Разработка алгоритма функционирования системы для определения достижения эффекта трансмуральности

Известно, что при нагреве ткани, в зависимости от степени нагрева, ее импеданс изменяется по определенному закону. График изменения импеданса по времени в процессе нагрева ткани далее по тексту будем называть характерной кривой импеданса ткани.

Характерная кривая импеданса ткани состоит из трех основных участков:

1. снижение импеданса;
2. уровень импеданса достиг минимального значения, возможно, на протяжении некоторого времени постоянен или изменяется незначительно;
3. увеличение импеданса.

Задача исследования состоит в том, чтобы основываясь на данных об импедансе ткани и положении так называемой рабочей точки на характерной кривой импеданса ткани, сделать выводы о ходе процесса абляции и достижении трансмурального поражения ткани миокарда.

Задача создания трансмуральной зоны поражения миокарда заключается в необходимости за возможно более короткий период времени нагреть нужный (достаточно узкий) участок миокарда.

При анализе теоретических исследований [1–4] установлено, что после прохождения

плоского участка характерной кривой импеданса ткани и достижения участка роста импеданса существует определенный порог импеданса, достижение которого может свидетельствовать о достижении трансмуральности.

Вышеуказанный порог импеданса носит индивидуальный характер и для каждой конкретной ситуации он уникален. Требуется разработать методику, позволяющую идентифицировать достижение трансмуральности для разных ситуаций, связанных с наличием разной толщины стенок миокарда.

Авторами проведены экспериментальные исследования на биологической ткани. Во время проведения эксперимента на разные участки ткани (толщиной до 10 мм) подавалась отличная друг от друга постоянная мощность.

В первом эксперименте (рис. 1) при подаче мощности 25 Вт, т.е. выше оптимальной,

происходит быстрый нагрев поверхностных слоев ткани и недостаточный нагрев внутренних слоев. Общая картина импеданса участка ткани будет складываться из суммы импедансов поверхностных слоев и внутренних слоев. При этом состояние поверхностных слоев ткани будет соответствовать третьему участку характерной кривой импеданса ткани, соответствующему высокому импедансу. Состояние внутренних слоев будет соответствовать второму участку характерной кривой импеданса ткани, соответствующему низкому импедансу. В данном случае общий импеданс складывается из импеданса внутреннего и поверхностного слоя ткани и будет указывать на достижение трансмуральности при отсутствии такового.

На графике виден лавинообразный рост импеданса, в теории соответствующий достижению трансмуральности. Время воздействия составило порядка 12 с. Скорость падения импеданса на «первом участке» составляет 8,8 % в секунду. Скорость роста импеданса на «третьем участке» составляет 66 % в секунду. При этом рис. 2 показывает, что трансмуральность не достигнута, произошел перегрев поверхностных слоев, и что внутренние слои полностью не затронуты.

Во втором эксперименте (рис. 3), при подаче мощности 10 Вт, т.е. ниже оптимальной, прогрев ткани происходит равномерно. Однако за счет увеличенного времени воздействия и теплопроводности ткани более существенная часть выделяемой тепловой энергии затрачивается на нагрев тех участков ткани, которые непосредственно прилегают к месту воздействия. Это приводит к дополнительному увеличению времени воздействия и расширению зоны поражения. Расширение зоны поражения и увеличение времени воздействия являются крайне нежелательными эффектами. Скорость падения импеданса на «первом участке» составляет 1,6 % в секунду. Скорость роста импеданса на «третьем участке» составляет 3,2 % в секунду. Время воздействия до достижения трансмуральности составило 105 с.

На рис. 4 визуально хорошо просматривается «побеление» участка ткани между контактами зажима, что свидетельствует о коагуляции ткани по всей толщине, что указывает на трансмуральное повреждение. При этом зона коагуляции значительно шире проекции зажима на ткань, с распространением в боковых направлениях частичной коагуляции, которая выглядит визуально как менее выраженное «побеление» ткани.

