Upload
craciun-andreea
View
269
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
8/9/2019 Simularea cardiaca extracutanata
1/13
FACULTATEA DE INGINERIE MEDICALA
Lucrare de laborator nr. 2
Simularea cardiaca extracutanataModelarea Proceselor Biomedicale
Realizat de: Andreea Craciun
Lucia Vasile
10/27/2014
Numarul: 6
8/9/2019 Simularea cardiaca extracutanata
2/13
1. Introducere
1.1. Stimularea electrica
1.2. Defibrilarea
2. Scopul lucrarii
3. Modelul experimental
4. Analiza rezultatelor
5. Concluzii
6. Bibliografie
8/9/2019 Simularea cardiaca extracutanata
3/13
1. Notiuni de
1.1.
timularea electricaa tesuturilor se foloseste in unele cazuri pentru diagnosticarea,
tratamentul sau protezarea unor functii sau organe. In acest referat se vor discuta
despre criterii de optimizare prin modelare fizica, matematica si numerica. In general
pentru stimulare se folosesc electrozi implantati in tesut sau electrozi de suprafata, care vin
in contact cu tesutul stimulat. Spre deosebire de electrozii de culegere, valorii curentilor la
interfata electrod de stimulare-tesut sunt mult mai mari si fenomenele de polarizare sunt
mult accentuate. Aplicatiile electroterapiei se aplica la diferente frecvente: in curent
continuu, la frecvente joase si medii si respectiv la frecvente inalte.
1.2.
efribilarea, o posibila aplicatie, se realizeaza prin aplicarea unui impuls de inalte
tensiune miocardului, pentru un timp foarte scurt, reprezentand o tehnica de
restabilire a ritmului cardiac normal a inimii in fibrilatie. Pentru defibrilatie se
utilizeaza curentul furnizat de descarcarea unui condensator si doi electrozi aplicati pe
toracele pacientului.
Stimularea cardiaca se aplica si atunci cand este necesara corectarea numai a unor aritmii.
In acest caz, socul electric care se aplica este sincronizat in raport cu unda R din semnalulECG prelevat in acest scop. Aceasta tehnica de stimulare se numestecardioversie.
2. Scopul lucrarii
ucrarea prezinta modelul fizic, matematic si numeric bidimensional bazat pe metoda
elementului finit, in scopul studiului stimularii electrice cardiace extracutanate. Se
doreste optimizarea pozitiei electrozitor pentru asigurarea pragului de excitatie
necesar succesului defibrilarii.
Unul dintre obiectivele lucrarii noastre o reprezinta verificarea rezultatelor numerice si
experimentale raportate in literatura de specialitate cu referire la pozitia optima a
electrozilor.
S
D
L
8/9/2019 Simularea cardiaca extracutanata
4/13
3. Modelul experimental
e utilizeaza pentru aproximari numerice un sistem bidimensional a sectiunii
transversal toracale datorita calculului distributiei de current ce este asemanator ca
in cazul unui model 3D. Sistemul fizic a fost dat sub forma de fisier predefinit.
Modelul fizicpresupune implementarea a trei pasi:
a) Aplicarea teoremei fundamentale a campurilor de vectori
rot E=
=0 => E=-grad V (legea inductiei campului electromagnetic)
div J=
=0 (legea conservarii sarcinii electrice)
b) Conditii la limita V=0
c) Conditii initiale (in acest caz nu avem conditii initiale)
J=E
Modelul matematic reprezinta obtinerea unei relatii de calcul pe baza modelului fizic.
div(grad V)=0=>V=0
La nivelul electrozilor echipotentialele sunt mai dese.
Succesul proceduriiconsta in urmarirea unui numar de parametri:
cat din curent se inchide prin miocard procentajul de curent ce trece prin miocard reprezinta un criteriu de optimizare
cat din aceasta densitate este peste pragul de defibrilare
Factorii de reglare sunt pozitia electrozilor si tensiunile. Raportul intre densitatea de
curent mediu prin miocard si restul toracelui. Se lasa un singur grad de libertate pentru a
observa mai usor influenta variabilelor.
