Устройство моделирования электрофизиологических ответов миокарда при механическом растяжении Российский патент 2024 года по МПК G09B23/28 A61B5/02 A61F2/24 

Изобретение относится к области физиологии и медицины, а именно к исследовательским и учебным приборам. Устройство может применяться для изучения общих и локальных электрических характеристик при растяжении ткани миокарда в ВУЗах естественнонаучного и медицинского профиля. Также устройство может использоваться для скрининга различных биологически активных веществ и фармацевтических препаратов, позволяя проводить точные, стандартизированные, долгосрочные и быстрые испытания лекарств.

Известен обзор методов регистрации и сегментации на основе форм для сердечных изображений. [Vahid Tavakoli, Amir A. Amini. A survey of shaped-based registration and segmentation techniques for cardiac images. Computer Vision and Image Understanding №117, рр.966-989, 2013].

Известна работа [А.В. Кузьмин. Моделирование и визуализация работы сердца в компьютерных приложениях. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т.17, №2, 1031-1035, 2015], в которой автором рассматриваются задачи, связанные с моделированием и визуализаций работы сердца в рамках компьютерных приложений, определяются требования. Для решения поставленных задач предлагается обобщенный алгоритм, включающий этапы определения электрической активности сердца (ЭАС) на основе зарегистрированного электрокардиосигнала (ЭКС), определения механических параметров сокращения миокарда, расчета трансформаций трехмерной модели сердца и визуализации.

В статье представлена только архитектура системы моделирования работы сердца для использования компьютерных приложениях и не рассматриваются способы и устройства определения механических параметров сокращения миокарда.

Исследования по влиянию механического растяжения на активацию миокарда активно изучается на отдельно взятых участках миокарда [Fasciano, Robert W., II, and Leslie Tung. Factors governing mechanical stimulation in frog hearts. Heart Circ. Physiol., Vol. 277, № 6. pp.2311-2320, 1999].

Современные ультразвуковые датчики позволяют измерять локальные характеристики растяжения различных участков тканей сердца. Известен тканевой Допплер с помощью которого через скоростные параметры можно наблюдать и измерять смещение участков ткани миокарда относительно местоположения датчика [Thuy Thu Nguyen Andreas W.Espinoza Stefan Hyler Espen W.Remme Jan D'hooge Lars Hoff. Estimating Regional Myocardial Contraction Using Miniature Transducers on the Epicardium. Ultrasound in Med. & Biol., Vol. 45, № 11, pp.2958-2969, 2019; Karl Isaaz. What Are We Actually Measuring by Doppler Tissue Imaging?. Journal of the American College of Cardiology. Vol. 36, №. 3, рр.897-899, 2000.].

Однако, проблема ультразвуковых исследований заключается в значительной зашумленности получаемой картины, при которой затруднительно выделить граничные области, особенно у незначительных по размерам объектов исследования, будь это целое сердце его отделы или сегменты миокарда.

Известна установка для перфузии изолированного сердца по лангендорфу (RU 2491963, МПК A61M, опубл. 10.09.2013), которая содержит перфузионную колонку с отводами, датчик для регистрации сердечного ритма и внутрижелудочкового давления, систему регистрации электрокардиосигнала.

Подобная установка позволяет проводить фото и видео регистрацию сокращения сердца, но только с наружной стороны, при этом невозможно оценить характеристики локальной сократимости интрамуральных и эндокардиальных слоев.

Наиболее близким аналогом является устройство моделирования и визуализации локальной растяжимости миокарда (RU №2779228, МПК A61B5/02; A61F2/24, G09B23/28, опубл. 05.09.2022). Устройство включает фото- видеорегистратор соединенный с компьютером, установленный над пластинами между которыми размещен образец поперечного среза желудочка сердца, высота пролёта соразмерена с толщиной среза миокарда желудочка, пластины притянуты друг к другу до такой степени, что полость среза образца образует замкнутый участок, верхняя пластина выполнена прозрачной и обеспечивает возможность ведения фото и видео регистрации, нижняя пластина выполнена матовой для обеспечения контрастности съемки и имеет отверстие, имитирующее атриовентрикулярное отверстие, при этом оно сориентировано во внутреннюю полость образца среза правого или левого желудочка у животных с двумя камерами желудочка или во внутреннюю полость желудочка - одножелудочковых, отверстие, имитирующее атрио-вентрикулярное отверстие, соединено с перистальтическим насосом, режим работы которого обеспечивает подачу физиологического раствора во внутреннюю полость и его отток через соединительную силиконовую трубку с возможностью регулировки и контроля величины давления, подаваемого в полость среза.

