JPH02215439A - 心臓電気現象のシミュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は人体内の心臓の電気現象を計算表示する装置に
係り、特に心臓の幾何モデルの設定変更を容易に行い得
るようにしたものに関する。

（従来の技術） 心臓の電気現象をコンピュータにより演算するためには
心臓の幾何学的モデルの設定が不可欠である。

従来より心臓の幾何学的モデルは、心臓細胞としてセル
となる数万個のブロックで心臓形状を形造るとともに、
各ブロックにセルの種類、例えば洞冴結節、心房筋セル
等を割り当てることにより構築している。

（発明が解決しようとする課題） このような心臓モデルの作製においては、そのシミュレ
ーション結果が臨床実験の結果と略−政するようにモデ
ルの修正を行いつつ試行錯誤的に行なっている。しかし
そのセル数は数万個にも及び又三次元的に構築されるた
め、その一部の修正においてはその周囲若しくは全体と
の関連においてその修正部を把握することができず、従
ってセルの付加、セル種の変更等のモデルの幾何学的設
定が困難であった。

そこで本発明の目的とする処は、心臓の幾何学的モデル
の設定、修正時等にその修正部等に対する周辺部等の組
織をも同時に把握できるようにすることによって、心臓
の幾何学的モデルの設定が容易に行い得るようにした心
臓電気現象のシミュレータを提供するにある。

（課題を解決するための手段） 前記問題点を解決するため本発明は、セルの集合体によ
り心臓モデルを構築し、各セルに心臓細胞の電気生理特
性に基づく所定の規則を通用して求めた各セルの興奮状
態から心臓の電気生理現象を得るようにした心臓の電気
現象のシミュレータにおいて、縦、横、高さ方向に夫々
Ｉ、Ｊ、に個ずつのブロックを設定し、その内の任意の
ブロックをセルに割り当てることで心臓モデルを構築す
る心臓幾何モデル設定手段を設け、前記心臓モデルを構
築する任意のブロック断面を視角的に表示する断面表示
手段と、この断面表示手段により表示されたブロック断
面の任意のブロックにセル及びその種類を割り当てる操
作手段と、前記割り当てられたセルの種類に応じてセル
の種類を識別できる表示を行なうセル種表示手段と、前
記断面の表示中にその断面に隣接する断面若しくは直交
する断面をも同時に表示する隣接断面表示手段とを備え
たことを特徴とする。

（作用） ある任意断面のセルの修正を行なう場合、同時にその断
面と隣接する断面若しくは直交する断面の様子が把握で
きれば周囲と比較しつつ修正を行なうことができ、その
修正が容易となる。

（実施例） 以下に本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係るシミュレータの全体構成図である
。図において１はシミュレーションにあたっての各種条
件設定のものであり、心臓モデル設定手段２は心臓の幾
何モデルを設定するための手段３と、この心臓幾何モデ
ル設定手段３により定められた各種セルにその電気生理
特性を設定するための手段４とからなる。モして５は心
臓の位置及び角度を設定するための手段、６はトルソを
設定するための手段である。

又７はシミュレーションのための演算手段を示し、８は
セルの興奮処理手段、９はその演算結果を記憶するため
の手段、１０は前記演算結果に基づき更に体表面（トル
ソ）上での電位を算出し、ベクトル心電図算出手段１１
、体表面電位データ記憶手段１３．１２誘導心電図算出
手段１２にそのデータを出力するための体表面電位算出
手段、１３〜１５は各データの記憶手段、１６は表示手
段１７への表示出力を行なう出力手段である。

前記心臓幾何モデル設定手段２は、縦１個、横Ｊ個、高
さに個の三次元座標（本実施例では六面体内の三次元斜
交座標系）上に構成されるＩＸＪＸＫ個からなるブロッ
クのうち任意のブロックをセルに割り当てることにより
心臓の幾何モデルを作成する。

