心脏电除颤的建模仿真与除颤效能的量化评估研究

摘要

心源性猝死（sudden cardiac death, SCD）是指由心脏原因引起的、在急性症状出现后一小时内发生的非预期性自然死亡，其发作通常难以预期。其中，70％以上的SCD归因于室性快速心律失常，如心室颤动。心脏电除颤作为目前临床上唯一可靠并被广泛使用的室颤转复方法，能够及时有效地帮助患者恢复正常心律，避免SCD的发生。然而，由于现有的实验条件和临床技术限制，人们对于室颤及其电除颤转复心律的内在机制仍然很不清楚。为了减少因不恰当除颤放电而导致的致命性事件发生，现有的除颤治疗大都根据以往经验采用固定的术式方法实施，例如植入型心律转复除颤器（implantable cardioverter defibrillator, ICD）的电极植入模式或体外除颤的电极贴放位置。而针对小儿或者先天性心脏病人等一类特殊患者，至今还未有一种高效的个体化除颤治疗方法。
　　针对以上问题，本论文将以室颤的植入式 ICD体内电除颤以及体外除颤电极配置优化为研究目标，结合医学影像建模以及有限元仿真方法，对 ICD的体内电极植入方式以及体外除颤器的体表电极配置进行数值化建模和仿真分析，并通过初步的动物实验对仿真方法和仿真结果进行验证。采用本文优化选择后的除颤电极配置模式及除颤放电方法，将有助于降低除颤所需的放电能量、降低除颤所造成的心肌损伤并改善除颤效果。本文的主要工作和贡献包括：
　　1、结合医学影像分割软件Seg3D、网格剖分工具BioMesh3D、集成化科学问题求解平台SCIRun以及数学分析软件Matlab，建立了一套基于医学影像的除颤电极优化分析网络，能够模拟不同除颤电极在胸腔形成的除颤电场分布；
　　2、提出了一种新的除颤效能量化评估方法，该方法在已有的四种除颤效能参数上，进行加权的多参数除颤效能评估，可用于指导优化电极配置；
　　3、对临床上常用的三种类型的ICD配置进行仿真和除颤效能分析，优化得出了最佳的经静脉ICD电极配置参数、心外膜ICD的电极植入位置以及皮下ICD的多电极配置；
　　4、对临床上常用的体外除颤模式，仿真分析了八种不同的体外除颤电极配置，应用所建立的量化评估模型，获得了除颤效果最佳的左胸侧—右前胸配置（D3-U8）。
　　5、开展了初步的体外除颤动物实验，将仿真求解的除颤电压阈值参数与实验结果相比较，结果的良好吻合验证了本套仿真方法的有效性和仿真结果的可信度。
　　本文的研究工作为临床电除颤技术的个体化应用，特别是 ICD的体内植入及体外除颤电极配置提供了一套行之有效的术前规划与效能评估方法，该方法可以根据患者个体的医学影像来进行 ICD电极的植入优化，并对除颤器的设计改进提供参考依据，对于改善 ICD以及体外除颤的治疗效果，降低对患者造成的除颤损伤有着一定的指导意义。

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第一章 绪 论

1.1 本文研究工作的背景与意义

1.2 心律失常及心脏电除颤基础

1.3 心脏电除颤技术的国内外研究进展与现状

1.4 本文的主要贡献与创新

1.5 本论文的结构安排

第二章 心脏电除颤的数理建模与仿真分析

2.1 引言

2.2 心脏电除颤的数理模型

2.3 心脏电除颤的数值化建模

2.4 除颤电场的有限元求解

2.5 本章小结

第三章 基于多参数加权的除颤效能量化评估

3.1 引言

3.2 心脏电除颤的等效电路模型

3.3 除颤电场的评估参数

3.4 多参数加权评估模型

3.5 本章小结

第四章 体内ICD植入的术前仿真规划研究

4.1 引言

4.2 体内ICD除颤电极系统及建模

4.3 经静脉T-ICD植入的除颤仿真评估

4.4 心外膜E-ICD植入的除颤仿真评估

4.5 全皮下S-ICD植入的除颤仿真评估

4.6 多参数除颤效能分析

4.7 本章小结

第五章 体外电除颤的电极配置优化研究

5.1 引言

5.2 有限元模型参数

5.3 体外除颤电极配置

5.4除颤电场分布的仿真求解

5.5 除颤效能的多参数评估

5.6 本章小结

第六章 体外除颤动物实验

6.1 引言

6.2 实验方案及所用设备

6.3 实验结果分析及讨论

6.4 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 论文主要创新点与贡献

7.3 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果