JP6618771B2 - Computer apparatus and simulation method for simulating in-body electrical conduction pattern at implantation site of implantable defibrillator - Google Patents
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Description
本発明は、人体内部に植え込む、植え込み型除細動器の植え込み部位で、植え込み型除細動器作動時の体内電気伝導様式をシミュレーションするコンピュータ装置、さらに詳しくは、植え込み型除細動器作動時の体内電気伝導様式から心臓への伝導形態をシミュレーションし、除細動効果と心筋障害の程度を測定するコンピュータ装置、及び該コンピュータ装置によるシミュレーション方法に関する。 The present invention relates to a computer device for simulating a body electrical conduction mode when an implantable cardioverter defibrillator is operated at an implantation site of the implantable cardioverter defibrillator to be implanted inside a human body, and more particularly, to operate an implantable cardioverter defibrillator The present invention relates to a computer apparatus for simulating a conduction form from the internal body electrical conduction mode to the heart and measuring the degree of defibrillation effect and myocardial injury, and a simulation method using the computer apparatus.
人体内部に植え込む植え込み型除細動器（Implantable Cardioverter Defibrillator :ICD、以下ICDと略す）は、心臓性突然死の原因となる心室頻拍や心室細動などの心室性頻脈性不整脈を治療する体内植え込み型の医療器具である。通常は除細動器本体を前胸部に留置し、本体に接続されたリードを経静脈的に右心室に留置する。ICDは、植え込まれた人体の心拍数を感知し、心拍数があらかじめ設定された基準を上回ると、本体とリードに設置されたコイル電極との間で直流通電（電気ショック）を行い電気的除細動により、心室細動などを停止させ、心臓性突然死を予防する。 Implantable Cardioverter Defibrillator (ICD), which is implanted inside the human body, treats ventricular tachyarrhythmias such as ventricular tachycardia and ventricular fibrillation that cause sudden cardiac death It is an implantable medical device. Usually, the defibrillator body is placed in the front chest, and the lead connected to the body is placed in the right ventricle intravenously. The ICD senses the heart rate of the implanted human body, and when the heart rate exceeds a preset standard, direct current (electric shock) is applied between the body and the coil electrode installed on the lead. Defibrillation stops ventricular fibrillation and prevents sudden cardiac death.
ICDの作動により、除細動に成功するエネルギー値（除細動閾値）以上の電気的出力により、除細動が行われるが、その高電流により心筋障害が惹起され、生命予後を悪化させる可能性が示唆され、心筋障害の抑制を目的としたICDの留置部位の検討が行われている（非特許文献１）。 Defibrillation is performed by the electrical output exceeding the energy value (defibrillation threshold) that succeeds in defibrillation by the operation of ICD, but myocardial injury is caused by the high current, and life prognosis can be deteriorated The indwelling site of ICD for the purpose of suppressing myocardial injury has been studied (Non-patent Document 1).
また、近年、経静脈リードを用いない皮下植え込み型除細動器（Subcutaneous Implantable Cardioverter Defibrillator: S-ICD、以下S-ICDと略す）が開発され、リードを血管内ではなく皮下に埋め込む形態のS-ICDによる治療も行われているが、現状において、S-ICDの除細動閾値は、従来の経静脈リードを用いるICDのそれより大きく、ICDと同様に、心筋障害の可能性が指摘されている（非特許文献２）。 In recent years, a Subcutaneous Implantable Cardioverter Defibrillator (S-ICD, hereinafter abbreviated as S-ICD) has been developed that does not use a transvenous lead. Although treatment with ICD is also being performed, the defibrillation threshold of S-ICD is currently larger than that of ICD using conventional transvenous leads, and the possibility of myocardial damage has been pointed out, as with ICD (Non-Patent Document 2).
ICD作動時の出力エネルギー（除細動閾値）を抑制することで、心筋障害の程度を軽減させ、生命予後を改善させる可能性がある。本発明者は、ICDの植え込み部位により除細動閾値が異なるとの着想のもと、コンピュータシミュレーションによりICD作動時の人体内の電気伝導様式から除細動閾値及びそれによる心筋障害の程度を算出する研究を進めてきた。 Suppressing the output energy (defibrillation threshold) at the time of ICD operation may reduce the degree of myocardial damage and improve the prognosis of life. Based on the idea that the defibrillation threshold varies depending on the ICD implantation site, the present inventor calculates the defibrillation threshold and the degree of myocardial damage due to the electrical conduction pattern in the human body during ICD operation by computer simulation. I have been doing research.
そこで、本発明の目的は、ICDの植え込み部位でのICD除細動閾値とそれによる心筋障害の程度をコンピュータシミュレーションし、心臓への障害が少なく、且つ、より低出力で確実に除細動が行える至適な植え込み部位を判定することができるコンピュータ装置及びシミュレーション方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to perform computer simulation of the ICD defibrillation threshold at the ICD implantation site and the degree of myocardial damage, thereby reducing defibrillation reliably with less damage to the heart. An object of the present invention is to provide a computer device and a simulation method that can determine an optimal implantation site that can be performed.
