Автоматизированная система мониторинга сердечной деятельности

Разработка аппаратно-программного диагностического комплекса
Актуальность проблемы
Большое влияние на здоровье спортсменов регулярной физической активности
Регулярное участие в спортивных тренировках и соревнованиях повышает риск
внезапной сердечной смерти
Необходимость периодического обследования спортсменов с целью выявления
сердечно-сосудистой патологии, кардиомиопатии, аномалий коронарных артерий и т.д.
Выработка единых регулирующих правил относительно допуска спортсменов с
сердечно-сосудистыми заболеваниями к соревнованиям
Современные методы диагностики сердечно-сосудистых заболеваний
Предварительный скрининг на основе жалоб и данных осмотра спортсмена
Электрокардиография не позволяет выявить повреждения клапанного аппарата,
аномалии коронарных артерий, расширение аорты
Эхокардиография – диагностика ГКМП, клапанные пороки сердца, расширение аорты.
Недостаток – субъективизм, сложность в визуализации коронарных артерий, отсутствие
представления о структурно-функциональном состоянии сердца
Мультиспиральная компьютерная томография – серии изображений, позволяющих
изучать размеры и объемы камер сердца и толщину миокарда, фракцию выброса,
ударный объем, сократимость миокарда. Недостатки – инвазивность и высокая стоимость

Многофункциональный ультразвуковой аппарат для проведения кардио-сосудистых исследований экспертного уровня
Медицинское применение и возможности ПО системы:
Кардиология
Коронарные артерии
Сосудистые исследования
Совместная томографическая и ультразвуковая визуализация
Исследование динамики движения миокарда, вычисление деформаций и скоростей деформаций
Анализ скручивания (torsions)
Картирование физической жесткости-эластичности тканей и патологических образований
Оценка эластичности сосудов в режиме реального времени
Расчет эластичности артерий, параметров пульсовой волны и локального С/Д кровяного давления

Математическое моделирование как перспективное направление в создании новых методов инструментального обследования
Основная цель: исследовать работу сердца и предсказать результаты
будущих наблюдений
Источник информации: ультразвуковая диагностика с использованием
системы MyLab 90 Esaote
Основные признаки математической модели
Геометрия камер сердца и крупных
сосудов
Инерционность камер
Эластичность стенок камер
Гидродинамическое сопротивление
Зависимость объема камер от времени
Объемный выброс из желудочков
Поле скоростей
Картина сердечных сокращений под
нагрузкой
Преимущества математического моделирования
Высокая точность диагностики
Возможность построения трехмерного
изображения сердца
Отсутствие субъективного фактора
Прогнозирование реакции миокарда конкретного спортсмена на нагрузку
Использование данных УЗИ

Структурно-функциональная схема А-ПДКамплекса

Блок-схема макетного образца
А-ПДКомплекса

Использование УЗИ в построении аппаратно-программного диагностического комплекса
Объём сердечной мышцы (общий и по отделам сердца)
Толщина сердечной стенки
в нескольких стандартных точках
особенности сердечной стенки (необычные утоньшения и утолщения)
Объём отделов сердца (максимальный и минимальный за период)
Площади поперечного сечения входящих и выходящих в сердце сосудов
в стандартных сечениях
в максимальных сечениях в ближней окрестности сердца
в минимальных сечениях в ближней окрестности сердца
Полный поток крови за период (по большому и малому кругу)
Кинетическая энергия вытекающей крови (по большому и малому кругу)
Численные параметры, определяемые по данным УЗИ

Использование УЗИ в построении аппаратно-программного диагностического комплекса
Определение поля скоростей камер и крови в желудочках и крупных сосудах
Определение проекции скорости на направление луча (допплерография) – один из трех компонентов скорости
Применение некоторой геометрической модели потока крови и движения стенки для определения других компонент (реконструкция движения стенки по Бакбергу, гипотеза аксиальной симметрии потока крови)
Проведение УЗИ камер сердца с трех или двух направлений – для прямых измерений проекций скоростей
Определение проекции скорости на нормаль к поверхности для гладких областей
Определение двухмерной проекции скорости на плоскость перпендикулярную лучу для стенок камеры (для складок, изломов, стыков стенок и т.п.)
Интерполяция компонент скорости между особыми точками.
Определение поля скоростей сердечной мышцы

