Способ диагностики и контроля лечения сердечных патологий

Изобретение относится к медицине и предназначено для проведения диагностической процедуры - неинвазивного электрофизиологического исследования сердца с помощью совместного использования метода импедансной томографии и метода неинвазивного картирования сердца. При этом на поверхности грудной клетки пациента располагают электроды для регистрации потенциалов. Проводят компьютерную или магнитно-резонансную томографию грудной клетки пациента с закрепленными электродами для определения геометрии торса, сердца и координат электродов в системе координат томографа. Последовательно пропускают через каждую пару электродов электрический ток малой интенсивности. На остальных электродах измеряют потенциалы, необходимые для импедансной томографии. С помощью того же прибора, который регистрировал потенциалы для импедансной томографии, регистрируют сердечную активность с ранее установленных электродов. Считывают результаты всех измерений в ПК и численно решают систему уравнений для вычисления пространственного распределения импеданса. При решении уравнения используют ранее определенные координаты электродов, регистрируемые на них потенциалы и значения тока. Решают обратную задачу электрокардиографии с использованием результатов зарегистрированной сердечной активности, данных о геометрии торса и сердца пациента и с использованием информации о распределении электрического импеданса. Визуализируют результаты решенной обратной задачи в виде изохронных, изопотенциальных и активационных карт сердца. Проводят клиническую оценку результатов. Достигается упрощение способа диагностики и контроля сердечных патологий, а также повышение точности измерений и удобства для пациента за счет прикрепления на тело пациента меньшего количества электродов. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к медицине, а именно к кардиологии, сердечно-сосудистой хирургии и функциональной диагностике (клинической физиологии), и предназначено для проведения диагностической процедуры - неинвазивного электрофизиологического исследования сердца с помощью совместного использования метода импедансной томографии и метода неинвазивного картирования сердца. Более точно, изобретение предназначено для изучения проводящей системы сердца с целью диагностики нарушений ритма сердца, выбора тактики хирургического лечения аритмий (например, методом радиочастотной абляции), принятия решения о целесообразности установки ресинхронизирующих устройств устройств для лечения сердечной недостаточности.

Уровень техники

Из патентной заявки WO2007013994 A2 (01.02.2007 г.) и из патента RU2409313C2 (10.06.2010 г.) известны методы, использующие данные о распределении потенциала на поверхности тела для определения потенциалов на стенках миокарда. В этих методах потенциалы на поверхности тела получают путем регистрации сигналов с большого количества электродов (десятки или даже сотни), расположенных на поверхности тела пациента (метод поверхностного картирования сердца). Далее решают обратную задачу электрокардиографии (определение источников тока на сердце по значениям потенциала на поверхности тела) каким-либо из известных численных методов. В качестве геометрических параметров тела человека чаще всего используют данные КТ или МРТ. Ограничением этих методов является неизвестное распределение проводимости ρ. На практике в качестве значения проводимости используют либо постоянное усредненное значение, либо косвенные данные, полученные, например, по данным КТ (или МРТ). При этом ни КТ ни МРТ не предоставляют данные непосредственно о проводимости тканей и используемые значения проводимости основываются на целом ряде предположений. Поэтому, даже при точном решении обратной задачи результаты, полученные этими методами, могут оказаться неточными.

Также из US4617939A TOMOGRAPHY, US5626146A ELECTRICAL IMPEDANCE TOMOGRAPHY и RU 109394 ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНЫЙ ТОМОГРАФ известны методы импедансной томографии (определения пространственного распределения удельного импеданса). В основе метода импедансной томографии лежат следующие идеи. Пусть имеем пространственный неоднородный проводник с неизвестным распределением импеданса . Расположим на поверхности этого проводника некоторое количество регистрирующих электродов. Пропустим через пару электродов электрический ток I. Этот ток в проводнике породит распределение потенциала ϕ(r). Регистрируя потенциалы с остальных электродов, получим систему уравнений:

Здесь – потенциал, регистрируемый с i-го электрода (соответственно, и – градиент и лапласиан потенциала в точке, соответствующей i-му электроду), и - оординаты пары электродов через которые пропущен ток, ∇ρ - градиент проводимости.

