一种仿真心电图生成方法、系统、设备及存储介质

本发明涉及仿真心电图，尤其涉及一种基于心脏综合电向量仿真和回归变换矩阵的仿真心电图生成方法、系统设备及存储介质。

背景技术：

1、心电图是心血管病临床诊断和计算机辅助诊断的重要依据。现有的心电图数据库存在少标签、类不平衡等问题，仿真心电图生成有助于研究心血管疾病心电特征变化规律，改善心电图数据库质量，从而有效提升计算机辅助诊断的准确率，极具现实意义。

2、现有的仿真心电图生成方法包含神经网络法如条件生成对抗网络，数学拟合法如耦合常微分方程动态拟合，以及心脏电生理仿真法等。现有神经网络法和数学拟合法虽然能够保留心电图的基本特征，但其缺乏可拓展性，仅能应用于单一病类仿真心电图生成，而且生成过程缺乏生理可解释性，未能实现对人体心电生理机制的仿真。现有的心脏电生理仿真法虽然具有可拓展性和生理可解释性，但时间复杂度较高，且缺乏拟真度验证。

3、申请号为202111572391.0、名称为《模拟心电图数据生成的方法、系统、设备及存储介质》的发明专利，公开了如下技术方案：根据单个心动周期各波形信号类似于正弦波或尖波的特点，设计各波形的数学模型，再根据待模拟的心电图数据的特征确定各波形的具体参数，将数学模型与具体参数结合得到各波形的具体图形，将各波形的具体图像相连得到每个心动周期的心电图，由所有心动周期的心电图按照顺序连接即可获得整个心电图数据或心电图；正弦波是频率成分最为单一的一种信号，任何复杂信号均可以看成由许许多多频率不同、大小不等的正弦波复合而成，因此利用待模拟的心电图数据各波形的具体参数和数据模型可以模拟任意复杂的心电图数据，解决了心电图数据获取困难的问题，利用数据模型生成心电图数据可逼近真实。该专利即为基于数学拟合的仿真心电图生成方法，缺乏可拓展性和生理可解释性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种仿真心电图生成方法、系统设备及存储介质，能够基于心脏电生理仿真模型生成仿真心电向量图，结合仿真心电向量图与仿真心电图之间的回归变换矩阵，快速生成具有高拟真度的仿真心电图。

2、本发明采用下述技术方案：

3、一种仿真心电图生成方法，依次包括以下步骤：

4、a：构建心脏电生理仿真模型，并利用心脏电生理仿真模型生成参数估计仿真实验的体表心电计算公式；心脏电生理仿真模型包括细胞尺度和组织尺度电生理子模型，以及心室-躯干尺度结构仿真子模型；

5、b：利用步骤a中构建的心脏电生理仿真模型进行参数估计仿真实验，计算仿真心电向量图与仿真心电图之间的最佳回归变换矩阵；

6、c：基于步骤a中构建的心脏电生理仿真模型进行心脏综合电向量仿真，并利用步骤b中得到的最佳回归变换矩阵，生成仿真心电图。

7、所述的步骤a包括以下具体步骤：

8、a1：在细胞尺度进行电生理建模，构建基于心脏电生理实验数据的细胞尺度电生理子模型；

9、细胞尺度电生理子模型用于生成正常态、病变初态、病变过渡态和病变完全态且具有透壁异质性的心肌细胞动作电位，模拟心血管病不同时期的心肌细胞病理特征变化规律；

10、a2：在组织尺度进行电生理建模，构建基于概率驱动元胞自动机的组织尺度电生理子模型，并设计病变心室肌组织动态演化规则；

11、组织尺度电生理子模型用于基于元胞自动机的状态演化规则，模拟兴奋在心肌组织中的传播规律；病变心室肌组织动态演化规则，用于模拟心血管病不同时期的心肌组织病理特征变化规律；

