心磁信号检测与心肌缺血相关磁信号特征分类方法及装置

本发明属于生物磁信号检测与信号分析，涉及一种基于可穿戴三轴光泵磁强计的心磁信号检测与心肌缺血相关磁信号特征分类方法及装置。

背景技术：

1、心磁信号是心脏电活动在人体组织中传播并在体表空间形成的微弱磁场信号，其传播受人体组织电导率差异的影响较小，能够从空间维度表征心脏电活动的分布特性。现有心脏电活动信号采集技术主要包括心电图（ecg）和心磁图（mcg）。ecg通过测量体表电位差获取电活动信息，具有技术成熟、成本较低等特点，但其信号主要反映电活动在体表的投影，对空间分布复杂或变化幅度较小的电活动特征表征能力有限。mcg通过测量心脏电活动产生的磁场信号，对心肌内微弱涡流和切向电流具有较高敏感性，适用于心磁信号空间分布及心肌缺血相关磁信号特征的分析。

2、传统mcg系统主要采用超导量子干涉器（squid）作为磁场传感器，需要配置低温制冷、液氦存储及隔热装置，导致系统体积较大、结构复杂、移动受限，并且探测器与受测对象之间的距离较远，容易造成心磁信号衰减。近年来，光泵磁强计（opm）无需低温工作条件，具有体积小、灵敏度高等特点，可通过可穿戴形式实现多点心磁信号采集。然而，受传统squid-mcg系统及其数据分析方式的影响，现有opm-mcg研究仍多采用固定刚性单平面探测器阵列，仅采集垂直于前胸平面等单一方向的磁场分量，尚未充分发挥opm在近距离、多位置和多轴磁信号采集方面的技术优势。

3、现有固定单平面单轴采集方式只能获得心磁信号在特定方向上的投影分量，难以完整表征三维磁场分布，远离检测平面的心肌区域所产生的信号还可能出现衰减或遗漏。固定刚性阵列难以适应受测对象体表形态及位置变化，阵列与体表之间的相对位移会降低多通道信号的空间对应稳定性。同时，现有技术缺乏针对三轴心磁信号的融合分析方法以及探测器敏感区域的系统划分方案，不同心肌区域对应的体表磁信号存在空间耦合和重叠，难以获得具有较好区分度的区域特征。例如，依据美国心脏协会（aha）的左心室17节段划分，仅采用单一三维心脏与躯干模型逐节段设置心肌缺血相关状态时，只能形成17组样本，包括广泛前壁6组、后壁2组、侧壁4组以及心尖或前间壁5组，样本数量及形态差异不足，影响特征分类结果的稳定性和适用范围。因此，现有技术需要解决可穿戴条件下三轴心磁信号同步采集、探测器空间布局优化、多轴特征融合以及心肌缺血相关磁信号特征有效分类的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种心磁信号检测与心肌缺血相关磁信号特征分类方法及装置，以解决现有单平面单轴心磁信号采集空间信息不完整、敏感探测区域及轴向缺乏合理划分、多轴特征难以融合的问题，达到提高心磁信号空间表征能力、特征分类准确性和稳定性的效果。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

