从体表ECG构建高精度心脏数字孪生：揭示心室传导系统的可识别性

本研究针对心脏数字孪生（CDT）技术中功能校准的瓶颈问题，开发了基于Geodesic-BP算法的非侵入性方法，通过优化Purkinje-肌肉连接点（PMJs）分布，首次实现从12导联ECG高精度重建心室激活序列。研究证实不同激活模式可产生相同体表ECG，提出生理学约束显著提升系统可识别性，为临床转化提供了突破性技术方案。

　　

在精准心脏病学时代，心脏数字孪生（Cardiac Digital Twin, CDT）技术被视为革命性突破，其核心挑战在于如何从非侵入性临床数据——尤其是常规12导联体表心电图（ECG）——重建患者特异性心脏电活动。传统方法面临两大困境：一是心室传导系统（His-Purkinje System, HPS）的微观结构无法通过影像学直接观察；二是不同心室激活模式可能产生相同的QRS波群，导致解的非唯一性。这种"电生理学指纹"的模糊性严重制约了CDT在临床决策中的应用可信度。

针对这一难题，奥地利格拉茨医科大学的研究团队在《Medical Image Analysis》发表突破性成果。研究者创新性地将Geodesic-BP算法与生理学先验知识相结合，开发出能在30分钟内完成ECG精准匹配的计算框架。该研究首次系统论证了从有限体表电位数据重建HPS功能的可行性，为CDT的临床转化扫除了关键技术障碍。

关键技术方法包括：1）基于Eikonal方程的快速电传播正演模型，采用GPU加速实现实时计算；2）Geodesic-BP梯度优化算法，通过自动微分技术高效校准PMJs参数；3）构建包含907个PMJs的黄金标准（GT）模型作为验证基准；4）设计可变密度体表电位图（BSPM）电极阵列评估数据需求；5）引入2.5 mm深度的亚心内膜约束带作为生理学先验。

【3.1 一般情况下的可识别性】
研究发现，无约束优化时不同初始条件会收敛至差异显著的激活模式（平均局部激活时间LAT误差18.32 ms），但均可完美拟合ECG（误差<0.028 mV）。这表明标准12导联ECG存在信息缺失，未观测区域的电位分布差异可达0.11 mV。

【3.2 生理约束下的可识别性】
施加亚心内膜约束后，重建质量显著提升：LAT误差降至12.14-14.63 ms，异常基底区激活消失。值得注意的是，尽管优化采用的PMJ穿透深度（2.5 mm）与GT模型实际值（最高4.3 mm）存在差异，ECG匹配精度仍保持完美，证实方法的鲁棒性。

【3.3 高密度观测的影响】
增加电极至128导联BSPM仅使LAT误差降低2 ms，而生理约束可带来6 ms改善。这表明提升空间采样率对解决ECG逆问题的收益有限，优化约束条件更为关键。

【3.4 超参数敏感性】
研究揭示PMJs数量存在阈值效应：≥50个可保证ECG拟合质量（相关系数>0.99），但约62%的PMJs在优化中会失活。这提示真实HPS功能可能由少量关键节点主导。

这项研究确立了生理约束在电生理逆问题中的核心地位，其创新价值体现在三方面：方法学上，首次实现从临床常规ECG重建HPS功能；技术上，将计算时间从小时级缩短至分钟级；临床上，为CDT提供了可验证的校准标准。尤为重要的是，研究揭示通过合理融入解剖生理知识，即使采用非完美匹配的约束条件（如统一PMJ深度），仍可获得可靠的临床级重建结果，这为在真实患者数据中应用扫清了理论障碍。未来工作可延伸至复极过程建模、各向异性参数优化等领域，推动CDT从实验室走向导管室。