Установка предназначена для проведения растяжения поперечных срезов желудочка сердца холоднокровных животных, позволяющая имитировать фазы сердечного цикла систолу и диастолу, которая позволяет проводить фото и видео-регистрацию растяжения поперечных срезов сердца и получать данные по локальным характеристикам растяжимости миокарда.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей установки за счет обеспечения возможности регистрации локальных электрограмм для восстановления хронотопографии последовательности активации срезов миокарда желудочка при механической или электрической стимуляции, с дальнейшим сопоставлением с измерениями локальных характеристик растяжимости в любом месте эпикардиального, интрамурального, эндокардиального слоев миокарда.

Техническим результатом является синхронная регистрация множественных электрограмм, при раздражении миокарда и точного визуального измерения величин локальной растяжимости поперечных срезов сердца экспериментальных животных.

Технический результат достигается тем, что блок регистрации дополнительно содержит многоканальную систему синхронной регистрации биопотенциалов, соединенную с компьютером и электродами, встроенными в нижнюю матовую пластину, расположенными радиально к центру размещения образца поперечного среза сердца.

На фиг.1 представлена схема устройства моделирования электрофизиологических ответов миокарда при локальной растяжимости.

На фиг.2 представлена схема расположения встроенных в нижнюю пластину электродов (обозначены точками) для регистрации электрофизиологического ответа.

Устройство включает:

1 - регулируемый промежуток между пластинами для размещения образца поперечного среза сердца;

2 - верхнюю прозрачную пластину, например, в виде стекла;

3 - нижнюю матовую пластину с радиально встроенными электродами и отверстием для подачи физиологического раствора;

4 - трубку для подачи раствора, имитирующего кровь в полость образца;

5 - регулировочное винтовое соединение для регулировки промежутка между пластинами 2 и 3 при размещении образца;

6 - фото- видеорегистратор;

7 - перистальтический насос;

8 - регистратор давления с датчиком, вмонтированным в трубку 4;

9 - компьютер, соединенный с регистратором давления и фото- видеорегистратором;

10 - электроды, встроенные в пластину 3, расположенные радиально к центру размещения образца поперечного среза сердца;

11 - многоканальная система регистрации электрических потенциалов, поступающих от радиально расположенных электродов, соединенная с компьютером 9 и электродами 10.

Устройство работает следующим образом.

В первую очередь готовится исследуемый препарат - образец среза миокарда, замкнутый по контуру, в полость которого в дальнейшем будет подаваться физиологический раствор. Место выбранного среза и его толщина зависят от целей проводимых исследований. Срез вырезается скальпелем или обычными острыми ножницами. Приготовленный образец поперечного среза желудочка сердца помещают в промежуток 1 между пластинами 2 и 3. Поверхность пластины 3 должна быть отполирована и обильно смочена физиологическим раствором чтобы ткань миокарда среза не испытывала значительного сопротивления движению во время циклов сжатия растяжения. Отверстие в нижней пластине 3 должно быть сориентировано в полость замкнутого среза. В дальнейшем полость образца наполняется соответствующим физиологическим раствором в зависимости от вида экспериментального животного и сверху, при помощи регулировочных винтов 5, опусканием верхней прозрачной пластины 2 полость среза замыкается, образуя своеобразный замкнутый участок. Существующие неровности нижней и верхней поверхностей срезов ткани миокарда, сами по себе плотно прилегают к поверхностям нижней и верхней пластин 2 и 3. Перистальтический насос, подает под заданным давлением в полость среза определенное количество физиологического раствора, заставляя его растягиваться и сжиматься, имитировать работу сердца. Величина растяжения, частота и скорость растяжения регулируют необходимым сжатием силиконовой трубки перистальтического насоса и скоростью подачи физиологического раствора. Верхняя пластина 2 выполнена прозрачной для обеспечения фото-видеосъемки процесса растяжения среза миокарда желудочка с использованием фото-видеорегистратора 6, значения отображаются и записываются в ПЭВМ 9. На механическое раздражение возникает электрофизиологический ответ. В нижнюю пластину 3 радиально встроены электроды 10 для синхронной регистрации электрокардиопотенциалов. Способ формирования электродной бляшки аналогичен способу описанному в патенте РФ №2167599, 16.12.1999. Электроды выполнены в виде встроенных в пластиковую основу пластины 3 проводников, при этом торцы проводников зачищены и зашлифованы заподлицо, т.е. находятся вровень с поверхностью плоскости пластины 3. Зачищенная торцевая поверхность проводника образует электродную бляшку.

На фиг. 2 точками обозначены встроенные электроды для регистрации электрофизиологического ответа. Расстояние между электродами 10 задано в зависимости от размера образца и цели проводимых исследований. Возникающие во время растяжения или электростимуляции электрофизиологические ответы регистрируются многоканальной системой синхронной регистрации биопотенциалов 11, соединенной с компьютером 9. В качестве многоканальной системы для синхронной регистрации биопотенциалов может быть использована 144 канальная установка Cardio Mapping System (ООО "Альтоника", г. Москва, 2011 г.). Система регистрации электрограмм имеет в своем составе 144 входных каналов биоусилителей. Частота дискретизации записываемых сигналов составляла 4000 Гц, при уровне шума не более ±10 мкВ и разрешающей способности от 10 до 100 мкВ на один разряд аналого-цифрового преобразования.

