Паспорт проекта №

Форма 1 Заявка к проекту плана научно-исследовательской работы

1. Наименование структурного подразделения - Лаборатория биофизики возбудимых сред
2. Наименование исследовательской работы – Синергетика. Математические модели в биологии. Биоинформатика.
3. Наименование научного проекта - Количественный анализ зависимости вида электрокардиограммы от динамики пространственно-временных картин возбуждения миокарда при полиморфных желудочковых тахикардиях в физиологической и математической экспериментальных моделях.
4. Начало и окончание работы: 2004 – 2006
5. Краткое обоснование теоретической новизны и практической значимости:

Информативным неинвазивным методом исследования сердечной деятельности является электрокардиография, однако по причине высокой сложности организации сердечной деятельности все еще отсутствуют методики полноценного извлечения информации, которую содержит электрокардиограмма (ЭКГ). Особую значимость представляет исследование полиморфных желудочковых тахикардий (ПЖТ), - высокочастотных аритмий, часто являющихся причиной внезапной сердечной смерти. Целью проекта является установление характера зависимости количественной оценки вида ЭКГ и количественной оценки динамики пространственно-временных паттернов возбуждения миокарда при ПЖТ. В качестве практического результата проекта предполагается разработка методических рекомендаций по детальной идентификации образов ЭКГ, характерных для различных вариантов нарушений сердечного ритма во время состояний, описываемых в настоящее время как полиморфные желудочковые тахикардии. В перспективе такие методические рекомендации могут найти широкое применение в клинической практике, в частности, для экспресс-диагностики в ходе реанимационных мероприятий.

6. Содержание намеченной на предстоящий год работы:

В математической модели желудочковой тахикардии будут воспроизведены различные известные режимы циркуляции возбуждения по миокарду, причем для каждого из режимов по известным формулам будут рассчитаны ЭКГ. На основании полученного в этих численных экспериментах массива данных будет количественно оценен вид ЭКГ при помощи разработанных и опубликованных ранее авторских методов. Будет предварительно проанализирован характер зависимости количественной оценки вида ЭКГ от динамики пространственно-временных паттернов возбуждения миокарда при ПЖТ. Результаты численного эксперимента будут сопоставлены с результатами, полученными нами ранее в физиологических экспериментах с применением методики многоэлектродного картирования изолированной стенки желудочка сердца.

7. Указание источников финансирования:

Бюджетные средства института и собственные средства.

8. Фамилия руководителя и основных исполнителей работ:

1. Наименование научного проекта: “Количественный анализ зависимости вида электрокардиограммы от динамики пространственно-временных картин возбуждения миокарда при полиморфных желудочковых тахикардиях в физиологической и математической экспериментальных моделях”.
2. Краткий обзор состояния проблемы, ее актуальность, сравнение основных характеристик с отечественным и зарубежным уровнем: Исследование механизмов и характера нарушений сердечного ритма представляет существенный интерес как с точки зрения теории сложных систем (биофизики возбудимых сред), так и с позиций прикладной электрофизиологии (организация сердечной деятельности во время аритмии) и медицины (диагностика по виду ЭКГ характера нарушений сердечной деятельности). Необходимость разработки вызвана тем, что поиск новых способов расшифровки ЭКГ является актуальной проблемой и фундаментального, и прикладного значения. Электрокардиография является высокоинформативным неинвазивным методом исследования сердечной деятельности, однако по причине высокой сложности организации сердечной деятельности все еще отсутствуют методики полноценного извлечения информации, которую содержит ЭКГ. Известно, что патологические процессы в сердечно-сосудистой системе человека являются наиболее важным фактором летальности. Особую значимость представляет исследование полиморфных желудочковых тахикардий (ПЖТ), - высокочастотных аритмий, часто являющихся причиной внезапной сердечной смерти. В мировой науке в настоящее время активно продолжается поиск и отбор эффективных алгоритмов извлечения из ЭКГ информации о деятельности сердца. Причем поиск осуществляется как среди классических математических методов анализа временных рядов (определение статистических свойств сигнала во временном и частотном доменах), так и в новейших областях математической физики (например, теория хаоса). Исследования коллектива авторов проекта основываются на научных положениях теории распознавания образов, сформулированных отечественной школой математиков. Насколько нам известно, прежде количественный анализ характера зависимости вида ЭКГ от динамики пространственно-временных картин возбуждения миокарда при ПЖТ не осуществлялся - и подобное исследование аккуратно будет проведено впервые.
3. Обоснование предлагаемого решения задачи: На протяжении более чем 20 лет в Институте биологической физики Российской Академии наук, г. Пущино, проводились фундаментальные исследования автоволновых механизмов сердечных аритмий как с применением методов математического моделирования, так и с использованием установки многоэлектродного картирования миокарда. В этих исследованиях было получено большое количество фундаментальных результатов о природе сердечных аритмий, причем многие явления и закономерности были открыты впервые в мире: 1) проведены важные теоретические разработки, связанные с автоволновой природой сердечных аритмий (Кринский В.И., Шноль Э.Э., Кокоз Ю.М., Морнев О.А. и др.); 2) были исследованы как в численном, так и в физиологическом экспериментах многие режимы распространения волн возбуждения по миокарду (Перцов А.М., Медвинский А.Б., Фаст В.Г., Ефимов И.Р., Панфилов А.В., Алиев Р.Р. и др.) и даны рекомендации по применению антиаритмических лекарственных средств (Гренадер А.К., Ефимов И.Р. и др.); 3) исследована эволюция автоволновых вихрей, возникающих при сердечных аритмиях (Кринский В.И., Перцов А.М., Медвинский А.Б., Фаст В.Г., Ефимов И.Р., Панфилов А.В.). Наши теоретические исследования, использующие метод математического моделирования, положения теории анализа временных рядов и теории распознавания образов, удачно подкрепляются имеющейся у нас экспериментальной базой. В рамках предлагаемого проекта фундаментальное исследование биофизических и кибернетических процессов, лежащих в основе нарушения сердечной деятельности, предполагается провести с учетом всех этапов современной методологии исследования сложных систем. Выбранные методы и подходы в области исследования динамики сложных биологических систем соответствуют мировому уровню и направлены на изучение пространственно-временной организации деятельности исследуемого биологического объекта, а также на анализ информационных процессов, обеспечивающих сложность и высокий уровень организации этой деятельности. В теории распознавания образов утверждается, что на формальном языке описания процесс исследования всегда можно свести к поиску класса функций, предназначенных для решения задач классификации абстрактной информации и последующего построения в пространстве этих функций решающей поверхности (Вапник В.Н., Червоненкис А.Я.). Доказано также, что, в то время как задача построения решающей поверхности может быть формализована и имеет строгие схемы решения, задача выбора класса функций является неформальной и сильно связана с конкретными особенностями той области знаний, в которой проводится исследование. Иными словами, задание класса решающих правил, среди которых затем будет выбрано нужное, тесно связано со спецификой исходных данных и должно опираться на априорные сведения о природе распознаваемых объектов. В этой связи разработанный и опубликованный ранее авторский метод количественной оценки вида ЭКГ при ПЖТ, основанный на априорных сведениях о природе исследуемого сигнала ЭКГ, предоставляет собою пример успешного выбора класса функций, используемых в первом каскаде устройства классификации образов ЭКГ при ПЖТ. А накопленный в Лаборатории опыт математического моделирования сердечных аритмий дает нам незаменимый и бесценный априорный материал для осуществления решения задачи задания искомого класса решающих правил. В ходе реализации данного проекта нами будут использованы данные, полученные в наших физиологических и численных экспериментах, моделирующих желудочковые тахикардии. Физиологические эксперименты проведены на препаратах изолированной стенки правого желудочка сердца с использованием установки многоэлектродного картирования миокарда. Численные эксперименты уже частично выполнены с использованием модели Алиева-Панфилова. Такое сочетание экспериментальных моделей и методических подходов, во-первых, позволяет попарно сопоставлять вид ЭКГ, свойства сердечной ткани и характер распространения волн возбуждения по миокарду, а во-вторых, позволяет проверить выводы теоретического исследования на соответствие данным реального физиологического эксперимента. Можно выделить следующие наиболее важные результаты теоретических работ коллектива, которые найдут применение в заявленном проекте. 1) Как пример предметно-ориентированной решающей функции, разработан алгоритм количественной оценки полиморфности ЭКГ при высокочастотной желудочковой тахикардии (АНИ-метод). 2) Показано для модельных желудочковых тахикардий, что отношение порядка, устанавливаемое для ЭКГ при помощи АНИ-метода, совпадает с экспертной оценкой степени полиморфности ЭКГ для всех случаев, когда между экспертами отсутствуют разногласия в оценке. 3) При анализе ЭКГ, полученных в экспериментах на изолированной стенке желудочка сердца, было обнаружено, что аритмия развивается не по случайному сценарию, а закономерно. А именно, образы ЭКГ, полученные при помощи АНИ-метода, с высокой вероятностью группируются в определенных областях пространства решающих функций, и практически отсутствуют в других областях этого пространства. В то же время, например, образы визуально похожих электрокардиограмм, полученных в экспериментах математического моделировании в условиях однородной среды сходной геометрии, распределялись в пространстве образов существенно иначе. Перечисленные результаты предварительных исследований указывают на перспективы применения результатов исследования ЭКГ для неинвазивной диагностики и контроля за состоянием миокарда в ходе лечения различных нарушений сердечной деятельности и, в частности, для детальной экспресс-диагностики в ходе реанимационных мероприятий.
4. Планируемые результаты: В условиях однородной среды упрощенной геометрии будут воспроизведены в численных экспериментах пять основных циклоидальных режимов распространения возбуждения в миокарде при желудочковой тахикардии (Ефимов И.Р.) и для каждого режима рассчитана соответствующая модельная ЭКГ. На основании полученного в этих численных экспериментах массива данных будет количественно оценен вид ЭКГ при помощи разработанных и опубликованных ранее авторских методов. Режимы циркуляции возбуждения в миокарде будут описаны при помощи параметров пространственно-временных картин возбуждения миокарда. Будет получена количественная зависимость между воспроизведенными в математической модели режимами циркуляции возбуждения в миокарде при желудочковой тахикардии и видом соответствующих ЭКГ. Будет проведено сопоставление данных, полученных в численных и натурных экспериментах. В итоге будет дана оценка перспектив применения анализа ЭКГ на базе теории распознавания образов в клинической практике. В случае положительной оценки предполагается разработка методических рекомендаций по детальной идентификации образов ЭКГ, характерных для различных вариантов нарушений сердечного ритма во время состояний, описываемых в настоящее время как полиморфные желудочковые тахикардии.
5. Где и каким образом могут быть использованы планируемые результаты: После разработки методических рекомендаций по детальной идентификации образов ЭКГ, характерных для различных вариантов нарушений сердечного ритма во время состояний, описываемых в настоящее время как полиморфные желудочковые тахикардии предполагается перейти к созданию, утверждению медицинских инструкций по их применению, а затем к создание кабинетов функциональной диагностики на территории России.
6. Планируемая стоимость работы составляет не менее 810 тыс. рублей, в том числе на планируемый год 270 тыс. рублей.