实时三维心电向量图成像方法及装置本发明涉及一种三维心电图的成像方法及装置。众所周知人体心脏的电活
动是建立在以下基础上的：1.心肌细胞内外的离子浓度差形成细胞膜内外的电
位差，细胞外为正电荷，细胞内为负电荷，称为复极化。此时细胞膜内外的电
位差处于静息状态，不产生动作电位。2.当细胞内外的离子浓度变化时，引起
细胞膜内外电位差的变化，细胞外为负电荷，细胞内为正电荷，称为除极化，
即产生了动作电位，并引起心肌收缩。3.除极化的细胞膜与邻近处于复极化的
细胞膜形成一对电偶，电穴在后，电源在前，并逐步扩布至整个心脏。4.除极
后的心肌细胞内外离子重新恢复到静息状态，引起心肌细胞膜内外电位差复极
化。与除极相反，产生的电偶其电穴在前，电源在后，并逐步扩布至整个心
肌，引起心肌舒张。5.这种电偶运动引起的具有方向性和强度的电位变化称为
心电向量。当瞬间所有心肌细胞上心电向量以矢量相加的原则合成在一起时，
形成瞬间综合向量。6.这种瞬间综合向量包含了心脏电活动的主要信息，具有
三维空间结构，并随着时间变化，它的方向性和强度也在变化。
综上所述，我们可以得出这样的结论：心肌细胞内外离子浓度变化引起心
肌细胞膜内外电位的除极和复极化，在复极和除极过程中，形成心电向量。所
有心肌细胞的心电向量，组成瞬间综合心电向量。它具有三维空间结构，并且
它的方向性和强度随时间而变化，是常规心电图和心向量图的基础。
由于技术上的限制，人们以往只能从一维心电图或二维心向量图，从不同
角度部分地反映三维心电活动。它是片面的，非直观的。几十年来，人们一直
努力寻找显示三维心电活动的方法，其中最有代表性的是美国专利-5803084。
它利用计算机成像技术，描绘了单一心电向量的三维空间结构，但由于它采用
的三维空间描述方法是从原点到心电向量为终点的显示方法，无法做到显示非
起始点为空间零电位的各种心电向量(包括异常心电向量和大量正常心电向
量)以及实时的显示。为了说明这一点，我们应先了解它的三维空间结构的基
础：
1.首先它确定一个空间的原点，并由此原点延伸出X、Y、Z轴和三个面。
2.这个原点以一定的时间间隔延伸出直线与相同时刻的空间心电向量的终
点相联结并构成心电向量的空间三维结构。
因此，这个原点既是三维空间结构的原点同时又是计算心电向量角度和振
幅的起点。由此引发出的一个问题是，作为心电向量的起点，必须要求是在
X、Y、Z轴均为零电位的点。在实际工作中，它只能描述QRS、P、T或ST向
量起点是空间零电位的特殊的心电向量，或者假定它们的起点是空间零电位。
因此，如果从QRS、P、T向量的中间某一非空间零电位为起点，则无法正确地
显示它的空间三维结构；因此，如果QRS、P、T中任一向量起点不是空间零电
位，就无法在同一三维空间中共同显示和比较；因此，为了要求起始点为空间
零电位，只能描述经数据处理后，找出QRS、P、T或ST向量，并人为规定出
QRS、P、T或ST向量起点为空间零电位，才能以此为起始点显示。因此，它
无法做到准确的相互比较和实时显示三维心电图。
本发明涉及新的空间三维成像方法和装置，做到实时动态显示心电向量任
一时刻、任一时间段、任一形态的三维空间心电向量结构，还原心肌电活动的
三维空间结构的真实原来面目，提供新的实际心电活动诊断工具。
为了达到上述目的，本发明的三维心电向量的三维显示是建立在这样的基
础上：
1.将三对电极分别放在人体胸部的左右、上下和后前方向，并分别以右左
为X轴，从右向左为X轴正方向；以上下为Y轴，从上向下为Y轴正方
向；以后前为Z轴，从后向前为Z轴正方向；并以X轴与Y轴形成额
面，X轴与Z轴为横面，Y轴与Z轴为侧面。三对电极必须要求是相互
垂直，并相交于一点，即三维空间的原点。
2.同时记录心电向量在三对电极上任一时刻的电位值，并将这些电位值经
放大，隔离，滤波，A/D转换后输到计算机中，即∑f(xi，yi，zi，ti)。
3.以实时或经处理后的ti时三对电极上记录的数据垂直于相应X、Y、Z
轴，交于空间一点。
4.将ti时的空间点与ti+1时的空间点用连线相联，形成空间向量段。时间间
隔越短，越接近真实的三维心脏电活动。
5.将t1，t2，……，ti，ti+1时的空间点，用上述方法以向量段的方式联结起
