心臓モデル

導入

バイオメディカルデバイスは、生体に埋め込んで現場でテストする前に、安全性、有効性、堅牢性を確保するための厳格な基準を満たす必要があります。このような状況では、リアルタイムシミュレータとハードウェアインザループ手法を組み合わせることで、現場でのテスト段階の前にアルゴリズムを検証および改善することができ、テスト対象の患者に対するリスクを大幅に削減できます。さまざまなデバイスの中で、このアプリケーションノートでは、心臓に接続されるデバイスに焦点を当てています。人間の心臓のモデルは、Ryzhii ら [ 1 ] で最初に説明され、HIL402 ハードウェアインザループシミュレータで展開できるように再構成された方程式を使用して実装されています。方程式のパラメータを調整することで、出力信号の特性を変更し、頻脈、徐脈、および/または心房細動の影響を受けた心臓など、さまざまな心臓の状態をシミュレーションすることができます。

このモデルの目的は、人間の心臓と相互作用する生体医療機器（ペースメーカー、心電図アナライザーなど）の開発と試験のための参照フレームワークとなることです。その結果、Di Mascioら[2]で説明されているような、様々な用途に合わせて使いやすく設定可能な強力なシミュレータ（機能アーキテクチャは図1に示されています）が実現しました。

モデルの説明

心臓は人体において最も重要な臓器の一つであり、そのため非常によく研究されています。心臓の働きは、電気現象の巧妙な組み合わせによって生み出されます。数式の観点から見ると、心臓は心臓組織に作用して血液を送り出す発振器に例えることができます。電気信号は、上大静脈の右心房にある洞房結節（SN）から組織を刺激します。信号が伝播すると、収縮が起こります。次に、電気インパルスは房室結節（AV結節）に到達し、そこから心臓の下部にある心室（心室）に刺激が送られ、心室が収縮して血液が送り出されます。その後、SN結節は再び心房に信号を送り、このプロセスが再び始まります。

全体的な動作を記述する方程式は[ 1 ]および[ 2 ]に報告されており、一方向性の時間遅延速度結合を持つ修正されたファンデルポールの方程式に基づく3つの自然なペースメーカーとして心臓の伝導系を記述しています。

図2は、左から洞房結節（SN）と房室結節（AV）を結ぶ動的伝導の模式図を示しています。方程式は、一定の遅延を伴う遅延微分方程式（DDE）です。

2番目の連立方程式は、図3に示すように、心電図の波形を表しています。これらの項は、数学モデルの2つの部分を結び付ける役割を果たしており、IATDE、IATRE、IVNDE、IVNREはイオン電流を表しています。図4に示すように、AT筋とVN筋の結果を組み合わせることで、心電図全体を再構成できることがわかります。

モデルの暫定的なパラメータは[ 1 ]で定義されている。

• スケーリング係数: ${け}_1=2\times {\mathrm{10}}^3$ , ${け}_2=4\times {\mathrm{10}}^2$ , ${け}_3={\mathrm{10}}^4$ , ${け}_4=2\times {\mathrm{10}}^3$
• パルスの振幅を定義するパラメータ: $c_1=0.26$ , $c_2=0.26$ , $c_3=0.12$ , $c_4=0.1$ ;
• 休止状態とダイナミクスを変更するパラメーター: $b_1=0.0$ , $b_2=0.0$ , $b_3=0.015$ , $b_4=0.0$ ;
• 励起変数の過分極を制御するパラメータ: $d_1=0.4$ , $d_2=0.4$ , $d_3=0.09$ , $d_4=0.1$ ;
• 興奮性を表し、活性化の急激性と活動電位の持続時間を制御するパラメータ: $h_1=0.04$ , $h_2=0.02$ , $h_3=0.08$ , $h_4=0.08$ ;
• 休止状態とダイナミクスを変更するパラメーター: ${\mathrm{グラム}}_1=1.0$ , ${\mathrm{グラム}}_2=1.0$ , ${\mathrm{グラム}}_3=1.0$ , ${\mathrm{グラム}}_4=1.0$ ;
• 励起しきい値を制御するパラメータ: ${わ}_{\mathrm{11}}=0.13$ , ${わ}_{\mathrm{21}}=0.19$ , ${わ}_{\mathrm{31}}=0.12$ , ${わ}_{\mathrm{41}}=0.22$ ;
• 励起状態を制御するパラメータ: ${わ}_{\mathrm{12}}=1.0$ , ${わ}_{\mathrm{22}}=1.0$ , ${わ}_{\mathrm{32}}=1.1$ , ${わ}_{\mathrm{42}}=0.8$ ;
• P波の結合係数: $K_{\mathrm{ATDe}}=4\times {\mathrm{10}}^{-5}$ ;
• Ta波の結合係数: $K_{\mathrm{アトレ}}=4\times {\mathrm{10}}^{-5}$ ;
• QRS群の結合係数: $K_{\mathrm{VNDe}}=9\times {\mathrm{10}}^{-5}$ ;
• T波の結合係数: $K_{\mathrm{VNRe}}=6\times {\mathrm{10}}^{-5}$ .

