автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Содержательная параметризация, образное топографическое представление и статистический анализ электрофизиологических состояний сердца

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК -ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

' ■--•■•. На правах рукописи

ДАНИЛУШКИН МИХАИЛ ГАРИЕВИЧ

УДК 578:621.38+612

СОДЕРЖАТЕЛЬНАЯ ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ,

ОБРАЗНОЕ ТОПОГРАФИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ СЕРДЦА

05.13.01 — Управление в технических системах 03.00.02 — Биофиоика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА — 1995

Работа выполнена в Институте проблем передачи информации Российской Академии наук

Научные руководители:

доктор биологических наук Л.И.13итомир хандидат технических наук В.Г.Трунов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В.В.СМОДЯЕИЫОВ кандидат физико-математических наук О.В.Баум

Ведущая организация:

Московский Государственный Университет

Защита состоится "_" ... '_1995г. в_час. на Заседании Специализированного совета Д.003.29.01 в Институте проблем передачи информации Российской Академии наук по адресу: 101447, Москва, ГСП-4, ул.Ермоловой, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИППК РАН.

Автореферат разослан "_"_ 1995г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук

С.Н.Степанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ -

Актуальность темы. Вследствие распространенности сердечно-сосудистых заболеваний во всем мире их профилактика, диагностика и лечение становятся все более актуальной задачей. Данная работа посвящена проблеме повышения точности диагностической оценки состояния сердца на основе неинвазиввого намерения и математической обработки потенциала его электрического поля. Применение традиционного для электрокардиографии эмпирико-статистического анализа сигналов систем 12 стандартных или 3 ортогональных отведений не исчерпывает возможности электрокардиографического метода итз-оа трудности надежной верификации клинического материала и недостаточной электрофизиологическоц информативности количественных параметров, используемкх в этих общепризнанных методиках. В связи с этим была предпринята попытка реализовать более эффективные методы, характерные для компьютерных систем 4-го поколения, а именно, методы топографического содержательно-образного представления данных на эслове измерений, осуществляемых при помощи систем 3 ортогональных отведений. Этот подход особенно актуален в связи с необходимостью обеспечить широкое практическое внедрение в медицину методов, основанных на последних достижениях биофизики сердца, компьютерного моделирования электрофизиологяческих процессов в миокарде, теоретической и экспериментальной злектрокардиологии.

Цель работы. Работа направлена на создание, теоретическое и эксперименталь-юе исследование и практическую реализацию эффективных методов топографического федставления данных электрокардиографических измерении, осуществляемых при помо-ци систем ортогональных отведений. Содержательные характеристики этих измерений,, ююльзуемые для диагностической интерпретации, должны базироваться на моделях кар-[иоэлектрического генератора, которые, с одной стороны, максимально приближены к ре-льному электрическому генератору сердца, и, с другой стороны, позволяют однозначно яределять эти характеристики по измеренным сигналам. Простота используемых мо-елел кардиогевератора обусловливается ограниченностью объема исходных измерений. 1аряду с формулировкой содержательных характеристик необходимо также разработать гетодику статистического анализа параметров, получаемых при помощи вышеуказанных ¡етсдов топографической интерпретации данных, с целью их дальнейшей автоматической лассификации по диагностическим категориям для конкретных клинических приложений.

, Основные оадачи исследования:

1. Сформулировать и решить обратвую электродинамическую задачу ва основе муль-типольного анализа электрического поля модельных генераторов в фазах деполяри-

зации и реполяризации желудочков сердца для случая экономных измерений (анализ дипольвых компонент) с целью получения характеристик, которые могут быть использованы для хронотопографического представления электрофизиологически> процессов в миокарде.

'•• ицглить влияние основного фактора неоднородности сердца на точность неинвазив-ной идентификации параметров модельного генератора в фазе реполяризации.

3. Разработать новые виды электрокардиографического картирования, выявляющие более точно искомые электрофиэиологнческие характеристики на базе модельных кардиогенераторов в фазах желудочковой активности сердца.

» Очтаить информативность параметров, полученных при помощи топографической шгтерар^тащга предложенных моделей на клинических примерах.

', Р&зраоотать методику диагностической классификации количественных параметров озаяаа алгктрофизиологических характеристик сердца. "Ч-

б С.тад?.т;> здчзритмы и программное обеспечение для топографического нредставле-Н2я процессов деполяризации и реполяризации желудочков сердца.