来，形成即有空间位置和方向性又有强度的心电向量三维结构。
以上所述是心电向量在三维空间的绝对位置，同时在此基础上还可以采用
相对位置，进一步显示三维心电向量，用于比较各个心动周期或一个心动周期
各向量段之间的比较，其表示方法是∑f(xi-xc，yi-yc，zi-zc，ti)，其中f
(xc，yc，zc)为心向量变化过程中的相对参考点，它或是整个心电向量中的基
点(一般是TP向量段中某一点，即复极化心电信号处于静息状态时的某一点，
等于或接近于空间零电位)；或是QRS、P、T、ST向量段的起始点(等于或
接近于空间零电位)。相对位置的显示方法与绝对位置的显示方法相同。这样
用相对位置的显示方法可以计算或显示QRS、T、P、ST向量相对于同一个参
考点的方向与强度变化。可以用于相互比较，判断它们之间前后或相互关系。
三维心电向量的空间位置和方向和强度的基本公式如下：
任一瞬间三维心电向量空间点的绝对位置：＝f(xi，yi，zi，ti)；
任一瞬间三维心电向量空间点的相对位置：＝fr(xi-xc，yi-yc，zi-zc，ti)；
任一瞬间三维心电向量空间点的相对位置强度：
r = ( x i - x c ) 2 + ( y i - y c ) 2 + ( z i - z c ) 2 ; ]]>
任一瞬间三维心电向量空间点的相对位置角度：
α＝(zi-zc)/r；
β＝(xi-xc)/r；
γ＝(yi-yc)/r；
任一瞬间三维心电向量段位置：＝fl(xi-xi+1，yi-yi+1，zi-zi+1，ti)
任一瞬间三维心电向量段强度：
r 1 = ( x i - x i + 1 ) 2 + ( y i - y i + 1 ) 2 + ( z i - z i + 1 ) 2 ; ]]>
任一瞬间三维心电向量段角度：
α1＝(zi-zi+1)/r1；
β1＝(xi-xi+1)/r1；
γ1＝(yi-yi+1)/r1；
在此基础上，本发明可以；
1.用不同颜色显示不同时间段的心电向量
2.显示心电向量和心电向量段的角变化和角变化率
3.显示心电向量和心电向量段强度的变化和变化率
4.显示两个向量段夹角变化和夹角变化率
5.显示ST-T向量的空间绝对位置变化和相对位置变化(参考点或是一个心
动周期中心向量的基点或ST向量段起点)
6.在单一三维空间中同时显示一维、二维或三维心电向量变化。
此外，本发明采用三维动画显示原理，实时动态显示心电向量三维变化
(即四维心电向量图)。它可以以一个或几个心动周期为单位连续显示，并且
每个心动周期每个波时段以不同颜色显示；也可以以一个或几个向量段连续显
示。
此外，本发明可以用鼠标任意旋转和放大缩小三维空间结构，从任一角度
观察三维心电向量。除了三维直角坐标系外，还可以用三维极坐标系来显示心
电向量。
此外，本发明采用数据库结构，记录瞬间心电向量的数值和变化率以及病
人的情况等，用图表方式进一步显示。并可以通过计算机网络同步传输，记
录，显示。
由于采用上述新的三维空间显示方法，可以不受限制，实时、动态地，真
实地显示任意三维心向量图的结构或经过处理后的任意三维心电向量相对的三
维结构，还原心肌电活动的原来真实面目，为心电活动的诊断提供新的工具。
下面结合附图加以进一步证明：
图1.表示本发明实时三维心电向量图装置的主要结构方框。
图2.表示以互相垂直的并交于一点的三对电极为基础，构成用于显示三维
心电向量图的三维空间结构。
图3.表示一个心动周期的三维心电向量图(包括P、QRS、ST、T、TP向
量)。
图4.表示几个心动周期的三维心电向量图。
图5.表示以QRS向量起点，同时又以此起点为相对参考点的QRS向量的
三维心电向量图。
图6.表示以一个心动周期为单位，实时连续显示的一维、二维、三维心电
向量图。
图7.表示以一定时间为间隔的相邻两个心电向量段为单位，实时动态连续
显示一维、二维、三维心电向量图。
图8.同步显示上述正常的十二导联心电图、心向量图和三维心电向量图及
以及目前存贮在数据库中的各种数据(包括f(xi，yi，zi，ti)空间向量角和振
幅变化及变化率等)。
图9.显示异常心向量图(下壁心肌梗塞)的一维、二维、三维心电向量图。