Am importat modelul fizic predefinit Model_torace. (Comsol Multiphysics ->
Electromagnetic -> Conductive Media DC -> File -> Import -> Import Data from CAD).
Lucrarea presupune utilizarea a doi electrozi situati initial astfel: unu in dreptul apexuluicardiac si unul superior sub scapula dreapta.
Se cauta alte pozitii optime pentru obtinerea unui prag de stimulare peste pragul cardiac.
Pentru a lucra mai bine cu modelul l-am impartit in mai multe subdomenii (Split object).
Apoi am introdus valorile constantelor pentru diferitele medii: muschi, oase (coaste si
coloana), fluid interstitial, torace, cord, sange si esofag. Se seteaza apoi zona 18 (superior
S
8/9/2019 Simularea cardiaca extracutanata
5/13
sub scapula dreapta) ca fiind incarcata electric datorita contactului cu electrodul (fig. 1) si
zona 111 ca fiind legata la masa, in contact cu electrodul 2 (fig. 2). S-a creat o diferenta de
potential. Zona 18este incarcarta initial cu 0,1V iar apoi cu 0,6V.
Figura 1: Setarea valorii potentialului
electric a primului electrod
Figura 2: Setarea potentialului electric a
celui de-al doilea electrod
Se creaza apoi grupe pentru conductivitati constante cu denumirile de mai sus (muschi,
oase, fluid interstitial, torace, cord, sange si esofag) precum in exemplul din figura 3.
Figura 3: Gruparea zonelor cu conductivitati egale
8/9/2019 Simularea cardiaca extracutanata
6/13
Dupa verificarea tuturor datelor se genereaza mesh-ul si se obtin 2887 elemente.
Se rezolva problema si se vizualizeaza
potentialul electric pe Contour si
densitatea totala de currentpe Streamline
si Arrow realizand setarile in Plot
parametersprecum in figura 5.
Se observa directia liniilor de camp de la
pozitiv (sus) la negativ(jos).
Se mareste mesh-ul prin rafinare si se obtin 11948 elemente si se masoara intensitatea
curentului in zona 18 si 111 de fiecare data, calculand si valoarea medie.
Nr. elemente IIN[A/m] IOUT[A/m] IMEDIU[A/m]
2987 -0.002567 0.002797 0.002682
11498 -0.002759 0.002972 0.002866
47792 -0.0029 0.003058 0.002979
72690 -0.003187 0.003226 0.003207
Tabel nr. 1
Am verificat apoi densitatea de current in cord (zona 18 de suprafata) folosind
Subdomain integration -> Cord (18) -> Total current density, normsi se obtine
valoarea =7,444908e-5 [A].
Figur 4: Modelul bidimensional al sectiunii
toracale divizat in 2887 elemente
Figura 5: Realizarea setarilor de plotare
8/9/2019 Simularea cardiaca extracutanata
7/13
Am parcurs apoi conturul toracelui pentru a observa zona optima de plasare a electrozilor,
adica zona in care densitatea totala de current sa fie maxima in cord.
