[發(fā)明專(zhuān)利]基于圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和迭代閾值收縮算法的心臟跨膜電位重建方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110682912.1
• 申請(qǐng)日: 2021-06-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113470812B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-08-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉華鋒;穆禮德
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G16H50/20
• 分類(lèi)號(hào): G16H50/20;G06T7/00;G06T7/33;G06N3/042;A61B5/00;A61B5/33;A61B5/346;A61B5/367;A61B6/00;A61B6/03
• 代理公司: 杭州天勤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 王琛

1.一種基于圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和迭代閾值收縮算法的心臟跨膜電位重建方法，包括如下步驟：

(1)對(duì)病人軀干部分進(jìn)行增強(qiáng)CT平掃，采集得到病人胸腔軸向的增強(qiáng)CT切片圖像；

(2)根據(jù)所述增強(qiáng)CT切片圖像建立心臟表面和軀干表面的有限元模型，求出體表電位與心臟跨膜電位之間的正向關(guān)系即Φ＝HU，其中Φ為體表電位，U為心臟跨膜電位，H表示Φ與U之間的正向轉(zhuǎn)換矩陣，具體實(shí)現(xiàn)方式為：首先采用Matlab軟件對(duì)多張胸腔軸向的增強(qiáng)CT切片圖像進(jìn)行左心室心內(nèi)膜、右心室心內(nèi)膜和心外膜的分割，同時(shí)利用3D?Slicer軟件對(duì)增強(qiáng)CT切片圖像上的多導(dǎo)聯(lián)電極位置進(jìn)行標(biāo)注，進(jìn)一步通過(guò)有限元的方法得到心臟表面和軀干表面的有限元模型并進(jìn)行配準(zhǔn)；然后基于心臟和軀干表面的有限元模型，再通過(guò)邊界元的方法得到心臟跨膜電位傳播到胸腔表面的正向關(guān)系即Φ＝HU；

(3)采集病人的多導(dǎo)聯(lián)體表心電信號(hào)即Φ，并對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行濾波處理；

(4)根據(jù)已獲得的Φ以及H，通過(guò)以下公式對(duì)心臟跨膜電位信號(hào)進(jìn)行初始化；

u⁽⁰⁾＝Q_initΦ

其中：u⁽⁰⁾為心臟跨膜電位信號(hào)初值，||?||_F表示F范數(shù)，^T表示轉(zhuǎn)置，Q表示Φ與U之間的反向轉(zhuǎn)換矩陣；

(5)根據(jù)心臟跨膜電位信號(hào)初值，通過(guò)嵌入圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的迭代閾值收縮算法對(duì)心臟跨膜電位進(jìn)行重建，具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

5.1將ISTA中的更新步驟映射到一個(gè)由固定數(shù)量的block級(jí)聯(lián)組成的圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，每一個(gè)block對(duì)應(yīng)于ISTA中的一次迭代即通過(guò)使用一種通用的非線性變換函數(shù)對(duì)U進(jìn)行稀疏化，其具體結(jié)構(gòu)從輸入到輸出由圖卷積層G1、ReLU激活函數(shù)R1、圖卷積層G2、軟閾值收縮算子、圖卷積層G3、ReLU激活函數(shù)R2、圖卷積層G4依次連接組成；圖卷積層G1～G4的實(shí)現(xiàn)方式滿(mǎn)足以下分層傳播規(guī)則：

其中：A為自連接的無(wú)向圖的鄰接矩陣，I_N為單位矩陣，為度矩陣且其中對(duì)角線元素值為中第i行第j列元素值，上標(biāo)l和l+1表示圖卷積層序號(hào)，G表示圖卷積層的輸出，W為圖卷積層中的權(quán)重矩陣，σ()表示ReLU激活函數(shù)；

5.2通過(guò)將L1范數(shù)正則化中的正則化矩陣替換為block對(duì)應(yīng)的非線性變換函數(shù)，建立以下目標(biāo)重建方程：

其中：||?||₂表示2范數(shù)，||?||₁表示1范數(shù)，λ為正則化系數(shù)，Γ()為block對(duì)應(yīng)的非線性變換函數(shù)；

5.3通過(guò)ISTA來(lái)優(yōu)化求解上述目標(biāo)重建方程，ISTA中的每一次迭代均分為兩個(gè)步驟：第一個(gè)步驟是梯度下降，第二個(gè)步驟則是求解近端算子；

梯度下降步驟的表達(dá)式如下：

求解近端算子步驟的表達(dá)式如下：

其中：為通過(guò)梯度下降求得關(guān)于U的中間變量，t表示步長(zhǎng)，上標(biāo)k和k-1表示迭代次數(shù)，k為大于0的自然數(shù)；

5.4利用已有的數(shù)據(jù)樣本對(duì)基于ISTA的圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，最后利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型用于心電逆問(wèn)題的求解，從而完成心臟跨膜電位的重建。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的心臟跨膜電位重建方法，其特征在于：所述步驟(1)中CT平掃的范圍需包括整個(gè)胸腔，同時(shí)記錄下心臟和胸腔的空間幾何位置以及胸腔表面的多導(dǎo)聯(lián)心電圖電極位置。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的心臟跨膜電位重建方法，其特征在于：所述步驟(3)中使病人穿戴上分布有64導(dǎo)聯(lián)電極的體表電位檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，采集獲得病人的64導(dǎo)聯(lián)體表心電信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)小波變換對(duì)該信號(hào)進(jìn)行拉平和去噪處理。