一种基于SERF原子磁强计的心磁三维源位置估计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于SERF原子磁强计的心磁三维源位置估计方法，包括：使用SERF原子磁强计阵列检测被试者心磁信号，依次进行心磁正向问题模块，心磁信号预处理模块，心磁逆向问题模块，最终实现了心磁三维源位置估计。本发明专利技术提出的方法相比于基于超导量子干涉仪的心磁源位置估计方法，具有的优点是定位精度高、适用范围大、空间分辨率高、可靠性高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SERF原子磁强计的心磁三维源位置估计方法
本专利技术属于生物医学信号分析领域，涉及一种基于SERF(SpinExchangeRelaxationFree，无自旋交换弛豫)原子磁强计的心磁三维源位置估计方法。
技术介绍
基于SERF原子磁强计的心磁成像是一种新型心脏检测方法，具有无创、无辐射、非接触、室温下工作、高灵敏度、高时间分辨率的特点。研究表明，基于SERF原子磁强计的心磁成像在心律失常、心肌缺血、胎儿心脏等疾病诊断方面优于心电等其他检测方法，有较高的医学研究和应用价值。基于SERF原子磁强计的心磁三维源位置估计方法是基于SERF原子磁强计的心磁成像技术的应用之一，其原理是将心脏内部电传导活动等效为一定数量的电流源活动，根据SERF原子磁强计阵列测得被试者体表心磁信号进行逆向问题方程求解，得到心脏内部等效电流源的位置、方向和幅值，由该信息标测出心脏异常电活动源，从而指导导管消融或无创消融手术。随着基于SERF的原子磁强计的研制成功，实现双轴或三轴测量微弱磁场信号，该磁强计用于心磁的高精度三维源位置估计。相比于SQUID(SuperconductingQuantumInterferenceDevice，超导量子干涉装置)磁强计，SERF原子磁强计可以在室温工作，并且传感器体积可以做的更小，可以实现更高空间分辨率的源位置估计。目前心磁三维源位置估计方法具有一定的局限性，主要是定位精度低、适用范围小、空间分辨率低、可靠性低。因此，如何提供一种基于SERF原子磁强计的心磁三维源位置估计方法，以解决现有心磁三维源位置估计的局限性，已成为本领域从业者亟待解决的技术问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于SERF原子磁强计的心磁三维源位置估计方法，用于解决现有技术中心磁三维源位置估计方法的定位精度低、适用范围小、空间分辨率低、可靠性低的问题。为实现上述目的及其他的相关目的，本专利技术提供一种基于SERF原子磁强计的心磁三维源位置估计方法，所述方法包括以下步骤：步骤一，根据被试者的医学结构图像信息，进行心磁前向问题模块，包括先建立针对被试者的个性化的心脏-双肺-躯干物理模型，然后把心脏-双肺-躯干物理模型坐标系与SERF原子磁强计阵列坐标系进行配准，最后根据心脏-双肺-躯干物理模型和配准信息来计算心磁引导场矩阵。心磁前向问题模块得到的心磁引导场矩阵用于心磁逆向问题模块中的逆问题方程求解。步骤二，在心磁信号预处理模块，采用SERF原子磁强计阵列采集心磁信号并进行心磁信号处理，得到高信噪比的心磁信号、二维伪电流密度图和二维心磁地形图，所述心磁信号预处理模块包括先使用SERF原子磁强计阵列采集心磁信号，然后对采集的原始心磁信号进行初步处理，得到高信噪比的心磁信号，再根据高信噪比的心磁信号进行绘制二维伪电流密度图和二维心磁地形图。