第２図はかかる幾何モデル設定手段の一構成例を示すも
のである。操作手段２０は、変更又は新たに設定しよう
とする心臓幾何モデルの断面及びセル種を指定するもの
であり、断面の指定は縦ｉ、横ｊ、高さｋの任意の断面
番号の指定が可能である。基本ブロック記憶手段２１は
前述した樅Ｉ、横Ｊ、高さに個のブロック座標を記憶し
ている。又幾何モデル記憶手段２２は既に作成されたモ
デル又は設定中のモデルを記憶するもので例えばセル座
標及びセル種等を記憶している。断面番号判断手段２３
は操作手段により指定された断面番号を判断する。そし
てこの判断手段２３の出力信号に基づいて断面表示デー
タ出力手段２４は幾何モデル記憶手段２２のデータを基
にその断面表示データを出力する。又同様にして隣接断
面表示データ出力手段２５は前記断面に隣接する断面の
表示データを出力し、直交断面表示データ出力手段２６
は前記断面に直交する断面の表示データを出力する。

尚、前記断面の指定は、Ｉ、Ｊ、に座標のうち任意の座
標平面を指定することができ、これによって直交断面も
定められる。

こうして断面表示がなされると、必要なセルの修正、若
しくは付加操作がやはり前記操作手段２０によりなされ
、その出力に応じてセル種判断手段２７を介してセル種
変更手段２８〜３０が所定の断面におけるセル種の変更
、付加を行なう。

かかるセルの種類は心臓を構成する細胞の種類であり、
例えば洞房結節、心房筋セル、房室結節、ヒス束、脚、
プルキンエ繊維網セル、心室筋セル、並びに使用者が定
義し得る特殊細胞等が用意されている。尚、これらセル
の特性は後述する電気生理特性設定手段４により定めら
れる。

以上の構成によって所定断面の表示が出力手段３１を介
して表示手段３２により行なわれる。

そして以上一連の設定操作が終了すると、修正、若しく
は設定データは幾何モデル記憶手段に再格納される。

尚、この表示手段３２は第１図で示す表示手段１７を兼
用し得る。第３図は以上の操作手順をフローチャートに
て示したものであり、第４図は設定操作中における表示
手段による表示を示したものである。そして第４図にお
いて３３はＩ−Ｊ平面による修正ｋｉ断面を示したもの
で、３４゜３５は夫々それに隣接するｋｉ−１，ｋｉ＋
１断面を示したものである。又３６はそれらの直交する
断面を示している。更に各表示中、３７ａ。

３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ等は夫々セルの種別を示したも
ので３７ａはプルキンエ繊維網セル、３７ｂは心房筋又
は心室筋セル、３７ｃ、３７ｄは虚血状態のセルをその
段階に応じて示したものである。

このように本実施例によれば心臓幾何モデルの設定、修
正時にその修正部の周辺部も視角的に同時に認識するこ
とができるため、その修正、設定等が容易に行なわれる
。

前記電気生理特性設定手段４は、前記心臓幾何モデル設
定手段３により指定された各種セルに対し、その活動電
位特性、伝播速度、ベーシングタイム等のパラメータを
与えるものである。

表１はかかるパラメータを示すもので本実施例では１６
種類のパラメータを自由に設定変更することが可能であ
る。又第５図は活動電位波形とその各パラメータとの対
応を示すものである。

これら表１、第５図からも明らかなように本実施例にお
ける活動電位波形はその０相４０．１相４１．２相４２
．４相４３部を夫々直線で定義し、これら直線の各端点
をそれぞれ時間と電位のパラメータとして与えることで
各相を決定している。又曲線部の３相４４の膜電位Ｖ　
（Ｘ）はサンプルデータＳ　ｉ　（ｘｌ、ｙｌ）　（Ｓ
ｌ　〜Ｓ７）により次のラグランジェの補間多項式で決
定される。

表１ パラメータ （ｎ＝３） 以上のようにして本実施例では活動電位波形を少ないデ
ータ数で定義することができ、メモリ数の削減、モデル
の複雑化に容易に対応させることができる。

又、かかる電気生理特性設定手段によれば心臓幾何モデ
ル設定手段３と共働して心臓を構成する任意のセルに自
由にその活動電位波形等の電気生理特性を設定すること
ができ、実際の心臓に近い心臓モデルを構築することが
できる。

