Введение к работе
Актуальность работы
Системы навигации внутрисердечных электродов, предназначенные для отображения позиций эндокардиальных электродов при проведении малоинвазивных операций по устранению аритмий сердца, активно совершенствуются и обновляются. Используемый при лечении метод радиочастотной катетерной аблации требует выполнения электрофизиологического исследования с целью обнаружения точного положения источника аритмии. Поиск источника проводится путём манипуляций под рентгеноскопическим контролем положением хирургического инструмента (катетера) внутри сердца, регистрации внутрисердечных электрокардиограмм и определении времени активации. Обнаруженный очаг аритмии инактивируется в процессе локального радиочастотного воздействия. Важной составляющей процедуры электрофизиологического исследования являются средства контроля и запоминания позиций инструмента (электродов) с анализируемыми параметрами. В последнее время значительные усилия ученых (Shlomo Ben-Haim, Daniel Reisfeld, Wittkampf H.M. Frederik, Федотов Н.М., Андреев С.Ю.) и медицинских компаний (Biosense Webster, Saint Jude Medical, Boston Scientific, Электропульс) направлены на создание безопасных для пациента средств нерентгеноскопического контроля и навигации инструмента.
Несмотря на наличие средств и математических методов обработки данных в этой области исследований, существует ряд проблем, связанных с развитием теории и практической реализацией методов и средств. Общим недостатком известных технических решений является невозможность комплексирования информации навигационных систем с регистрирующими и аблационными системами, и диагностическими электрокардиостимуляторами при формировании операционных электрофизиологических комплексов. Нет данных по распределению электрических полей, создаваемых в теле пациента для определения координат электродов, нет программных средств для исследования влияния размеров электродов и их положения на теле пациента на форму электропотенциального поля в сердце пациента.
Таким образом, моделирование электрических полей в теле человека для выбора оптимальных размеров генерирующих электродов, разработка численных методов построения объёмных моделей сердца и создание единого аппаратно-программного комплекса для выполнения операций для лечения нарушений ритма сердца с полной синхронизацией запоминаемой информации, для упрощения взаимодействия с электрофизиологическим комплексом и обеспечивающего доступ основной части населения РФ к высокотехнологичной медицинской помощи является актуальным.
Целью данной работы заключается в создании математического, алгоритмического и программного обеспечения электрофизиологического комплекса трёхмерной навигации эндокардиальных электродов для повышения качества работы хирургов при лечении нарушений ритма сердца и увеличения доступности операций катетерных аблаций нарушений ритма сердца.
Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
-
проанализировать существующие подходы к решению задачи моделирования электрических полей в теле человека;
-
провести моделирование электрических полей в теле человека для оценки искажений и выбора размера генерирующих электродов;
-
провести анализ существующих методов построения трёхмерных геометрических моделей;
-
выбрать или усовершенствовать один из методов построения трёхмерных геометрических моделей камер сердца;
-
создать алгоритмы обработки поступающей информации и отображения результатов работы;
-
разработать программное обеспечение для электрофизиологического комплекса, использующее созданные алгоритмы.
Объектом исследования является комплекс эндокардиального картирования, предназначенный для лечения нарушений ритма сердца.
Предметом исследования является метод построения имитационных трёхмерных моделей камер сердца, определение зависимости неоднородности электрических полей от размеров генерирующих электродов.
Методы исследований математическое моделирование, численные итерационные методы решения систем дифференциальных уравнений и эмпирические методы исследований.
Достоверность результатов производимых расчётов подтверждается сравнением решения модельной задачи с решением, полученным другими авторами, и сравнение с аналитическим решением, а так же экспериментальными данными, полученными при внедрении разработанных изделий медицинского назначения в аккредитованных организациях.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Модифицирован метода Шепарда применительно к случаю аппроксимации трёхмерной замкнутой поверхности по ограниченному набору точек.
-
Усовершенствован алгоритм построения имитационных моделей камер сердца. Предложенное усовершенствование алгоритма позволило уменьшить число итераций аппроксимации до 3 раза и понизить плотность точек аппроксимирующей поверхности на 8%, исключить влияние геометрического размера набора точек и изменения последовательности добавления точек в набор.
-
Создан новый алгоритм автоматического построения трёхмерных моделей камер сердца во время манипуляции эндокардиальным электродом.
-
Получены новые результаты при моделировании электрических полей в теле человека от электродов расположенных на грудной клетке. Установлено, что при существенном изменении площади генерирующих электродов (в 36 раз), нелинейность поля изменяется незначительно (от 0,1% до 0,7%).
Практическая значимость состоит в созданном комплексе программ обеспечении для электрофизиологической системы, позволяющем проводить малоинвазивнные хирургические вмешательства по устранению нарушений ритма сердца, методом катетерной аблации, использую разработанные алгоритмы для построения объёмных поверхностей.