图10.同步显示异常心向量图(下壁心肌梗塞)的十二导联心电图、心向量图
和三维心电向量图及以及目前存贮在数据库中的各种数据(包括f(xi，yi，zi，
ti)空间向量角和振幅变化及变化率等)。
参照附图，图1中电极1表示威尔逊电极和佛兰克电极，将人体的心电信
号，经电阻导联选择网络电路2和放大隔离滤波电路3以及模数转换电路4，
变成数字信号，输入计算机5。用VC++语言，采用计算机窗口技术，实时数字
信号处理技术，计算机三维成像技术，数据库技术，将数字化的人体心电信
号，经计算机存储和处理后，形成三维心电向量图，12导心电图，高频心电
图，频域心电图、Q-T离散度、心率变异等，并由显示器6显示或打印机7输
出。
图2表明佛兰克电极系统的三对互相垂直的电极，如何构成三维心电向量的
三维空间结构。图2a中电极11表示由右向左的一对电极，构成图2b中三维空
间结构的x轴；图2a中电极12表示由上向下的一对电极，构成图2b中三维空
间结构的y轴；图2a中电极13表示由后向前的一对电极，构成图2b中三维空
间结构的z轴。图2a中三对电极的交点，构成图2b中三维空间结构的原点。
图2a中的电极14是无关电极。
以ti瞬间三对电极上的电压数值为依据，垂直于相应数值的x，y，z轴，形
成ti瞬间三维心电向量空间的点。以同样方法，建立ti+1瞬间三维心电向量空间
的另一点。用连线将两点联接，形成ti-ti+1瞬间三维心电向量段，相当于图7
中三维空间向量段73。如将一个心动周期中的t1，t2，……，ti，ti+1时的空间
点，用上述方法以向量段的方式联结起来，即形成图3中三维心电向量31，
32，33(有空间位置和方向又有强度的心电向量三维结构)。图3中的三维心
电向量31，32，33分别表示P环，QRS环和T环。图3中的34，35，36分别
表示三维心电向量在x-y面(额面)，z-y面(侧面)，x-z面(横面)上的投
影，即二维心向量图。
图4显示连续三个心动周期的三维心电向量41。图4中的42-a，42-b，42-c
分别表示连续三个心动周期的三维心电向量41在x-y面(额面)，z-y面(侧
面)，x-z面(横面)上的投影。
图5显示单一QRS环51的三维空间结构。其中蓝色和绿色分别代表QRS环
的起始向量和终末向量。图5中的52-a，52-b，52-c分别表示QRS环的三维心
电向量51在x-y面(额面)，z-y面(侧面)，x-z面(横面)上的投影。
图6表明同步实时连续显示，一个心动周期的一维，二维，三维心电图。图
6中61表示一维心电图，62-a，62-b，62-c表示投影在x-y面(额面)，z-y面
(侧面)，x-z面(横面)上的二维心电图，63表示同步显示的三维心电图。
图7表明以计算机三维动画显示方法，以瞬间三维心电向量段为单位，实时
动态连续显示一维，二维，三维心电向量。图7中73表明了处于一维心电向量
71进行到某一瞬间时的三维心电向量段。72-a，72-b，72-c表示同一瞬间的三
维心电向量段在x-y面(额面)，z-y面(侧面)，x-z面(横面)上的投影。
图8同步显示上述正常的十二导联心电图、心向量图和三维心电向量图及以
及目前存贮在数据库中的各种数据(包括f(xi，yi，zi，ti)空间向量角和振幅
变化及变化率等)。图8a是十二导联心电图；图8b是心向量图中x，y，z轴
上的电压变化；图8c是以表格方式显示存贮在数据库中三维心电向量的各种数
据(包括f(xi，yi，zi，ti)空间向量角和振幅变化及变化率等)；图8d是以图
表方式显示存贮在数据库中三维心电向量的各种数据(包括f(xi，yi，zi，ti)
空间向量角和振幅变化及变化率等)。其中α，β，γ表示角度变化值，r表
示振幅的变化值。
图9显示异常心向量图(下壁心肌梗塞)的一维、二维、三维心电向量图。图9
中91表示一维心电图，92-a，92-b，92-c表示投影在x-y面(额面)，z-y面
(侧面)，x-z面(横面)上的二维心电图，93表示同步显示的三维心电图。
图10同步显示异常心向量图(下壁心肌梗塞)的十二导联心电图、心向量图和
三维心电向量图及以及目前存贮在数据库中的各种数据(包括f(xi，yi，zi，
ti)空间向量角和振幅变化及变化率等)。显示方法与图8相同。