尚、表２、表３は各パラメータの設定例を示したもので
、表２はプルキンエ繊維網セルについて、表３は心室筋
セルについて示したものである。

前記心臓位置設定手段５及びトルソ設定手段６は、第６
図に示すようにトルソ５０とその中に配置される心臓５
１との関係を示すもので、トルソ設定手段６はトルソの
大ぎさ、形状等を、心臓位置設定手段５はトルソに対す
る心臓の位置、角度等を設定する。

表２ 表３ 次に、シミュレーションのための前記演算手段フについ
て説明する。

前記興奮処理手段８は興奮伝搬処理手段８ａと興奮セル
−時記憶手段８ｂとからなる。興奮伝搬処理手段８ａは
、シミュレーション開始時においては、前記心臓幾何そ
デル設定手段３及び電気生理特性設定手段４からのデー
タに基づき、自動興奮を開始するセルを判断し、それを
セル興奮時記憶手段９に格納するとともに興奮セル−時
記憶手段８ｂに格納する。

そしてその次のステップからはステップ時刻毎に興奮セ
ル−時記憶手段８ｂに記憶されているセルにより興奮が
伝達されることによって興奮を開始するセルを、心臓幾
何モデル設定手段３によるセル座標及び電気生理特性設
定手段４に設定された伝搬速度不応期、更にセル興奮伝
搬処理手段９に記憶された前回の興奮時間等から求める
とともに、電気生理特性設定手段４に設定されている自
動興奮セルの検索により新たに興奮を開始するセルを求
め、これらをセル興奮時記憶手段９に記憶させる一方、
興奮セル−時記憶手段８ｂに再記憶させ、以後同様の操
作を繰り返すことにより興奮が伝搬される過程を処理す
る。

第７図は以上の動作をフローチャートにて示したもので
あり、ステップ１はシミュレータによって演算する伝播
時間を設定するもので本実施例では３秒としている。そ
してステップ２．３は夫々初期設定であり、本実施例に
おいてステップタイムＴは３　ｍ５ｅｃ％ＰＷＦは興奮
セル−時記憶手段８ｂに格納されるデータ、ＸＣＴはセ
ル興奮時記憶手段９に格納されたデータを夫々示してい
る。

そしてステップにおいてステップタイムを一つずつ進め
るとともにステップ５で終了を判断する。ステップ６は
時刻Ｔにおいて自動興奮するセルを電気生理特性設定手
段４及び心臓幾何モデル設定手段３から検索してＰＷＦ
データ、ＸＣＴデータに格納する過程、ステップ７は前
述した伝播によって興奮が開始するセルを求めてＰＷＦ
データ、ＸＣＴデータに格納する過程、ステップ８はＰ
ＷＦデータの置き換えを行う過程を夫々示している。

尚、第８図は前述した興奮伝搬処理のステップ７におい
て伝搬可能範囲にあるセルが不応期にあるか否かを判断
する動作を示したもので、ステップ１におけるＴ　ｐｒ
ｅは、前記セル興奮時記憶手段９に記憶されている前回
の興奮時間を示し、又ステップ２におけるＲＦは電気生
理特性設定手段４に記憶されている不応期を示している
。そしてステップ３は興奮したセルを記憶する過程を示
している。

以上のように本実施例に係るセルの興奮伝播処理手段に
よれば、任意の時刻において興奮しているセルの周辺部
、即ち興奮が伝達される可能性のあるセルのみに着目し
て処理を行なうようにしたため、計算時間の短縮化を図
ることができる。

次に体表面電位処理手段１０について説明する。第９図
はかかる体表面電位処理手段１０の動作を示したもので
ある。まず、ステップ１においては、前述したセル興奮
時記憶手段９のセル興奮時及び電気生理特性設定手段４
の活動電位波形に基づいて、一つおきのセル間隔での心
向起電力分布を求め、電流双極子モーメントを求める。