7. Создать алгоритмы и программное обеспечение! для статистического анализа карт распределения основных электрофизиологических характеристик процесса желудочковой актизности. " ..........'

Методы исследования. Основными методами исследования являются: теоретическая анализ моделей электродинамической системы "электрический генератор сердца —

г

тгло как объемный проводник" на основе мультипольного разложения потенциала электрического поля сердца; теория и алгоритмы статистической классификации данных с привлечением методов теории распознавания образов и нечетких множеств.

Научная новизна реоультатов.

1. Сформулировано приближенное математическое описание поверхностно и объемно распределенных генераторов в фазах деполяризации и реполяризации желудочков сердца, соответственно, позволяющее идентифицировать параметры модели ао ~е-инвазивнъш измерениям дяпояьного ыоыевта электрического гензратора сердца.

2. Оцепенно влияние неоднородности сердца на точность идентификации параметров объемно распределенного генератора при неинвазивяых измерениях.

)

3. Разработаны алгоритмы, позволяющие стропть карты распределения электрофи-зиологическпх характеристик сердца в периоды деполяризация л реполяризапип на квазиэпикардиалыюй поверхности.

4. Разработаны алгоритмы для статистического анализа моментиых в интегральных карт, построенных на базе топографичеких моделей.

5. Оценена информативность параметров, полученных при помощи разработанных топографических моделей, в диагностике некоторых заболеваний сердечно-сосудистой системы и предсказании морфологических характеристик сердца.

Положения, выносимые на оащиту.

1. Вывод аналитических выражений для мультипольных компонент модельных генераторов сердца в фазах деполяризации и реполяризацив.

2. Теоретическое обоснование экспериментально подтвержденного факта дипояьности истинного генератора сердца в фазе реполяриоащщ.

3. Оценка влияния внутрнполостной крови па точность идентификации характеристик генератора по неинваэивным измерениям потенциала электрического поля сердца на поверхности грудной клетки.

4. Получение математических выражений и разработка алгоритмов для вычисления распределения электрофизнологичесхгос характеристик на квазвэпнкардиальной поверхности в фазах деполяризации и реполяризации.

5. Оценка информативности топографических параметров в диагностике некоторых заболеваний сердечно-сосудистой системы и предсказании морфологических характеристик сердца.

6. Разработка методики и алгоритмов статистичесхого анализа квазиэпикардиальных карт электрофизиологических состояний сердца.

Научно-практическая ценность и реалиаацияреэультатов работы. Сформу-юванные в работе математические модели объемно и поверхностно распределенных ераторов сердца могут использоваться в качестве решения обратной электродинамикой задачи, причем параметры решения можно интерпретировать в злектрофизиоло-еских терминах.

Оценка влияния внутриполостной крови сердца ва его электрическое поле позволяет определить точность неинвазивной идентификации параметров модельного генератора в фазе реполяризации сердца.

Разработанные модели для топографического представления электрической актизко-сти желудочков сердца позволяют сократить время и одновременно повысить точность диагностической интерпретации сигналов, получаемых с помощью систем 3 ортогональных отведений, благодаря содержательности и легкости восприятия предъявляемых данных пользователями (кардиологами), при визуальном анализе карт электрофцзиологиче-ских характеристик.

Разработанные методы статистического анализа карт электрофизиологических характеристик сердда позволяют извлекать количественные параметры, обеспечивающие эффективную диагностическую классификацию ва основе статистических алгоритмов распознавания образов.

Результаты работы используются как методическая основа при проведении научных исследований в области электрофизиологии сердца и электрокардиологии, реализованы в виде программного обеспечения для персональных компьютеров типа 1ВМ РС АТ в составе автоматизированных электрокардиографических систем и находят применение для кардиологической диагностики в клиниках,' повышая эффективность распознавания сердечно-сосудистых заболеваний.

Апробация, работы и публикации по теме диссертации. Результаты диссертационной работы были представлены па XXVIII и XXIX научных конференциях молодых ученых Института проблем передачи информации Российской Академии Наук (ИППИ РАН, 1993, 1994 гг.); на XXXVII и XXXVIII научных конференциях Московского физико-технического института (МФТИ, 1992, 1994 гг.); на международных конференциях САЫИАСЭЗ (Карловы Вары, Чехия, 1993 г.) и САШЭ1АС94 (Прага, Чехия, 1994 г.); на XVIII (Паям Кост, США, 1993 г.) и XIX (Санта Барбара, США, 1994 г.) международных конференциях Общества Компьютерной Электрокардиологии; на XX (Кананаскис, Капада, 1993 г.) и XXI (Йокогама, Япония, 1994 г.) международных электрокардиологических конгрессах. Результаты работы демонстрировались на выставке Отделения информатики, вычислительной техники и автоматизации РАН в 1994 г. Работа била удостоена премии конкурса "Молодые дарования в области науки и техники" Российской Академии наук в 1992 г.

