Способ определения основных функциональных показателей миогемодинамики сердца

Изобретение относится к медицине, в частности к кардиологии, и может быть использовано в клинических и экспериментальных исследованиях как неинвазивный способ определения объема левого желудочка (ЛЖ) и наглядного, реалистичного представления функционального состояния сердца пациента в реальном времени по данным электрокардиограммы. Сущность изобретения: по данным электрокардиографии и флюорографии осуществляется моделирование реалистичного трехмерного изображения сердца пациента и определение его основных функциональных показателей миогемодинамики. При этом сохраняются достоинства известного способа по исходной точности измерения сигнала ЭКГ и определению основных функциональных показателей миогемодинамики ЛЖ, но также обеспечивается реализация количественного определения практически всех основных функциональных показателей миогемодинамики ЛЖ сердца. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к медицине, в частности к кардиологии, и может быть использовано в клинических и экспериментальных исследованиях как неинвазивный способ определения объема левого желудочка (ЛЖ) и наглядного, реалистичного представления функционального состояния сердца пациента в реальном времени по данным электрокардиограммы.

Известен неинвазивный способ ультразвуковой эхокардиографии [1], основанный на регистрации отраженных от лоцируемого объекта ультразвуковых волн и дающий возможность визуализации сердечных структур в реальном масштабе времени. Эхокардиографический метод позволяет определить конечный диастолический и конечный систолический объемы ЛЖ сердца, однако требует участия при диагностике высококвалифицированного специалиста, использования дорогостоящей аппаратуры и значительных затрат времени на проведение одного исследования. Кроме того, при эхокардиографическом методе невозможно получить достоверную диагностическую информацию при ряде анатомических особенностей пациента и наглядную реалистичную картину процесса функционирования сердца.

Наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому изобретению является неинвазивный способ определения основных показателей миогемодинамики левого желудочка сердца [2], заключающийся в том, что регистрируют электрокардиограмму и определяют конечный диастолический радиус (КДР) и конечный систолический радиус (КСР) полости ЛЖ, конечный диастолический объем (КДО) и конечный систолический объем (КСО) ЛЖ, которые рассчитываются по данным электрокардиограммы в одном из следующих отведений: 4, 5, 6-м грудном (по Вильсону), или 11 стандартном (по Эйнтховену), выбранном соответственно направлению электрической оси сердца, а при невозможности их регистрации - в отведении А (по Небу), измеряют при отсутствии блокад ножек пучка Гиса продолжительности интервалов QR, RS, QRS, ST-T, R-R и дополнительно при блокаде левой ножки пучка Гиса - продолжительности интервала R₁R₂, а при блокаде правой ножки пучка Гиса - продолжительности интервала S₁S₂, и при синусовом и других наджелудочковых ритмах сердца в состоянии физического покоя определяют по формулам:

КДР=(44,5-100·t_RS)·(t_QR+t_RS)-11·t_RS, где t_QR - время от начала зубца Q до вершины зубца R при отсутствии блокады левой ножки пучка Гиса, а при наличии блокады левой ножки пучка Гиса - до первой вершины раздвоенного зубца R(R1), то есть t_QR=t_QR,с; t_RS - время от вершины зубца R до конца зубца S - при отсутствии блокад ножек пучка Гиса, а при блокаде левой ножки пучка Гиса вместо t_RS - разность временных интервалов от первой вершины раздвоенного зубца R до конца зубца S (R1 S) и от первой вершины раздвоенного зубца R до его второй вершины (R₁R₂), то есть

где t_QRS - время комплекса, QRS, с; t_ST-T - время от конца зубца S до конца зубца Т - при отсутствии блокад ножек пучка Гиса, а при блокаде левой ножки пучка Гиса, вместо t_ST-T - сумма и при блокаде правой ножки пучка Гиса вместо t_ST-T сумма

и далее вычисляют при всех указанных видах сердечного ритма КДО=(4/3)·π·КДР³ и КСО=(4/3)·π·КСР³.