3、一种心磁信号检测与心肌缺血相关磁信号特征分类方法，包括以下步骤：

4、采用可穿戴三轴光泵磁强计阵列采集多个探测位点的三轴心磁信号，并对所述三轴心磁信号进行预处理，得到去噪后的三轴心磁信号；

5、识别所述去噪后的三轴心磁信号中的心动周期基准时刻，并根据所述心动周期基准时刻对多个心动周期的三轴心磁信号进行对齐和叠加平均，得到叠加平均心磁信号；

6、从所述叠加平均心磁信号中提取各探测位点在三个轴向上的t波幅度特征，并根据所述t波幅度特征确定各探测位点在相应轴向上的特征显著性；

7、根据不同心磁信号特征模式对应的敏感探测区域及各敏感探测区域对应的轴向，对相应探测位点的特征显著性进行融合，得到各心磁信号特征模式对应的融合特征；

8、根据各心磁信号特征模式对应的融合特征和预设特征模式判定规则，对所述三轴心磁信号进行分类，得到心肌缺血相关磁信号特征分类结果。

9、进一步地，采用可穿戴三轴光泵磁强计阵列采集多个探测位点的三轴心磁信号，并对所述三轴心磁信号进行预处理，得到去噪后的三轴心磁信号，包括：

10、采用可穿戴三轴光泵磁强计阵列采集多个探测位点的三轴心磁信号，得到三轴原始心磁信号；

11、对所述三轴原始心磁信号进行带通滤波，得到滤波后的三轴心磁信号；

12、对所述滤波后的三轴心磁信号进行干扰抑制和去噪，得到所述去噪后的三轴心磁信号。

13、进一步地，对滤波后的三轴心磁信号进行干扰抑制和去噪，得到去噪后的三轴心磁信号，包括：

14、对滤波后的三轴心磁信号进行独立成分分离，得到多个独立信号分量；

15、根据各独立信号分量的时域形态特征确定待抑制独立信号分量，并在待抑制独立信号分量的峰度低于预设峰度阈值时，将其确定为运动伪影分量；

16、对运动伪影分量进行抑制，得到运动伪影抑制后的三轴心磁信号；

17、对运动伪影抑制后的三轴心磁信号进行肌电干扰去除，得到去噪后的三轴心磁信号。

18、进一步地，对滤波后的三轴心磁信号进行干扰抑制和去噪，得到去噪后的三轴心磁信号，包括：

19、对滤波后的三轴心磁信号进行肌电干扰去除，得到肌电干扰去除后的三轴心磁信号；

20、对肌电干扰去除后的三轴心磁信号进行运动伪影抑制，得到去噪后的三轴心磁信号。

21、进一步地，识别所述去噪后的三轴心磁信号中的心动周期基准时刻，并根据所述心动周期基准时刻对多个心动周期的三轴心磁信号进行对齐和叠加平均，得到叠加平均心磁信号，包括：

22、识别所述去噪后的三轴心磁信号中的r波时刻，将所述r波时刻确定为所述心动周期基准时刻；

23、根据所述心动周期基准时刻划分多个心动周期，并对所述多个心动周期的三轴心磁信号进行对齐，得到多个对齐心磁信号；

24、对所述多个对齐心磁信号进行叠加平均，得到所述叠加平均心磁信号。

25、进一步地，从所述叠加平均心磁信号中提取各探测位点在三个轴向上的t波幅度特征，并根据所述t波幅度特征确定各探测位点在相应轴向上的特征显著性，包括：

26、从所述叠加平均心磁信号中确定各探测位点在三个轴向上的t波波峰幅度，得到所述t波幅度特征；

27、根据所述t波幅度特征确定各探测位点在相应轴向上的t波幅度变化值；

28、将所述t波幅度变化值与预设幅度阈值进行比较，确定各探测位点在相应轴向上的特征显著性。

29、进一步地，将所述t波幅度变化值与预设幅度阈值进行比较，确定各探测位点在相应轴向上的特征显著性，包括：

30、根据多组仿真心磁信号样本的t波幅度变化值和特征分类结果，确定多个候选幅度阈值；

31、从所述多个候选幅度阈值中选取对应整体分类准确性最大的幅度阈值作为所述预设幅度阈值，并根据所述t波幅度变化值与所述预设幅度阈值的比较结果确定所述特征显著性。

32、进一步地，根据不同心磁信号特征模式对应的敏感探测区域及各敏感探测区域对应的轴向，对相应探测位点的特征显著性进行融合，得到各心磁信号特征模式对应的融合特征，包括：

33、针对每一心磁信号特征模式，从对应的多组仿真心磁信号样本中筛选t波幅度变化均满足显著性条件的探测位点及轴向，得到相应的通道集合；

34、剔除不同通道集合之间重复的探测位点及轴向，并根据剩余探测位点的空间分布确定连续且密集的区域，得到各心磁信号特征模式对应的敏感探测区域及轴向；

35、根据所述敏感探测区域及轴向，对待分类三轴心磁信号中相应探测位点的特征显著性进行融合，得到各心磁信号特征模式对应的融合特征。

36、进一步地，根据不同心磁信号特征模式对应的敏感探测区域及各敏感探测区域对应的轴向，对相应探测位点的特征显著性进行融合，得到各心磁信号特征模式对应的融合特征，包括：

37、分别统计广泛前壁相关磁信号特征模式对应的三个轴向敏感探测区域内特征显著的探测位点数量，并在各轴向敏感探测区域内均存在至少两个特征显著的探测位点时，生成广泛前壁相关融合特征；

38、分别统计后壁相关磁信号特征模式对应的两个轴向敏感探测区域内特征显著的探测位点数量，并在各轴向敏感探测区域内均存在至少两个特征显著的探测位点时，生成后壁相关融合特征；

39、统计侧壁相关磁信号特征模式对应的一个轴向敏感探测区域内特征显著的探测位点数量，并在所述轴向敏感探测区域内存在至少两个特征显著的探测位点时，生成侧壁相关融合特征；

40、分别统计心尖或前间壁相关磁信号特征模式对应的三个轴向敏感探测区域内特征显著的探测位点数量，并在各轴向敏感探测区域内均存在至少两个特征显著的探测位点时，生成心尖或前间壁相关融合特征。