Использование УЗИ в построении аппаратно-программного диагностического комплекса
Анизотропия миокарда
Картина укладки волокон в желудочках Мелкомасштабная: вдоль и поперёк мышечных волокон
Крупномасштабная: вдоль и поперёк ленты миокарда
Экспериментальное определение модулей упругости и коэффициентов Пуассона на образцах сердца животных
Усреднение свойств разных слоев поперек сердечной стенки
Подход, основанный на использовании упругости ленты миокарда вдоль и поперек ленты
Приближенная модель анизотропии “вдоль верёвки” – выделенное направление ленты
От замеров при УЗИ до моделирования по МКЭ

Использование УЗИ в построении аппаратно-программного диагностического комплекса
Синхронизация при реконструкции 3D и 4D геометрии сердца
Недостаток используемого аппарата УЗИ – одномерная матрица датчиков, позволяющая снимать только 2D срезы
3D модель сердца строится на основе данных трёх УЗИ срезов – расчётная сетка в большей мере генерируется с помощью поверхностной интерполяции и экстраполяции
Возможность возникновения в модели особенностей, отсутствующих в реальном сердце и наоборот – отсутствие особенностей, которые попали между плоскостями УЗИ срезов
На 3D модели необходимо обозначить плоскости УЗИ срезов
Первоочередная мера – использование кронштейна для фиксирования положения датчика УЗИ и поворачивания его на заданные углы вокруг фиксированной прямой
3D модель может быть получена только за счёт комбинации различных срезов в эквивалентные моменты времени – проблема непериодичности колебаний сердца
Часы - само сердце
ЭКГ, артериальное давление, звук сердца – дополнительные средства для определения синхросигнала
Динамическая 4D модель – набор 3D поверхностей в 4D пространстве-времени

Использование УЗИ в построении аппаратно-программного диагностического комплекса
Чем нужно дополнить УЗИ?
Аппарат УЗИ позволяет получить геометрию сердца и его характеристики функционирования только в режиме покоя
Под нагрузкой снимаются данные о сердечном ритме и силе сердечных сокращений (ЭКГ, измерение пульса и артериального давления)
Задача воспроизведения сердечных сокращений под нагрузкой на математической модели сердца
Стандартизованная нагрузка (велоэргонометр, приседания, и т.п.)
Нагрузка во время занятий спортом

Создание ПО моделирования геометрии сердца по данным УЗИ
Методологические проблемы
Направления работы
Создания ПО «полуавтоматического» построения с применением собственных программ и лицензионного ПО
Создание ПО автоматического построения

Создание ПО моделирования геометрии сердца по данным УЗИ
Полуавтоматический режим

Создание ПО моделирования геометрии сердца по данным УЗИ
Создано собственное ПО, генерирующее модель сердца по заданному количеству срезов
Построена оболочечная сетка, пригодная для использования для различных математических моделей
Геометрическая модель была использована для создания упруго-механической модели
Создан макет 4-х камерной модели сердца с «выправленной» топологией по результатам участия во вскрытиях в Жуковской городской больнице
Планируется создание дружелюбного интерфейса к созданному программному комплексу

Создание ПО моделирования геометрии сердца по данным УЗИ
Полученные геометрические модели для конкретного спортсмена

Создание ПО моделирования геометрии сердца по данным УЗИ
Теххнология моделирования сосудов и клапанов

Создание ПО моделирования геометрии сердца по данным УЗИ
Полученные геометрические модели для конкретного спортсмена

Создание ПО моделирования геометрии сердца по данным УЗИ
АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ
ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ
Перспективы развития программного обеспечения

Создание ПО моделирования геометрии сердца по данным УЗИ
Конкуренция на рынке программного обеспечения

Настройка гидродинамических моделей под конкретного пациента по данным УЗИ
ЭКГ
УЗИ
МРТ

Структура сердечнососудистой системы
Настройка гидродинамических моделей под конкретного пациента по данным УЗИ