上記目的を達成するための本発明のコンピュータ装置は、植え込み型除細動器の植え込み部位における該植え込み型除細動器作動時の体内電気伝導様式をシミュレーションするコンピュータ装置であって、所定の部位毎の導電率が設定された人体モデルのデータを記憶する記憶手段と、人体モデルにおける植え込み型除細動器本体の留置可能な複数の本体留置部位である、及び植え込み型除細動器本体に接続されたリードの留置可能な複数のリード留置部位を設定する設定手段と、複数の本体留置部位と、複数のリード留置部位との全組み合わせについて、人体モデルに設定された導電率に応じた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を演算し、さらに、演算により求められた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を変数として含む関数の値が所定値になる組み合わせを求める演算手段と、演算手段により求められた組み合わせにおける本体留置部位とリード留置部位を出力する出力手段とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a computer apparatus of the present invention is a computer apparatus for simulating an electrical conduction pattern in a body at the time of operation of an implantable defibrillator at an implantable site of the implantable defibrillator. Storage means for storing the data of the human body model in which the conductivity is set for each, and a plurality of main body placement sites where the implantable defibrillator main body can be placed in the human body model, and the implantable defibrillator main body With respect to all combinations of setting means for setting a plurality of lead indwelling sites where the connected leads can be indwelled, a plurality of main body indwelling sites, and a plurality of lead indwelling sites, a division according to the conductivity set in the human body model is performed. The value of a function that calculates the fibrillation threshold and the volume that is subjected to myocardial injury, and further includes the defibrillation threshold and the volume that is subject to myocardial injury that are obtained by calculation as variables A calculating means for calculating a combination of a predetermined value, and an outputting means for outputting the body indwelling site and lead placement site in a combination determined by the calculating means.
また、本発明のシミュレーション方法は、コンピュータ装置により植え込み型除細動器の植え込み部位における該植え込み型除細動器作動時の体内電気伝導様式をシミュレーションする方法であって、所定の部位毎の導電率が設定された人体モデルのデータをコンピュータ装置に記憶させるステップと、人体モデルにおける植え込み型除細動器本体の留置可能な複数の本体留置部位、及び植え込み型除細動器本体に接続されたリードの留置可能な複数のリード留置部位を設定するステップと、複数の本体留置部位と、複数のリード留置部位との全組み合わせについて、人体モデルに設定された導電率に応じた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を演算し、さらに、演算により求められた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を変数として含む関数の値が所定値となる組み合わせを求めるステップと、演算手段により求められた組み合わせにおける本体留置部位とリード留置部位を出力するステップとを備えることを特徴とする。 Further, the simulation method of the present invention is a method for simulating in-body electrical conduction mode at the time of operation of the implantable defibrillator at the implantation site of the implantable defibrillator by a computer device. Storing the data of the human body model in which the rate is set in the computer device, a plurality of indwelling positions of the implantable defibrillator main body in the human body model, and the implantable defibrillator main body A step of setting a plurality of lead indwelling sites where a lead can be placed, and a defibrillation threshold corresponding to the conductivity set in the human body model for all combinations of a plurality of main body indwelling sites and a plurality of lead indwelling sites, and Calculate the volume subject to myocardial damage, and include the defibrillation threshold obtained by the calculation and the volume subject to myocardial damage as variables. The value of the function, characterized in that it comprises a step of outputting and obtaining a combination of a predetermined value, the body indwelling site and lead placement site in a combination determined by the calculating means.
本発明のコンピュータ装置及びシミュレーション方法によれば、除細動閾値を低くし且つ心筋障害の発生領域を小さくするという２つの条件を最も効率的に満たす植え込み型除細動器の最適植え込み部位を決定することができる。また、より低い除細動閾値による除細動により低出力の除細動器の動作が可能となることで、心筋障害の発生を抑制し、さらに、心筋障害の発生する領域をより小さくする部位に除細動器を留置することで、生命予後の悪化を予防することができる。 According to the computer apparatus and the simulation method of the present invention, the optimum implantation site of the implantable cardioverter defibrillator that most efficiently satisfies the two conditions of lowering the defibrillation threshold and reducing the occurrence area of the myocardial injury is determined. can do. In addition, the defibrillation with a lower defibrillation threshold enables the operation of a low-power defibrillator, thereby suppressing the occurrence of myocardial damage and further reducing the area where the myocardial damage occurs By placing a defibrillator in the center, it is possible to prevent the deterioration of life prognosis.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, such an embodiment does not limit the technical scope of the present invention.
図１は、本発明の実施の形態におけるコンピュータ装置の構成例を示す。コンピュータ装置は、汎用的なパーソナルコンピュータであって、据置型やノートブック型などの形態を問わない。コンピュータ装置は、汎用的なコンピュータ装置のハードウェア構成を有し、バス１１１には、ＣＰＵ１１２、ＲＯＭ１１３、ＲＡＭ１１４、ネットワークインタフェース１１５、入力装置１１６、表示装置１１７及び記憶装置１１８が接続されている。 FIG. 1 shows a configuration example of a computer apparatus according to an embodiment of the present invention. The computer apparatus is a general-purpose personal computer, and may be of any type such as a stationary type or a notebook type. The computer device has a hardware configuration of a general-purpose computer device, and a CPU 112, a ROM 113, a RAM 114, a network interface 115, an input device 116, a display device 117, and a storage device 118 are connected to the bus 111.
