Устройство моделирования и визуализации локальной растяжимости миокарда
APPARATUS FOR MODELLING AND VISUALISING LOCAL MYOCARDIAL COMPLIANCE

Изобретение относится к медицине и физиологии, а именно к исследовательским приборам, и может быть использовано для изучения общих и локальных характеристик растяжимости ткани миокарда, в том числе в ВУЗах естественнонаучного и медицинского профиля.
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 StefanHyler Espen W.Remme JanD'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 [Патент РФ № 2491963, приоритет от 21.03.2012], выбранная за прототип. Установка для перфузии изолированного сердца по Лангендорфу содержит перфузионную колонку с отводами, датчик для регистрации сердечного ритма и внутрижелудочкового давления, систему регистрации электрокардиосигнала.
Подобная установка позволяет проводить фото и видеорегистрацию сокращения сердца, но только с наружной стороны, при этом невозможно оценить характеристики локальной сократимости интрамуральных и эндокардиальных слоев.
Предлагаемое изобретение позволяет моделировать и реально воспроизвести анатомию и сократительную функцию сердца, а именно локальную растяжимость миокарда, проводить фото и видео регистрацию сокращения сердца не только с наружной стороны, но и с внутренней стороны, а также определять такую локальную характеристику, как механическая растяжимость в любом месте эндокардиального, интрамурального, эндокардиального миокарда.
Устройство применимо при обучении студентов и для проведения научного эксперимента по определению величины локальной растяжимости миокарда желудочка, в том числе поперечных срезов, производимых на необходимых для исследования уровнях желудочка сердца, при этом обеспечивает возможность имитирования патологических состояний по давлению внутри желудочка. Устройство обеспечивает наглядность имитации работы сердца, точность и простоту проведения фото- видео регистрации для последующего анализа и расчета.
Технический результат достигается тем, что устройство моделирования и визуализации локальной растяжимости миокарда содержит верхнюю и нижнюю пластины с регулируемым винтовым соединением для стяжки пластин, разделенные пролётом, в котором в рабочем состоянии 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- видео регистрации, нижняя пластина выполнена матовой для обеспечения контрастности съемки и имеет отверстие, имитирующее атрио-вентрикулярное отверстие, при этом оно соориентировано 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, система регистрации дополнительно содержит фото- видео камеру, установленную над прозрачной пластиной. Пластина отполировывают таким образом, что ткань миокарда помещаемого среза не испытывает сопротивления движению во время сжатия или растяжения при имитации работы сердца.
Изобретение поясняется чертежам. На фиг.1 представлена схема устройства. На фиг. 2 представлены фотографии при проведении эксперимента (срез левого желудочка мыши): а) фотография среза в момент имитации систолы желудочка сердца; б) фотография среза в момент имитации диастолы желудочка сердца.
Устройство содержит:
1 - пролёт (промежуток) между пластинами для размещения образца поперечного среза желудочка сердца;
2 - верхнюю прозрачную пластину, например, в виде стекла;
3 - нижнюю матовую пластину с отверстием для подачи физиологического раствора;
4 - трубка для подачи физиологического 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.
В рабочем состоянии устройство выглядит следующим образом. В пролёт (промежуток) 1 между пластинами 2 и 3 помещается исследуемый образец среза желудочка сердца. Верхняя прозрачная пластина 2, позволяет проводить визуальное наблюдение процесса растяжения образца среза миокарда желудочка, осуществлять фото- видеосъемку с использованием фото- видеорегистратора 6, соединенного с компьютером 9. Нижняя беломатовая пластина 3, на которой располагается срез желудочка сердца, служит опорой, рассеивателем света и выполняет роль фона для повышения контрастности изображения. Промежуток 1 между пластинами 2 и 3 соразмерен с толщиной среза миокарда желудочка, при этом стягивание пластин 2 и 3 регулируется с помощью винтового соединения 5. В рабочем состоянии пластины 2 и 3 притянуты до такой степени, что герметизируют снизу и сверху стенки среза исследуемого образца желудочка сердца, образовывая внутреннюю полость, заключенную между верхней стенкой образца и верхней прозрачной пластиной 2 и между нижней стенкой среза и нижней матовой пластиной 3. В пластине 3 выполнено отверстие для подачи в образованную внутреннюю полость образца физиологического раствора через силиконовую трубку 4 от перистальтического насоса 7. Физиологический раствор в 4 поступает из внешней емкости, соединенной с насосом 7, в которой он может оксигенироваться. В зависимости от задач при проведении исследований может быть изменен солевой состав и температура раствора.