Функциональные параметры
Длина
Диаметр
Геометрия
Топология
Структурные параметры
УЗИ
ЭКГ
МРТ
Растяжимость (эластичность)
Инерционность (масса)
Гидродинамическое сопротивление
V(t), Q(t)
Настройка гидродинамических моделей под конкретного пациента по данным УЗИ
Настройка моделей под конкретного пациента: структура сосудов
Инерционность камер сердца
Эластичность стенок камер сердца
Гидродинамическое сопротивление камер
Зависимость объема камеры от времени
Зависимость объемного выброса из желудочков от времени
Входные параметры
Внешнее давление, V(t), Q(t)

Гидродинамическая модель сердца
Осредненное по объему уравнение движения для каждой камеры (аналог 2-го закона Ньютона):
Перетоки между камерами:
Фазы сердечного цикла:
Настройка гидродинамических моделей под конкретного пациента по данным УЗИ
Направления развития модели
Клапаны сердца закрываются не мгновенно
Структура миокарда
Возникновение вихрей в желудочках

Моделирование упруго-механических характеристик сердца на основе данных УЗИ
Конечно-элементное моделирование сердца
Шаблонная модель и контуры
Изменение формы
Направления волокон
Полная КЭ модель
Требования к геометрическим параметрам модели

осевое
периферическое
Картина укладки волокон в желудочках
Эксперимент
КЭ модель
Линии
Сплайн
Сглаживание контура
До сглаживания
После сглаживания
Проблемы моделирование на основе экспериментальных данных
Моделирование упруго-механических характеристик сердца на основе данных УЗИ

Моделирование упруго-механических характеристик сердца на основе данных УЗИ
Глобальная декартова система координат
Ортогональная криволинейная система координат для описания геометрии и деформаций
Криволинейная местная система координат конечного элемента
Местная телесная система координат, определяющая симметрию материала (направления волокон)
Множественность систем координат
Проблемы моделирование на основе экспериментальных данных
Твердотельная/оболочечная модель
Нелинейная модель Муни-Ривлина для гиперупругого материала
Возможность использования однородного материала
Учёт несжимаемости
Формулировка с большими перемещениями

Объем полости в КЭ модели
Давление
в полости
Давление выступает в качестве гемодинамического граничного условия
Насколько верно квазистатическое определение НДС в сердечной мышце?
При использовании оболочечной модели важно в упругой модели сердца определить толщину оболочечных элементов и усредненные упругие константы материала
Второй более сложный вариант - представление модели сердца трехмерными элементами (тетраэдрами, гексаэдрами).
Связь оболочки с основными полостями достаточно неопределенная: можно ли ее заменить только упругими трубками. Возможно необходимо при динамическом моделировании сердечных сокращений учитывать факторы упругости и демпфирования за счет других связей.
Каковы свойства материала? Возможно ли в начальном приближении использовать только изотропный материал и какие в этом случае выбирать характеристики: модуль Юнга, коэффициент Пуассона?
Насколько отличаются упругие свойства материала во взаимно перпендикулярных направлениях? Какие значения модулей Юнга в двух (трех) направлениях : E1, E2 (E3) и соответствующих коэффициентов Пуассона?
Возможно ли на данном этапе определить в случае ортотропии их главные направления в трехмерной модели?
Каким образом можно было бы учесть начальные напряжения, имеющие большое значение при моделировании упругих колебаний и динамики движение?
Основные вопросы, возникающие при моделировании упругости сердца
Моделирование упруго-механических характеристик сердца на основе данных УЗИ

Основное уравнение динамического расчёта:
где M, D, и G матрицы масс, демпфирования и жесткости, Q – гидродинамические силы,
q – вектор обобщенных координат
Квази-статический анализ:
Упруго-механическая модель сердца
Левый желудочек
Правый желудочек
Левое предсердие
Правое предсердие
Моделирование упруго-механических характеристик сердца на основе данных УЗИ

