Главная » Хабрахабр » Квест по устранению аритмии сердца

Квест по устранению аритмии сердца

image

Сегодня предлагаем отправиться в увлекательное путешествие в самое сердце человеческого организма (в буквальном смысле этого слова), чтобы узнать как находят и обезвреживают источники аритмии.
Привет, Хабр!

Физиология

Перед тем как рассказать о самой операции и методах её проведения нужно разобраться в физиологии. Сердце обладает функцией автоматизма, т.е. способно вырабатывать электрические импульсы самостоятельно. Функцией автоматизма обладают только клетки синусового узла и проводящей системы предсердий и желудочков. Также сердце обладает функцией проводимости — это способность к проведению возбуждения. За счёт генерации электрических импульсов и их проведения происходит сокращение сердца. В норме единственным водителем ритма является синусовый узел, который подавляет автоматическую активность остальных возбудителей ритма. Расположен этот узел в стенке правого предсердия. Ниже, на рисунке, показано нормальное распространение возбуждения.

image

Приступаем к операции

По различным причинам, некоторые клетки сердца могут навязывать свой ритм. При этом происходит нарушение частоты, последовательности возбуждения и сокращения сердца. Это один из видов аритмии. Результатом может быть целый ряд серьезных осложнений. Однако, клетки нарушители можно обезвредить с помощью, так называемой, катетерной абляции. Это малоинвазивное вмешательство, в ходе которого в полость сердца вводятся специальные катетеры.

Полюса способны как проводить импульсы в сердце, так и от него. Используемые катетеры это тонкие гибкие трубки с несколькими электродами (полюсами) на конце. Катетеры различаются по форме и количеству полюсов.

Место зависит от того какой отдел сердца планируется оперировать. Введение катетеров может осуществляться в паховой области, на руке, плече или шее. На коже делается небольшой разрез и иглой производится пункция кровеносного сосуда. Для проведения операции достаточно местной анестезии. Катетеры проводят по кровеносным сосудам в требуемою камеру сердца.
Существуют виды аритмии когда кардиолог может еще до операции определить местоположение проблемных зон. Затем вводиться один или несколько катетеров в сделанный разрез. В таких случаях операции являются технически сложными и занимают много времени. Но это возможно далеко не всегда. Обычно для навигации врачи используют рентгенологическое оборудование. Без специального обеспечения большую часть времени врачу приходиться действовать «вслепую». Кроме того, пациент и персонал подвергаются лучевой нагрузке. Но такой подход позволяет видеть только плоскую картинку и не дает понимания пространственного положения катетера.

В качестве примера возьмем один из видов аритмии — желудочковую экстрасистолию. Рассмотрим как с помощью современных технологий можно упростить задачу и найти нежелательный источник.

Определение положения

Начнем с навигации. Существуют варианты позволяющие программно вычислять положения катетеров. Остановимся здесь на методе основанном на измерении разности потенциалов между электродами. Главное преимущество этого подхода в том, что можно использовать стандартные катетеры.

У первого катетера выбирается опорный полюс, относительно которого будут выполняться все вычисления. Для обеспечения наибольшей точности необходимо как минимум два катетера. Во-первых, эта точка наименее подвижна во время работы сердца, что позволяет минимизировать ошибки навигации. Было установлено, что такой полюс удобней располагать в коронарном синусе (кровеносный сосуд впадающий в правое предсердие). На протяжении всей операции положение опорного полюса не должно меняться. Во-вторых, из этой точки можно уловить импульс из любого отдела сердца, что будет важно при построении карты. Именно этот катетер будет перемещаться в полости сердца и использоваться для нахождения нарушителей ритма. Второй катетер называется картирующий. Электроды из одной пары располагают с разных сторон тела, а пары взаимно ортогонально (грудь — спина, левый — правый бок, шея — бедро). Для определения его положения относительно опорного на поверхности тела пациента устанавливают три пары электродов. Чтобы избежать наложения частот для каждой пары устанавливается своя частота. Между электродами одной пары пускают переменный ток.