ここで６は導電率を表し、又φはセルの膜電位を示して
いる。

次にステップ２において、心臓モデルを縦ｍ個、横ｎ個
、高さに個の平面で分割してｍｘｎ×に個のブロックを
得、各ブロックを一つのダイポールモーメントで表すべ
く、先ずマルチダイポールモーメントＪｍの大きさを求
める。このマルチダイポールモーメントＪｍの大きさは
、前記ステップ１で求めた電流双極子モーメントＪ１の
総和にて求められる。次にステップ３はマルチダイポー
ルモーメントＪｍの位置を求めるため前記電流双極子モ
ーメントＪ１の位置の加重平均Ｐｍを求める。ここでＰ
ｉはセルｉの位置を示している。そしてステップ４にお
いて以上求めたマルチダイポールモーメントより体表面
電位Ｖを求めている。ここでＡｏとＶｏはｎ次元ベクト
ルとして無限−様媒質条件の場で体表面に生じる電位と
その法線微分、ＡとＢは境界要素法によるｎｘｎ係数マ
トリクスとｎ次元ベクトル、αは■°の体表面積分を夫
々示している。

このような体表面電位の算出方向によれば、従来のよう
に各セルの電流双極子モーメントから直接体表面電位を
算出するのに比べ、そのマルチダイポールモーメントＪ
ｍの数が電流双極子モーメントの数に比し遥かに少ない
ため、計算時間の大巾な短縮を図ることができる。しか
もこの場合、計算精度はブロックの分割を例えば各軸に
対して心室の３分の１程度の寸法で分割した場合でも１
％の誤差内に納まるというものであった。

更に、本実施例では心向起電力分布が連続関数として表
し得るという点に着目してセルの一つおきに電流双極子
モーメントを求めるようにしたため、三次元モデルによ
る計算時間は更に８分の１まで短縮することができ大巾
な時間短縮を図ることができる。そしてこの場合も計算
精度は前記と同じく１％以内に納まるという優れたもの
であフた。

以上のようにして求められた体表面電位は体表面電位デ
ータ記憶手段１３に格納され、又体表面電位に基づいて
１２誘導心電図データ算出手段１２は１２読導心電図デ
ータを算出してその記憶手段１５に格納する。又マルチ
ダイポールモーメントの値からはベクトル心電図データ
算出手段１１がベクトル心電図データを算出してそのデ
ータを記憶手段１４に格納する。

表示出力手段１６は夫々の記憶手段１３〜１５に記憶さ
れたデータに基づいて表示手段１７にベクトル心電図、
体表面電位図、１２２誘導心電等を出力表示させるもの
である。

本実施例においてこの表示出力手段１６はベクトル心電
図と１２説導心電図を同一の画面６１上にその時間対応
を表示させつつ出力させることができる。

第１０図はかかる表示出力手段により画面上に表された
１２誘導心電図（■〜Ｕ６）とベクトル心電図（正面、
左側面、平面）を示す。各図中にはその心電図に矢印６
０が表示されている。この矢印が表示されている位置（
データ点）は夫々同一時刻に得られるデータを示してお
り、又矢印の方向は各図の時間推移方向を示している。

従フてこのような表示によれば、ベクトル心電図と１２
誘導心電図の時間対応が極めて容易に行う得るとともに
、その時間推移方向（ベクトル心電図のループ方向）も
容易に知ることができ、各図の理解が容易に行い得る。

第１１図は以上の表示を示す表示出力手段の構成を示す
もので、矢印の位置、即ち対応時刻を定める操作手段６
２、この対応時刻のデータを１２誘導心電図データ記憶
手段６３〜７４及びベクトル心電図データ記憶手段１４
ａ〜１４ｃから検索するデータ検索手段６３、これらの
データから矢印の表示位置と方向を決定する矢印表示位
置決定手段６４を備えている。

尚第１２図は以上の動作の一例を示すフローチャートで
ある。

以上説明したように本発明に係るシミュレータによりシ
ミュレーションした結果の一例を以下に示す。

第１３図、第１４図は夫々正常な心臓モデルと心尖部肥
犬性゛心筋病の心臓モデルに対してシミュレーションし
た結果の１２誘導心電図（ＩＮＵＳ）とベクトル心電図
を示したものである０両者を比較すると心尖部肥大性心
筋病の心臓モデルの場合には１２誘導心電図のＶ８．Ｖ
４誘導に夫々巨大負性Ｔ波８５ａ、６５ｂが表われてく
る。これは臨床実験の測定データを基にした第１５図の
ｖ、。

