[論文レビュー] Towards the Emulation of the Cardiac Conduction System for Pacemaker Testing

Eugene Yip, Sidharta Andalam+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2016

Cardiac electrophysiology and arrhythmias参考文献 30被引用数 12

ひとこと要約

本論文では、閉ループペースメーカー検証を目的とした、計算効率が高くリアルタイム対応の心臓モデルを提示している。アクティビティ・ポテンシャル持続時間の安定化を図った心筋細胞モデルの強化に加え、連続的な電気的伝播を捉えるパスモデルの導入により、再entrant回路やAVノード再entrantなど複雑な不整脈の正確なシミュレーションが可能となり、従来のリアルタイムモデルでは達成できなかった予測的正確性を実現した。

ABSTRACT

The heart is a vital organ that relies on the orchestrated propagation of electrical stimuli to coordinate each heart beat. Abnormalities in the heart's electrical behaviour can be managed with a cardiac pacemaker. Recently, the closed-loop testing of pacemakers with an emulation (real-time simulation) of the heart has been proposed. An emulated heart would provide realistic reactions to the pacemaker as if it were a real heart. This enables developers to interrogate their pacemaker design without having to engage in costly or lengthy clinical trials. Many high-fidelity heart models have been developed, but are too computationally intensive to be simulated in real-time. Heart models, designed specifically for the closed-loop testing of pacemakers, are too abstract to be useful in the testing of physical pacemakers. In the context of pacemaker testing, this paper presents a more computationally efficient heart model that generates realistic continuous-time electrical signals. The heart model is composed of cardiac cells that are connected by paths. Significant improvements were made to an existing cardiac cell model to stabilise its activation behaviour and to an existing path model to capture the behaviour of continuous electrical propagation. We provide simulation results that show our ability to faithfully model complex re-entrant circuits (that cause arrhythmia) that existing heart models can not.

研究の動機と目的

• 物理的ペースメーカーのリアルタイムで閉ループでのテストに適した心臓モデルの開発を目的とする。
• 既存のモデルには、計算負荷が高すぎるか、あるいは実用的ペースメーカー検証に不適切な抽象的すぎるという限界があることに対処することを目的とする。
• 臨床試験の外で早期かつ安全かつ包括的なペースメーカー設計のテストを可能にすることを目的とする。
• 連続時間の電気的伝播および複雑な不整脈を捉えることで、モデルの正確性を向上させることを目的とする。
• 臨床的関連性の高いシナリオにおいて、計算効率と高い予測的正確性の両立を図ることを目的とする。

提案手法

• 不安定化を防ぐために最小アクティビティ・ポテンシャル持続時間を強制することで、Stony Brook 2005年心筋細胞モデルの安定化を図った。
• 元のStateflowベースの遷移論理を、シミュレーション効率を向上させるために単一で最適化されたStateflowブロックに置き換えた。
• 部分的および完全なアクティビティ・ポテンシャル伝播（後退伝播および消滅を含む）をサポートする、新規のパスモデルを開発した。
• 33ノード、68本の前向きおよび後向きパスを有するネットワークに、強化された細胞モデルおよびパスモデルを統合し、現実的な伝導経路をシミュレートした。
• シングルコアプロセッサ上でパフォーマンス評価を実施するため、Simulink Coderを用いて最適化されたCコードを生成した。
• AVノード再entrantおよびWolff-Parkinson-White症候群を含む複数の不整脈のシミュレーションにより、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 計算効率の高い心臓モデルは、リアルタイムペースメーカー検証に適した連続時間の電気的信号を正確にシミュレートできるか？
• RQ2 心筋細胞モデルは、シミュレーション効率を向上させつつも、現実的なアクティビティ・ポテンシャル持続時間を維持できるように安定化・強化できるか？
• RQ3 パスモデルは、部分的および完全な電気的伝播（後退波および消滅を含む）のダイナミクスを効果的に捉えることができるか？
• RQ4 提案されたモデルは、従来のモデルが対応できない複雑な再entrant不整脈をどの程度までシミュレートできるか？
• RQ5 予測的正確性を損なわず、リアルタイムエミュレーションを実現するのに十分な計算効率を達成できるか？

主な発見

• 最適化されたStateflow遷移処理のおかげで、60秒分の活動をシミュレートする時間は12.376秒から9.586秒に短縮され、22.5％の改善が達成された。
• UoA心臓モデル（68パス）は、1秒分の正常な心拍サイクルを30.771秒でシミュレートし、AVノード再entrant頻拍を31.295秒でシミュレートした。これにより、複雑な不整脈のシミュレーションが可能であることが示された。
• 従来のモデルでは再現できない、AVノード再entrantおよびVA伝導を含む複雑な再entrant回路を、モデルは正常にシミュレートした。
• パスモデルは、電気的インパulseの後退伝播および消滅を正確に捉えており、より現実的な伝導ダイナミクスの再現が可能となった。
• Long QT症候群およびWolff-Parkinson-White症候群といった不整脈を忠実に再現したことで、従来のモデルよりも高い予測的パワーを発揮した。
• パスモデルの複雑さのため、UoA心臓モデルの実行時間は単純なモデルよりも長く、マルチコア並列処理などのさらなる最適化の必要性が示された。