По результатам диссертации опубликовано 7 работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глас, библиографического списка и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, рассмотрены пели и задачи исследования, приведены научные результаты и положения, выносимые на. защиту, дано краткое содержание диссертации.

В Главе I дана общая математическая формулировка электрокардиологпческих задач, описан метод мультипольного разложения скалярного потенциала электрического поля и выведены уравнения, необходимые для его практического применения. Выяснен физический смысл мультипольных компонент как интегральных характеристик биоэлектрического генератора. Рассмотрены "микроскопическая" структура кардиогенератора на клеточном уровне п основная электрофизиологическая характеристика мембран клеток миокарда — трансмембранный потенциал действия. Далее сфорыулнрованы и рассмотрены упрощенные модели кардиогенератора дня фаз деполяризации и реполяризации.

Многочисленные теоретические исследования и экспериментальные измерения показывают, что электрическая волна возбуждения, распространяющаяся в миокарде в период деполяризации желудочков сердца (QñS-комплекс), близка по своей структуре к двойному слою источников тока, который непрерывно изменяет свое положение и форму. Поэтому в качестве эквивалентного электрического генератора часто рассматривают именно двойной слой. Наиболее простым вариантом формы двойного слоя, используемым для моделирования, является эквивалентный электрический генератор в виде сферического сегмента равномерного двойного слоя с плотностью -источников тока J. на сферической -

л

поверхности S. Собственные параметры интенсивности и геометрической конфигурации генератора можно выразить через мультипольные компоненты первого порядка по формулам -

Хю = irJtP1 cosв„ Лц = xJ.p2sin 8.sinВц = -Kj,i?saiO, cos-ф.,

где (6,,-ф,) — координаты центра двойного слоя на поверхности S в сферической системе координат (г, 0, ф), центр которой совпадает с центром сферы, р — радиус диска, на который опирается сферический сегмент и Aw, Ац, Ви — мультипольные компоненты первого порядка.

Возможность построения довольно простого эквивалентного электрического генератора сердца в фазе реполяризации обусловлена особенностями структуры реального генератора сердца, который распределен по всей области миокарда. "Адекватное представление об эквивалентном генераторе и окружающей его среде для решения диагностических задач достигается при рассмотрении сферической модели желудочков сердца. Она представляет собой проводник, состоящий из двух однородных изотропных областей, разделенных

граничной поверхностью в форме сферы. Область существования электрического генера тора ограничена сферами с радиусами Rq, и R^, аппроксимирующими эпикардиальнук поверхность и эндоирдиальную поверхность желудочков, соответственно. Геоыетрпче ские положения центров сфер в пространстве совпадают. Область внутри сферы с радиусом Rq, имеет удельную электропроводность <г#, а удельная электропроводность-облает! вне этой сферы passa <гт„. Предположим, что в любой заданный момент времени период:

реполяризации градиент трансмембранного потенциала равномерно распределен по об-ь

>

ему области генератора и ориентирован во всех точках в одном направлении — по оси ; декартовой системы координат xyz, начало которой совпадает с центром сфер.

Теоретический анализ интегральных характеристик генератора показал, что выше описанный генератор имеет строго дипольную структуру, и его мультипольные компо ненты первого порядка выражаются как

•¿ю = у ~ fiL) Jv\ Аи = 0. Bu = О,

где — z-комЕонента вектора объемной плотности дипольвого момента генератора.

Экспериментальные исследования с вычислением интегральных характеристик реаль ного кардиогецератора показали, что с высокой точностью в фазе реполяриаации желу дочков его можно описать мультипольвыми компонентами низших порядков (дипольнымс и квадрупольными), причем доминирующий вклад вносят дипольные компоненты.

■Однако электродинамическая модель не является достаточно-полной с точки орениз описания реальной системы "генератор — тело", если не учесть факт наличия внутрипо лостной крови сердца, имеющей относительно большое значение удельной электропровод ности. Авторы, исследовавшие это явление, отмечают, что следствием наличия внутрипо лостной крови является как "кажущееся" увеличение радиальной составляющей элемен тарного дипольного момента и "кажущееся" уменьшение его тангенциальной составляю щей.