Повторно используя в качестве токовых другие пары электроды, получим дополнительные независимые системы уравнений

Систему уравнений (2) также можно рассматривать, как обратную задачу электрокардиографии, но неизвестным является не источники тока, а распределение проводимости ρ(r).

В новом методе предлагается использовать одни и те же электроды дважды – первый раз для определения распределения импеданса и второй раз для решения обратной задачи электрокардиографии. При этом для решения обратной задачи используем ранее полученное значение импеданса.

Наиболее близким аналогом (прототипом) патентуемого cпособа является СПОСОБ НЕИНВАЗИВНОГО ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СЕРДЦА, раскрытый в заявке WO2010062218A1, опубликованной 03.06.2010 г.), включающий следующие стадии:

- закрепление одноразовых регистрирующих электродов на поверхности грудной клетки;

- регистрация ЭКГ во множестве однополюсных отведений с поверхности грудной клетки;

- обработка ЭКГ-сигналов в режиме реального времени;

- ретроспективная обработка полученных ЭКГ;

- Компьютерная (KT) или магнитно-резонансная (MPT) томография грудной клетки пациента закрепленными электродами;

- построение и редактирование компьютерных воксельных моделей органов грудной клетки и сердца;

- построение при помощи компьютерной программы полигональных моделей торса, сердца, легких и других органов грудной клетки;

- определение усредненного коэффициента удельной электропроводности для крупных анатомических структур грудной клетки по данным KT или MPT на основе известных соответствий между типом биологической ткани и числом Хаунсфилда (при KT) или интенсивностью МР-сигнала (при MPT) и типом биологической ткани и ее удельной электропроводностью;

- определение координат регистрирующих электродов на поверхности грудной клетки;

- интерполяция значений ЭКГ-сигналов в узлы полигональной сетки (получение изопотенциальных карт на полигональной модели торса);

- реконструкция потенциала электрического поля в заданных точках грудной клетки, эпикардиальной поверхности сердца, поверхности межжелудочковой и межпредсердной перегородок на основе модели грудной клетки с кусочно-постоянным коэффициентом электропроводности;

- визуализация результатов реконструкции электрического поля сердца в виде эпикардиальных электрограмм, изохронных и изопотенциальных карт, а также динамических карт (рrораgаtiоn mарs) на полигональных моделях сердца и его структур;

- клиническая оценка результатов.

Недостатком данного способа является использование в качестве коэффициента удельной электропроводности “усредненного коэффициента удельной электропроводности … на основе известных соответствий между типом биологической ткани и числом Хаунсфилда (при KT) или интенсивностью МР-сигнала (при MPT) и типом биологической ткани и ее удельной электропроводностью”. Значения удельной электропроводности, полученные таким способом могут оказаться сильно оличающимися от реальных, т.к. соответствие между типом биологической ткани и ее электропроводностью, взятое из таблиц не является точным. Ошибочным также может оказаться сопоставление числа Хаунсфилда (при KT) или интенсивность МР-сигнала (при MPT) типу биологической ткани. В результате, даже при большем количестве поверхностных электродов, решение обратной задачи может оказаться не точным из-за использования неверных значений удельной электропроводности.

Отличием предлагаемого способа согласно настоящему изобретению от вышеуказанного прототипа является то, что в аналоге не проводят ипмедансную томографию. Однако, точность предлагаемого способа существенно выше за счет известного распределения проводимости (полученного импедансной томографией, которая проводится одновременно с регистрацией сигналов) и точность измерений cущественно выше по сравнению с прототипом даже при меньшем количестве электродов.

Технический результат заключается в упрощении способа диагностики и контроля сердечных патологий, а также в повышении точности измерений и удобства для пациента (за счет прикрепления на тело пациента меньшего количества электродов).

