Vojko Jazbinšek , Rok Hren, Zvonko Trontelj In š titut za matematiko, fiziko in mehaniko,

1. Limited lead selection for estimating sites of pre-excitationSelekcija optimalnih merskih mest pri lokalizaciji prekatnih pred-vzdraženj Vojko Jazbinšek, Rok Hren, Zvonko Trontelj Inštitut za matematiko, fiziko in mehaniko, Univerza v Ljubljani, Slovenija

2. Pregled • Ozadje • Elektrokardiogram, prekatno predvzdraženje • Večkanalna merjenja (električne potencialne in magnetne mape) • Realistični računalniški model srčnih prekatov • Lokalizacija izvorov • Algoritem za določitev optimalnih merskih mest • Rezultati • Simulirani podatkov – vpliv na lokalizacijo • Izmerjeni podatki • Zaključek

3. Elektrokardiogram (EKG) • Normalni potek električnega prevodnega sistema v srcu: • Začetek v desnem preddvoru (Sinus node). • Preddvora in prekata sta električno izolirana, povezana le preko AV-vozlišča, kar za kratko zakasni prevajanje in omogoči, da se pred tem preddvora popolnoma izpraznita. Pred-vzdraženje prekatov: WPW - sindrom(Wolff-Parkinson-White) Dodatna (akcesorna pot) prevodna pot v obroču med preddvoroma in prekatoma (AV-ring) povzroči predčasno vzdraženje prekatov.

4. 12-kanalni EKG 3-je bipolarni odvodi na okončinah: 3-je povečani unipolarni odvodi na okončinah (aVR,aVL,aVF): VI VII VIII aVR: Unipolarni odvod - definicija: 6 unipolarnih(V1-6): Povezave (VI, VII): VIII = VII - VI aVR = - (VI + VII)/2 aVL = VI - VII/2 aVF = VII - VI /2

5. Večkanalni EKG • potencialne mape (PM) • lokalizacija tokovnih izvorov Anterior Posterior

6. Magnetokardiogram (MKG) • SQUID (Superconcting QUantum Interference Device)

7. Večkanalni MKG (PTB, Berlin) • magnetne mape (MM), 49 Bz kanalov • brezkontaktno merjenje • magnetno zaščitena soba

8. Računalniški model srčnegaprekata • Narejen vDepartment of Physiology and Biophysics at Dalhousie University, Canada (Rok Hren) • Glavne značilnosti: • Anatomsko točna geometrija zločljivostjo 0.5 mm (1 800 000 elementov) • rotirana anizotropija intramuralne strukture • propagacijski algoritem na osnovifiziološkega principavzbujenih tokov (kombinacijaceličnega avtomatain bi-domenske teorije)

9. Simulacija PM and MM • postavitevračunalniškega modela srca v homogenimodel torza • simulacija aktivacijskih sekvenc za različna mesta predvzdraženja • izračunelektričnih potencialov na površini torza in magnetnega poljav njegovi okolici z metodo mejnih elementov: • 64 MM (spredaj) in 128 MM (spredaj/zdaj) • 117 PM po površini torza

10. Lokalizacija tokovnih izvorov • Če poznamo tokovni izvor, je potencial določen z integralsko enačbo • In magnetno polje z • Numerična rešitev (BEM): ● Lokalizacija (tokovni dipol)

11. Cilj • poiskati optimalno izbiro omejenega števila merskih mest in • določiti vpliv omejenega števila merskih mest na lokalizacijo izvora

12. Algoritem • Statistična metoda za izbiro optimalnih merskih mest*: xn= T xi = Kni Kii-1xi xn neizmerjeni el. potenciali ali mag. polje na neizbranih mestih xi izmerjeni el. potenciali ali mag. polje na izbranih mestih Kii je kovarinačna matrika izmerjenih potencialov/polja Kni je križna kovariančna matrika med neizbranimi in izbranimi • Sekvenčni algoritem*: na vsakem koraku izberemo tisto mersko mesto, ki je v največji korelaciji s preostalimi mesti • Pri tej metodi minimiziramo povprečno kvadratno (RMS) razliko med ocenjenimi in izmerjenimi podatki * Lux RL et al.IEEE Trans. Biomed. Eng., 1978, vol. 25: 270-276.

13. 10 mest pred-vzdraženj okoli AV obroča • V korakih po 4 ms smo vprvih 40 ms po začetkugenerirali mape (117-PM, 64-MMin 128-MM). Left sites: Right sites: posterolateral (LPL) posterolateral (RPL) lateral (LL) lateral (RL) anterolateral (LAL) anterolateral (RAL) anteroparaseptal (LAP) anteroparaseptal(RAP)

14. Protokol • V bazo za določitev transformacijske matrike smo vključilivse mape, ki smo jih dobili s simulacijo različnih tipov pred-vzdraženj na realističnem modelu srčnih prekatov. • Izbira merskih mest z 8, 10, 12, …, 32 odvodi, ki optimalno reproducirajo 64 in 128-kanalne MM ter 117-kanalni PM • Naključno generirana merska mesta z 8, 10, …, 32 odvodi • Lokalizacija enojnih prekatnih pred-vzdraženj z modelom tokovnega dipola z optimalno in naključno izbranimi odvodi. • Primerjava teh lokalizacijskih rezultatov z rezultati, ki jih dobimo, če uporabimo kompletne mape z 64-in 128- MM ter 117- PM odvodi.