Задача поиска оптимальной мощности воздействия сводится к определению той мощности, которая обеспечит трансмуральное поражение ткани за кратчайший период времени, минимально нагревая прилегающие слои тканей. Предыдущие эксперименты показали, что оптимальным является уровень мощности, который обеспечит падение импеданса на первом участке характерной кривой импеданса ткани со средней скоростью 5 % в секунду. На третьем участке характерной кривой импеданса ткани рост импеданса происходит со скоростью 10 % в секунду, при этом о достижении трансмуральности свидетельствует уровень импеданса, соответствующий значению

где Zнач – импеданс ткани на момент начала воздействия; Zмин – минимальный импеданс ткани, находящийся на участке «плато» характерной кривой импеданса ткани. В третьем эксперименте (рис. 5), при подаче оптимальной мощности 20 Вт, скорость падения импеданса на первом участке составляет 7 % в секунду, а скорость роста импеданса на третьем участке достигает 15 % в секунду. Время воздействия до достижения трансмуральности составляет 17 с. Данный уровень мощности применительно к исследуемому образцу ткани обеспечил близкие к требуемым значениям скорости изменения импеданса на соответствующих участках характерной кривой импеданса ткани.

На рис. 6 визуально хорошо просматривается «побеление» участка ткани между контактами зажима, что свидетельствует о коагуляции ткани на всей толщине, что указывает на трансмуральное повреждение. При этом зона коагуляции практически не выходит за пределы проекции зажима на ткань, примерно одинакова по всей толщине ткани; распространения в боковых направлениях частичной коагуляции практически не наблюдается.

На графике (см. рис. 5) мощность, приложенная к ткани, постоянна на протяжении всего времени воздействия. Данная ситуация носит частный характер и приведена как наглядная иллюстрация. В практических целях уровень мощности может и должен быть изменяем на протяжении всего времени воздействия в соответствии с описанными выше требованиями по поддержанию определенных скоростей изменения импеданса. Уровень мощности может изменяться плавно, ступенчато или иным образом. Ключевое значение имеет средняя скорость изменения импеданса на соответствующем участке характерной кривой импеданса ткани.

Изложенные результаты доказывают, что эффективность воздействия на аблируемую ткань и качество полученного результата явным образом зависят от правильного выбора мощности, приложенной к обрабатываемой биологической ткани. Для определения эффекта трансмуральности важно в алгоритме работы учесть возможность возникновения непрогретых внутренних слоев при перегретых поверхностных слоях обрабатываемой ткани. Также следует учесть возможность появления поверхностных непрогретых участков в связи с нарушением электрического контакта из-за механических неровностей ткани. Поэтому для достижения эффекта трансмуральности необходимо контролировать дополнительные параметры: осуществлять контроль и регулирование скорости нагрева ткани, осуществлять оценку объема обрабатываемой ткани, расчет необходимого количества энергии для нагрева расчетного объема ткани, осуществлять контроль соответствия реально израсходованного количества энергии расчетному.

Предлагаемый алгоритм позволит получить более качественный прогрев внутренних слоев ткани, чем у аналогов. Принцип его работы следующий:

1. На данном этапе проводится измерение объема ткани между двумя парами электродов. На них подается невысокое напряжение, достаточное для слабого нагрева ткани. Постоянно проводится измерение импеданса ткани и мощности, приложенной к ткани. По соотношению приложенной мощности и скорости изменения импеданса делается вывод об относительном объеме ткани, зажатом между двумя парами электродов. Объем ткани необходимо знать для расчета максимальной мощности генератора, необходимой для воздействия на данный объем ткани. Кроме этого, имея данные об объеме ткани, делается расчет общего количества энергии, которую требуется затратить для нагрева данного объема ткани.
2. Следующий этап – это нагрев ткани с поддержанием заданной скорости снижения импеданса. После отработки предыдущего этапа увеличивается мощность для поддержания нужной скорости нагрева ткани, при которой скорость нагрева ткани и скорость теплообмена между соседними областями ткани уравновешены. Ведется постоянный расчет и контроль затраченной энергии.
3. После достижения максимальной для данного объема ткани мощности абляция продолжается с постоянным значением импеданса. Мощность регулируется таким образом, чтобы импеданс поддерживался на установившемся уровне. Время воздействия находится в интервале от 5 до 10 с. За это время вследствие теплообмена объем обрабатываемой ткани равномерно прогревается.
4. После достижения некоторого минимального значения импеданс начинает возрастать. Для предотвращения перегрева ткани необходимо снижать мощность, если импеданс растет слишком быстро. В случае если воздействие проведено правильно, то момент начала роста импеданса свидетельствует о достижении трансмуральности. В этот момент сравниваются данные о затраченной на воздействие энергии с расчетными данными о количестве необходимой энергии, полученными в п.1. Если энергии затрачено существенно меньше, то выдается сообщение о риске отсутствия трансмуральности и необходимости повторения процедуры. Если после начала роста импеданса количество реально затраченной энергии соответствует расчетному, согласно п. 1, то это говорит о том, что достигнута трансмуральность.