Заявленный технический результат достигается за счет предлагаемого в настоящем изобретении нового способа диагностики и контроля сердечных патологий.

Сущность изобретения

В новом способе предлагается использовать одни и те же электроды дважды – первый раз для определения распределения импеданса и второй раз для решения обратной задачи электрокардиографии (определение распределения потенциала на сердце зная распределение измеренного потенциала на грудной клетке пациента). При этом, для решения обратной задачи используют ранее полученное значение импеданса.

Таким образом, последовательность действий выглядит следующим образом:

1. На поверхности тела пациента располагают некоторое количество электродов (не менее 25). Количество электродов влияет на точность измерений.

2. Последовательно пропускают через каждую пару электродов электрический ток малой интенсивности. Значения тока выбирают из соображения электробезопасности пациента. Для переменного тока (наш случай) ГОСТ по электробезопасности медизделий (ГОСТ Р МЭК 60601) требует, чтобы он был менее 0.1 мА. На остальных электродах измеряют потенциалы (это измерения, необходимые для импедансной томографии) следующим образом:

допустим, что установлено N грудных электродов. Пропускаем переменный электрический ток через первые два. На остальных (N-2) электродах (3,4..N) регистрируем потенциалы. Это первое измерение. Затем пропускаем ток через первый и третий электрод. Регистрируем потенциалы на 2, 4, 5 и т.д., т.е. опять на (N-2) электродах. Это второе измерение. Так можем сделать до N*(N-1)/2 независимых измерений, причем на каждом измерении регистрируем (N-2) потенциалов. Результаты этих измерений понадобятся для вычисления распределения импеданса. То есть это измерения для импедансной томографии.

3. Численно решают систему уравнений (2). Уравнение решается автоматически, например, с помощью разработанного программного обеспечения Astrocard^®-Holtersystem.

4. Регистрируют сердечную активность с ранее установленных электродов. Регистрация сердечной активности проводится тем же прибором, которым осуществляли импедансную томографию (36 канальный регистратор НЕ36). Его блок схема приведена на фигуре 2.

5. Решают обратную задачу электрокардиографии, используя ранее определенное значение импеданса (результаты импедансной томографии используют на этой стадии).

6. Клиническая оценка результатов. По результатам проведенного исследования уточняется диагноз и принимается решение о тактике лечения, необходимости операции и (или) способе ее проведения.

В качестве геометрических параметров тела, сердца и электродов используют результаты КТ (или МРТ) или априорные усредненные значения.

Краткое описание фигур

На фиг.1 показана карта распределения потенциала на поверхности тела в некоторый момент времени (фото слева) и карта восстановленного потенциала на поверхности сердца (фото справа);

На фиг.2 показан пример вычисленного распределения потенциала без учета данных импедансной томографии (стандартный метод). Погрешность 18.9 мм (фото слева) и на поверхности сердца при смоделированном источнике в правых легочных венах (проекция PA), то есть вычисленное распределение потенциала с учетом данных импедансной томографии (новый метод). Погрешность 9.9 мм. (фото справа);

На фиг.3 показана блок-схема регистрирующего прибора.

Осуществление изобретения

Далее, для обеспечения полного понимания изобретения и обоснования точности заявляемого способа, приводятся конкретные иллюстративные его воплощения, однако специалисту в данной области должно быть ясно, что системы и методы могут быть модифицированы в пределах, не выходящих за рамки описанных в формуле изобретения.