ＣＰＵ１１２は、データの処理又は演算を行うと共に、バス１１１を介して接続された各種構成要素を制御するものであり、設定手段、演算手段、出力手段として機能する。ＲＯＭ１１３には、予めＣＰＵ１１２の制御手順（コンピュータプログラム）を記憶させておき、このコンピュータプログラムをＣＰＵ１１２が実行することにより、コンピュータ装置は起動する。記憶装置１１８は、例えばハードディスク記憶装置やＣＤ−ＲＯＭ等の光ディスク媒体などであり、本実施の形態におけるシミュレーションを実行するためのコンピュータプログラムを記憶し、そのコンピュータプログラムがＲＡＭ１１４にコピーされて実行される。ＣＰＵ１１２が、このコンピュータプログラムを実行することにより、後述する本実施の形態におけるシミュレーション処理を実行する。ＲＡＭ１１４は、データの入出力、送受信のためのワークメモリ、各構成要素の制御のための一時記憶として用いられる。 The CPU 112 performs data processing or calculation and controls various components connected via the bus 111, and functions as setting means, calculation means, and output means. The ROM 113 stores a control procedure (computer program) of the CPU 112 in advance, and the computer device is activated when the CPU 112 executes the computer program. The storage device 118 is, for example, a hard disk storage device or an optical disk medium such as a CD-ROM, and stores a computer program for executing the simulation in the present embodiment. The computer program is copied to the RAM 114 and executed. . The CPU 112 executes the computer program to execute a simulation process in the present embodiment described later. The RAM 114 is used as a work memory for data input / output, transmission / reception, and temporary storage for control of each component.
ネットワークインタフェース１１５は、ネットワークであるインターネットに接続するためのインターフェースである。入力装置１１６は、例えばキーボード、マウス等であり、各種指定又は入力等を行うことができる。表示装置１１７は、ディスプレイなどの表示手段であり、プリントアウトする場合は、プリンタが表示装置として機能する。 The network interface 115 is an interface for connecting to the Internet, which is a network. The input device 116 is a keyboard, a mouse, or the like, for example, and can perform various designations or inputs. The display device 117 is a display means such as a display. When printing out, the printer functions as a display device.
次に、上述のコンピュータ装置により実行される本実施の形態のシミュレーション処理について説明する。 Next, simulation processing according to this embodiment executed by the above-described computer apparatus will be described.
図２は、本実施の形態におけるシミュレーション処理の全体フローチャートを示す。シミュレーション処理を実行するコンピュータプログラムとして、例えば、汎用的なシミュレーションソフトウェアとして知られているSCIRunを用いることができる。 FIG. 2 shows an overall flowchart of the simulation processing in the present embodiment. As a computer program for executing simulation processing, for example, SCIRun known as general-purpose simulation software can be used.
まず、患者本人の人体のCT画像やMRT画像などの医療画像から当人の３次元人体モデルのデータを作成する（S100）。人体モデルは、それに含まれる臓器モデルを含み、医療画像から半自動（画像処理＋手動修正）又は手動で、肺や心臓などの臓器、さらには、骨、皮膚、血管などの人体部位を抽出することで、人体モデルが作成される。人体モデルを構成する臓器や部位は、３次元座標値としてその位置は定義される。人体モデルは、全身でなくともよく、本発明においては、ICDが植え込まれる心臓、肺近辺を含む人体の一部のモデルであってよい。 First, data of a three-dimensional human body model of the patient is created from medical images such as CT images and MRT images of the patient's own human body (S100). The human body model includes the organ model included in the human body model, and semi-automatically (image processing + manual correction) or manually extracts a human body part such as a lung, heart, and bones, skin, blood vessels, etc. from a medical image. Thus, a human body model is created. The positions of organs and parts constituting the human body model are defined as three-dimensional coordinate values. The human body model may not be the whole body, and in the present invention, it may be a model of a part of the human body including the heart and the lungs near which the ICD is implanted.
図３は、人体モデル作成処理のフローチャートを示す。まず、医療画像（CT画像やMRI画像）を読み込み（S101）、画像数値を用いて肺や骨を抽出し、その境界を設定する(S102)。さらに、画像数値を用いて脂肪、心筋、心臓内腔、血管を抽出し、その境界を設定する（S103）。そして、残った組織を筋肉として設定する(S104)。また、後述する有限要素法用の計算モデルとするために、心臓を含む臓器のメッシュモデルを作成する（S105）。 FIG. 3 shows a flowchart of the human body model creation process. First, a medical image (CT image or MRI image) is read (S101), lungs and bones are extracted using image values, and boundaries are set (S102). Further, fat, myocardium, heart lumen, and blood vessel are extracted using the image numerical values, and the boundaries are set (S103). The remaining tissue is set as a muscle (S104). Further, in order to obtain a calculation model for the finite element method described later, a mesh model of an organ including the heart is created (S105).