Данные фото и видеорегистрации сопоставляются с данными электрофизиологии по времени для определения локализации первичных очагов активации и последовательности охвата возбуждением миокарда среза желудочка сердца.

Система позволяет проводить электрофизиологическое картирование с одновременной регистрацией фото и видео данных по растяжимости миокарда на поперечных срезах сердца экспериментальных животных.

При необходимости проведения электрической стимуляции необходимо подводить стимулирующие электроды в выбранное место, между пластин данной конструкции. В качестве стимулирующих электродов можно выборочно использовать электроды, внедренные конструктивно в опорную пластину.

Добиваясь механическим или электрическим раздражением появления электрофизиологического ответа и сопоставляя во времени данные проекций множественных электродов на срезе во время растяжения с синхронно регистрируемыми потенциалами можно определить местоположение первичных очагов активации и последовательность возбуждения миокарда среза.

Все данные электрофизиологического картирования, фото и видео регистрации механики растяжения, сохраняются в ПЭВМ для дальнейшего согласования и обработки.

Таким образом, устройство для регистрации электрофизиологических ответов миокарда при механическом растяжении замкнутых поперечных срезов сердца позволяет определить участки с повышенной чувствительностью к механическому синхронно с растяжением, мониторировать и регистрировать электрический ответ, который проявляется при растяжении ткани миокарда, воздействию, определить общую последовательность активации срезов при механическом или электрическом раздражении, сопоставить локальную механику растяжения с последовательностью активации. Кроме того, устройство позволит установить, как активация зависит от величины и скорости растяжения, измерить и оценить общие и локальные характеристики растяжимости ткани миокарда по срезам желудочка сердца экспериментальных животных и сопоставить с последовательностью активации миокарда. Используя данное устройство можно оценить чувствительность к механическому растяжению, локальных участков миокарда поперечных срезов с разных уровней желудочка сердца от верхушки до основания.

Изобретение относится к области физиологии и медицины, а именно к исследовательским и учебным приборам. Устройство моделирования электрофизиологических ответов миокарда при механическом растяжении включает датчик для регистрации внутрижелудочкового давления, блок регистрации в виде компьютера и фото- и видеокамеры, верхнюю и нижнюю пластины с регулируемым винтовым соединением для стяжки пластин, разделенных пролётом, в котором в рабочем состоянии размещен образец поперечного среза желудочка сердца. Верхняя пластина выполнена прозрачной для ведения фото и видео регистрации. Нижняя пластина выполнена матовой для обеспечения контрастности съемки. Отверстие в нижней пластине имитирует атрио-вентрикулярное отверстие и соединено с перистальтическим насосом для подачи физиологического раствора во внутреннюю полость и его оттока через соединительную силиконовую трубку с возможностью регулировки и контроля величины давления, подаваемого в полость среза. Многоканальная система синхронной регистрации биопотенциалов блока регистрации соединена с компьютером и электродами, которые встроены в нижнюю матовую пластину и расположены радиально к центру размещения образца поперечного среза сердца. Достигается синхронная регистрация множественных электрограмм при раздражении миокарда и точное визуальное измерение величин локальной растяжимости поперечных срезов сердца экспериментальных животных. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство моделирования электрофизиологических ответов миокарда при механическом растяжении, включающее датчик для регистрации внутрижелудочкового давления, блок регистрации в виде компьютера и фото- и видеокамеры, верхнюю и нижнюю пластины с регулируемым винтовым соединением для стяжки пластин, разделенных пролётом, в котором в рабочем состоянии размещен образец поперечного среза желудочка сердца, верхняя пластина выполнена прозрачной и обеспечивает возможность ведения фото и видео регистрации, нижняя пластина выполнена матовой для обеспечения контрастности съемки и имеет отверстие, имитирующее атрио-вентрикулярное отверстие, при этом оно сориентировано во внутреннюю полость образца среза правого или левого желудочка у животных с двумя камерами желудочка или во внутреннюю полость желудочка – одножелудочковых и соединено с перистальтическим насосом, режим работы которого обеспечивает подачу физиологического раствора во внутреннюю полость и его отток через соединительную силиконовую трубку с возможностью регулировки и контроля величины давления, подаваемого в полость среза, отличающееся тем, что блок регистрации дополнительно содержит многоканальную систему синхронной регистрации биопотенциалов, соединенную с компьютером и электродами, встроенными в нижнюю матовую пластину, расположенными радиально к центру размещения образца поперечного среза сердца.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электроды выполнены в виде встроенных в нижнюю пластину проводников, торцы которых находятся вровень с поверхностью плоскости пластины, образуя электродные бляшки.