41、进一步地，根据各心磁信号特征模式对应的融合特征和预设特征模式判定规则，对所述三轴心磁信号进行分类，得到心肌缺血相关磁信号特征分类结果，包括：

42、从各心磁信号特征模式中确定由三个轴向的融合特征共同表征的两个优先特征模式，并优先判断所述三轴心磁信号是否符合所述两个优先特征模式；

43、在所述三轴心磁信号仅符合一个优先特征模式时，生成对应的单一特征模式分类结果，在所述三轴心磁信号同时符合两个优先特征模式时，生成所述两个优先特征模式的等权组合分类结果；

44、在所述三轴心磁信号均不符合所述两个优先特征模式时，判断所述三轴心磁信号是否符合其余心磁信号特征模式，并根据符合的特征模式数量生成单一特征模式分类结果或等权组合分类结果；

45、在所述三轴心磁信号不符合任一心磁信号特征模式时，生成基线心磁信号特征模式分类结果，得到所述心肌缺血相关磁信号特征分类结果。

46、一种心磁信号检测与心肌缺血相关磁信号特征分类装置，包括：

47、信号采集模块，用于采用可穿戴三轴光泵磁强计阵列采集多个探测位点的三轴心磁信号；

48、信号处理模块，用于对三轴心磁信号进行预处理，识别预处理后的三轴心磁信号中的心动周期基准时刻，根据心动周期基准时刻对多个心动周期的三轴心磁信号进行对齐和叠加平均，得到叠加平均心磁信号；从叠加平均心磁信号中提取各探测位点在三个轴向上的t波幅度特征，根据t波幅度特征确定各探测位点在相应轴向上的特征显著性，并根据不同心磁信号特征模式对应的敏感探测区域及各敏感探测区域对应的轴向，对相应探测位点的特征显著性进行融合，得到各心磁信号特征模式对应的融合特征；

49、分类评估模块，用于根据各心磁信号特征模式对应的融合特征和预设特征模式判定规则，对三轴心磁信号进行分类，得到心肌缺血相关磁信号特征分类结果。

50、本发明取得了如下有益效果。

51、1.本发明采用可穿戴三轴光泵磁强计阵列在多个探测位点同步采集三个相互正交轴向的心磁信号，并针对不同心磁信号特征模式配置对应的敏感探测区域及轴向，能够克服单平面单轴采集仅获取特定方向投影分量的限制，提高心磁信号空间分布信息的利用程度及不同空间区域磁信号特征的表征能力。

52、2.本发明通过带通滤波、运动伪影抑制和肌电干扰去除对三轴心磁信号进行预处理，其中，采用独立成分分析分离多通道心磁信号，并结合独立信号分量的时域形态特征和峰度识别运动伪影分量，采用小波变换降低肌电噪声，能够在不依赖额外参考传感器的条件下抑制干扰成分并保留心磁信号的主要形态特征，提高后续特征提取的稳定性。

53、3.本发明以r波时刻作为心动周期基准时刻，对多个心动周期的三轴心磁信号进行对齐和叠加平均，并从叠加平均心磁信号中提取各探测位点在三个轴向上的t波幅度特征，能够提高心磁信号的信噪比，并稳定表征不同空间位置和不同方向上的t波幅度变化。

54、4.本发明通过对三维心脏与躯干导体模型的胸前厚度、胸侧厚度、心脏空间位置和心脏方向进行参数扰动，并采用拉丁超立方抽样构建100组具有几何参数差异的导体模型，形成广泛前壁相关特征样本600组、后壁相关特征样本200组、侧壁相关特征样本400组、心尖或前间壁相关特征样本500组以及正常状态样本100组，能够降低仿真样本对单一几何模型的依赖，为幅度阈值和敏感探测区域的确定提供多样化数据基础。

55、5.本发明从各类仿真心磁信号样本中筛选t波幅度变化均满足显著性条件的探测位点及轴向，剔除不同通道集合之间的重复通道，并根据剩余通道的空间分布确定连续且密集的敏感探测区域，再对相应探测位点的特征显著性进行多轴融合，能够减少不同特征模式之间的通道重叠，提高融合特征的空间区分度。

56、6.本发明依据各心磁信号特征模式对应的融合特征设置分类优先级和等权分配规则，对同时符合多个特征模式的心磁信号样本输出单一特征模式或组合分类结果，并将不符合任一特征模式的样本归入基线心磁信号特征模式，能够规范多特征模式重叠情况下的分类过程。在仿真评估中，可穿戴三轴光泵磁强计心磁图的四类相关特征模式整体分类准确率为85%，单平面单轴心磁图的整体分类准确率为58%。