図４は、人体モデルの画像例を示し、人体の前面が表示されている例であり、皮膚を透明にし、臓器を色分け表示が可能であり、例えば心臓などICDが植え込まれる対象となる臓器が他の部位と異なる色付けにて表示される。 FIG. 4 shows an example of an image of a human body model, in which the front surface of the human body is displayed, the skin is transparent, and the organs can be displayed in different colors. Is displayed in a different coloring from other parts.
図２に戻り、作成された人体モデルおける臓器や部位に対して、導電率（又は抵抗値）を含むパラメータを設定する（S110）。臓器や部位ごとに異なる導電率を設定することで、除細動時のICD本体からリードへの電流伝導及び電圧分布のシミュレーションが可能となる。 Returning to FIG. 2, parameters including conductivity (or resistance value) are set for the organs and parts in the created human body model (S110). By setting different conductivity for each organ or part, it is possible to simulate current conduction and voltage distribution from the ICD body to the lead during defibrillation.
そして、作成された人体モデルに対して、ICD本体及びリードの留置部位（位置）を設定する（S120）。ICD本体を留置可能な座標領域が定義され、その留置可能な領域を離散化してICD本体を留置可能な複数の座標位置を生成する。リードについては、留置部位が複数の特定位置（RV、SVA、皮下）に限られ、その特定位置を座標として定義する。２本のリードを留置する形態においても２本のリードそれぞれの留置部位を一つの留置パターンとして、特定位置を定義する。複数の特定位置からリードの留置部位を一つ選択し、そのリード留置部位について、ICD本体の留置可能座標領域内の離散化した全ての留置部位についてシミュレーション演算が実行される。後述するように、ICD本体の位置（留置部位）及びリードの位置（留置部位）のそれぞれ留置可能な位置の全組み合わせが順次選択され、全組み合わせに対してシミュレーション演算処理が実行される。 Then, the ICD main body and lead indwelling site (position) are set for the created human body model (S120). A coordinate area where the ICD body can be placed is defined, and the place where the ICD body can be placed is discretized to generate a plurality of coordinate positions where the ICD body can be placed. For the lead, the placement site is limited to a plurality of specific positions (RV, SVA, subcutaneous), and the specific positions are defined as coordinates. Also in the form in which two leads are placed, a specific position is defined with the placement site of each of the two leads as one placement pattern. One lead indwelling part is selected from a plurality of specific positions, and a simulation operation is executed for all the indwelling parts discretized in the indwellable coordinate area of the ICD main body for the lead indwelling part. As will be described later, all combinations of positions where the ICD main body position (detention site) and lead position (detention site) can be placed are sequentially selected, and simulation calculation processing is executed for all combinations.
図５は、人体モデルの画像データ上に設定されたICD本体とそのリードの留置部位の例を示す。図５（ａ）は、リード１本のICD本体が前胸部に留置されている例、図５（ｂ）はリード２本のICD本体が前胸部に留置されている例、図５（ｃ）はリード１本のICD本体が腋窩部に留置されている例を示す。前胸部又は腋窩部における留置可能座標領域内において、ICD本体の留置部位は離散化されて定義され、また、リードの留置部位も、リードの本数も含めた心室内の複数の留置可能な部位が特定位置として定義される。 FIG. 5 shows an example of the ICD main body set on the image data of the human body model and the indwelling portion of the lead. FIG. 5A shows an example in which an ICD main body with one lead is placed in the front chest, FIG. 5B shows an example in which an ICD main body with two leads is placed in the front chest, and FIG. Shows an example in which the ICD body of one lead is placed in the axilla. Within the placeable coordinate area in the front chest or axilla, the placement site of the ICD body is defined in a discrete manner, and the lead placement site is also a plurality of placement sites within the ventricle including the number of leads. It is defined as a specific position.
図２において、ICD本体及びリードの留置部位を設定した後、シミュレーションソフトウェアのアルゴリズムにより、除細動時の電流伝導及び電圧分布についてシミュレーション演算を実行する（S130）。シミュレーション演算は、例えば、共役勾配（conjugate gradient）及びヤコビ前処理（Jacobi preconditioner）を用いた有限要素法により行われ、電流伝導経路及び電圧分布が演算により求められる。また、シミュレーション演算は、ICDの出力エネルギー（Ｊ）の出力可能範囲内で所定単位値（例えば１Ｊ又は0.5Ｊなど）ステップで段階的に複数のエネルギー値について行われる。 In FIG. 2, after setting the ICD main body and the indwelling portion of the lead, a simulation calculation is performed on the current conduction and voltage distribution during defibrillation by an algorithm of simulation software (S130). The simulation calculation is performed by, for example, a finite element method using a conjugate gradient and a Jacobi preconditioner, and a current conduction path and a voltage distribution are obtained by calculation. The simulation calculation is performed for a plurality of energy values step by step in a predetermined unit value (for example, 1 J or 0.5 J) within the output possible range of the output energy (J) of the ICD.
除細動閾値（DFT: Defibrillation threshold）は、以下の式で表される。
DFT＝1/2CV2 (J)
The defibrillation threshold (DFT) is expressed by the following equation.