Figur 6: Potentialul electric si
densitatea totala de curent in cazul
situarii electrozilor in pozitia 1
Figur 7: Potentialul electric si
densitatea totala de curent in cazul
situarii electrozilor in pozitia 2
Figur 8: Potentialul electric si
densitatea totala de curent in cazulsituarii electrozilor in pozitia 3
Figur 9: Potentialul electric si
densitatea totala de curent in cazulsituarii electrozilor in pozitia 4
Figur 10: Potentialul electric si
densitatea totala de curent in cazul
situarii electrozilor in pozitia 5
Figur 11: Potentialul electric si
densitatea totala de curent in cazul
situarii electrozilor in pozitia 6
8/9/2019 Simularea cardiaca extracutanata
8/13
Figur 12: Potentialul electric si
densitatea totala de curent in cazul
situarii electrozilor in pozitia 7
Figur 13: Potentialul electric si
densitatea totala de curent in cazul
situarii electrozilor in pozitia 8
Figur 14: Potentialul electric si
densitatea totala de curent in cazul
situarii electrozilor in pozitia 9
Figur 15: Potentialul electric si
densitatea totala de curent in cazul
situarii electrozilor in pozitia 10
Figur 16: Potentialul electric si
densitatea totala de curent in cazulsituarii electrozilor in pozitia 11
Figur 17: Potentialul electric si
densitatea totala de curent in cazulsituarii electrozilor in pozitia 12
8/9/2019 Simularea cardiaca extracutanata
9/13
In Tabelul nr. 2 am cules diferite date precum:
Icord- Densitatea de crent pe cord
Imasa - Potentialul in electrodul nr 2 care ramane fix in zona 111
Iplus - Potentialul in electrodul nr 1
Imediu - Valoarea medie Jmiocard- Densitatea de curent in miocard [A/m2]
Jtorace-Densitatea de curent in torace (fara miocard, fluid interstitial si sange) [A/m2]
R - Indice de calitate care are formula R=
. Este de preferat ca R sa fie cat mai mare
pentru a avea o densitate favorabila de electricitate prin cord.
Rtorace - Indice de calitate ce se calculeaza dupa formula Rtorace=
.
OBS!In rezolvarea problemei am folosit urmatoarele arii:
o
Arie torace (fara miocard, fluid interstitial si sange): 0.068227 m2
o Arie miocard: 0.005373 m2
Tabel nr. 2
Pozitie Electrod 1 (Zona 18) 2 (Zona 16) 3 (Zona 15) 4 (Zona 17) 5 (Zona 21)
Icord [A] 0.0005211435 0.0006089138 0.0005371503 0.0005466138 0.0007067428
Imasa [A/m] 0.0195790000 0.0227750000 0.0199810000 0.0200600000 0.0256640000
Iplus [A/m] -0.0179710000 -0.0211090000 -0.0170540000 -0.0157080000 -0.0262810000
Imediu [A/m] 0.0187750000 0.0219420000 0.0185175000 0.0178840000 0.0259725000
R [-] 1.5356226845 1.5646339275 1.5700213662 1.6618422987 1.8437903000
Rtorace [*m] 37.2836218375 31.9022878498 37.8020791144 39.1411317379 26.9515834055
Jm [A/m2] 0.096993 0.113328 0.099935 0.101733 0.131536
Jt [A/m2] 0.063162 0.072431 0.063652 0.061217 0.07134
Pozitie
Electrod6 (Zona 30+38) 7 (Zona 42) 8 (Zona 49) 9 (Zona 52) 10 (Zona 58)
Icord [A] 0.0005704567 0.0006670293 0.0005825265 0.0005610689 0.0005035719
8/9/2019 Simularea cardiaca extracutanata
10/13
Imasa [A/m] 0.0204240000 0.0233400000 0.0202810000 0.0197990000 0.0195970000
Iplus [A/m] -0.0176750000 0.0000000000 -0.0160630000 -0.0182510000 -0.0168750000
Imediu [A/m] 0.0190495000 0.0218320000 0.0181720000 0.0190250000 0.0182360000
R [-] 1.9922876283 2.4081042810 2.5733308015 2.6264902661 2.7975344756
Rtorace [*m] 36.7463712958 32.0630267497 38.5208012327 36.7936925099 38.3856108796
Jm [A/m2] 0.106171 0.124145 0.108417 0.104424 0.093723
Jt [A/m2] 0.053291 0.051553 0.042131 0.039758 0.033502
Pozitie