  

シミュレーション

このアプリケーションには、あらかじめ構築されたSCADAパネルが付属しています。シミュレーションの実行中に監視および操作するための最も重要なユーザーインターフェース要素（ウィジェット）が提供されており、ニーズに合わせてさらにカスタマイズできます。 図5 シミュレーションの制御と結果の確認に使用されるSCADAを示しています。内部には3つのサブパネルがあります。左側の最初のパネルでは、パラメータの値を変更することができます。 $f_1$ （[2]）。このパラメータはSNノードの脈拍数を制御し、パラメータ値が高いほど心拍数も高くなります。シミュレーション開始時に、SCADAパネルはデフォルトの生理学的条件を提案します。SCADAパラメータを変更すると、心臓の働きが変化します。表示される色とメッセージは、心臓がどの領域で機能しているかを示します。下部パネルのスコープには、選択された条件を再現したECG波形が表示されます。再構成されたECGは主要なECG特徴と一致していますが、生理学的データに適合させるにはモデルパラメータを微調整する必要があります。

右側のパネルでは、心房欠陥のシミュレーションが可能です。心房細動（AF）は、心臓の上部にある心房（心室）全体で電気信号が無秩序に発生する異常で不規則な心拍リズムです。AFが発生すると、右心房の洞房結節から無秩序な刺激が生じ、心拍を生み出す心室刺激の伝導が不規則になります。このシミュレーションでは、以下の4つのパラメータに基づいてシミュレーションを行います。

• P波は0に設定されます。
• その $f_3$ HP繊維の脈動の振幅を制御する が減少する（ $f_3=1$ ）;
• ${\mathrm{1つの}}_3$ ペースメーカーの減衰係数も減少する（ ${\mathrm{1つの}}_3=45$ ）スイングを長くする。
• そして ${け}_4=100$ 心電図のT波の振幅を減らすように設定されています。

生成された波形（ECG を含む）も、HIL ハードウェアによって物理信号として再現されます。

テスト自動化

この例のテスト自動化はまだありません。ご協力いただける場合はお知らせください。アプリケーションノートへの署名を喜んで承ります。

要件の例

表1は、モデルをリアルタイムで実行するためのファイルの場所とハードウェア要件に関する詳細情報と、この最小限のハードウェア構成でモデルを実行した場合のHILデバイスのリソース使用率を示しています。この情報は、モデルの実行とカスタマイズを必要に応じて行う際に役立ちます。

参考文献

[1] Ryzhii, E.; Ryzhii, M. ECG信号のシミュレーションのための異種結合発振器モデル. Comput. Methods Programs Biomed. 2014, 117, 40–49.

[2] Di Mascio, C.; Gruosso, G. 発振器ベースの心臓モデルのハードウェア・イン・ザ・ループ実装：医療機器テストのためのフレームワーク。Electronics, 2020, 9, 571. https://doi.org/10.3390/electronics9040571

著者

[1] ジャンバティスタ・グルオッソ教授、 giambattista.gruosso@ polimi.it