[论文解读] 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 12

一句话总结

本文提出了一种计算高效、实时的心脏模型，用于模拟心脏传导系统，以支持闭环起搏器测试。通过增强心肌细胞模型以实现稳定的动作电位时程，并引入能够捕捉连续电传导的路径模型，作者实现了对复杂心律失常（如折返性环路和房室结折返）的精确模拟，其预测保真度在实时模型中此前尚未达到过。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于物理起搏器实时闭环测试的心脏模型。
• 解决现有模型计算量过大或过于抽象而难以用于实际起搏器验证的局限性。
• 实现在临床试验之外的早期、安全且全面的起搏器设计测试。
• 通过捕捉连续时间电传导和复杂心律失常，提升模型保真度。
• 在计算效率与临床相关场景下的高预测准确性之间取得平衡。

提出的方法

• 通过强制设定最小动作电位时程，稳定了Stony Brook 2005年心脏细胞模型，以防止不稳定性。
• 用一个单一、优化的Stateflow模块替代原始基于Stateflow的转换逻辑，以提高仿真效率。
• 开发了一种新型路径模型，支持动作电位的部分和完全传播，包括逆向传播和湮灭现象。
• 将增强后的细胞模型与路径模型集成到一个包含33个节点和68条正向与反向路径的网络中，以模拟真实的传导通路。
• 使用Simulink Coder生成优化的C代码，用于在单核处理器上进行性能评估。
• 通过模拟多种心律失常（包括房室结折返和Wolff-Parkinson-White综合征）对模型进行了验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 计算高效的模型能否准确模拟连续时间电活动信号，以支持实时起搏器测试？
• RQ2 如何对心脏细胞模型进行稳定化与增强，以在保持真实动作电位时程的同时提升仿真效率？
• RQ3 路径模型能否有效捕捉部分与完全电传导的动力学，包括逆向波和湮灭现象？
• RQ4 所提出的模型在多大程度上能够模拟先前模型不支持的复杂折返性心律失常？
• RQ5 该模型能否实现足够的计算效率，以支持实时仿真而不牺牲预测保真度？

主要发现

• 改进后的细胞模型通过优化Stateflow转换处理，将60秒活动的仿真时间从12.376秒减少至9.586秒，提升了22.5%。
• UoA心脏模型包含68条路径，1秒正常心脏周期的仿真耗时30.771秒，房室结折返性心动过速的仿真耗时31.295秒，证明了其对复杂心律失常的支持能力。
• 该模型成功模拟了复杂折返性环路，包括房室结折返和VA传导，而现有模型无法复现这些现象。
• 路径模型准确捕捉了电冲动的逆向传播和湮灭，从而实现了更真实的传导动力学。
• 通过忠实再现长QT综合征和Wolff-Parkinson-White综合征等心律失常，该模型的预测能力优于先前模型。
• 由于路径模型的复杂性，UoA心脏模型的执行时间高于简单模型，表明仍需进一步优化，例如采用多核并行化处理。