В данном исследовании предполагалось, что во внутренней шаровой области модел! находится кровь, удеаьная электропроводность которой равна сгк.

"Кажущееся" изменение модуля элементарного дипольного момента под влиянием вну триполостной крова выражается как

»-^♦^TÏ^TOV'-'].

где (г, в, ф) — координаты элементарного диполя с дипольяым момента Dy' в сферк ческой системе координат. Отличные от нуля мульткполыше компоненты генератор:

ыражаются формулами:

д _ 4* I пЗ рз ^ nW Л - 1 - °я1°К („, _ „I \

Материалы исследований, опысанные в Главе I, опубликованы в [1, 3, 6].

В Diabe П обсуждена эволюция топографических методов в компьютерной эдектро-ардиографии и обоснованы их преимущества.

Оспов гым достоинстом моделей, рассмотренных в предыдущей главе, является то, что пи позволяют формулировать решение обратной задачи в терминах электрофизиологи-еских состояний миокарда. Для наглядного представления динамики охвата желудочков озбуждением с привязкой к отделам сердца формируются топографические, или карто-рафические изображения основных электрофизиологических состояний и характеристик тенки сердца в проекции на сферический квазиэпикард, или сферу отображения.

В фазе деполяризации рассматриваются три основных электрофизиологических состо-ния з стенки сердца:

• невозбужденное (поляризованное) состояние пли невозбудимая область, л = Rest;

• состояние активации (наличие фронта деполяризации, пересекающего стенку сердца в данном радиальном направлении), з = Act;

п

• полностью возбужденное (деполяризованное) состояние после прохождения фррнта, .. . з = Dep.

Область сферы отображения, находящаяся в данный момент времени в состоянии Act, граничена краем двойного слоя, описывающего фронт деполяризации. До начала процес-а деполяризации вся сфера находится в состоянии Rest. В дальнейшем, по мере развития ¡роцесса возбуждения, появляются области, находящиеся в состоянии Act или Dep.p По-ледние определяйте* теми точками, где фронт деполяризации находился в предыдущие юменты времени, а в данный момент уже отсутствует (т.е. точками, раньше нахо-.ившимися в состоянии Act). Предусматривается возможность двукратного появления остояния активации в одной и той же области сферы отображения (соответствующие остояния обозначаются Act' и Dep'.

Построение карт распределения электрофизиологических состояний, или момеатных арт, с анатомическими ориентирами на сфере отображения в каждый момент времени периода деполяризации осуществляется на основе следующего алгоритма. '

Перед началом процесса деполяризации все точки сферы находятся в состоянии покоя (t < 0) = Rest, ь каждый последующий момент (вплоть до окончания периода QRS) со-

стояние каждой точи сферы определяется по следующим правилам (£ — угловое отклонение точки от направления вектора сердца, — угловое отклонение границы проекции фронта деполяризации от направления вектора сердца и — интервал между соседними моментами):

Если «0 > ш II s(t. - Д4) = Rest, TO 'M = Rest;

Если С(0 > Ы*) и м* -At) = Act или At) = Dep], TO Dep;

Если ею > ыо а W* - At) = Act' или s(t- At) = Depl, TO Dep';

Если f w < ш н 1-е* - At) = Rest или s(t- At) = Act],' TO 4t) = Act;

Если № < bit) и м* - дг) ф Rest и j(t- At) ф Act], TO i(i) = Act'.

Распределение состояний Rest, Act и Dep на сфере отображения в последовательные моменты времени, разделенные достаточно малым интервалом времени At, дает наглядное представление непрерывного охвата желудочков сердца возбуждением.

Более компактное и легко воспринимаемое изображение, также содержащее полезную информацию о процессе деполяризации, можно получить в виде суммарных карт возбуждения, к которым относятся катры нескольких типов:

о Карта прихода активации, или изохронная карта, показывающая распределения на сфере отображения времен прихода фронта деполяризации в каждую точку по отношению к моменту начала периода деполяризации, т.е. распределение задержки прихода фронта деполяризации. Согласно топологической структуре модели, эта карта характеризует скорость-охвата эндокардиальной стенки желудочков деполя-ризацей в тангенциальном направлении вдоль ее поверхности.

• Карта ухода активации, или изохронная карта, показывающая распределение на сфере отображения времен ухода фронта деполяризации из каждой точки по отношению к моменту начала периода деполяризации, т.е. распределение задержки ухода фронта деполяризации. Согласно топологической структуре модели, эта карта характеризует скорость охвата эпикардиальной стенки желудочков деполяризацей в, тангенциальном направлении вдоль ее> поверхности.