Совместное геометрическое, упруго-механическое и гидродинамическое моделирование сердца
Гидродинамическая модель
Картина потока
Давления и сдвиговые напряжения
Упругая модель
Деформации и скорости
Напряжения в теле
Комбинированная модель взаимодействия жидкости и упругого тела
Реалистичная картина работы сердца
Напряжения в теле
Сканирование по УЗИ, компьютерная томография, эксперимент
Свойства крови
Свойства материала миокарда
Как проводить упруго-гидро-динамический расчет

Совместное геометрическое, упруго-механическое и гидродинамическое моделирование сердца
Метод связывания упругой и гидродинамической моделей
МКЭ модель
Модель циркуляции
Оценить давления в полостях сердца
МКЭ объемы полостей
Объемы полостей
Рассчитать различие R
Удовлетворяется ли заданный критерий
Нет
Да
Следующий шаг по времени
Не обновлять
Якобиан
Обновить
Якобиан

Гидродинамическая модель
Упруго-механическая модель
Процесс взаимодействия на 3D моделях сердца
Деформации растяжения и скручивания
Стадии сердечного
цикла
Совместное геометрическое, упруго-механическое и гидродинамическое моделирование сердца

Расчетный модуль аппаратно-программного диагностического комплекса
Gerald D. Buckberg
The heart is formed from flat sheet of myocardium convoluted in double spiral which generates conical cavities
Complex system for 3D modeling
Heart as sheet convoluted in double spiral
Problems to be solved:
Create hydrodynamic model
Create elastic-mechanical model
Interaction between the models

New properties of heart activity
Four motion of the heat:
Narrowing
Shortening
Lengthening
Widening
Clockwise and counterclockwise spirals
Unfolding of the rope and heart
Spiral formation of the apical loop and the mathematical spiral

The relationship between fiber angle and ejection fraction is compared for contractile shortening of 15%.
Note that the transverse, or circular, arrangement allows a 30% ejection fraction, which becomes 60% with a spiral orientation
The helical external ventricular shape is shown in the top panel, and the internal, coil formation of the descending and ascending segments responsible for ejection and suction are shown in the bottom panels
Ejection and suction of heart

Interaction between the parameters of hydrodynamic and elastic-mechanical models of heart
- pressure in the heart chambers
- elasticity parameter of heart walls
© Double spiral, 2008
Demonstration of analysis results on two models
Click to animate

Сопряжение упругомеханической и четырёхёмкостной гидродинамической моделей

Сходство моделей
Четырёхёмкостная модель (4 отклонения объёмов от равновесных значений):
Упругомеханическая модель (3N координат векторов смещения):
Уравнения полностью аналогичны по форме.
Первые — линейные комбинации вторых.

Связи объёмов и координат
Матрица перехода от координат q к объёмам V имеет вид
здесь a = 1…N — номер узла, α = 1,2,3 номер координаты. na внешняя единичная нормаль к внутренней поверхности камеры номер j проходящая через узел a, sa — площадь внутренней поверхности камеры номер j, приходящаяся на узел номер a.

УЗИ ? четырёхёмксотная модель

Четырёхёмксотная модель ? упругомеханика
Упрощение 1: постоянство давления в камере

Относительное изменение упругости камер:
Изменение продольной (вдоль ленты миокарда и вдоль предсердий) части матрицы жёсткости (активная упругомеханическая модель):
n — номер сегмента сердечной мышцы, j — номер камеры. Матрица влияния L изменяется в соответствии с фазами сердечного цикла (по мере активизации сегментов сердечной мышцы).
Упрощение 2: посегментная активация мышц сердца

Сегменты сердечной мышцы
правый сегмент базальной петли миокарда (от лёгочной артерии, внешняя стенка правого желудочка);
левый сегмент базальной петли миокарда (внешний слой наружной стенки левого желудочка);
нисходящий сегмент апикальной петли миокарда
восходящий сегмент апикальной петли миокарда
левое предсердие
правое предсердие

Сегменты миокарда

Сегменты миокарда
правый сегмент базальной петли миокарда (Right);
левый сегмент базальной петли миокарда (Left);
нисходящий сегмент апикальной петли миокарда (Right handed helix)
восходящий сегмент апикальной петли миокарда (Left handed helix)