Применение программного комплекса, реализующего предложенные в диссертационной работе подходы, позволило решить ряд практических задач, а именно:
сократить время проведения «рентгеноскопии» во время проведения операций катетерных аблаций нарушений ритма сердца до 35%;
упростить восприятие текущего положения эндокардиальных электродов, что повысило информированность оперирующего хирурга;
уменьшить время необходимое для картирования и устранения эктопических очагов в предсердиях в среднем на 15%.
Основные теоретические результаты получены при выполнении исследований в рамках проектов финансируемых по гранту Минобрнауки: «Моделирование процесса радиочастотной аблации с охлаждаемым электродом» (2005г.). По грантам РФФИ: «Создание методологии визуализации электродов-катетеров и исследование параметров электрической активности сердца» (2006-2008г.); «Методология поиска источников патологической активности миокарда в лечебно-диагностических медицинских системах» (2008-2010г.); «Создание анатомически точных моделей камер сердца методами ротационной рентгенографии и их интеграция в медицинские системы локации и управления внутрисердечными электродами» (2009-2011г.). По конкурсу молодых учёных Администрации Томской области: «Разработка роботизированного комплекса для диагностики и лечения сложных форм аритмий сердца» (2008-2009 г.).
Результаты работы использованы при выполнении прикладных хоздоговорных НИР, финансируемых фирмой ООО «Л.М.Э. «Биоток» и Администрацией Томской области: «Устройство контроля состояния сердечнососудистой системы человека» (2005-2006г.); «Разработка комплекса трехмерной локации электродов эндокардиальных катетеров» (2006-2007г.).
Положения, выносимые на защиту
1. Модифицированный метод Шепарда объёмной интерполяции поверхности камер сердца по данным измерений электропотенциальных полей в теле человека. Модификация за счет использования адаптивного степенного коэффициента, позволила уменьшить число итераций аппроксимации более чем в 3 раза, при повышении равномерности получаемой аппроксимирующей сетки за счёт нормализации входных данных, исключения влияния порядка добавления точек в набор, создания исходной сетки с равномерным распределением узлов.
2. Алгоритм автоматизированного набора восполняющих точек позволяет построить объемную модель поверхности камеры сердца, при проведении эндоскопических вмешательств. Построение трёхмерной модели сердца связано с добавлением восполняющих точек в изменяемый набор при любых перемещениях электрода хирургом внутри сердца. Алгоритм добавления основан на совместной работе алгоритмов объёмной интерполяции и методе построения выпуклой оболочки.
3. Результаты численного моделирования распределения электрического поля в теле человека от электродов, расположенных на грудной клетке показали, что преимущества от увеличения размеров генерирующих электродов нивелируются анатомическими особенностями расположения рабочей зоны.
4. Комплекс программ моделирования, интерполяции и съема сигналов с электродов позволяет повысить качество восприятия электрофизиологической информации, упростить управление электрофизиологическим комплексом, ускорить процесс воспроизведения 3D изображений камер сердца, что сократило время проведения процедуры и снизило дозу рентгеновского излучения, получаемого пациентом и медицинским персоналом. Впервые представлен аппаратно-программный комплекс, вся информация и управление которым сконцентрированы на одной рабочей станции. Это позволило снизить количество и разнородность управляющих элементов и концентрировать внимание хирурга на двух мониторах вместо 4-х традиционных.
Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы внедрены в продукцию ООО «Л.М.Э. «Биоток», применяются в ГВОУ ВПО Сибирском государственном медицинском университете и Научно-исследовательском институте комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний СО РАМН, в учебном процессе ФГБОУ ВПО Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Втором Всероссийском съезде аритмологов (г. Москва, 2007 г., г. Москва) и IX-м Международном славянском Конгрессе по электростимуляции и клинической электрофизиологии сердца (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), Международной научно-практической конференция «Электронные средства и системы управления» (г. Томск, 2004 г.), Научной сессии ТУСУР (г. Томск, 2008-2010 гг.). По результатам работы опубликовано 13 статей, из них 5 в журналах рекомендованных ВАК, получено два свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ в Роспатенте (№ 2010610591 «Программа навигации внутрисердечных электродов и поиска источников аритмий в трёхмерной модели сердца» и №2010615380 «Программа управления компьютерной системой визуализации рентгенографических исследований и трёхмерной реконструкции камер сердца»), получен патент на изобретение №2422084.
Личный вклад автора.
-
Предложена идея нормировки входных данных и использования сетки с равномерным распределением узлов для метода построения моделей камер сердца.
-
Получены формулы численного решения уравнения Пуассона для электрических полей в среде с неоднородной проводимостью с использованием метода конечных разностей.
-
Проведено моделирование электрических полей в теле человека от электродов, расположенных на грудной клетке, сделаны выводы об отсутствии практического преимущества от использования генерирующих электродов с большой контактной поверхностью.
-
Предложен алгоритм, сокращающий время построения моделей камер сердца.
-
Разработано алгоритмическое обеспечение для системы внутрисердечной навигации.
-
Создано программное обеспечение электрофизиологического комплекса Биоток Space Vision.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 137 страницах и состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения, списка литературы из 105 наименований, содержит 77 рисунков и 8 таблиц.