12、a3：在器官躯干尺度进行电生理建模，构建心室-躯干尺度结构仿真子模型，心室-躯干尺度结构仿真子模型包括心室结构仿真子模型和躯干结构仿真子模型；

13、其中，心室结构仿真子模型，用于通过构建心室元胞空间，仿真临床患者的三维心室结构；躯干结构仿真子模型，用于仿真临床患者的三维躯干结构；

14、a4：构建参数估计仿真实验的体表心电计算公式；

15、将相邻元胞形成的相邻元胞膜简化为电偶极层，利用电偶极层的场点电势计算公式，计算出动作电位传播仿真过程中每一面相邻元胞膜对场点的电势贡献；将每一时刻心室元胞空间内所有相邻元胞膜的场点电势贡献求和，获取场点时变电势信号，再利用临床标准12导联心电计算方法，最终构建得到参数估计仿真实验的体表心电计算公式。

16、所述的步骤b包括以下具体步骤：

17、b1：对心室-躯干尺度结构仿真子模型参数进行特异性取值条件设定，并对病变心室肌组织动态演化规则进行特异性病期状态设定，然后利用步骤a中构建的参数估计仿真实验的体表心电计算公式生成特异性仿真心电图；

18、b2：在与步骤b1相同的特异性取值条件和特异性病期状态下，通过心脏综合电向量仿真生成特异性仿真心电向量图；

19、b3：循环重复步骤b1和b2至设定的循环次数，获取设定数量的特异性仿真心电图和特异性仿真心电向量图；

20、b4：将步骤b3中得到的特异性仿真心电图当作因变量，将得到的特异性仿真心电向量图当作自变量，利用最小二乘法多线性回归与平均运算计算最佳变换矩阵；

21、心电图和心电向量图之间的计算公式为：ecg＝mt*vcg；其中，m为心电图ecg和心电向量图vcg之间的变换矩阵，利用最小二乘法多线性回归计算变换矩阵的公式为：m＝(vcgt*vcg)-1*vcgt*ecg；最后将多次实验计算获得的变换矩阵进行平均运算，获得最佳变换矩阵

22、所述的步骤c包括以下具体步骤：

23、c1：在与步骤b1相同的特异性取值条件和特异性病期状态下，基于步骤a中构建的心脏电生理仿真模型，进行心脏综合电向量仿真；并利用步骤b2中的仿真的心电向量图的计算公式，仿真生成仿真心电向量图vcg；

24、c2：利用步骤c1中得到的仿真心电向量图vcg，利用步骤b中得到的最佳回归变换矩阵生成仿真心电图ecg；计算公式为：

25、c3：利用设定的仿真心电图拟真度评分规则、随机抽样选取条件下符合仿真要求的仿真心电图的比例及设定的比例阈值，对步骤a中构建的心脏电生理仿真模型进行参数调整，直至随机抽样选取条件下符合仿真要求的仿真心电图的比例达到设定的比例阈值，完成模型矫正；

26、c4：利用矫正后的心脏电生理仿真模型，进行仿真心电图的生成。

27、所述的步骤c3包括以下具体步骤：

28、c31：定义仿真心电图的拟真度评分规则；

29、首先，用小波分析法分别定位采样率相同的仿真心电图和临床真实心电图的r波，并将心电图切割成qrs复合波居中的单次心跳心电图，以对准两个心电图信号；

30、其次，在心电信号时间中点后120ms处切割心电图，分为两个待比较的心电片段，两个待比较的心电片段分别主要包含qrs复合波和t波；

31、最后，测量qrs复合波心电片段和t波心电片段的dtw-gra距离；在分别计算qrs复合波心电片段和t波心电片段的dtw-gra距离后，定义两个距离的加权和为最终的心电距离d；

32、

33、其中，α和β分别代表qrs复合波心电片段的dtw-gra距离权重和t波心电片段的dtw-gra距离权重，γ1和γ2分别代表qrs复合波心电片段的gra系数权重和t波心电片段的gra系数权重；dreal代表12导联真实心电图内的距离分布，dsim代表仿真心电图到真实心电图的距离分布，定义仿真心电图的拟真度得分公式如下：