» Карта продолжительности активации, показывающая распределение на сфере отображения моментов времени, в течении которого каждая точка находится в состоянии активации. Согласно топологической структуре модели, эта суммарная карта деполяризации характеризует динамику распространения фронта деполяризации в радиальном направлении, т.е. по толщине стенки сердца.

Для топографического представления процесса реполяризааии миокарда используется математическая модель объемно распределенного генератора.

В каждый рассматриваемый момент времени процесс реполяризации характеризуется средним уровнем трансмембранного потенциала для всего миокарда Р0 и переменной по пространству составляющей Рд, которая порождает дипольные компоненты генератора:

Р = Ро + Pd- ,

На протяжении периода реполяризации это распределение изменяет свою форму вследствие изменения как первого, так и второго слагаемого, причем в конце кардиоцикла на всем каазиэппкарде устанавливается уровень исходной поляризации Р и 1.

Относительный средний уровень трансмембранного потенциала Р0 = Po(t) можно аппроксимировать аналитическим выражением на основе экспотевпиальной зависимости:

P°(Î) = 1 + ехр{Кцср (i — Kjj>d)}'

Значение константы Кцс„ полагают равным осредненному значению экспериментально

v г

найденных постоянных, определяющих крутизну спада потенциала действия для энодокар-

диальных и зпикардиальных клеток миокарда. Значение константы Кдрр определяется из

условия соответствия точки наиболее крутого уменьшения трансмембранного потенциала

моменту времени,- когда достигается максимальный модуль вектора реполяризации.

Выражение для переменной по пространству составляющей имеет следующий вид:

- 3 D cosf

• °=ÎEFS)....... '

где D — модуль вектора сердца, Dm — максимальный модуль вектора сердца на протяжении QRS комплекса, £ — уголовое отклонение точки от направления вектора сердца.

Для топографического отображения реполяризационных свойств миокарда в интегральной форме используется суммарная карта реполяризации, показывающая распределение переменной по пространству составляющей (имеющей дипольную форму) продолжительности потенциала дейстзия. Ее называют картой укорочения реполяризации, лоскольку она показывает распределение величины, которая имеет меньшие значения в той области сердца, где потенциал действия относительно короче, т.е. где процесс восстановления миокарда после деполяризации протекает быстрее, чем в других областях. Эта величина отсчитывается от максимального значения продолжительности потенциала действия.

V

При наличии локальпого (очагового) повреждения миокарда генератор приближенно описывается дискообразным двойным слоем. Эта гипотеза положена в основу топографического представления ишемических поражений миокарда.

Материалы исследований, опысанные в Главе П, опубликованы в (3, 4, б, 7].

В Главе П1 дан обзор методик статистического анализа карт. Также приведены практические рекомендации диагностической интерпретации моментных и суммарных карт электрофизиологических состояний.

Моментные карты деполяризации дают подробное представление о динамике процесса распространения фронта деполяризации в стенках желудочков в проекции на эпикардиаль-ную поверхность сердца (рис. 1). Они показывают размеры этого фронта (области активации), его положение и перемещение по отношению к отделам сердца на протяжении периода деполяризации. Выявляются области эпикарда, на которые фронт не проецируется. На рис. 2 приведен пример моментных карт для случал передне-перегородочного инфаркта миокарда в период деполяризации желудочков. Некротичесхое поражение клеток миокарда в области перегородки препятствует прохождению волны возбуждения в область передней стенки, куда, соответственно, и не проецируется фронт возбуждения. Суммарные карты деполяризации выявляют более специфические свойства процесса деполяризации. Так, изохронные карты (карты прихода и ухода активации) отражают главным образом скорость и траекторию распространения деполяризации в тангенциальном направлении по отношению к поверхностям стенки сердца; карты продолжительности активации — скорость распространения деполяризации в радиальном, или нормальном направлении по отношению к поверхностям стенки сердца, а также толщину данного участка стенки (рис. 3). Увеличение толщины стенки при гипертрофиях желудочков является причиной появления зон "удлиненной" активации (областей, где подолжительность активации превышает 35-40 мс) на картах продолжительности активации (рис. 4). Моментные карты реполяризации дают подробное представление о динамике процесса восстановления невозбужденного (поляризованного) состояния стенки желудочков в проекции на поверхность сердца. Они показывают размеры, положение и перемещение областей с разными уровнями поляризации по отношению к отделам сердца на протяжении периода реполяризации. Моментные карты реполяризации полезны при распознавании патологических изменений сердца, обусловливающих изменения скорости и последовательности реполяризации миокарда, например, при ишемии, кардиомиопатиях, диффузных поражениях коронарных артерий (рас. 5 и рис. 6).