DFT = 1 / 2CV 2 (J)
CはICDのキャパシタンスであって約130μFの定数である。Vは除細動が成功する条件を満足する場合のICD本体とリード間の最小電圧である。除細動が成功する条件は、シミュレーションにより得られる電圧分布において、局所電位空間差分（1cm間隔の電圧）ΔV＞５V/cmとなる領域が心筋の９０％を超える場合である。除細動に成功する最小のエネルギー値が除細動閾値となる。また、局所電位空間差分ΔV＞30V/cmを超える領域は心筋障害を惹起すると定義されている。 C is the capacitance of the ICD and is a constant of about 130 μF. V is the minimum voltage between the ICD body and the lead when the conditions for successful defibrillation are satisfied. The condition for successful defibrillation is when the region where the local potential space difference (voltage at 1 cm intervals) ΔV> 5 V / cm exceeds 90% of the myocardium in the voltage distribution obtained by simulation. The minimum energy value that succeeds in defibrillation is the defibrillation threshold. A region exceeding the local potential space difference ΔV> 30 V / cm is defined as causing myocardial injury.
図６は、シミュレーション演算により求められた電流伝導経路の画像例を示す。図６は、３次元画像の正面画像であり、ICD本体からリードへの電気力線が描かれている。電流はこの電気力線に沿って流れ、電圧分布は、電気力線に垂直な等電位面により表すことができる。 FIG. 6 shows an example of an image of the current conduction path obtained by the simulation calculation. FIG. 6 is a front image of a three-dimensional image, in which lines of electric force from the ICD main body to the leads are drawn. The current flows along the electric field lines, and the voltage distribution can be represented by an equipotential surface perpendicular to the electric field lines.
シミュレーション演算結果の数値解析により、局所電位空間差分ΔＶを計算し、除細動閾値（DFT）、及び心筋障害が発生した心筋領域の容積を求める(S140)。上述したように、局所電位空間差分ΔV＞５V/cmとなる心筋領域は、局所除細動が成功した領域であり、それ以外の心筋領域は局所除細動に失敗した領域となる。また、局所電位空間差分ΔV＞３０V/cmとなる心筋領域は、心筋障害が発生する領域であり、それ以外の心筋領域は心筋障害を引き起こさない領域となる。 The local potential space difference ΔV is calculated by numerical analysis of the simulation calculation result, and the defibrillation threshold (DFT) and the volume of the myocardial region where the myocardial injury occurs are obtained (S140). As described above, the myocardial region where the local potential space difference ΔV> 5 V / cm is a region where local defibrillation has been successful, and the other myocardial regions are regions where local defibrillation has failed. The myocardial region where the local potential space difference ΔV> 30 V / cm is a region where myocardial damage occurs, and the other myocardial regions are regions where no myocardial damage is caused.
ICDの複数の出力エネルギー値におけるシミュレーション演算において、除細動に成功する場合（局所電位空間差分ΔV＞５V/cmとなる領域が心筋の９０％を超える場合）の最小のエネルギー値を除細動閾値（DFT）と決定し、さらにその場合の、心筋障害を引き起こす心筋領域の容積を決定する。 In the simulation calculation for multiple output energy values of ICD, defibrillation is performed with the minimum energy value when defibrillation is successful (when the region where the local potential space difference ΔV> 5 V / cm exceeds 90% of the myocardium) The threshold value (DFT) is determined, and the volume of the myocardial region that causes myocardial injury in that case is determined.
さらに、心筋障害を引き起こす心筋領域の容積について、心臓の重要部位と非重要部位毎に分けた容積を求める。心臓において、刺激伝導系と呼ばれる部位は、洞房結節と呼ばれる部位で発生した心拍のリズムを心臓全体の心筋に伝え、有効な拍動を行わせるための構造であり、この刺激伝導系に障害が生じると、心筋興奮を伝導できなくなる。そのため、刺激伝導系への障害を考慮してICDの留置部位を調整することが、生命予後の悪化予防につながると考えられることから、刺激伝導系を構成する部位を重要部位とし、それ以外の部位を非重要部位として、それぞれの容積を求める。刺激伝導系を構成する部位は、少なくとも洞房結節、房室結節及びヒス束を含む。 Further, the volume of the myocardial region that causes myocardial damage is obtained by dividing the volume into important and non-important parts of the heart. In the heart, the part called the stimulus conduction system is a structure that transmits the heartbeat rhythm generated in the part called the sinoatrial node to the myocardium of the entire heart and makes it effective. When it occurs, it cannot conduct myocardial excitement. Therefore, it is considered that adjusting the placement location of the ICD in consideration of obstacles to the stimulus conduction system will lead to prevention of deterioration of the life prognosis. Each part is determined as an unimportant part. Sites constituting the stimulation conduction system include at least the sinoatrial node, the atrioventricular node, and the His bundle.
図２において、除細動閾値（DFT）及び心筋障害を引き起こす心筋領域（重要部位、非重要部位それぞれ）の容積を求めた後、最適位置関数F(x,y,z)の値を求める（S150）。 In FIG. 2, after determining the defibrillation threshold (DFT) and the volume of the myocardial region (an important part and an unimportant part) that cause myocardial injury, the value of the optimum position function F (x, y, z) is obtained ( S150).
