真實的心電導聯I和II以生成擴增導聯信號。
15.如權利要求14所述的裝置，其中所述擴增導聯信號至少包括aVR，aVL，aVF。
16.一種病人監測系統包括一個與病人連接並放在一起的監測器，用於獲取來自病人的心電圖信號；一個遠離所述病人放置的工作站，用於處理導生的胸心電圖信號的信號以產生FrankX，Y和Z導聯；和一個通信網絡，用於將與所述已獲取的心電圖信號有關的信號連接到一遠端位置；其中所述通信網絡還與所述工作站連接在一起成一個真實的心電導聯I和II，所述工作站採用所述真實導聯I和II以產生擴增導聯信號。
17.如權利要求16所述的裝置，其中所述擴增導聯信號至少包括aVR，aVL，aVF。
18.如權利要求16所述的裝置，其中所述工作站還使用所述真實導聯I和II來產生心電圖導聯III。
19.一種將導生的胸導聯轉換成FrankX，Y和Z導聯的方法，包括在轉換矩陣中存儲一係數；只將胸導聯dV1，dV2，dV3，dV4，dV5和dV6施加到所述轉換矩陣上；以及提供相應於所述導生的胸導聯的所述轉換矩陣係數程序的輸出信號，所述輸出信號對應於所述FrankX，Y和Z導聯。
20.如權利要求19所述的方法，其中所述轉換矩陣係數對應於下列值，具有10％容差
21.一種用於監測從處於第一位置的病人處所獲取心電信號的方法，由該方法可重建FrankX，Y，Z導聯，包括在遠離所述第一位置的第二位置處設置一個處理器，用於接收只對應於導生的胸導聯dV1，dV2，dV3，dV4，dV5和dV6的輸入信號，和將所述胸導聯信號施加到一轉換矩陣以便提供一組相應於FrankX，Y，Z導聯的輸出信號。
22.如權利要求21所述的方法，其中所述處理器還至少接收一真實心電導聯I和II以生成標準的擴增導聯信號。
23.如權利要求21所述的方法，其中所述擴增導聯信號至少包括aVR，aVL，aVF。
24.一種用於監測從處於第一位置中的病人處所獲取心電信號的方法，包括在遠離所述第一位置的第二位置處設置一個處理器，用於接收作為輸入信號的導生的胸心電圖信號dV1，dV2，dV3，dV4，dV5和dV6以在所述第二位置出產生FrankX，Y，Z導聯。以及用於接收作為輸入信號的真實的(抽樣的)心電圖導聯I和II以在第二位置處產生擴增導聯信號。
25.如權利要求21所述的方法，其中所述輸入信號包括每個胸導聯dV1，dV2，dV3，dV4，dV5和dV6，所述擴增導聯信號包括aVR，aVL，aVF。
全文摘要
在一種該類型的ECG監測和分析系統中,電極被放於人體上以檢測心臟的電活動,將電極布置為能夠根據所檢測的電活動來構成FrankX,Y,Z導聯的方式,一種用於提供FrankX,Y,Z導聯的心電圖信號轉換網絡,包括一個輸入端,其只對相應於導生的胸導聯dV1,dV2,dV3,dV4,dV5和dV6的一組輸入信號進行響應,一個用於存儲轉換矩陣係數的存儲器和一個用於提供與所述轉換矩陣係數施加到所述輸入信號相應的輸出信號的輸出端,所述輸出信號對應於所述FrankX,Y和Z導聯。本發明降低了ECG信號通信網絡的帶寬要求並減少了構成Frank導聯所需處理過程的複雜性。
文檔編號A61B5/04GK1377244SQ00813680
公開日2002年10月30日 申請日期2000年9月28日 優先權日1999年9月29日
發明者W·J·墨累 申請人:美國西門子醫療解決公司