Суммарная карта реполяризации, или карта укорочения реполяризащга, отражает распределение длительностей процесса восстановления поляризованного состояния миокарда желудочков, т.е. электрофизиологической характеристики, в^вяощеи на стабильность процесса возбуждения желудочкоз. Эта карта может быть полезной для распознавания состояний сердца, предвещающих возникновение опасных нарушений ритма сердцебие-

и

А^ вет йс<:' Осп' «ДУИ^ГЧ 1-.-1- I

Рис. 1. Пример моментяых карт для случая нормы (фаза деполяризации)

Вет йсС 1>еэ'

—,Т.7~ ч --)

Рис. 2. Пример моментных карт для случая передне-перегородочного инфаркта миокарда (фаза деполяризации)

/

\ I I ^ ■ IЧ"--1

О 10 20304050 60 70 80 90 КС Рис. 3. Пример суммарных карт для случая нормы

Приход активации Уход ахтивашм

О 10 20 30 40 50 60 70 80 ЗОмс

Рис. 4. Пример суммарных карт для случая гипертрофии лезого желудочка

Рис. 5. Пример моментных карт для случая нормы (фаза реполярпзация)

Рис. 6. Пример моментных карт для случая диффузного поражения всех коровашшх фтерпй (фаза реполярпэации)

Таблица 1. Информативность топографических параметров в предсказании ММЛЖ

Группа параметров Параметры, вошедшие в уравнения Регрессионные коэффициенты F-oui значения Коэффициент корреляции

1 Св. член (г) 133,7

30-40/Дрод,- • 398,9 31,5 0.43

20-30/Црод. 157,0 7,1

80-90/11род. 1106,8 5,8

2 Св. член (г) 47,7

Вес (кг)*' 1,1 26,1 0.53

30-40/ирод. 254,7 13,4

Д.давление (мм.рт.ст.)"" 0,4 2,7

3 Св. член (г) 62,3

Вес(кг) 1,1 ч 29,0 0.58

40-50/Уход— , -91,9 13,6

30-40/Прод. 159,2 4,9 -

Д.давление (мм.рт.ст.) 0,5 3,7 - —•'

"площадь зоны с продолжительностью активация в указанном интервале "вес испытуемого

""двастоличесгое давление испытуемого

""'площадь ооны, из которой волна активации ушла в указанном интервале после начала <2А5-«онпле«са.

нии, а также для определения областей с нарушенным кровоснабжением, например, при перегрузке желудочка давлением.

На базе реальных электрокардиографических данных был проведен эксперимент, оценивающий информативность топографических параметров' в предсказании морфологических характеристик сердца.

Материалом для исследования послужили суммарные карты деполяризации 169 человек (106 мужчин и 63 женшин, средний возраст испытуемых 44,5 ± 12,1 года в дипазоне от 16 до 75 лет), а также некоторые их анатомические в клинические характеристики. По результатам эхокардиографических исследовании была оценена толщина стенки левого желудочка.

Построение математических моделей для оценки массы миокарда левого желудочка (ММЛЖ), Ьыраженной в граммах, по топографическим данным было выполнено с применением метода пошаговой регрессии, где в качестве зависимой переменной (отклика) использовали ММЛЖ. Параметры, вошедшие в регрессионные модели для оценки ММЛЖ, их регрессионные коэффициенты и F-oviзначение (F-критерий Фишера на исключение переменной), а также множественные коэффициенты корреляции Л2 для трек групп параметров представлены в табл. 1.

Результаты эксперимента подтверждают, что эффективные оценки ММЛЖ могут быть получены при совместном статистическом анализе клинических и анатомических

характеристик и топографических параметров, вычисленных по суммарйым картам прихода, ухода и продолжительности активации.

Возможность визуального выявления информативных параметров и обшей оценки состояния желудочков сердца для некоторых патологических изменений миокарда были исследованы на экспериментальном материале, полученном в рамках плана совместных исследований во Всеросийском кардиологическом научном центре РАМН.