最適位置関数F(x,y,z)は、以下の式で定義される。
F(x,y,z)＝J(x,y,z)＋λ1d1(x,y,z,J)＋λ2d2(x,y,z,J) ・・・（１）
The optimum position function F (x, y, z) is defined by the following equation.
F (x, y, z) = J (x, y, z) + λ1d1 (x, y, z, J) + λ2d2 (x, y, z, J) (1)
ここで、x,y,zは、ICD本体の位置、J(x,y,z)は、除細動が成功する場合のエネルギー値、d1は、心臓の重要部位における障害が発生する容積、d2は、心臓の非重要部位における障害が発生する容積、λ1、λ2は重み付け係数であり、通常λ1＞λ2（λ1＋λ2＝１）となる。上記（１）式において、最適位置関数F(x,y,z)の値が最小となる座標(x,y,z)がICD本体の最適部位となる。 Where x, y, z is the position of the ICD body, J (x, y, z) is the energy value when defibrillation is successful, d1 is the volume at which the failure occurs in an important part of the heart, d2 is a volume in which a disorder occurs in an unimportant part of the heart, and λ1 and λ2 are weighting coefficients, and usually λ1> λ2 (λ1 + λ2 = 1). In the above equation (1), the coordinates (x, y, z) at which the value of the optimum position function F (x, y, z) is minimum is the optimum part of the ICD main body.
ステップS160において、リードの留置部位に関して、すべての特定位置についてシミュレーション演算を行ったか否かを判定する（S160）。シミュレーション演算を行っていないリードの留置部位（リードの本数を含む）がある場合は、リードの留置部位の設定を、残っている留置部位に変更し（S170）、ステップS120からS160の処理を繰り返す。 In step S160, it is determined whether or not the simulation calculation has been performed for all the specific positions with respect to the lead indwelling site (S160). If there is a lead placement site (including the number of leads) that has not been simulated, the lead placement site setting is changed to the remaining placement site (S170), and the processing from steps S120 to S160 is repeated. .
シミュレーション演算を行っていないリードの留置部位がない場合は、ICD本体の留置部位とリードの留置部位のすべての組み合わせについてシミュレーション演算が行われたことになり、すべてのシミュレーション演算結果のうち、最適位置関数Fが最小となる位置（ICD本体の座標(x,y,z)とその場合のリードの留置部位（リードの本数を含む）の組み合わせ）を決定し、出力する（S180）。出力されるICD本体及びリードの留置部位は、除細動閾値を低くし且つ心筋障害の発生領域を小さくするという２つの条件を最も効率的に満たす位置であり、このシミュレーション演算により、ICDの最適な留置部位を求めることができる。最適留置部位の出力は画像表示、数値表示として行われる。 If there is no indwelling part of the lead that has not been simulated, simulation calculation has been performed for all combinations of the indwelling part of the ICD main body and the indwelling part of the lead. The position where the function F is minimized (the combination of the coordinates (x, y, z) of the ICD main body and the lead indwelling site (including the number of leads) in that case) is determined and output (S180). The output ICD body and lead placement site are the positions that most efficiently satisfy the two conditions of lowering the defibrillation threshold and reducing the myocardial injury occurrence area. A simple indwelling site can be obtained. The optimal placement site is output as an image display or numerical display.
S180で決定されたICDの最適留置部位におけるシミュレーション演算結果の画像表示が行われてもよい。シミュレーション演算結果を可視化する画像表示処理として、例えば、局所除細動が成功する部位と失敗した部位を色分け表示する処理、また、心筋障害が発生した部位と発生しない部位とを色分け表示する処理を実行することができる。 An image of the simulation calculation result at the optimal placement site of the ICD determined in S180 may be displayed. As an image display process for visualizing the simulation calculation result, for example, a process for displaying a region where local defibrillation is successful and a region where the defibrillation is failed, and a process for displaying a region where a myocardial disorder has occurred and a region where it does not occur are displayed in different colors Can be executed.
図７は、局所除細動の成否部位画像表示処理のフローチャートである。人体モデルの心臓部分のメッシュモデル及び、その部分に対するシミュレーション演算結果（電圧分布及び電位空間差分データ）を読み込み（S200）、各メッシュモデルについての電位空間差分ΔVがΔV＞5V/cmであるかを判定し（S201）、ΔV＞5V/cmである場合は、単元中心に数値１を与え（S202）、そうでない場合は単元中心に数値０を与える(S203)。そして、例えば数値１を青色、数値０を赤色として、心臓メッシュモデルを画像表示する（S204）。 FIG. 7 is a flowchart of the success / failure part image display process of local defibrillation. The mesh model of the heart part of the human body model and the simulation calculation results (voltage distribution and potential space difference data) for that part are read (S200), and whether the potential space difference ΔV for each mesh model is ΔV> 5V / cm When the determination is made (S201) and ΔV> 5 V / cm, a numerical value 1 is given to the unit center (S202). Otherwise, a numerical value 0 is given to the unit center (S203). Then, for example, the numerical value 1 is blue and the numerical value 0 is red, and the heart mesh model is displayed as an image (S204).