■４誘導において、同じく巨大負性Ｔ波６６ａ。

６６ｂが観測されているのと一致するもので、本シミュ
レータの信頼性を裏付けるものである。

尚、第１６図は演算結果の体表面電位波形の一例を示し
たもので、表示番号１〜１２は第６図のトルソ上で胴廻
り方向の番号に、表示番号１〜６は第６図のトルソ上で
胴の高さ方向の番号に夫々対応させて示している。又第
６図中、 Ｒ，Ｌ、Ｆ、ｖ、　〜ＶＳは夫々１２誘導心電図の測定
位置を示している。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように本発明によれば、操作手
段による心臓モデルの設定、修正時に、その修正部等の
周辺の状態も同時に認識できるようにしたため、その設
定、修正等を周辺の状態と対応させて行なうことができ
、その操作が行い易くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るシミュレータの全体構成
図、第２図は心臓幾何モデル設定手段の構成例を示す図
、第３図は幾何モデルの設定手順を示すフローチャート
、第４図はモデル設定時の表示画面を示す図、第５図は
活動電位波形を示す図、第６図はトルソと心臓を示す図
、第７図は興奮伝搬処理の手順を示すフローチャート、
第８図は不応期の判断を示すフローチャート、第９図は
体表面電位を求める手順を示すフローチャート、第１０
図は１２２誘導心電とベクトル心電図の表示例を示す図
、第１１図は表示出力手段を示す図、第１２図は矢印表
示の手順を示すフローチャート、第１３図は正常モデル
における１２誘遍心電図とベクトル心電図を示す図、第
１４図は心尖部肥大性心筋病の心臓モデルによる１２誘
導心電図とベクトル心電図を示す図、第１５図は同病の
患者による臨床測定結果の工２銹導心電図を示す図、第
１６図は体表面電位波形を示す図である。 そして図面中 ２は心臓モデル設定手段、３は心臓幾何モデル設定手段
、４は電気生理特性設定手段、５は心臓位置設定手段、
６はトルソ設定手段、８は興奮伝搬処理手段、８ｂは興
奮セル−時記憶手段、９は興奮時記憶手段、１０は体表
面電位処理手段、１３は体表面電位データ記憶手段、１
５は１２誘導心電図データ記憶手段、１６は表示出力手
段、１７は表示手段、２０は操作手段、２４，２８゜３
１等は断面表示手段、２５，２９．３１等は隣接断面表
示手段、２６，３０．３１等は直交断面表示手段、５０
はトルソ、６０は矢印、６２は表示時刻指定操作手段、
６４は矢印表示位置・方向決定手段（方向表示手段）で
ある。 第６図 第７図 第９図 第１１図 第１２図 ■ Ｕｌ 第１５図 ＩＩ ｉｒ Ｕ１ Ｕｆ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 セルの集合体により心臓モデルを構築し、各セルに心臓
   細胞の電気生理特性に基づく所定の規則を適用して求め
   た各セルの興奮状態から心臓の電気生理現象を得るよう
   にした心臓の電気現象のシミュレータにおいて、 縦、横、高さ方向に夫々Ｉ、Ｊ、Ｋ個ずつのブロックを
   設定し、その内の任意のブロックをセルに割り当てるこ
   とで心臓モデルを構築する心臓幾何モデル設定手段を設
   け、 前記心臓モデルを構築する任意のブロック断面を視角的
   に表示する断面表示手段と、この断面表示手段により表
   示されたブロック断面の任意のブロックにセル及びその
   種類を割り当てる操作手段と、前記割り当てられたセル
   の種類に応じてセルの種類を識別できる表示を行なうセ
   ル種表示手段と、前記断面の表示中にその断面に隣接す
   る断面を若しくは直交する断面をも同時に表示する隣接
   断面表示手段とを備えたことを特徴とする心臓電気現象
   のシミュレータ。