Electrod
11 (Zona
144+146) 12 (Zona 149)
13 (Zona 150)
14 (Zona 151) 15 (Zona 135)
Icord [A] 0.0002296579 0.0005056320 0.0005331834 0.0006166595 0.0006390519
Imasa [A/m] 0.0200930000 0.0337160000 0.0307660000 0.0326250000 0.0317300000
Iplus [A/m] -0.0181370000 -0.0193280000 -0.0150670000 -0.0193260000 -0.0164440000
Imediu [A/m] 0.0191150000 0.0265220000 0.0229165000 0.0259755000 0.0240870000
R [-] 1.1348502549 1.3332653780 1.3350647110 1.3474579249 1.4671111720
Rtorace [*m] 36.6204551399 26.3931830179 30.5456766958 26.9484706743 29.0613193839
Jm [A/m2] 0.042743 0.071939 0.077367 0.0767 0.096376
Jt [A/m2] 0.037664 0.053957 0.05795 0.056922 0.065691
16 (Zona 119) 17 (Zona 92) 18 (Zona 64) 19 (Zona 50) 20 (Zona 45) 21 (Zona 32)
0.0007605197 0.0007605197 0.0007935304 0.0006492817 0.0005966487 0.0004565041
0.0317300000 0.0353870000 0.0349020000 0.0245750000 0.0225220000 0.0172230000
-0.0164400000 -0.0229120000 -0.0217560000 -0.0221040000 -0.0208650000 -0.0153660000
0.0240850000 0.0291495000 0.0283290000 0.0233395000 0.0216935000 0.0162945000
1.6565954805 1.8710792930 2.0033992449 1.9193151316 1.7923943571 1.5879450519
8/9/2019 Simularea cardiaca extracutanata
11/13
29.0637326137 24.0141340332 24.7096614776 29.9920735234 32.2677299652 42.9592807389
0.098748 0.13094 0.138501 0.120842 0.111046 0.084963
0.059609 0.069981 0.069133 0.062961 0.061954 0.053505
4. Analiza rezultatelor
raficul din figura 18 arata ca pozitiile optime de amplasarea a electrozilor in realizarea
stimulului cardiac sunt 9 si 17.
Anatomic vorbind, acestea sunt situate dupa cum urmeaza:
In pozitia 9 cele doua padele sunt situate amblele frontal la nivelul cordului
In pozitia 17 cele doua padele sunt situate una anterior si una posterioara. Cea
anterioara se situeaza pe axa orixontala a cordului iar cea posterioara putin mai sus.
Figur 18: Indice de calitate functie de pozitie
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 5 10 15 20 25
R
R
G
8/9/2019 Simularea cardiaca extracutanata
12/13
Figur 19: Rezistenta toracala
5. Concluzii
n urma acestor analize numerice se confirma
supozitiile initiale: exista doua pozitii optime in
care densitatea de curent este maxima, ideal
pentru procedeul de stimulare cardiac
extracutanata. S-a comparat pentru obtinerea
acestui indice de calitate densitatea de curent din
cord cu densitatea de curent din restul toracelui.
Cele mai favorabile rapoarte s-au obtinut in
pozitiile standard: ambele padele situare anterior
sau una anterior si una posterior. In practica se
foloseste cel mai des pozitia nr. 9 datorita comoditatii in utilizare. In cazul in care pacientul este
inconstient amplasarea padelelor in pozitia 17 ar dura prea mult si este cunoscut faptul ca
organismal uman sufera traume daca inima nu functioneaza . In graficul 18 chiar este sugerata
poitia 9 ca fiind mai eficienta decat pozitia 17.
Rezistenta toracala (Rtorace) reprezinta rezistenta toracelui pacientului la aplicarea unei diferente
de potential de Vplus (in cazul de fata 0.7) V. Am obtinut o valoare maxima de 38.3856108796
in plan bidimensional. Avand in vedere ca Rezistenta=
putem spune ca pozitia 9
este mai favorabila decat 17.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25
Rtorace
Rtorace
I
8/9/2019 Simularea cardiaca extracutanata
13/13
6.
Electronica medicala - Rustem Popa, MATRIX
ROM Bucuresti, 2006
Aparate electronice medicale - T.D. Gligor, A.
Pelicec, O.Bartos, V. Goian, editura Dacia Cluj-
Napoca, 1988
Laborator MPB, nr. 2