Устройство работает следующим образом. Подготавливают образец среза желудочка сердца экспериментального животного, при этом делают срез вдоль продольной оси сердца, где расположены интересующие (изучаемые) участки миокарда. Толщина среза может быть любой в зависимости от целей проводимых исследований. Вырезание среза производится обычными острыми ножницами. Подготовленный образец среза миокарда желудочка помещают в пролёт 1 на опорную матовую пластину 3, смоченную физиологическим раствором, при этом поверхность пластины 3 отполировывают таким образом, что ткань миокарда помещаемого среза не испытывала значительного сопротивления движению во время сжатия или растяжения при имитации работы сердца. Отверстие в нижней пластине 3 имитирует атрио-вентрикулярного отверстие, при этом оно сориентировано во внутреннюю полость образца среза правого или левого желудочка у животных с двумя камерами желудочка, а у одножелудочковых - во внутреннюю полость желудочка. Далее внутренняя полость исследуемого образца поперечного среза желудочка сердца наполняется соответствующим физиологическим раствором через трубку 4 от перистальтического насоса 7. Затем сверху, при помощи соединения 5 пластины 2 и 3 притягиваются друг к другу и  полость среза образца замыкается, образуя своеобразный замкнутый участок желудочка. Из экспериментальных исследований установлено, что торцы среза не обязательно должны быть идеально плоскими, поскольку в дальнейшем, при помещении на опорную пластину, смоченную физраствором, несмотря на допустимые неровности, он плотно прилегает к поверхностям нижней 3 и верхней 2 пластин. При включении перистальтического насоса 7 имитируется приток и отток крови. Образец  среза начинает растягиваться и сжиматься, имитируя работу сердца, при этом величина растяжения и частота растяжения регулируется необходимым сжатием силиконовой трубки 4 от перистальтического насоса 7 и скоростью подачи физиологического раствора. Физиологический раствор заменяет кровь, которая поступает из предсердий в желудочек правый, левый у птиц и млекопитающих, или в единственный желудочек как у рыб и амфибий. Для максимального физиологического соответствия,  давление регулируется в рамках физиологических норм животных разных систематических групп. Контроль величины давления подаваемого в полость среза контролируется через датчик регистратором давления 8. При проведении опытных испытаний, использовали пъезоэлектрический датчик SP844 в комплексе с усилителем HSE, соединенный с компьютером 9, с обеспечением возможности вывода показателей контроля на монитор компьютера 9. Весь процесс растяжения поперечного среза желудочка сердца наглядно визуализируется и регистрируется. В процессе проведения исследований производится фото и/или видео регистрация с помощью фото- видеокамеры 6, расположенной над пластиной 2, и осуществляется передача фотографий и потока видеозаписи в компьютер 9 для дальнейшей обработки и анализа. Определение локальной механической растяжимости осуществляют с помощью соответствующего программного обеспечения, позволяющего определить объем полости среза желудочка, контуры эндокардиальной, эпикардиальной поверхностей и локальных растяжений на заданном интрамуральном участке ткани миокарда исследуемого образца поперечного среза ткани миокарда желудочка сердца экспериментального животного. При апробировании экспериментального образца, обработку изображений проводили, используя версию программы JMicroVision. Показатели растяжения разных участков срезов миокарда желудочка определяли при различном давлении.
На фиг.2 приведен пример фоторегистрации растяжения миокарда желудочка сердца крысы. Отверстие подачи физиологического раствора (имитация атриовентрикулярного) расположено в полости поперечного среза средней части левого желудочка экспериментального животного. Толщина среза 1,5 мм. Проведены фото регистрация среза в момент имитации систолы желудочка сердца и в момент имитации диастолы желудочка сердца.
Устройство применимо для исследования анатомии сердца, его сократительной функции и при обучении студентов медицинских ВУЗов и обеспечивает:
- наглядность эксперимента и визуализация имитации работы сердца в условиях реального времени с наружной и внутренней стороны, и в видеозаписи с заданной частотой кадров сокращения и растяжения срезов желудочка сердца, возможность наблюдения анатомии и сократительной функции сердца;
- статическая наглядность по ряду последовательных фотографий процесса динамического растяжения и сокращения сердечной мышцы на которых зафиксированы внутренние и наружные замкнутые краевые линии (контуры) срезов желудочка сердца, и по которым можно судить о локальной растяжимости миокарда, измерять смещение участков ткани миокарда и оценивать характеристики локальной сократимости интрамуральных и эндокардиальных слоев;
- наглядность динамики изменения давления в полости среза и возможность имитации растяжимости миокарда.
Таким образом, предлагаемое устройство моделирования позволяет определять локальную растяжимость миокарда, непосредственно визуально наблюдать, демонстрировать, измерять и оценивать общие и локальные характеристики растяжимости ткани миокарда по срезам желудочка сердца экспериментальных животных.