Обоснование точности нового метода

Для оценки точности нового метода и сравнения его со стандартным (без использования данных импедансной томографии) была проведена серия численных экспериментов. Для экспериментов были использованы данные КТ реального пациента и сымитированные данные распределения проводимости в теле. В различных точках на поверхности сердца математически имитировались источники возбуждения в виде токовых диполей. Далее для каждого источника вычислялось распределение потенциала на поверхности тела (прямая задача) с учетом заданного распределения импеданса. Для имитации погрешности регистрации потенциалов в реальных условиях, к вычисленным данным распределения импеданса на поверхности тела был добавлен случайный шум с энергией примерно 1% от энергии полезного сигнала. Далее, для каждого источника решалась обратная задача двумя способами – с учетом данных импедансной томографии и без (с использованием усредненных значений импеданса). Результатом решения обратной задачи являлось распределение потенциала на поверхности сердца с выраженным “фокусом” – источником возбуждения. Сравнивались координаты реального источника и координаты “фокуса”, полученные каждым из двух методов. Результаты сравнения приведены в таблице:

Примерное расположение источника	Отличие определенной координаты источника, полученные без учета данных импедансной томографии [мм]	Отличие определенной координаты источника, полученные с учетом данных импедансной томографии [мм]
Левый желудочек	37,575	3,671
Правый желудочек	39,873	1,693
Межжелудочковая перегородка	59,978	2,960
Левое предсердие	15,997	5,612
Правое предсердие	22,409	2,741
Область правых легочных вен левого предсердия	21,254	4,103
Область левых легочных вен левого предсердия	18,953	9,925
Средние значения	30,862±15,814	4,386±2,732

На фигуре 2 приведен пример распределения потенциала и на поверхности сердца при смоделированном источнике в правых легочных венах (проекция PA). Красный эллипсоид – расположение и ориентация смоделированного источника, белый шар – обнаруженный “фокус” в результате решения обратной задачи двумя методами.

Отличия определенной и исходной координат нового метода возникают из-за округлений при выполнении вычислений, ненулевого размера сетки, на которой были реализованы численные методы использования регуляризации при численном решении уравнений, погрешностей регистрации потенциалов с поверхности тела. Эти погрешности потенциально могут быть уменьшены путем совершенствования использованных численных методов решения уравнений и улучшения техники регистрации сигналов. При использовании стандартного метода к этой погрешности добавляется погрешность, связанная с отличием реального распределения импеданса и усредненного (или иного использованного) значения. Эта погрешность является принципиально не устранимой. Из приведенной таблицы видно, что новый метод демонстрирует значительное увеличение точности по сравнению со стандартным (средняя погрешность 4,386 мм по сравнению с 30,862 мм).

1. Способ неинвазивного электрофизиологического исследования сердца, отличающийся тем, что включает следующие стадии:

- на поверхности грудной клетки пациента располагают электроды для регистрации потенциалов;

- проводят компьютерную (КТ) или магнитно-резонансную (МРТ) томографию грудной клетки пациента с закрепленными электродами для определения геометрии торса, сердца и координат электродов в системе координат томографа (КТ или МРТ);

- проводят последовательные измерения, при каждом из которых

- последовательно пропускают через каждую пару электродов электрический ток малой интенсивности;

- на остальных электродах измеряют потенциалы, необходимые для импедансной томографии;

- одновременно с перечисленными выше измерениями, а также при необходимости после этого, с помощью того же прибора, который регистрировал потенциалы для импедансной томографии, регистрируют сердечную активность с ранее установленных электродов,

- считывают результаты всех измерений в ПК и с помощью программного обеспечения (программно-аппаратных средств) численно решают систему уравнений для вычисления пространственного распределения импеданса ρ (импедансная томография), причем при решении уравнения (2) используют ранее определенные координаты электродов (r_i), регистрируемые на них потенциалы и значения тока I;

- решают обратную задачу электрокардиографии с использованием результатов зарегистрированной сердечной активности, данных о геометрии торса и сердца пациента, полученных по результатам КТ или МРТ, и с использованием информации о распределении электрического импеданса, полученного по результатам импедансной томографии;

- визуализируют результаты решенной обратной задачи в виде изохронных, изопотенциальных и активационных карт сердца;

- проводят клиническую оценку результатов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности тела пациента располагают не менее 25 электродов.

3. Способ по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что через пару электродов пропускают ток малой интенсивности менее 0,1 mA.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что сердечную активность регистрируют с помощью того же 36-канального регистратора НЕ36, который регистрировал потенциалы при импедансной томографии.