図８は、図７の処理により局所除細動の成否部位を可視化した電圧分布の画像例である。図８に示すように、除細動に成功又は失敗した局所部位を３次元画像として色分け表示して容易に識別可能に可視化することができる。 FIG. 8 is an example of a voltage distribution image obtained by visualizing the success or failure of local defibrillation by the process of FIG. As shown in FIG. 8, local portions that have succeeded or failed in defibrillation can be visualized in a color-coded manner as a three-dimensional image so that they can be easily identified.
図９は、心筋障害発生部位画像表示処理のフローチャートである。人体モデルの心臓部分のメッシュモデル及び、その部分に対するシミュレーション演算結果（電圧分布及び電位空間差分データ）を読み込み（S300）、各メッシュモデルについての電位空間差分ΔVがΔV＞30V/cmであるかを判定し（S301）、ΔV＞30V/cmである場合は、単元中心に数値１を与え（S302）、そうでない場合は単元中心に数値０を与える(S303)。そして、例えば数値１を赤色、数値０を青色として、心臓メッシュモデルを画像表示する（S304）。 FIG. 9 is a flowchart of myocardial injury occurrence site image display processing. The mesh model of the heart part of the human body model and the simulation calculation results (voltage distribution and potential space difference data) for that part are read (S300), and whether the potential space difference ΔV for each mesh model is ΔV> 30V / cm When the determination is made (S301) and ΔV> 30 V / cm, a numerical value 1 is given to the unit center (S302), otherwise a numerical value 0 is given to the unit center (S303). Then, for example, the numerical value 1 is red and the numerical value 0 is blue, and the heart mesh model is displayed as an image (S304).
図１０は、図９の処理により心筋障害発生部位の有無を可視化した電圧分布の画像例である。図１０に示すように、心筋障害が発生した部位及び発生しない部位を３次元画像として色分け表示して容易に識別可能に可視化することができる。 FIG. 10 is an example of a voltage distribution image in which the presence or absence of a myocardial injury occurrence site is visualized by the processing of FIG. As shown in FIG. 10, a site where a myocardial injury has occurred and a site where it does not occur can be visualized as a three-dimensional image in a color-coded manner so that it can be easily identified.
局所除細動の成否位置及び心筋障害の発生位置などの上記画像表示は、ICDの最適留置部位の場合のみに限らず、任意に選択したICDの留置部位について、シミュレーション演算結果に基づいて画像表示処理が可能である。 The above image display, such as the success or failure position of local defibrillation and the occurrence position of myocardial injury, is not limited to the case of the optimal indwelling part of ICD. Processing is possible.
本実施の形態は以下の効果を有する。すなわち、除細動閾値を低くし且つ心筋障害の発生領域を小さくするという２つの条件を最も効率的に満たすICDの最適植え込み部位を決定することができる。そして、ICDの植え込み手術前に、患者ごとに最適なICDの植え込み部位を決定することができることから、植え込み手術中のDFTテストが不要となる。また、より低い除細動閾値による除細動により低出力のICD動作が可能となり、心筋障害の発生を抑制し患者の負担を低減できるとともに、ICDの小型化、長寿命化も可能となる。さらに、心筋障害の発生する領域をより小さくする部位（位置）にICDを留置することで、生命予後の悪化を予防することができる。 The present embodiment has the following effects. That is, it is possible to determine the optimal implantation site of the ICD that most efficiently satisfies the two conditions of lowering the defibrillation threshold and reducing the occurrence area of the myocardial injury. Since an optimal ICD implantation site can be determined for each patient before the ICD implantation operation, a DFT test during the implantation operation becomes unnecessary. In addition, defibrillation with a lower defibrillation threshold enables ICD operation with low output, thereby suppressing the occurrence of myocardial injury and reducing the burden on the patient, as well as reducing the size and extending the life of the ICD. Further, by placing the ICD at a site (position) that makes the area where the myocardial injury occurs smaller, it is possible to prevent the deterioration of life prognosis.
本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の分野における通常の知識を有する者であれば想到し得る各種変形、修正を含む要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれることは勿論である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and there are design changes within a range that does not depart from the gist including various modifications and corrections that can be conceived by those having ordinary knowledge in the field of the present invention. Of course, it is included in the present invention.
