JPH0560742B2 - - Google Patents

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、特にその体表面電位の算出処理に
関するものである。 （従来の技術） セルの集合体により心臓モデルを構築するとと
もに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各セルの興奮状態を求め、そ
の興奮状態から心臓の電気生理現象を得るように
したシミユレータは知られている。 従来、かかるシミユレータにより体表面電位を
算出するに際しては各セル毎の活動電位に基づく
電流双極子モーメントから直接体表面の所定の箇
所における電位を求めるようにしている。 （発明が解決しようとする課題） しかしながら、かかる従来の体表面の算出方法
によれば、一つの電流双極子モーメントに対応す
る体表面電位を算出するのに比較的長い計算時間
を必要とするため、心臓モデルを構築する全セル
の数が多くなれば膨大な計算時間を費やすことと
なり、実用化が困難であり、従つて心臓モデルも
二次元モデル等、簡単なものに制約せざるを得な
かつた。 そこで本発明の目的とする処は、体表面電位を
算出するアルゴリズムを工夫することにより、計
算時間を大巾に削減でき、もつて複雑な心臓モデ
ルにおいても容易に体表面電位を得ることができ
る心臓電気現象のシミユ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するとともに各セル
に心臓細胞の電気生理特性に基づく所定の規則を
適用して各セルの興奮状態を求め、その興奮状態
から心臓の電気生理現象を得るようにしたシミユ
レータにおいて、トルソ形状を設定記憶するトル
ソ設定手段と、このトルソに対し心臓の配置を設
定する心臓配置設定手段とを備えるとともに、所
定の興奮伝播処理等の演算によつて得られるステ
ツプ時刻毎の各セルの興奮時刻を記憶する興奮時
記憶手段と、各セルに応じた活動電位波形を記憶
した電気生理特性設定手段と、これら記憶手段に
よる各セルの興奮時間と活動電位によつて所定数
のセル間毎に生ずる心内起電力分布を算出し、当
該セル間に生ずる電流双極子モーメントを算出す
る電流双極子モーメント算出手段と、前記心臓モ
デルを数個ずつのセルの集合体に分割し、各集合
体毎に前記電流双極子モーメントから一つのマル
チダイポールモーメントの大きさ及び位置を算出
するマルチダイポールモーメント算出手段を設
け、このマルチダイポールモーメント算出手段に
よつて得られたマルチダイポールモーメントと前
記トルソ及び心臓の配置から体表面電位を算出す
る体表面電位算出手段を備えたことを特徴とす
る。 （作用） 各セル毎に体表面電位を計算するのではなく、
先ず一定のセルの集合体毎にマルチダイポールモ
ーメントを求め、このモーメント毎に所定の体表
面での電位を求めるようにしたため、その処理時
間を大巾に削減することができる。又心内起電力
分布を算出するに際しては所定数のセル間毎に行
うようにしたため、より効率化を図ることができ
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ユレータの全体構成
図である。図において１はシミユレーシヨンにあ
たつ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。そして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はシミユレーシヨ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、１
３〜１５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Ｉ個、横
Ｊ個、高さＫ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Ｉ×Ｊ
×Ｋ個からなるブロツクのうち任意のブロツクを
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。基本ブロツク記憶手段２１は前述した縦
Ｉ、横Ｊ、高さＫ個のブロツ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，Ｋ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
つ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２
０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
筋、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。 以上の構成によつ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
ローチヤ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，３
７ｃ，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、ペーシングタ
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
Si（xi，yi）（S1〜S7）により次のラグランジエの
補間多項式で決定される。 Ｖ（Ｘ）＝_o 〓^k=1 Yk（πk≠iＸ−Xi／Xk−Xi） （ｎ＝３）

【表】 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５１との関係を示すもので、トルソ
設定手段６はトルソの大きさ、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】