34、

35、其中，e(dreal)代表dreal的平均值，e(dsim)代表dsim的平均值；

36、c32：进行仿真心电图拟真度分析与模型矫正；

37、随机选取步骤c2中生成的仿真心电图，利用步骤c31的拟真度评分规则进行拟真度分析，若仿真心电图的拟真度得分大于0.9，则认为仿真心电图是与临床真实心电图距离相近的、特征分布相似的以及符合仿真要求的；否则为不符合仿真要求的；

38、随机抽样选取若干仿真心电图并分别进行拟真度得分计算，若在随机抽样选取的仿真心电图总数中，符合仿真要求的仿真心电图的比例大于设定的比例阈值，则判定心脏电生理仿真模型无需矫正；否则判定心脏电生理仿真模型需进行模型矫正；

39、模型矫正通过下述手段进行：

40、a.调整步骤a1中细胞尺度电生理子模型输出的动作电位；

41、b.调整步骤a2中组织尺度电生理子模型输出的元胞自动机状态演化规则和病变心室肌组织动态演化规则；

42、c.调整步骤a3中心室-躯干尺度结构仿真子模型输出的心室元胞空间和电极场点与心脏模型之间的相对位置关系；

43、d.调整步骤b3中参数估计仿真实验的循环次数。

44、所述的步骤a4中，参数估计仿真实验的体表心电计算公式的构建过程如下：

45、在动作电位传播仿真过程中，仿真时刻为t，取任意元胞h(xh,yh,zh)，xh,yh,zh表示元胞空间位置坐标；取电极场点p(xp,yp,zp)，其中，xp,yp,zp表示电极场点空间位置坐标；令vh和vx+分别表示元胞h和x轴正向相邻元胞的动作电位，hx+表示元胞h的x轴正向相邻元胞膜；相邻元胞膜hx+的电极场点p电势贡献计算公式为：

46、

47、其中，σi表示元胞内平均电导率，σp表示元胞h到场点p的平均电导率，r表示元胞h到场点p的距离；tx+表示元胞h的x轴正向相邻元胞状态取值为1的时刻，th表示元胞h状态为1的时刻；心室元胞自动机的电极场点p总电势计算公式为：

48、

49、其中，n表示整个心室元胞自动机形成的相邻元胞膜的总数；对于标准12导联心电图，本发明中设置九个电极场点用以计算体表电位，其场点电势分别为e1、…、e6、er、el和ef，九个场点的空间位置为步骤a3中躯干结构仿真模型表面所确定临床标准12导联心电图测量的电极位置；

50、在动作电位传播仿真中，元胞状态初值为0；元胞规则为基于概率驱动的状态演化规则；元胞空间为心室元胞空间；动作电位从快反应通道元胞自动机中房室结出发，沿希式束、左右束支和浦肯野纤维，到达慢反应通道元胞自动机；利用电极场点总电势计算公式，得到电极场点时变电势，最终得到参数估计仿真实验中标准12导联心电图计算公式：

51、

52、

53、其中，ewct代表wilson中心端电势，i,ii,iii代表三个肢体导联，avr,avl,avf代表三个加压肢体导联，v1、…、v6代表六个胸前导联。

54、所述的步骤b2中，在心脏电生理仿真模型中每一对相邻的心肌元胞均形成一个有大小和方向的电位差矢量，通过将所有相邻元胞膜上的电位差矢量求和，计算仿真心电向量图；

55、

56、其中，代表心脏综合电向量，vx,vy,vz代表心脏综合电向量在x,y,z轴上的分量，n表示整个心室元胞自动机形成的相邻元胞膜的总数，代表每一面相邻元包膜的电位差矢量。

