Дела сердешные: как современная медицина сражается за наши сердца

С сердцем все сложно. Этот небольшой, с кулак размером орган иногда попадает в передряги, которые могут закончиться очень плохо для хоста. Что нам могут предложить медики, чтоб избежать неприятностей?

Кое-что могут.

Дисклаймер: автор сего опуса никакого медицинского образования, и тем более опыта не имеет.

Начнем с основ.

Сердце это небольшой, с кулак размером орган, состоящий в основном из мышечной ткани. У людей он находится в середине грудной клетки, немного наклоняясь в левую сторону, из-за чего люди думают, что он слева, а он на самом деле нет. Внутри сердце поделено на 4 полости, с перегородками между ними; полости умеют сжиматься и разжиматься. Удобно рассматривать их попарно - левую пару и правую. Полости подключены к специальным "трубкам" (артериям) через которые может проходить кровь - внутрь и наружу.

Работает каждая пара примерно как двухтактный мотор: в верхнюю полость заливается порция крови, затем она сокращается, выталкивая кровь через другой спецорган, работающий как клапан, в нижнюю; а на следующем такте нижняя полость тоже сжимается и через другой клапан выбрасывает кровь в сосуд - артерию. Всего к сердцу подключено 4 артерии, которые образуют 2 круга кровообращения: малый - от сердца к легким и обратно, и большой - из сердца ко всему остальному телу и обратно.

Самое пожалуй удивительное в этой истории, насколько согласованно работают все части сердца. Они все выдерживают четкий ритм и последовательность действий на протяжении многих лет, не останавливаясь ни на секунду. Ну, обычно. Иногда ритм ускоряется, иногда замедляется, но в целом сердце держит фасон.

А когда нет, то могут появиться разнообразные проблемы. Мы рассмотрим один класс таких проблем под общим названием "аритмия".

Откуда у сердца ритм?

В верхней части правой стороны сердца расположен один малюсенький орган, вернее даже просто скопление клеток, 15x4 мм. Называется оно: синоатриальный узел. Его основная фишка состоит в способности накапливать электрический заряд и потом разряжаться (деполяризоваться). Именно оно задаем сердечный ритм.
Не буду углубляться в физику и химию процесса, он довольно сложный. Скажу лишь, что управляется он симпатической и парасимпатической нервными системами: первая ускоряет сердцебиение, а вторая замедляет. Родившийся импульс сразу идет по 3 параллельным путям - стимулирует сокращения двух верхних камер и прилетает в другую, похожую структуру-атриальный узел, сидящий в стенке, разделяющей левую и правую пары камер. Там происходит небольшая задержка, чтобы нижние камеры успели заполниться кровью. Затем импульс проходит до третьей структуры-т.н. пучок Хиса. Это набор мышечных клеток, способных проводить электрические импульсы. В этом месте сигнал разделяется на 2 параллельных пути и по структурам, называемым "волокна Пуркинье" (это тоже проводящие мышечные волокна) заезжает в нижние камеры сердца. Волокна Пуркинье простираются по стенкам камер и заставляют их сжиматься и разжиматься.

Теперь когда мы немного больше понимаем механизм работы сердца, можно вернуться к аритмиям. Они бывают разных видов. Роднит их общий принцип: устойчивое, регулярное нарушение сердечного ритма. Самая пожалуй опасная из них т.н. мерцательная аритмия-очень неприятное явление, при котором полость сердца начинает быстро но беспорядочно и с недостаточной силой биться, буквально трепетать. Из-за этого кровь хуже доходит до всех закоулков тела, застаивается в сердце, в ней могут образовываться сгустки, а там уже и до инсульта рукой подать.

Так как же бороться с аритмиями?

Надо обращаться к кардиологу. В арсенале врача есть некоторые методы диагностики и лечения.
Например:
Кардиограмма - разовая запись сердечной активности через прикрепленные к телу электроды. Классика жанра.
Холтер - похоже на кардиограмму, но записывающий прибор носится на теле непрерывно несколько дней.
Лекарства.
Кардиоверсия - по сути контролируемый удар током по сердцу, иногда помогает восстановить сбоивший ритм.
Электрофизиологическое (ЭФ) исследование с опциональной абляцией.
Вшивание ритмовода - электронного устройства, задающего сердечный ритм.