Экспериментальным материалом для оценки послеоперационной динамики изменения массы желудочков при хирургическом лечении нарушения обмена альдостерона служили ортогональные электрокардиограммы 5 больных с гипертрофией левого желудочка на разных стадиях заболевания. При клиническом обследовании у них были выявлены нарушения обмена альдостерона в надпочечниках, которые привели к увеличению артериального дазления в большом круге кровообращения и повышению нагрузки на левый желудочек. Развитие гипертрофии явилось компенсаторной реакцией миокарда. Всем пациентам были проведены операции, устраняющие нарушение обмена альдостерона. Об эффективности операции судили по повторным эхокардиографическим и электрокардиографическим исследованиям.

Принимая во внимание эти электрофизиологические особенности заболевания и учитывая свойства вышеописанной сферической модели сердца в фазе деполяризации желудочков; особое внимание уделяли топографическим параметрам, определяемым по суммарным картам продолжительности, активации. В ^астпости, использовали относительную площадь зон удлиненной активации (под хоторыми подразумеваются зоны с длительно' стью активации 35 мс и больше), выраженную в процентах по отношению к общему числу элементов сферы отображения. В качестве верифицирующей методики использовалась ультразвуковая эхокардиография, при помощи которой во всех случаях определялся индекс массы левого желудочка. На рис. 7 приведены суммарные карты для одного из испытуемых, записанные до и через год после операции. В случае положительного результата операции на карте продолжительности активации наблюдается уменьшение площади зон удлиненной активации, причем расположение и динамика изменения этих зон соответствует областям желудочков сердца, в которых развиваются гипертрофические явления.

Количественные топографачехие п эхскардиографичесхие характеристики, наряду с . диагностическими заключениями кардиолога, приведены в табл. 2.

Экспериментальным материалом для исследования, целью которого была оценка распределений уровней поляризации в фазе реполяризадии желудочков сердца, служили ортогональные электрокардиограммы нескольких здоровых испытуемых и 10 испытуемых с 1,,'Гажениями коронарных артерий, которые приводят к изменению своаста возбудимости

Приход активации

Уход активации

Продолжительность активации

Приход активации

Продолжительность активации

Укорочение ревалоризации

шяшшяшшшат

Уход активации

Укорочение реполяризации

гяжу////л\\\\ 11111!:

щи */т

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90нс

Рис. 7. Суммарные карты больного с гипертрофией левого желудочка сердца перед хирургическим лечением (вверху) и после хирургического лечения (внизу)

Таблица 2. Результаты оценки эффективности хирургического лечения

Порядковый Данные о пациенте Диагностическое

номер Номер Опера- Относительная Индекс заключение

испытуемого ЭКГ ционный площадь зоны массы кардиолога об

статус удлиненной левого эффективности

активации желудочка операции ■

1 9097 До 12,9 107,0 Есть динамика улучшения

9372 После 12,4 101,7

2 0109 До 14,0 111,5 Есть динамика улучшения

9342 После 8,3 102,2

9095 До 11,8 110,2 Есть динамика улучшения

9340 После 1,3 88,2

4 9063 До 15,0 82,6 Нет динамики улучшения

9259 После 23,6 98,7

а 9074 До 12,3 107,7 Есть динамика улучшения

9348 После 4,0 ' 94,3

клеток миокарда, следствием чего может быть изменение распределения продолжительности их потенциала действия в массе желудочков. Характерными электрокардиографическими признаками проявления данного вида заболевания сердечно-сосудистой системы являются изменения амплитуды зубца Т и увеличение длительности реполяризационной части ВТ — Т желудочкового комплекса.

, При исследовании,этих патологических случаев особое внимание было уделено топографическим параметрам, определяемым по картам реполяризацни, как моментным, так и суммарным. В частности, оценивалась форма распределения продолжительности репо-ляризапии по сравнению с условиями нормы. Это распределение имеет важное значение для прогнозирования нарушений ритма сердца.

Из рис. 8 видно, что в представленном патологическом случае продолжительность потенциала действия распределена в миокарде более равномерно, чем в норме. Это может привести к нарушениям регулярности процесса реполяризацпи, характерной для нормальных условий.

Таким образом, визуальный анализ карт элехтрофизиологичесхих состояний позволяет дать непосредственную оценку ряда характеристик миокарда, относящихся к конкретным отделам сердца, благодаря чему достигается более осмысленное понимание реальных электрических процессов, происходящих в миокарде.

Материалы исследований, описанные в ГЬаве Ш, опубликованы в [2, 5].

