[논문 리뷰] Towards the Emulation of the Cardiac Conduction System for Pacemaker Testing

Eugene Yip, Sidharta Andalam외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 16.

Cardiac electrophysiology and arrhythmias참고 문헌 30인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 실시간 피아식 펄스 테스트를 위한 계산적으로 효율적이고, 심장 전도계를 모의하는 실시간 심장 모델을 제시한다. 안정적인 행동전위 지속시간을 확보하기 위해 심장 세포 모델을 개선하고, 연속적인 전기적 전파를 포착하는 경로 모델을 도입함으로써, 재진동 회로 및 AV 노드 재진동과 같은 복잡한 부정맥의 정확한 시뮬레이션을 가능하게 하여 기존 실시간 모델에서 달성하지 못했던 예측 정확도를 달성하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실시간, 피드백 루프 테스트에 적합한 심장 모델을 개발하기 위해.
• 기존 모델의 한계를 해결하기 위해, 계산 비용이 너무 높거나 실제 피아식 펄스 테스트에 부적합한 추상적인 모델이 아닌 것을 위해.
• 임상 시험 외부에서 피아식 펄스 설계의 조기, 안전하고 종합적인 테스트를 가능하게 하기 위해.
• 연속 시간 전기적 전파와 복잡한 부정맥을 포착함으로써 모델의 정확도를 향상시키기 위해.
• 임상적으로 관련성이 있는 시나리오에서 계산 효율성과 높은 예측 정확도를 균형 잡기 위해.

제안 방법

• 불안정성을 방지하기 위해 최소 행동전위 지속시간을 강제 적용함으로써 스토니 브룩 2005 심장 세포 모델의 안정성을 확보하였다.
• 기존의 Stateflow 기반 전이 논리를 단일 최적화된 Stateflow 블록으로 대체하여 시뮬레이션 효율성을 향상시켰다.
• 부분적 및 전면적 행동전위 전파를 포함한 후방 전파 및 소멸 현상을 지원하는 새로운 경로 모델을 개발하였다.
• 실제 전도 경로를 시뮬레이션하기 위해 33개 노드와 68개의 정방향 및 역방향 경로를 포함한 네트워크에 통합하였다.
• 성능 평가를 위해 Simulink Coder를 사용하여 최적화된 C 코드를 생성하였다.
• AV 노드 재진동 및 월러프-파커킨슨-화이트 증후군을 포함한 여러 부정맥을 시뮬레이션하여 모델을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 계산적으로 효율적인 심장 모델이 실시간 피아식 펄스 테스트를 위해 연속 시간 전기 신호를 정확히 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 심장 세포 모델은 어떻게 안정화되고 개선되어 실제 행동전위 지속시간을 유지하면서도 시뮬레이션 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 경로 모델은 부분적 및 전면적 전기적 전파의 역학, 특히 후방 파동과 소멸 현상을 효과적으로 포착할 수 있는가?
• RQ4 제안된 모델은 이전 모델에서 지원하지 못하는 복잡한 재진동 부정맥을 어느 정도까지 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ5 예측 정확도를 희생시키지 않고도 실시간 에뮬레이션을 지원할 수 있을 정도로 충분한 계산 효율성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 최적화된 Stateflow 전이 처리 덕분에 60초 활동에 대해 시뮬레이션 시간이 12.376초에서 9.586초로 22.5% 향상되었다.
• 68개 경로를 가진 UoA 심장 모델은 1초 동안 정상 심장 싸이클을 30.771초에, AV 노드 재진동 빈속성 동맥을 31.295초에 시뮬레이션하여 복잡한 부정맥을 지원하는 것을 입증하였다.
• 기존 모델이 재현할 수 없는 복잡한 재진동 회로, 특히 AV 노드 재진동 및 VA 전도를 성공적으로 시뮬레이션하였다.
• 경로 모델은 전기 자극의 후방 전파 및 소멸 현상을 정확히 포착하여 보다 현실적인 전도 역학을 가능하게 하였다.
• 롱 퀀트 증후군 및 월러프-파커킨슨-화이트 증후군과 같은 부정맥을 충실하게 표현함으로써 이전 모델보다 높은 예측 능력을 확보하였다.
• 경로 모델의 복잡성으로 인해 UoA 심장 모델의 실행 시간은 더 단순한 모델보다 높아, 향후 다중 코어 병렬 처리와 같은 최적화가 필요함을 시사하였다.