К недостаткам известного способа определения основных показателей миогемодинамики ЛЖ сердца относится то, что отсутствует вычисление основных объемно-функциональных показателей всего сердца, вычисление основных объемно-функциональных показателей ЛЖ осуществляется без привязки к «геометрии» сердца конкретного пациента, результаты обработки кардиографической информации представлены в ненаглядном виде и отсутствует автоматическое определение информационных параметров ЭКГ и показателей миогемодинамики.

Новые методы обработки и представления результатов анализа ЭКГ, по мнению авторов предлагаемого изобретения, приведут к повышению диагностических возможностей электрокардиографии.

В известном способе определения основных показателей миогемодинамики ЛЖ сердца с помощью классических способов регистрации и анализа ЭКГ осуществляется регистрация и измерение информационных параметров ЭКГ. Затем «на основе математического моделирования ЛЖ как правильной геометрической фигуры (упругий шар) реализуется количественное определение практически всех основных функциональных показателей миогемодинамики ЛЖ сердца».

Таким образом, в известном способе внутренняя полость ЛЖ представлена в виде «упругого шара», радиус которого определяется по оригинальным математическим формулам. По мнению авторов предлагаемого изобретения, это является принципиальной отличительной особенностью известного способа.

На фигуре 1 приведена блок-схема алгоритма, реализующего известный способ определения основных показателей миогемодинамики ЛЖ сердца. На блок схеме приняты следующие обозначения:

1 - регистрация ЭКГ;

2 - анализ информационных показателей ЭКГ;

3 - определение показателей миогемодинамики ЛЖ сердца.

Как следует из анализа фигуры 1, известный способ определения основных показателей миогемодинамики ЛЖ сердца является неинвазивным и заключается в регистрации ЭКГ, измерении информационных параметров ЭКГ и вычислении основных объемно-функциональных показателей миогемодинамики ЛЖ по оригинальным математическим формулам.

Предлагаемый способ определения основных показателей миогемодинамики сердца также является неинвазивным.

ЭКГ является ценным диагностическим инструментом. По ней можно оценить источник ритма, регулярность сердечных сокращений, их частоту. Все это имеет большое значение для диагностики различных аритмий. По продолжительности различных интервалов и зубцов ЭКГ можно судить об изменениях сердечной проводимости. Изменения конечной части желудочкового комплекса (интервал ST и зубец Т) позволяют врачу определить наличие или отсутствие ишемических изменений в сердце (нарушение кровоснабжения). В известном способе совершенствование электрокардиографии как метода функциональной диагностики ведется в направлении исследования показателей миогемодинамики ЛЖ сердца в зависимости от электрической активности сердца. Однако о сократительной способности сердца по его электрической активности в известном способе можно составить лишь косвенное представление. По мнению авторов предлагаемого изобретения, это также является принципиальной отличительной особенностью известного способа.

Сигнал ЭКГ является первичным носителем диагностической информации, и представление при регистрации и анализе как можно большего объема этой информации позволит значительно повысить точность постановки диагноза.

По мнению авторов предлагаемого изобретения, необходимо при анализе информационных параметров ЭКГ и определении основных показателей миогемодинамики ЛЖ сердца расширить область представления диагностической информации за счет наглядного представления «геометрии» и сократительной способности всего сердца пациента. С помощью известного способа можно по ЭКГ определить изменение основных показателей миогемодинамики только ЛЖ сердца, но невозможно наглядно на модели реалистичного изображения сердца пациента представить эти изменения, и также невозможно определить место локализации изменения основных показателей миогемодинамики ЛЖ сердца.

Анализ электрокардиологической информации является необходимым условием при планировании курса лечения, принятии решений в постановке диагноза, поиске путей повышения эффективности лечения, и поэтому представление результатов анализа в более удобном для изучения и интерпретации виде является предпочтительнее.

Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей электрокардиологического исследования за счет наглядного представления изменения основных показателей миогемодинамики сердца на модели реалистичного изображения сердца пациента.

