Биофизика, 42, #2 стр. 502-507, 1997.)

Cистема компьютерной визуализации распространения волн возбуждения в миокарде

Д.Ю. Саранча^*), А.Б. Медвинский^*), Н.И. Кукушкин^**), В.В. Сидоров^**), Д.Н. Ромашко^*), А.Ю. Бурашников^*), А.В. Москаленко^*) and Ч.Ф. Стармер<sup>***)

*)</sup>Институт теоретической и экспериментальной биофизики,
Российской академии наук, Пущино (Московская область), Россия

^**)Институт биофизики клетки,
Российской академии наук, Пущино (Московская область), Россия

^***)Duke University,
Durham, U.S.A.

Развит метод компьютерной визуализации автоволновых картин на поверхности сердечной ткани. Разработано программное обеспечение для исследования эволюции автоволновых картин, сделавшее возможным адекватное отображение распространения возбуждения со сложными траекториями и выделение наиболее существенных деталей поведения источников возбуждения.

Keywords: полиморфная желудочковая аритмия; ЭКГ; компьютерная визуализация.

Скачать:

В современных исследованиях процессов распространения возбуждения по сердцу наряду с традиционными электрофизиологическими методами все возрастающую роль играют автоволновые подходы, в основе которых лежит глубокая аналогия между миокардом и другими активными средами биологической, химической и физической природы [1]. В рамках таких подходов миокард представляется трехмерной активной средой с распределенными по ней источниками энергии. Распространение возбуждения по сердцу, которое служит пусковым механизмом механического сокращения, рассматривается как автоволна, поддерживающая свою форму амплитуду, скорость и другие параметры постоянными благодаря нелинейности среды и подкачке энергии из распределенных источников. Особые точки в сердце (пейсмейкеры, эктопические фокусы, места выхода дополнительных путей проведения) интерпретируются как источники автоволн.

Экспериментальное изучение процессов распространения возбуждения в сердце базируется в настоящее время на методе компьютерной визуализации (электрофизиологическое картирование) [2]. Этот метод использует вычислительную мощность компьютера для быстрой цифровой записи электрокардиосигналов (электрограмм) одновременно во многих точках миокарда и восстановления на их основе хода распространения волны. Результатом визуализации является карта распространения волны в виде набора изохрон, соответствующих последовательным положениям волнового фронта.

Экспериментальное исследование автоволновых картин в сердце связано с особыми методическими сложностями. Эти трудности обусловлены в значительной мере спецификой эктопических источников возбуждения, такими их свойствами, как длина волны, нестационарность, сильная зависимость условий воспроизведения от состояния миокарда и малое время существования. Изучение картин возбуждения миокарда требует решения ряда проблем, в частности, значительного повышения точности регистрации электрофизиологических данных, разработки методов нестабильных, спонтанно возникающих процессов, усовершенствования визуального представления сложных волновых картин.

Цель настоящей работы - развитие метода компьютерной визуализации автоволновых картин на поверхности сердечной ткани. Нами разработано алгоритмическое и программное обеспечение для исследования эволюции автоволновых картин, сделавшее возможным адекватное отображение распространения возбуждения со сложными траекториями, выделение наиболее существенных деталей поведения источников возбуждения.

Система компьютерной визуализации

На основе опыта использования созданной в Институте биологической физики установки "Волна" [3] нами разработана новая система компьютеронй визуализации распространения волн возбуждения в миокарде. Часть системы, реализующая интерфейс пользователя, обработку и хранение данных экспериментов, выполнена в среде программирования Smalltalk/V 286 фирмы "Digitalk". Подпрограммы обслуживания оборудования написаны на языке Assembler для IBM PC. Проектирование системы производилось с использованием методологии Гранди Буча (Grandy Booch) [4]. Система построена на основе графического многооконного интерфейса пользователя [5]. Она предоставляет следующие возможности.

При проведении эксперимента можно одновременно регистрировать сигналы с 64 электродов (по 32 электрода для эндокарда и эпикарда препарата). Частота дискретизации по каждому электроду составляет 1 кГц. Возможно использование 64, 128 или 256 электродов без доработки системы. Во время проведения эксперимента система непрерывно формирует базовую последовательность импульсов стимуляции на стимулирующем электроде. Экспериментатор имеет возможность произвольно устанавливать их амплитуду, период и длительность. При регистрации данных система формирует независимые последовательности тестовых (внеочередных) импульсов по одному или двум электродам. Эти импульсы используются для инициации тахиаритмий. Для каждой последовательности экспериментатор может указать число импульсов в ней, начальные длительность, амплитуду и период импульсов, а также приращение амплитуды и периода.

Просмотр сигналов, зарегистрированных а процессе эксперимента, осуществляется в окнах электрограмм (Рис. 1). Одновременно может быть открыто произвольное количество таких волн. Обработка электрограмм заключается в расстановке меток, отмечающих моменты активации. Программа позволяет осуществлять эту операцию автоматически или вручную. На основании данных о положении меток строятся карты распространения возбуждения (Рис. 2). Карты строяться автоматически. Оператор может указать временной интервал между изохронами.

Для анализа электрической активности препарата как целого система может вычислять и визуализировать функцию E(t): (Рис.3). Псевдо-ЭКГ E(t), рассчитывается программой по формуле

                    s cosQ D S       _N
            E(t) = ------------------ S [ Uek_i(t) - K₂ Uep_i(t) ]
                      4p s _ex r_L^{2      i=1}

где
s - удельная проводимость ткани;

Q - угол между нормалью к поверхности препарата и направлением на точку, в которой рассчитывается псевдо-ЭКГ;

D S - площадь элементарного участка;

s_ex - удельная проводимость внеклеточной среды;

r_L - расстояние между поверхностью препарата и точкой, в которой рассчитывается псевдо-ЭКГ;

U_eki(t) и U_epi(t) - напряжение в момент времени t на i-м электроде матрицы эндокарда и эпикарда соответственно;

K₂ - коэффициент, учитывающий разные входные сопротивления электродов эндокарда и эпикарда. Для просмотра E(t) введено специальное окно (Рис. 4). Электрограммы, псевдо-ЭКГ и карты, которые строит система, могут быть выведены на печатающее устройство. Кроме того, имеется возможность их преобразования в форму, пригодную для обработки в других графических пакетах, таких как Harvard Graphics и SigmaPlot (см. подпись к Рис.3).