57、一种仿真心电图生成系统，包括心脏电生理仿真模块、参数估计仿真实验模块和仿真心电图生成模块；

58、心脏电生理仿真模块，用于生成参数估计仿真实验的体表心电计算公式；心脏电生理仿真模块包括细胞尺度电生理子模块、组织尺度电生理子模块、病变心室肌组织动态演化子模块和心室-躯干尺度结构仿真子模块；其中，

59、细胞尺度电生理子模块用于生成正常态、病变初态、病变过渡态和病变完全态且具有透壁异质性的心肌细胞动作电位，模拟心血管病不同时期的心肌细胞病理特征变化规律；组织尺度电生理子模块基于元胞自动机的状态演化规则，用于模拟兴奋在心肌组织中的传播规律；病变心室肌组织动态演化子模块，用于模拟心血管病不同时期的心肌组织病理特征变化规律；心室-躯干尺度结构仿真子模块包括心室结构仿真子模块和躯干结构仿真子模块；心室结构仿真子模块用于构建心室元胞空间，仿真临床患者的三维心室结构；躯干结构仿真子模型用于仿真临床患者的三维躯干结构；

60、参数估计仿真实验模块，首先通过对心室-躯干尺度结构仿真子模型参数进行特异性取值条件设定，并对病变心室肌组织动态演化规则进行特异性病期状态设定，然后利用参数估计仿真实验的体表心电计算公式生成特异性仿真心电图；同时在相同的特异性取值条件和特异性病期状态下，通过心脏综合电向量仿真生成特异性仿真心电向量图；最后根据得到的特异性仿真心电图当作因变量，将得到的特异性仿真心电向量图当作自变量，利用最小二乘法多线性回归与平均运算计算最佳变换矩阵；心电图和心电向量图之间的计算公式为：ecg＝mt*vcg；其中，m为心电图ecg和心电向量图vcg之间的变换矩阵，利用最小二乘法多线性回归计算变换矩阵的公式为：m＝(vcgt*vcg)-1*vcgt*ecg；最后将多次实验计算获得的变换矩阵进行平均运算，获得最佳变换矩阵

61、仿真心电图生成模块，用于在相同的特异性取值条件和特异性病期状态下，基于心脏电生理仿真模型进行心脏综合电向量仿真；并利用仿真的心电向量图的计算公式，仿真生成仿真心电向量图vcg；然后根据仿真心电向量图vcg及最佳回归变换矩阵生成仿真心电图ecg；计算公式为：再利用设定的仿真心电图拟真度评分规则、随机抽样选取条件下符合仿真要求的仿真心电图的比例以及设定的比例阈值，对心脏电生理仿真模型进行参数调整，直至随机抽样选取条件下符合仿真要求的仿真心电图的比例达到设定的比例阈值，完成模型矫正；最后利用矫正后的心脏电生理仿真模型，进行仿真心电图的生成。

62、一种处理设备，包括存储器和处理器；所述存储器用于存储计算机执行指令；当处理设备运行时，处理器执行存储器存储的计算机执行指令，以使处理设备执行如权利要求1至7中任意一项所述的仿真心电图生成方法。

63、一种存储介质，存储介质存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任意一项所述的仿真心电图生成方法。

64、本发明通过基于心脏电生理实验数据构建的细胞尺度电生理子模型、基于概率驱动元胞自动机构建的组织尺度电生理子模型以及心室-躯干尺度结构仿真子模型，实现心脏电生理仿真模型的构建，并利用心脏电生理仿真模型生成参数估计仿真实验的体表心电计算公式；再通过构建的心脏电生理仿真模型进行参数估计仿真实验，计算仿真心电向量图与仿真心电图之间的最佳回归变换矩阵；最后基于心脏电生理仿真模型进行心脏综合电向量仿真，并利用最佳回归变换矩阵生成仿真心电图。相较于现有仿真心电图生成方法，本发明具有更低的时间消耗和更快的运算速度，能够生成具有同样临床心电拟真程度的仿真心电图；同时还具有较强的可拓展性和生理可解释性。