步骤三，根据步骤一得到的心磁引导场矩阵和步骤二得到的高信噪比的心磁信号、二维伪电流密度图和二维心磁地形图，进行心磁逆向问题模块，所述心磁逆向问题模块包括建立基于心脏等效源模型，然后根据心脏等效源模型，以及步骤一和二得到的心磁引导场矩阵、高信噪比的心磁信号、二维伪电流密度图和二维心磁地形图信息进行逆问题方程求解，得到源位置三维坐标，最后把得到源位置三维坐标投影到心脏-双肺-躯干几何模型中，这就实现了基于SERF原子磁强计的心磁源位置估计。步骤一中的心脏-双肺-躯干物理模型为心脏-双肺-躯干几何模型通过边界元或者有限元方法建立的。所述建立针对被试者的心脏-双肺-躯干物理模型包括：根据获取被试者完整一个心跳周期的医学结构图像进行分割，提取出心脏、双肺和躯干的轮廓，再重建出心脏-双肺-躯干完整一个心跳周期三维几何模型，利用边界元或者有限元方法建立心脏-双肺-躯干的物理模型。所述用SERF原子磁强计阵列采集心磁信号时，SERF磁强计阵列布置在被试者胸前、后背、身体右侧和身体左侧，并分别在4个传感器阵列中心正上方40cm-45cm位置放置一个SERF原子磁强计作为参考传感器，用于测量周围环境的磁噪声。所述对采集的原始心磁信号进行初步处理包括以下步骤：对心磁原始信号进行去除坏道，去除工频噪声，去除心磁伪迹信号，修正基线漂移，差分消除共模噪声，基于经验模态分解的阈值降噪处理，得到高信噪比的心磁信号。所述逆问题方程求解中加入约束条件，对步骤二得到的二维伪电流密度图和二维心磁地形图进行源位置判别分析，得到源坐标所在的区域，使用该源坐标所在的区域作为逆问题方程求解的约束条件，以此来避免源位置估计中出现较大的误差。所述建立基于心脏等效源模型，包括根据疾病特征选择不同的偶极子组成类型，如：等效电流偶极子、等效磁偶极子、混合偶极子，以及偶极子个数。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术所述的一种基于SERF原子磁强计的心磁三维源位置估计方法使用SERF原子磁强计阵列检测被试者心磁信号，依次进行心磁正向问题模块，心磁信号预处理模块，心磁逆向问题模块，最终实现了心磁三维源位置估计，具有的优点是定位精度高、适用范围大、空间分辨率高、可靠性高。传统心磁源位置估计是一个心跳周期中某一时刻的静态心脏-躯干的物理模型，其源位置估计没有考虑被试者呼吸以及心脏收缩或舒张带来的位置误差；本专利技术中由于建立完整一个心跳周期的心脏-双肺-躯干的物理模型，从而消除了被试者呼吸以及心脏收缩或舒张带来的位置误差，从而提高了源位置估计精度。传统心磁源位置估计中心磁传感器阵列只是布置在被试者胸前，这会使得心磁传感器阵列检测到被试者靠近背部的心脏信号幅值较小，并且信噪比低，导致心磁源位置估计的精度在心脏不同区域分布不一样，在靠近心磁传感器阵列源位置估计精度较高，在远离心磁传感器阵列源位置估计精度较低，即高精度源位置估计的适用范围小；本专利技术中SERF磁强计阵列布置在被试者胸前、后背、身体右侧和身体左侧，保证可以采集到心脏所有区域较高信噪比的心磁信号，从而使得高精度的心磁源位置估计适用范围大，覆盖整个心脏区域。传统心磁源位置估计中心磁传感器阵列只有一个，布置在胸前，采集心磁信号数量少，并且使用基于超导量子干涉仪的心磁传感器，其传感器体积(圆柱，直径为14mm)较大，导致传感器阵列密度较低，从而使得心磁源位置估计的空间分辨率不高；本专利技术中，同时布置4个传感器阵列，大大提高采集心磁信号的数量，并且使用SERF原子磁强计作为心磁传感器，其传感器体积(立方体，底面尺寸为6.2*12.4mm)较小，可以实现高密度阵列排布，由此可以提高心磁源位置估计的空间分辨率。