Матрица влияния L
RS давит на правый желудочек
LS давит на левый желудочек
DS укорачивает сердце (оба желудочка)
AS расширяет сердце (оба желудочка)
Стенка левого предсердия сжимает л.предсердие
Стенка правого предсердия сжимает пр.предсердие

Shell model
Full model
Buckberg’s idea
+
=
Modification of finite element model by including the twisted rope model
© Double spiral, 2009

The rope model in the finite element model
© Double spiral, 2009

1st vibration mode
2nd vibration mode
Elastic vibration modes of heart model
© Double spiral, 2009

Test analysis results for a separate vessel
Vessel model
Animation of displacements under
pressure, obtained from hydrodynamic
model
© Double spiral, 2009

Animation of vessels motion under hydrodynamic loads
© Double spiral, 2009

Расчетные физиологические показатели, получаемые при использовании аппаратно-программного диагностического комплекса

Имеющиеся возможности:
«взять» из УЗ аппарата высокого класса двумерную информацию о геометрических характеристиках ЛЖ, возможно «карты локальных деформаций» и провести «углубленный» анализ данных.
«взять» из УЗ аппарата высокого класса показатели внутрисердечной и аортальной гемодинамики в виде «карты скоростей» крови в полостях, скорости кровотока в аорте, а также одновременно получить информацию о «кривой давления» в начальном участке аорты.
Основой системы является оригинальный волоконно-оптический датчик с возможностью крепления на запястье или шее.

Электронный модуль прибора позволяет преобразовать сфигмограмму в цифровой формат для последующей многоуровневой обработки.
Что даёт новый подход:
а) Биомеханически обоснованную трактовку «новых» показателей ЭхоКГ, которые становятся все более популярными в последнее время, но основаны на «примитивных» представлениях об организации стенки ЛЖ, а также предложения по новым индексам, «извлекаемым» из данных ЭхоКГ.
б) Новые представления об оптимальном сопряжении «левый желудочек» - «крупные артерии» - «мелкие артерии».
Использование в спортивной медицине:
а) Для выявления ранних признаков дисадаптационных изменений в с-с системе, сопровождающих «перетренированность».
б) для выработки новых критериев «готовности» с-с системы к пиковым нагрузкам , которое определяется «оптимальным» согласованием «сердца» - «крупных артерий» - «мелких артерий».

Применение аппаратно-программного диагностического комплекса для подготовки спортсменов высокой квалификации

Регламент работы А-ПДКомплекса
со спортсменами

Тема: ремоделирование миокарда и реактивность сердечно-сосудистой системы у спортсменов разных видов спорта в процессе тренировки
Цель исследования: изучить анатомо-функциональные особенности миокарда у спортсменов различных видов спорта на разных этапах тренировочного процесса.

Задачи:
Изучить динамику показателей морфометрии миокарда и внутрисердечной гемодинамики в состоянии покоя у спортсменов во время периода тренировок и после соревнований.
Исследовать реакцию сердечно-сосудистой системы на физическую нагрузку у спортсменов в процессе спортивной тренировки.
Оценить динамику физической работоспособности и миокардиального резерва у спортсменов во время тренировок и соревнований.
Обосновать показатели и критерии контроля состояния сердечно-сосудистой системы в ходе тренировочного процесса.
Реализовать возможности контроля функционального состояния спортсмена при помощи программно-диагностического комплекса.

спортсмены высокого класса с ежедневными интенсивными нагрузками (аэробный вид спорта),
спортсмены высокого класса с ежедневными интенсивными нагрузками (силовой вид спорта),
практически здоровые лица того же возраста (контрольная группа).
Группы обследуемых:

Методы исследования:
антропометрические данные,
анамнестические, данные характеризующие спортивную квалификацию,
эхокардиография покоя (оценка морфометрии миокарда, систолической и диастолической функции ЛЖ, оценки деформации миокарда желудочков),
стресс-эхокардиография (оценка динамики ЧСС, АД, определение толерантности к физической нагрузке, определение систолического и диастолического резерва миокарда),
программно-диагностический комплекс определения оптимального функционального состояния спортсмена (входящие параметры - антропометрические, анамнестические и эхокардиографические данные в динамике; исходящие параметры - динамика спортивных достижений в процессе наблюдения).