Обсуждение

Основным улучшением по сравнению с предыдущим вариантом установки "Волна" стало использование интегрированной среды на основе многопользовательского интерфейса, позволившей объединить в одной программе такие функции системы, как управление проведением эксперимента, обработку, представление и хранение данных. Одним из недостатков предыдущей системы было ограничение на длительность регистрируемых электрограмм (не более 4сек. с использыванием 64 электродов при частоте дискретизации 1 кГц). В новой системе этот недостаток устранен и время регистрации определяется только объемом памяти компьютера. Кроме того, существенно расширен набор режимов формирования импульсов стимуляции препарата при регистрации данных. Обработка данных экспериментов, проведенных с помощью системы, позволила выявить связь между псевдо-ЭКГ, характерными для полиморфных аритмий (Рис.4), и сложными изменениями во времени волновых картин, регистрируемых одновременно на эпикарде и эндокарде (Рис. 5). В некоторых случаях эти изменения представляют собой дрейф эктопического источника возбуждения. На рисунке 6 показан дрейф ядра ревербератора, зарегистрированный в одном из экспериментов. Модифицированный вариант установки "Волна" позволяет существенно расширить возможности эксперимента с целью поиска новых подходов к исследованию механизмов нарушения сердечного ритма.

Работа выполнена при финансовой поддержке Международного фонда Дж. Сороса и Российского фонда фундаментальных исследований.

Список литературы

1. Кринский В.И., Медвинский А.Б., Панфилов А.В. Эволюция автоволновых вихрей. М.: Знание, 1986.
2. Медвинский А.Б., Перцов А.М., Полищук Г.А., Фаст В.Г. //Электрическое поле сердца. М., 1983. С.38.
3. Барилко Ш.И., Кринский В.И., Перцов А.М., Турцин Л.А., //Автометрия. 1986ю №3 С.52.
4. Буч Г. //Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения. Пер. с англ. М.: Конкорд, 1992. С.173.
5. Коутс Р., Влеймник И. Интерфейс "человек-компьютер". Пер. с англ. М.: Мир, 1990. С.316.

Рисунки

---

Рис.1. Электрограммы, одновременно зарегистрированные в местах расположения внеклеточных электродов. Показаны два окна, отличающиеся количеством электрограмм. Вертивальными отрезками обозначены метки моментов активации миокарда под соответствующим электродом. Каждое окно может содержать любое количество электрограмм, которое задается положением вертикальной полосы, отмеченной штриховкой справа от каждого из окон. Отрезок времени, для которого вычерчиваются электрограммы, также может быть задан положением горизонтальной полосы, отмеченной штриховкой под каждым из окон. В процессе работы с окном в верхней его части может выводиться информация о номере канала, моменте времени и первой производной сигнала по времени в указанной пользователем точке. Вернуться к тексту.

---

Рис.2. Карта распространения возбуждения по поверхности сердечной ткани. Показано окно карты распространения волны возбуждения, находящееся над окном электрограмм. Карта в левой половине окна соответствует эндокарду, в правой половине - эпикарду. Линии на карте (изохроны) соответствуют положению фронта волны возбуждения в различные моменты времени. Для каждой изохроны указан соответствующий момент времени (числа в прямоугольниках). Точками отмечены положения регистрирующих электродов, а числами под ними - номера электродов. Числа над точкаим соответствуют моментам прохождения волны возбуждения (с мс) под соответствующими электродами. При построении изохрон использовался метод линейной интерполяции с последующей апроксимацией сплайнами. В верхней части окна указан номер окна в ряду общего числа окон в данном эксперименте. Также указан временной интервал регистрации в мс. Вернуться к тексту.

---

Рис.3. Псевдо-ЭКГ. График построен при помощи программы SigmaPlot 2.01 фирмы "Jandel Scientific" Вернуться к тексту.

---

Рис.4. Окно псевдо-ЭКГ. Показан пример окна, содержащего псевдо-ЭКГ, построенную программой. В процессе работы с окном в его верхней части отображается момент времени и значение псевдо-ЭКГ в точке, указанной пользователем. Вернуться к тексту.

---

Рис.5. Волновые картины, зарегистрированные одновременно на эндо- и эпикардиальной поверхностях препарата стенки правого желудочка суслика. Номера волновых картин с пометками эндо и эпи указаны слева от изображения соответствующих поверхностей препарата. Относительные (для каждой волны) моменты активации в мс указаны рядом с соответствующими изохронами. Стрелками обозначены направления проведения возбуждения. Пунктирные стрелки показывают проведение возбуждения с одной поверхности препарата на другую. Области перехода заштрихованы. Рядом с ними показаны абсолютные значения момента перехода в мс. Зачерчены функционально невозбудимые области. Вернуться к тексту.

---

Рис.6. Дрейф ядра вихря на эндокарде. Точками отмечены положения регистрирующих электродов. Расположение электродов совпадает с расположением электродов на правой стороне карты рис.2. Эллипсы и линии обозначают положение ядра. Последовательность положения ядра условно обозначена числлами в квадратах. Скорость дрейфа изменялась во времени. Вернуться к тексту.