传统心磁源位置估计中没有布置参考传感器用于消除共模噪声，由此会使得心磁信号中具有共模噪声，从而降低心磁信号的信噪比，导致心磁源位置估计的可靠性不高；本专利技术中加入4个参考传感器，分别位于4个传感器阵列中心正上方40cm-45cm位置，在对采集的原始心磁信号进行初步处理中进行差分等处理，消除共模噪声，得到高信噪比的心磁信号，提高了源位置估计算法的可靠性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于SERF原子磁强计的心磁三维源位置估计方法，其特征在于，所述方法过程分类三个模块，分别是心磁前向问题模块，心磁信号预处理模块，心磁逆向问题模块，具体如下：/n(1)根据被试者的医学结构图像信息，进行心磁前向问题模块，包括先建立针对被试者的个性化的心脏-双肺-躯干物理模型，然后把心脏-双肺-躯干物理模型坐标系与SERF原子磁强计阵列坐标系进行配准，最后根据心脏-双肺-躯干物理模型和配准信息来计算心磁引导场矩阵，心磁前向问题模块得到的心磁引导场矩阵用于心磁逆向问题模块中的逆问题方程求解。/n(2)在心磁信号预处理模块，采用SERF原子磁强计阵列采集心磁信号并进行心磁信号处理，得到高信噪比的心磁信号、二维伪电流密度图和二维心磁地形图，所述心磁信号预处理模块包括先使用SERF原子磁强计阵列采集心磁信号，然后对采集的原始心磁信号进行初步处理，得到高信噪比的心磁信号，再根据高信噪比的心磁信号进行绘制二维伪电流密度图和二维心磁地形图。/n(3)根据步骤(1)得到的心磁引导场矩阵和步骤(2)得到的高信噪比的心磁信号、二维伪电流密度图和二维心磁地形图，进行心磁逆向问题模块，所述心磁逆向问题模块包括建立基于心脏等效源模型，然后根据心脏等效源模型，以及步骤(1)和(2)得到的心磁引导场矩阵、高信噪比的心磁信号、二维伪电流密度图和二维心磁地形图信息进行逆问题方程求解，得到源位置三维坐标；最后把得到源位置三维坐标投影到心脏-双肺-躯干几何模型中，实现基于SERF原子磁强计的心磁源位置估计。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于SERF原子磁强计的心磁三维源位置估计方法，其特征在于，所述方法过程分类三个模块，分别是心磁前向问题模块，心磁信号预处理模块，心磁逆向问题模块，具体如下：
(1)根据被试者的医学结构图像信息，进行心磁前向问题模块，包括先建立针对被试者的个性化的心脏-双肺-躯干物理模型，然后把心脏-双肺-躯干物理模型坐标系与SERF原子磁强计阵列坐标系进行配准，最后根据心脏-双肺-躯干物理模型和配准信息来计算心磁引导场矩阵，心磁前向问题模块得到的心磁引导场矩阵用于心磁逆向问题模块中的逆问题方程求解。
(2)在心磁信号预处理模块，采用SERF原子磁强计阵列采集心磁信号并进行心磁信号处理，得到高信噪比的心磁信号、二维伪电流密度图和二维心磁地形图，所述心磁信号预处理模块包括先使用SERF原子磁强计阵列采集心磁信号，然后对采集的原始心磁信号进行初步处理，得到高信噪比的心磁信号，再根据高信噪比的心磁信号进行绘制二维伪电流密度图和二维心磁地形图。
(3)根据步骤(1)得到的心磁引导场矩阵和步骤(2)得到的高信噪比的心磁信号、二维伪电流密度图和二维心磁地形图，进行心磁逆向问题模块，所述心磁逆向问题模块包括建立基于心脏等效源模型，然后根据心脏等效源模型，以及步骤(1)和(2)得到的心磁引导场矩阵、高信噪比的心磁信号、二维伪电流密度图和二维心磁地形图信息进行逆问题方程求解，得到源位置三维坐标；最后把得到源位置三维坐标投影到心脏-双肺-躯干几何模型中，实现基于SERF原子磁强计的心磁源位置估计。


2.根据权利要求1所述的一种基于SERF...

【专利技术属性】
技术研发人员：马辛，韩晓乐，杨艳菲，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11