１１１：バス、１１２：ＣＰＵ、１１３：ＲＯＭ、１１４：ＲＡＭ、１１５：ネットワークインタフェース、１１６：入力装置、１１７：表示装置、１１８：記憶装置 111: Bus, 112: CPU, 113: ROM, 114: RAM, 115: Network interface, 116: Input device, 117: Display device, 118: Storage device
Claims (6)
所定の部位毎の導電率が設定された人体モデルのデータを記憶する記憶手段と、
前記人体モデルにおける植え込み型除細動器本体の留置可能な複数の本体留置部位、及び前記植え込み型除細動器本体に接続されたリードの留置可能な複数のリード留置部位を設定する設定手段と、
前記複数の本体留置部位と、前記複数のリード留置部位との全組み合わせについて、前記人体モデルに設定された導電率に応じた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を演算し、さらに、演算により求められた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を変数として含む関数の値が所定値になる組み合わせを求める演算手段と、
前記演算手段により求められた組み合わせにおける前記本体留置部位と前記リード留置部位を出力する出力手段とを備えることを特徴とするコンピュータ装置。 In a computer device for simulating the electrical conduction pattern in the body at the implantation site of the implantable defibrillator ,
Storage means for storing data of a human body model in which conductivity for each predetermined part is set;
Setting means for setting a plurality of main body indwelling sites of the implantable defibrillator body in the human body model, and a plurality of lead indwelling sites of a lead connected to the implantable defibrillator body; ,
For all combinations of the plurality of main body indwelling sites and the plurality of lead indwelling sites, calculate a defibrillation threshold value and a volume subject to myocardial injury according to the conductivity set in the human body model, A computing means for obtaining a combination in which a value of a function including the obtained defibrillation threshold and a volume subjected to myocardial injury as a variable is a predetermined value;
A computer apparatus comprising: the main body indwelling portion and the output indwelling portion in a combination obtained by the calculating means.
前記関数は、
F(x,y,z)＝J(x,y,z)＋λ1d1(x,y,z,J)＋λ2d2(x,y,z,J)
x,y,z：ICD本体の留置部位、J(x,y,z)：除細動が成功する場合のエネルギー値、d1：心臓の重要部位における障害が発生する容積、d2：心臓の非重要部位における障害が発生する容積、λ1及びλ2：重み付け係数、
で表されることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータ装置。 The predetermined value is a minimum value of the function,
The function is
F (x, y, z) = J (x, y, z) + λ1d1 (x, y, z, J) + λ2d2 (x, y, z, J)
x, y, z: ICD body placement site, J (x, y, z): energy value when defibrillation is successful, d1: volume where damage occurs in critical parts of the heart, d2: non-heart rate Volume at which failure in the important part occurs, λ1 and λ2: weighting factors,
The computer apparatus according to claim 1, wherein:
所定の部位毎の導電率が設定された人体モデルのデータをコンピュータ装置に記憶させるステップと、
前記人体モデルにおける植え込み型除細動器本体の留置可能な複数の本体留置部位、及び前記植え込み型除細動器本体に接続されたリードの留置可能な複数のリード留置部位を設定するステップと、
前記複数の本体留置部位と、前記複数のリード留置部位との全組み合わせについて、前記人体モデルに設定された導電率に応じた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を演算し、さらに、演算により求められた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を変数として含む関数の値が所定値となる組み合わせを求めるステップと、
前記組み合わせにおける前記本体留置部位と前記リード留置部位を出力するステップとを備えることを特徴とするシミュレーション方法。 In a method of simulating a body electrical conduction pattern at an implantation site of an implantable defibrillator by a computer device,
Storing data of a human body model in which conductivity for each predetermined part is set in a computer device;
Setting a plurality of main body indwelling sites of the implantable defibrillator body in the human body model, and a plurality of lead indwelling sites of a lead connected to the implantable defibrillator body; and
For all combinations of the plurality of main body indwelling sites and the plurality of lead indwelling sites, calculate a defibrillation threshold value and a volume subjected to myocardial injury according to the conductivity set in the human body model, and further, by calculation Obtaining a combination in which a value of a function including a determined defibrillation threshold and a volume subjected to myocardial injury as a variable is a predetermined value;
Simulation method characterized by comprising the steps of outputting said body indwelling site before Symbol set only combination of the lead placement site.
所定の部位毎の導電率が設定された人体モデルのデータを記憶する記憶手段と、
前記人体モデルにおける植え込み型除細動器本体の留置可能な複数の本体留置部位、及び前記植え込み型除細動器本体に接続されたリードの留置可能な複数のリード留置部位を
設定する設定手段と、
前記複数の本体留置部位と、前記複数のリード留置部位との全組み合わせについて、前記人体モデルに設定された導電率に応じた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を演算し、さらに、演算により求められた除細動閾値及び心筋障害を受ける容積を変数として含む関数の値が所定値となる組み合わせを求める演算手段と、
前記演算手段により求められた組み合わせにおける前記本体留置部位と前記リード留置部位を出力する出力手段として機能させるためのコンピュータプログラム。 A computer device that simulates the electrical conduction pattern in the body at the implantation site of the implantable defibrillator,
Storage means for storing data of a human body model in which conductivity for each predetermined part is set;
Setting means for setting a plurality of main body indwelling sites of the implantable defibrillator body in the human body model, and a plurality of lead indwelling sites of a lead connected to the implantable defibrillator body; ,
For all combinations of the plurality of main body indwelling sites and the plurality of lead indwelling sites, calculate a defibrillation threshold value and a volume subjected to myocardial injury according to the conductivity set in the human body model, and further, by calculation A computing means for obtaining a combination in which a value of a function including a calculated defibrillation threshold and a volume subjected to myocardial injury as a variable is a predetermined value;
A computer program for functioning as an output means for outputting the main body indwelling part and the lead indwelling part in the combination obtained by the arithmetic means.
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