Это достигается тем, что в способ определения основных функциональных показателей миогемодинамики ЛЖ сердца, заключающийся в том, что регистрируют электрокардиограмму и определяют конечный диастолический радиус (КДР) и конечный систолический радиус (КСР) полости ЛЖ, конечный диастолический объем (КДО) и конечный систолический объем (КСО) ЛЖ, которые рассчитываются по данным электрокардиограммы в одном из следующих отведении: 4, 5, 6-м грудном (по Вильсону), или 11 стандартном (по Эйнтховену), выбранном соответственно направлению электрической оси сердца, а при невозможности их регистрации - в отведении А (по Небу), измеряют при отсутствии блокад ножек пучка Гиса продолжительности интервалов QR, RS, QRS, ST-T, R-R и дополнительно при блокаде левой ножки пучка Гиса - продолжительности интервала R₁R₂, а при блокаде правой ножки пучка Гиса - продолжительности интервала S₁S₂, и при синусовом и других наджелудочковых ритмах сердца в состоянии физического покоя определяют по формулам: КДР=(44,5-100·t_RS)·(t_QR+t_RS)-11·t_RS, где t_QR - время от начала зубца Q до вершины зубца R при отсутствии блокады левой ножки пучка Гиса, а при наличии блокады левой ножки пучка Гиса - до первой вершины раздвоенного зубца R(R1), то есть t_QR=t_QR,с; t_RS - время от вершины зубца R до конца зубца S - при отсутствии блокад ножек пучка Гиса, а при блокаде левой ножки пучка Гиса вместо t_RS - разность временных интервалов от первой вершины раздвоенного зубца R до конца зубца S (R1 S) и от первой вершины раздвоенного зубца R до его второй вершины (R₁R₂), то есть

где t_QRS - время комплекса QRS,с; t_ST-T - время от конца зубца S до конца зубца Т - при отсутствии блокад ножек пучка Гиса, а при блокаде левой ножки пучка Гиса, вместо t_ST-T - сумма и при блокаде правой ножки пучка Гиса вместо t_ST-T сумма

и далее вычисляют при всех указанных видах сердечного ритма КДО=(4/3)·π·КДР³ и КСО=(4/3)·π·КСР³, введены действия, с помощью которых регистрируют фронтальный и левобоковой флюорографические снимки сердца пациента, определяют по снимкам геометрические параметры сердца пациента, синтезируют реалистичное трехмерное изображение сердца пациента, значения КДР и КСР заменяют реальными эквивалентными геометрическими параметрами модели ЛЖ сердца пациента, значения которых определяют по формулам

R_{i_КДРЛЖ}=К_КДР·R_i__модели; R_{i_КСРЛЖ}=К_КСР·R_{i_модели}; К_КДР=КДР³/R³  _{ср_модели};

К_КСР=КСР³/R³ _{ср_модели}, где R_{i_КДРЛЖ} - конечное диастолическое расстояние от центра геометрического места точек поверхности модели ЛЖ сердца пациента до i-ой точки поверхности модели ЛЖ сердца пациента; R_{i_КСРЛЖ} - конечное систолическое расстояние от центра геометрического места точек поверхности модели ЛЖ сердца пациента до i-ой точки поверхности модели ЛЖ сердца пациента; R_{i_модели} - расстояние от центра геометрического места точек поверхности модели ЛЖ сердца пациента до i-ой точки поверхности модели ЛЖ сердца пациента; R_{сф_модели} - радиус сферы, объем которой равен объему модели ЛЖ сердца пациента; К_КДР, К_КСР - коэффициенты пропорциональности объема модели ЛЖ сердца пациента соответственно диастолическому и систолическому объему ЛЖ сердца пациента. При этом модель сердца пациента представлена в виде реалистичного трехмерного изображения, исходные точки которого получены из флюорографических снимков путем совмещения и нелинейного масштабирования, и реализована средствами компьютерной графики.