Предлагаемый алгоритм предназначен для нагрева биологических тканей с целью деструкции определенного участка ткани без нарушения целостности органа.

Разработанный алгоритм позволяет получить более качественный прогрев внутренних слоев ткани и определить эффект достижения трансмуральности за более короткое время, что чрезвычайно важно при проведении операций с применением искусственного кровообращения. Предложенный способ позволяет идентифицировать с более высокой достоверностью момент и факт наступления трансмурального поражения миокарда. В совокупности достигнутые результаты способствуют сокращению времени проведения кардиохирургических операций и повышению процента излеченных аритмий как непосредственно после проведения операции, так и в отдаленных периодах.

1. Радиочастотная абляция сердца как метод хирургического лечения аритмий / И. В. Опалинская, Н. П. Васильева, В. Ю. Кашин, М. Е. Протасов, А. Г. Ямбатров // Acta medica Eurasica. – 2018. – № 1. – С. 36–41.
2. Патент RU2016150580 Способ неразрушающей деструкции миокарда предсердий при лечении наджелудочковых аритмий и устройство для его осуществления / Евтушенко А. В., Евтушенко В. В. – Заявл. 21.12.2016 ; опубл. 22.06.2018.
3. Патент RU2665627 Биполярный электрохирургический инструмент для деструкции миокарда предсердий при лечении наджелудочковых аритмий / Евтушенко А. В., Евтушенко В. В., Списивцев С. А., Киселев Н. В., Силиванов В. В., Голеневский А. С. – Заявл. 21.12.2016 ; опубл. 03.09.2018.
4. Патент RU2691845C1 Способ абляции биологических тканей и устройство для его осуществления / Кульков В. Н., Борзилов А. Г. – № 2019104851 ; заявл. 20.02.2019 ; опубл. 18.06.2019.
5. Грачев, А. Ю. Аппаратно-программный комплекс для автоматизированных измерений биоимпеданса / А. Ю. Грачев, О. В. Карпанин, Е. А. Печерская // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. – 2017. – № 1 (21). – С. 96–108.
6. Воробьева, Е. Ю. Факторы, влияющие на точность биоимпедансного анализа / Е. Ю. Воробьева, К. Ю. Крайнова, Е. А. Печерская, А. М. Бибарсова // Информационные технологии в науке и образовании. Проблемы и перспективы : сб. науч. ст. VI Всерос. межвуз. науч.-практ. конф. / под ред. Л. Р. Фионовой. – Пенза, 2019. – С. 178–179.
7. Антипенко, В. В. Основы биоимпедансного анализа для мониторинга клинического состояния заболеваний / В. В. Антипенко, Е. А. Печерская // Информационные технологии в науке и образовании. Проблемы и перспективы : сб. ст. по материалам VII Всерос. межвуз. науч.-практ. конф. / под ред. Л. Р. Фионовой. – Пенза, 2020. – С. 221–224.
8. Development of an automated bioimpendance analyzer for monitoring the clinical condition and diagnosis of human body diseases / V. V. Antipenko, E. A. Pecherskaya, T. O. Zinchenko, D. V. Artamonov, K. Yu. Spitsina, A. V. Pecherskiy // JOP Conference Series: Metrological Support of Innovative Technologies. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations. – Krasnoyarsk, Russia, 2020. – P. 52075.