【表】

【表】 次に、シミユレーシヨンのための前記演算手段
７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
興奮セル一時記憶手段８ｂとからなる。興奮伝搬
処理手段８ａは、シミユレーシヨン開始時におい
ては、前記心臓幾何モデル設定手段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一時記憶手
段８ｂに格納する。 そしてその次のステツプからはステツプ時刻毎
に興奮セル一時記憶手段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つて興奮を開
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、更にセル興奮時記憶処理手段
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、興奮セル一時記憶手段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ヤートにて示し
たものであり、ステツプ１はシミユレータによつ
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。そしてステツプ２，３は夫々
初期設定であり、本実施例においてステツプタイ
ムＴは3msec、PWFは興奮セル一時記憶手段８
ｂ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。 そしてステツプにおいてステツプタイムを一つ
ずつ進めるとともにステツプ５で終了を判断す
る。ステツプ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、ステツプ７は前述した伝播に
よつ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、ステツプ８はPWF
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ツプ
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、ステツ
プ１におけるTpre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
テツプ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
テツプ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、ステツプ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内起電力分
布を求め、電流双極子モーメントを求める。ここ
でδは導電率を表し、又φはセルの膜電位を示し
ている。 次にステツプ２において、心臓モデルを縦ｍ
個、横ｎ個、高さｋ個の平面で分割してｍ×ｎ×
ｋ個のブロツクを得、各ブロツクを一つのダイポ
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
ツプ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。次にステツプ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Piはセルｉの位置を示している。そし
てステツプ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A°とV°はｎ次元ベクトルとして無限一様媒
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ｎ×ｎ係数マトリ
クスとｎ次元ベクトル、αはV°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Jmの数が電流双極子モーメ
ントの数に比し!?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、
計算精度はブロツ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つた。 更に、本実施例では心内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つ
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誘導心電図データを算出してその記憶手段１
５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、12誘導心電図等を
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誘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（Ｉ〜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６０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。従つてこ
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６２、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１４ａ〜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
ヤートである。 以上説明したように本発明に係るシミユレータ
によりシミユレーシヨ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
心尖部肥大性心筋病の心臓モデルに対してシミユ
レーシヨンした結果の12誘導心電図（Ｉ〜U6）
とベクトル心電図を示したものである。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V₃，V₄誘導に夫々巨大負性
Ｔ波６５ａ，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V₃，V₄
誘導において、同じく巨大負性Ｔ波６６ａ，６６
ｂが観測されているのと一致するもので、本シミ
ユ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，V₁〜V₆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、各セル毎に体表面電位を計算するのではな
く、先ず一定のセルの集合体毎にマルチダイポー
ルモーメントを求め、このモーメント毎に所定の
体表面での電位を求めるようにしたため、その処
理時間を大巾に削減することができる。又心内起
電力分布を算出するに際しては所定数のセル間毎
に行うようにしたため、より効率化を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るシミユレータの
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
を示すフローチヤート、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ヤート、第８図
は不応期の判断を示すフローチヤート、第９図は
体表面電位を求める手順を示すフローチヤート、
第１０図は12誘導心電図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ヤー
ト、第１３図は正常モデルにおける12誘導心電図
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12誘導心電図を示す図、第１
６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は興奮セル一時
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、
１５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、５
０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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ セルの集合体により心臓モデルを構築すると
   ともに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各セルの興奮状態を求め、
   その興奮状態から心臓の電気生理現象を得るよう
   にしたシミユレータにおいて、 トルソ形状を設定記憶するトルソ設定手段と、
   このトルソに対し心臓の配置を設定する心臓配置
   設定手段とを備えるとともに、 所定の興奮伝播処理等の演算によつて得られる
   ステツプ時刻毎の各セルの興奮時刻を記憶する興
   奮時記憶手段と、各セルに応じた活動電位波形を
   記憶した電気生理特性設定手段と、これら記憶手
   段による各セルの興奮時間と活動電位によつて所
   定数のセル間毎に生ずる心内起電力分布を算出
   し、当該セル間に生ずる電流双極子モーメントを
   算出する電流双極子モーメント算出手段と、前記
   心臓モデルを数個ずつのセルの集合体に分割し、
   各集合体毎に前記電流双極子モーメントから一つ
   のマルチダイポールモーメントの大きさ及び位置
   を算出するマルチダイポールモーメント算出手段
   を設け、 このマルチダイポールモーメント算出手段によ
   つて得られたマルチダイポールモーメントと前記
   トルソ及び心臓の配置から体表面電位を算出する
   体表面電位算出手段を備えたことを特徴とする心
   臓電気現象のシミユレータ。