В Заключении подведены общие итоги диссертационной работы и хргтко сформулированы результаты выполненых теоретических п экспериментальных исследований и

Приход активации

Уход активации

Продолжительность активации

Укорочение реполяриоации

Приход, активации

Уход активации

О 10. 20 30 40 50 СО 70 80 90нс

-Рис. 8. Суммарные карты длл типичного здорового испытуемого (вверху) и для больного с диффузными изменениями электрофизиологических характеристик миокарда(внизу)

технических разработок.

В Приложении содержатся документы о внедрении и практическом применении результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Предложены математические модели кардиогенератора для фаз деполяризации з репопяризации желудочков сердца. Получены аналитические выражения для интегральных характеристик кардиогенератора, позволяющие вычислять параметры модельных генераторов по неинвазивным измерениям дипольной составляющей потенциала электрического поля на поверхности грудной клетки. При ачализе-рав-номерно распределенного по объему миокарда генератора получено теорет.тческо? обоснование широко известного экспериментального факта почти дипольной структуры реального электрического генератора' сердца в фазе репопяризации. Оценено влияние наличия вкутриполостной крови сердца на точность идентификации интегральных характеристик модельного кардиогенератора в фазе реполяризации.

2. Предложено математическое описание процесса активации и восстановления стенки сердца в электрофизиологических терминах на основе предложенных моделей, характеристики которых могут быть вычислены по сигналам ортогональных систем отведений. Разработаны алгоритмы построения моментных и суммарных карт возбуждения и восстановления сердца. Таким образом, получен способ-приближенного иеинвазивной оценки динамики активации и восстановления сердца.

-3. Представлены результаты обработки реальных электрокардиографических данных и продемонстрированы преимущества топографического представления процесса возбуждения ц восстановления стеки сердца с явным отображением пространственной распределенности генераторных структур и электрофиопологических состояний миокарда с привязкой к основным анатомическим элементам сердца. Оценена информативность параметров, полученных при помощи разработанных топографических моделей, в диагностике заболеваний сердечно-сосудистой системы и предсказании морфологических характеристик сердца. Расширена методика статистического анализа распределенных электрофиэиологическпх параметров.

4. Результаты диссертационной работы используются при проведении экспериментальных исследований в области электрокардиология с целью создания новых диагностических методов, позволяющих повысить точность распознавания и прогнозирования сердечно-сосудистых заболеваний.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Данилушкин М.Г. Теоретическая модель кардиозлсктрического генератора в фазе

реполяризации желудочков сердца. — Труды XXIX Конференции молодых ученых . ' ИППИ РАН. М.: ИППИ РАН, 1994, с. 17-20.

2. Титомир Л.И., Трунов В.Г., Айду Э.А.И., Баринова Н.Е., Данилушкин М.Г.

Разработка юпшико-статистических критериев диагностики для системы ДЭКАРТО (отчет по этапу темы гос. per. Ш 01.9.10011069). — М.: ИППИ РАН, 1994.

3. Цэунов В.Г., Данилушкин М.Г. Топографическое представление и статистический анализ ортогональных электрокардиограмм. — Труды XXVIII Конференции молодых ученых ИППИ РАН. М.: ИППИ РАН, 1993, с. 38-41.

4. Danilushkin M.G. Comprehensive interpretation afjhe orthogonal ECG. — J. Electrocar-

diol., vol. 26, suppl., 1993, p. 99.

5. Danilushkin M.G. Informativity of electrocardiotopographic parameters for prediction of left ventricular mass. — J. Electrocardiol., vol. 27, suppl., 1994, p. 161.

6. Nagornov V.S., Trunov V.G., Danilushkin M.G., Muromtseva G.A. DECARTO-L

system for comprehensive analysis of orthogonal ECG. — In: Electrocardiology'93. / Ed. by Macfarlane P.W., Rautaharju P. Singapore etc.: World Scientific, 1994, p. 300-303.

7. Titomir L.L, Danilushkin M.G., Sakhnova T.A. Dipolar Ele.ctrocardiotopogrc.phy (DE-

CARTO) for dynamically imaging the ventricular repolarization. — Jap. Heart J., vol. 35, suppl. 1,1994, p. 233-254.

А ,-) X Подписано к печати " "_^ ^_1995 года.

Отпечатано на ротапринте в- Формат бумаги 30x42/4 Произлодственком комбинате Объем пл. Литературного фонда Зах. у ^ Тир. 100

ул. Усиевича, д. В-з

Тел. 152-17-71