15. Rezultati (izbira odvodov) Različni simboli označujejo vrstni red izbire: ■ 1-8 ♦9-16 ▲ 17-24 ● 25-32 ○ ostali

16. Rezultati (lokalizacija) • Povprečne razlike med lokalizacijskimi rezultati, ki jih dobimo s kompletnim merskim sistemom in rezultati, ki jih dobimo z • * optimalno izbranimi in ♦ naključno izbranimi odvodi • optimalna izbira je vedno boljša od naključno izbrane. • Za optimalne izbire nad 20, se povprečna lokalizacijska napaka (nekaj mm) ne spreminja večne spreminja več bistveno.

17. Zajemanje podatkov (na PTB, Berlin) • PM in MM smo izmerili na 4 zdravih prostovoljcih* • MM smo posneli na področju z obsegom 37 cm nad prsnim in hrbtnim delom torza z gosto mrežo 119-tih Bz kanalov • Vzporedno smo posneli PM z 148 odvodi. *Jazbinsek V, Kosch O, Meindl P, Steinhoff U, Trontelj Z, Trahms L. In: Nenonen J, Ilmoniemi RJ, Katila T, Eds., Biomag 2000, Espoo, Helsinki Univ. of Technology, 2001

18. Protokol – merski podatki • Za določitev transformacijske matrike T smo uporabili izmerjene podatke na treh prostovoljcih in jo potem preizkusili na podatkih izmerjenih na četrtem prostovoljcu.. • Za ovrednotenje rezultatov smo uporabili različne kriterije, kot so kvadratni koren povprečne kvadratne (RMS) napake, maksimalna (MAX) napaka, relativna diferenca (RD) in korelacijski koeficient (KK). • Na različnih časovnih intervalih, kot so P-val, QRS, S-ST, ST-T in PQRST, smo izračunali povprečne RMS, MAX, RD in KK vrednosti in njihove standardne devijacije. • Na teh intervalih smo izračunali izointegralne mape in amplitudno uteženi korelacijski koeficient (UKK).

19. Rezultati - optimalno izbrana mesta a) MM b) PM

20. Rezultati - ovrednotenje Povprečne RMS, RD in CC za vse mape na različnih časovnih intervalih, ko smo uporabili 3 meritve za učenje in preostalo meritev za testiranje. MM PM

21. Rezultati - izračunane mape Izmerjene mape (levo) in izračunane mape (desno) iz 20-ih mest.

22. Rezultati - izračunane izointegralne mape Izmerjene mape (levo) in izračunane mape (desno) iz 12-ih mest.

23. Diskusija • Rezultati kažejo, da lahko tako pri PM kot pri MM izluščimo relevantne informacije z znatno manjšim številom merskih mest, kot se jih trenutno uporablja • Za MM, ki smo jih izračunali iz 20-tih mest, smo dobil na celotnem PQRST intervalu amplitudno uteženi KK 0.98±0.01, kar je znatno bolje kot rezultata (Burghoff et al.*) 0.94±0.02 in 0.93±0.03, kjer so za pretvorbo podatkov med dvema merskima sistemoma za MM uporabili dve metodi, multipolni razvoj in oceno namanjše norme. *Burghoff M, Nenonen J, Trahms L, Katila T. Conversion of magneto-cardiographic recordings between two different multichannel SQUID devices, IEEE Trans. Biomed. Eng., 2000, vol. 47: 869-875

24. Hvala za pozornost

25. Oblique current dipole model: The infinite medium el. potentials, Φ∞,and magnetic field, B∞: 4πσ0Φ∞ = σ1 ∫ vm · r / r3 dV + σ2 ∫ a aTvm · r / r3 dV , 4πσ0B∞= σ1 ∫ vm x r / r3 dV + σ2 ∫ a aTvm x r / r3 dV , vm calculated transmembrane potential using propagation algorithm σ0conductivity of the homogeneous monodomain σ1,σ2 conductivities characterizing anisotropic myocardium alocal direction of the fiber axis r distance from the source (each activated cell) to a field point To compute the body surface potentials and magnetic field in the torso model, we used a “fast forward solution” (Purcell and Stroink, IEEE Trans Biomed. Eng.,38: 82-84,1991; Nenonen et al., IEEE Trans Biomed Eng 38:658-664,1991).