image

Причем мы получаем разность потенциалов по трем ортогональным осям. На протяжении всей операции вычисляется разность потенциалов между полюсами картирующего катетера и опорного. Это позволяет, умножая вольты на определенный коэффициент, перейти к определению координат в миллиметрах. В сердце изменение потенциала линейно зависит от расстояния катетера от источников тока. На изображении серый это картирующий катетер, желтый — опорный. Таким образом, без какой либо магии, можно определить взаимное положение обычных электродов.

image

Построение модели сердца

Пока перемещение катетера относительно опроной точки для хирурга не несет важной информации. Но благодаря этому стало возможным построить 3D-модель сердца. Перед построением сетки поверхности в программе задается область реконструкции. Эта та область, в пределах которой находится оперируемый отдел сердца. Для этого нужно расположить картирующий катетер в центре сердечного отдела. Также необходимо указать размер области реконструкции. Обычно радиуса равного 10 см хватает для картирования. Далее полученный куб разбивается на воксели с заданным размером. Воксель — это элемент объёмного изображения, своего рода трехмерный аналог пикселя. Каждый воксель может содержать определенное значение. В нашем случае в качестве значения будут использоваться 0 и 1. Значение 0 говорит о том, что воксель находится за пределами отдела сердца. 1 — значение установлено, воксель внутри модели. Изначально все воксели не установлены.
После того, как начальные данные указаны, можно начинать построение модели сердца. При перемещении катетера сравниваются его координаты с координатами вокселя. Если координаты вокселя совпадают с координатами катетера, то этому вокселю устанавливается значение 1. В ходе построения модели врач поэтапно подводит катетер к стенкам сердца. Таким образом постепенно строится воксельная модель всей полости оперируемого отдела.

image

Для этого, на основе воксельной модели, строится сетка с помощью алгоритма Marching cubes. Нас в первую очередь интересует внутренняя поверхность. Результатом будет замкнутая поверхность «покрывающая» воксельную модель. Суть этого алгоритма заключается в том, что для каждого вокселя, на основании его соседних, задается определенная часть поверхности.

image

На экране сразу отображается поверхность без воксельной модели. Перестроение сетки происходит постоянно в процессе изменения воксельной модели. Дальнейшие изменения положения катетеров не влияют на геометрию сетки. Когда сетка полностью готова режим создания 3D-модели выключается.

В нашем случае для лучшего соответствия реальной картине можно вырезать часть сетки, тем самым обозначив клапан правого предсердия.

image

Теперь врач видит перемещение катетера относительно стенок сердца. В итоге получается внутренняя поверхность нужного отдела. Благодаря этому управлять катетером становиться гораздо проще и можно приступить к поиску нарушителей ритма.

Построение карты

Следующим этапом идет изучение распространения возбуждения по миокарду. Стоит заметить, что во время всей операции с подключенных катетеров и стандартных отведений записываются ЭКГ в одной временной шкале.

Врач подводит картирующий катетер к стенке сердца и снимает данные. Исследование выглядит следующим образом. Определить момент возбуждения можно по электрокардиограмме от полюса картирующего катетера. Один из основных показателей это время активации (возбуждения) в этой точке. Момент активации на графике может устанавливаться либо врачом вручную, либо определяться в автоматическом режиме. Во время активации на ЭКГ будет зубец.