Введенные действия с их связями проявляют новые свойства, которые позволяют определить изменение основных показателей миогемодинамики всего сердца, наглядно, на модели реалистичного изображения сердца пациента представить эти изменения, и также определить место локализации изменения основных показателей миогемодинамики сердца. По мнению авторов, оценка основных показателей миогемодинамики и сократительной функции всего сердца, а также наглядное представление сократительной функции сердца по результатам анализа электрической активности сердца является принципиальной отличительной особенностью предлагаемого способа. Известно, что графическую информацию человек воспринимает лучше, чем информацию, например, в табличном виде, как это представлено в известном способе. Поэтому в предлагаемом способе осуществлены «привязка» к «геометрии» сердца пациента и визуализация состояния сердца.

На фигуре 2 приведена блок-схема алгоритма, реализующего предлагаемый способ определения основных показателей миогемодинамики сердца. На блок схеме приняты следующие обозначения:

1 - регистрация ЭКГ;

2 - анализ информационных показателей ЭКГ;

3 - синтез модели сердца пациента;

4 - определение показателей миогемодинамики сердца;

5 - регистрация флюорографии;

6 - анализ информационных показателей флюорографии.

На фигуре 3 приведена иллюстрация расчета объема ЛЖ методом дисков, где а_i - диаметр диска в апикальной позиции двухкамерного сердца, b_i - диаметр диска в апикальной позиции четырехкамерного сердца, L - длина левого желудочка сердца.

На фигуре 4 приведено изображение контура сердца на флюорографическом снимке.

На фигуре 5 приведено реалистичное изображение модели сердца пациента.

Как следует из анализа фигуры 2, в предлагаемом способе «привязка» к «геометрии» сердца пациента осуществляется с помощью флюорографических снимков, а визуализация состояния сердца - с помощью синтеза реалистичного трехмерного изображения сердца пациента.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем (см. фигуру 2): первоначально осуществляется регистрация электрокардиографических и флюорографических данных. Затем по данным ЭКГ определяются КСР, КДР, КСО и КДО ЛЖ сердца пациента, а на данные флюорографии накладывается модель сердца и путем совмещения и нелинейного масштабирования осуществляется «подгонка» данных модели сердца к данным флюорографии (см. фигуру 4). В результате определяются миогемодинамические показатели ЛЖ сердца пациента и «геометрия» сердца пациента. Далее определение объема ЛЖ модели сердца КСО_м осуществляется известными методами (см. фигуру 3), например, по методу дисков в двух плоскостях (модифицированный алгоритм Simpson) [3]. При этом изображение ЛЖ модели сердца представляется в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: в апикальной позиции четырехкамерного сердца и апикальной позиции двухкамерного сердца. В обеих проекциях ЛЖ модели сердца делится на 20 дисков (a_i и b_i на фигуре 3) одинаковой высоты; площади дисков суммируются и сумма умножается на длину ЛЖ модели сердца. Следующим этапом реализации предлагаемого способа является сопоставление объемов ЛЖ сердца пациента КСО и ЛЖ модели сердца КСО_м. Полученный объем ЛЖ модели сердца принимается за его КСО и определяется коэффициент соотношения между КСО ЛЖ сердца пациента и КСО_м ЛЖ модели сердца: К_КСР=КСО/КСО_м, на который умножаются координаты точек модели сердца. В результате этого получается модель сердца, полностью повторяющая сердце пациента в положении систолы (см. фигуру 5). Для определения модели сердца пациента в положении диастолы находится следующий коэффициент:

К_КДР=КДО/КСО_м.

Таким образом, в предлагаемом способе по данным электрокардиографии и флюорографии осуществляется моделирование реалистичного трехмерного изображения сердца пациента и определение его основных функциональных показателей миогемодинамики.

При этом сохраняются достоинства известного способа по исходной точности измерения сигнала ЭКГ и определению основных функциональных показателей миогемодинамики ЛЖ.

Литература:

1. Мухарлямов Н.М., Беленков Ю.Н. Ультразвуковая диагностика в кардиологии. - М.: Медицина, 1981, 160 с.

2. Сафонов М.Ю. Способ определения основных функциональных показателей миогемодинамики левого желудочка сердца. Патент РФ №2107457, МПК А 61 В 5/02, 1998.

3. Schiller N.B. Two-dimensional echocardiographic determination of left ventricular volume, systolic function and mass. Summary and discussion of the 1989 recommendations of the American society of Echocardiography. Circulation 84().

