全心模型及心电逆问题的仿真研究

论文摘要

在过去十几年中,非药物性治疗心律失常的导管消融治疗得到了极大的发展,已经成为一些类型心律失常的一线治疗方案,并逐步成为越来越多的心律失常的标准治疗方法。对导致心律失常病灶部位(异位起搏点)的定位是进行有效消融的首要条件。如何准确、快速、无创或微创定位病灶部位是临床医生和生物医学工程研究人员关注的焦点。目前广泛使用的心内导管标测方法虽能精确定位病变部位,但是还存在诸多限制条件和不足。心内标测具有导管术固有的手术风险,并且所需定位时间较长,增加了患者发生严重并发症的可能和X线暴露时间。需要加以改进和辅助。本研究从心电正问题和逆问题入手,提出并探讨使用无创测量的体表心电和数字化心脏模型辅助改进临床导管标测术的方法。课题的研究在三方面分别展开,并相互关联。其一,建立高分辨率数字化心脏模型,解决心电正问题;其二,使用心脏模型研究病灶定位和体表心电的定量关系;其三,结合现有临床方法,提出对病灶点定位标测方法的辅助方法和改良手段。本研究从构建心脏模型开始,使用可视人断层照片数据,完成了图像增强和组织分割,建了分辨率为0.5mm×0.5mm×0.5mm的真实结构心脏和胸前表面几何模型。对心脏的定性描述进行了量化,完成了以心脏几何模型为基础的心肌电生理参数的设定和配置,并使用适当的激动传播仿真算法,完成了心房、心室电活动的全面仿真,时间精度为1ms。讨论了心脏电活动和体表电势的关系,完成了心脏电活动到体表测量心电的映射,解决了心电正问题。在心电正问题的基础上探索心电逆问题。按照心律失常的传导特性对模型进行了调整,使用调整后的心脏模型进行仿真,得到室性心律失常的体表心电。以心内膜某片区域为例,设定不同位置异位起搏点,定量研究了起搏点位置和BSPM(body surface potential maps,体表电位标测图)之间的定量关系。并使用神经网络探讨异位起搏点的分区定位,分区精度为1 cm×0.5 cm。用仿真得到的测试集以及人为加噪的方法测试了定位用神经网络的泛化能力,总体定位准确率达到25/31(不加噪)和23/31(信噪比2dB),克服了单纯数学求解逆问题的病态特性。最后,本研究还结合了临床常用的导管术起搏标测方法,提出使用无创BSPM辅助心内标测,快速定位异位起搏点的方法。以神经网络完成病灶点的分区定位,并利用起搏点位置和BSPM的定量关系对精细定位时导管移动进行定向指导。本研究建立了一个完整的高精度心脏模型,并在此基础上进行心电逆问题的研究,同时探讨了其在导管消融术病灶定位问题中的可能应用前景,为进一步的深入研究提供了有益的思路和研究基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 心电建模仿真研究的概况
• 1.2 本研究技术路线
• 1.3 本文构成
• 第二章 构建全心几何模型
• 2.1 心脏生理结构
• 2.2 数据来源
• 2.3 图像分割
• 2.4 剪裁图像并调整分辨率
• 2.5 提取点云（point cloud）
• 2.6 心脏传导系统的提取
• 2.7 本章小结
• 第三章 电生理参数设定
• 3.1 心肌纤维的解剖学结构及电生理异质性
• 3.2 心室肌纤维走向
• 3.3 单细胞动作电位模型
• 3.4 动作电位分类
• 3.5 M细胞和电生理异质性
• 3.6 本章小结
• 第四章 兴奋在心内传播的仿真
• 4.1 心肌细胞的各向异性
• 4.2 电兴奋传播算法
• 4.3 兴奋传播仿真算法的实现
• 4.4 计算心肌中电压的分布
• 4.5 双域模型理论及等效心电源的计算
• 4.6 本章小结
• 第五章 体表12导联心电和BSPM的仿真
• 5.1 体表12导联心电及BSPM简介
• 5.2 等效心电源的空间电场分布
• 5.3 计算体表标测点的电势
• 5.4 异常心电的仿真
• 5.5 本章小结
• 第六章 心电逆问题探索
• 6.1 心律失常
• 6.2 获取心室异位激动的体表心电
• 6.3 异位激动点定位
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 所做工作的总结
• 7.2 讨论与结论
• 7.3 展望
• 参考文献
• 文献综述
• 参考文献
• 致谢