Это разница по времени между активацией в исследуемой точке с активацией зафиксированной на одном из отведений. Дальше вычисляется время запаздывания. В нашем случае будем использовать стандартное отведение III. В качестве таких отведений могут выступать или полюса опорного катетера или нагрудные отведения. На приведенном примере ниже красной точкой отмечен момент активации с отведения III, зеленой с картирующего катетера. Таким образом мы сравниваем момент возбуждения в конкретной точке со средним значением возбуждения во всем сердце.

image

Разберемся почему это важно. Кардиолог может по своему усмотрению решать какие полученные данные следует учитывать, а какие нет. В промежутках между внеочередным сокращением сердца импульс возбуждения распространяется обычным образом, а ЭКГ со стандартных отведений имеет нормальный вид. Для рассматриваемого типа аритмии источники нежелательного возбуждения проявляются себя с некоторым интервалом (часто непостоянным). Врача интересует распространение возбуждения от нарушителя ритма. Распространение нормального возбуждения хорошо изучено и не представляет интереса во время операции. ЭКГ в этот момент имеет отклонение от нормального вида. Определить возникновение нежелательного импульса (экстрасистолы) можно по ЭКГ со стандартных отведений. Это то время, когда стоит брать показания с поверхности сердца.

В таких случаях хирург может искусственным образом провоцировать аритмию с помощью электрических импульсов передаваемых с катетера. Иногда экстрасистолы появляются слишком редко во время операции. Под контролем специалистов в операционной такая стимуляция достаточно безопасна.

На 3D-модели сердца устанавливается точка в месте где был расположен катетер. Если получены интересующие данные, то врач фиксирует результаты и они сохраняются. Так, поочередно перемещая катетер от одной точки к другой, берутся показания с внутренней поверхности картируемого отдела. Теперь можно приступить к изучению новой точки. На основании времени запаздывания с помощью интерполяции строится изохронная карта активации миокарда. В целом требуется от нескольких десятков до сотен точек в сложных случаях.

image

Возбуждение распространяется от красного к фиолетовому. На такой карте цветом обозначается время активации. Такая карта называется активационной. Изохронную карту можно отобразить несколько в ином виде: показывать картину не в целом, а отобразить распространение возбуждения только в определенный момент времени.

Устранение нежелательного источника

На построенных таким образом картах хорошо видно распространение возбуждения по миокарду и, что самое важное, сами источники возбуждения. В итоге врач точно знает где необходимо воздействовать для устранения аритмии. Сам процесс обезвреживания аритмогенных зон выглядит следующим образом:

  1. Полагаясь на построенную карту врач прижимает полюс катетера к точке на сердце, которая генерирует нежелательные импульсы
  2. Через катетер подается высокочастотный ток. Электрическая энергия преобразуется в тепловую. За счет высокой проводимости полюса, нагревается не сам полюс, а ткань окружающая этот электрод. Нагрев доводят до 45 градусов по Цельсию. В итоге небольшой участок сердечной ткани, в котором проходит патологический путь, разрушается. Важно: катетер, с помощью которого производится операция, должен обладать термодатчиками. Это связано с тем, что нужно постоянно контролировать нагрев, т. к. при более высоких температурах возможно нанести серьезное повреждение клеткам сердца.
  3. После того, как все нежелательные очаги устранены ещё раз проводятся замеры распространения импульсов для оценки эффективности операции.

Вместо заключения

Существуют и другие способы программной навигации со своими плюсами и минусами. Так, например, определение положения на основе магнитных полей имеет более высокую точность, но для таких систем требуются специальные дорогостоящие катетеры.

В рамках одной статьи невозможно описать все детали и виды операций.
Спасибо за внимание и будьте здоровы! В данной статье был показан базовый пример операции в упрощенной форме.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Переезд в австрийский социализм

Пора восполнить пробел. На Хабре часто пишут про эммиграцию в разные страны, а про Австрию ещё не было. Хальштатт Старался кратко, заранее извиняюсь, что не получилось 🙂 Я попробую описать мой опыт переезда в Австрию (в Вену), а также немного ...

App Store не позвонит. Или как я сделала своё приложение, но оно не попадёт к пользователям

Чуть позже я узнала, что неплохо дополнять код дизайном. Когда-то я думала, что для того, чтобы запустить своё приложение достаточно написать код. Но всё это может быть лишним, если не следовать гайдлайнам. Ещё позже я поняла, что необходимо искать аудиторию ...