1. Способ определения основных функциональных показателей миогемодинамики левого желудочка (ЛЖ) сердца, заключающийся в том, что регистрируют электрокардиограмму и определяют конечный диастолический радиус (КДР) и конечный систолический радиус (КСР) полости ЛЖ, конечный диастолический объем (КДО) и конечный систолический объем (КСО) ЛЖ, которые рассчитываются по данным электрокардиограммы в одном из следующих отведений: 4, 5, 6-м грудном по Вильсону или 11 стандартном по Эйнтховену, выбранном соответственно направлению электрической оси сердца, а при невозможности их регистрации - в отведении А по Небу, измеряют при отсутствии блокад ножек пучка Гиса продолжительности интервалов QR, RS, QRS, ST-T, R-R и дополнительно при блокаде левой ножки пучка Гиса - продолжительности интервала R₁R₂, а при блокаде правой ножки пучка Гиса - продолжительности интервала S₁ S₂ и при синусовом и других наджелудочковых ритмах сердца в состоянии физического покоя определяют по формулам КДР=(44,5-100·t_RS)·(t_QR+t_RS)-11·t_RS, где i_QR - время от начала зубца Q до вершины зубца R при отсутствии блокады левой ножки пучка Гиса, а при наличии блокады левой ножки пучка Гиса - до первой вершины раздвоенного зубца R(R1), то есть t_QR=t_QR, с; t_RS - время от вершины зубца R до конца зубца S - при отсутствии блокад ножек пучка Гиса, а при блокаде левой ножки пучка Гиса вместо t_RS - разность временных интервалов от первой вершины раздвоенного зубца R до конца зубца S (R1 S) и от первой вершины раздвоенного зубца R до его второй вершины (R₁R₂), то есть

t_RS=t_RS2-t_S1S₂, c;

где t_QRS - время комплекса QRS, с;

t_ST-T - время от конца зубца S до конца зубца Т - при отсутствии блокад ножек пучка Гиса, а при блокаде левой ножки пучка Гиса вместо t_ST-T - сумма t_ST-T+t_R1R2 и при блокаде правой ножки пучка Гиса вместо t_ST-T сумма t_ST-T+t_S1S2, с;

и далее вычисляют при всех указанных видах сердечного ритма КДО=(4/3)·π·КДР³ и КСО=(4/3)·π·КСР³, отличающийся тем, что регистрируют фронтальный и левобоковой флюорографические снимки сердца пациента, определяют по снимкам геометрические параметры сердца пациента, синтезируют реалистичное трехмерное изображение сердца пациента, значения КДР и КСР заменяют реальными эквивалентными геометрическими параметрами модели левого желудочка сердца пациента, значения которых определяют по формулам

R_{i КДРЛЖ}=К_КДР*R_{i модели},

R_{i КСРЛЖ}=К_КСР*R_{i модели},

К_{i КДР}=КДР³/R³ _{сф модели},

К_КСР=КСР³/R³ _{сф. модели},

где R_iКДРЛЖ - конечное диастолическое расстояние от центра геометрического места точек поверхности модели левого желудочка сердца пациента до i-й точки поверхности модели левого желудочка сердца пациента; R_iКСРЛЖ - конечное систолическое расстояние от центра геометрического места точек поверхности модели левого желудочка сердца пациента до i-й точки поверхности модели левого желудочка сердца пациента; R_{i модели} - расстояние от центра геометрического места точек поверхности модели левого желудочка сердца пациента до i-й точки поверхности модели левого желудочка сердца пациента; R_{сф модели} - радиус сферы, объем которой равен объему модели левого желудочка сердца пациента; К_КДР, К_КСР - коэффициенты пропорциональности объема модели левого желудочка сердца пациента соответственно диастолическому и систолическому объемам левого желудочка сердца пациента.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при синтезировании реалистичного трехмерного изображения сердца пациента исходные точки получают из флюорографических снимков путем наложения на них модели сердца, совмещения и нелинейного масштабирования, а модель сердца реализуют с помощью компьютерной графики.