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(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)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(diǎn)。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(hào)源數(shù)據(jù)獲取與處理、逆向問題求解、心臟場源特征及時(shí)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(hào)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(duì)獨(dú)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(chǔ)、源數(shù)據(jù)預(yù)處理；（2）心動(dòng)周期時(shí)段心磁信號(hào)波群分析、場源特征及時(shí)空分析、診斷參數(shù)計(jì)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(chǔ)心臟上方20 cm×20 cm 區(qū)域內(nèi)的36個(gè)心磁信號(hào)和1個(gè)參考心電信號(hào)及對(duì)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(hào)處理?；谛拇判盘?hào)的臨床診斷軟件系統(tǒng)的架構(gòu)見圖1，其中第一行對(duì)應(yīng)第一階段的軟件包，第二行對(duì)應(yīng)第二階段的軟件包，每個(gè)軟件包由若干個(gè)功能獨(dú)立的程序模塊組成。

圖1 基于心磁信號(hào)的臨床診斷軟件系統(tǒng)的架構(gòu)

2 心磁信號(hào)的初始化處理模塊

本模塊包含3個(gè)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(hào)預(yù)處理單元。前兩個(gè)單元為獨(dú)立的EXE 程序，第三個(gè)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(gè)單元提供13通道聯(lián)機(jī)心磁數(shù)據(jù)輸入、脫機(jī)顯示和存儲(chǔ)等功能，實(shí)時(shí)控制所需心磁信號(hào)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(gè)單元有3種工作機(jī)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(chǔ)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(chǔ)心磁測量案例的研究結(jié)果數(shù)據(jù)庫。

3 心磁信號(hào)的預(yù)處理單元

本單元的預(yù)處理算法包括心電信號(hào)波形形態(tài)分析算法、心磁信號(hào)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(hào)和同步心電信號(hào)波群形態(tài)分析、P-QRS-T 波群基點(diǎn)和邊界點(diǎn)識(shí)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(hào)測量，導(dǎo)致心磁信號(hào)源數(shù)據(jù)存在強(qiáng)噪聲，因此，心磁圖儀使用3通道參考矢量磁強(qiáng)計(jì)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(hào)源數(shù)據(jù)減去磁強(qiáng)計(jì)所采集的參考噪聲，使提高心磁信號(hào)信噪比上千倍成為可能，還可手動(dòng)刪除心磁信號(hào)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(hào)存在弱相關(guān)，因此，心動(dòng)周期心磁信號(hào)波群均值化可降低隨機(jī)噪聲水平。

4 心臟場源的時(shí)空分析及估計(jì)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(gè)等間距點(diǎn)心磁信號(hào)二維插值、心動(dòng)周期分析時(shí)段選取、等磁圖重構(gòu)、心磁信號(hào)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(jì)算、不同類型心臟疾病的診斷參數(shù)確定等，具體包含4個(gè)邏輯上可分離的程序單元：（1）心磁圖儀心動(dòng)周期均值化計(jì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)[5]，心臟疾病自動(dòng)診斷結(jié)果輸出則采用類似于模式識(shí)別的分類算法。

5 小結(jié)

基于心磁信號(hào)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(hào)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(yàn)豐富的臨床醫(yī)師可通過該可視化方式建立個(gè)人評(píng)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.