Сосредоточимся однако на ЭФ исследовании. Оно проводится кардиологом-хирургом в условиях стационара - по факту это операция, хоть и недолгая.
В ходе исследования в сердце пациента заводится прибор под названием "катетер" (один, два или больше), с помощью которого врач записывает электрическую активность внутри сердца и/или производит абляцию (о ней позже).

Что такое катетер?

Это электромеханический прибор длиной до 2 метров.
Как и все в этом мире, он поделен на 3 части.
Первая - электродно-сенсорный пакет. Тонкая пластиковая трубочка, иногда жесткая, иногда гибкая, толщиной в пару мм; на ней закреплены тонкие полоски металла (электроды) и некоторые сенсоры, а иногда и устройства для абляции.

Электроды записывают электрическую активность поверхностей, к которым их прижимают. Эта информация передается в режиме реального времени на обрабатывающую станцию (о ней позже), визуализируются и анализируются. Также через катетер можно подавать лекарства и кое-что еще.
Голова катетера (то есть вся конструкция, содержащая электроды) может изгибаться и вращаться.

Вторая часть-пульт управления. По размеру он как пульт для телевизора. У него есть рычажки и крутилки для управления катетером; есть порт, через который можно заливать жидкости (лекарства или контраст); есть скромная электронная начинка, которая хранит серийный номер, количество использований и прочие метаданные, а еще преобразует аналоговые сигналы в цифровые; и есть выходной порт, через который выводится информация. Порт может быть на 128 пинов, потому что каждый электрод записывается отдельно.

Эти два устройства соединяются вместе третьим-гибкой пластиковой трубкой в пару мм толщиной и до 2 метров длиной, внутри которой проходят провода от электродов, механические тяжи и есть еще канал для жидкости.

Как происходит ЭФ исследование?

Сначала пациент приходит в клинику. Его принимают, обнимают, переодевают, укладывают на каталку и везут в операционную.
В операционной его встречают хирург, медсестра и оператор. Оператор, к слову, тоже не с улицы - это человек с высшим образованием, отучившийся по специальности "электрофизиолог" и его задача-управлять всей машинерией, проводить визуализацию и анализ получаемых данных, помогать врачу принимать решения относительно терапии и управлять процессом абляции.
Так вот, пациент перебирается на стол и ему вводится местная анестезия.
И устанавливаются датчики для снятия кардиограммы - она снимается непрерывно во время всей процедуры.
Стол снабжен рентгеновским аппаратом.
Врач делает надрез в паховой области, через него добирается до бедренной артерии и заводит в нее катетер. К слову, можно заводить катетер и через руку или шею. Затем включает рентгеновский аппарат и получает почти реал-тайм изображение катетера и его положение. По ходу пьесы врач может заливать через катетер контраст. Он быстро доводит катетер до сердца. Здесь рентген выключается и начинается уже непосредственно исследование. Врач возит катетером по внутренней поверхности сердечной полости, регистрируя электрическую активность в каждой точке. Собранная информация в реальном времени передается на станцию оператора, который используя специальную программу строит 3х мерную карту электрической активности сердца. По ходу дела врач может стимулировать слабыми разрядами отдельные участки внутренней поверхности и наблюдать как стимуляция влияет на общую картину. Иногда это может вернуть работу сердца к норме. Также он может заливать в сердце лекарства через катетер. Возможны также некоторые другие действия, которые я здесь освещать не буду.

Но как врач видит, что он делает? Там же темно!

Верно. Пришло время поговорить о навигации внутри сердца.

В принципе есть 2 способа позиционировать катетер внутри сердца, импедансный и магнитный.

В первом случае, на пациента навешивается 3 пары размещенных друг против друга электродов; каждая пара генерирует независимо от остальных градиентное электрическое поле, вдоль оси соединяющей электроды, с градиентом меняющимся на противоположный с частотой 6-8 кГц. Вместе они создают поле электрического импеданса, с сердцем в центре. Каждой точке в этом поле соответствует свой уровень импеданса. Катетер способен замерять импеданс на каждом электроде; зная, когда он был сгенерирован и считан, можно вычислить положение каждого электрода в 3D.

Второй способ.
Под грудной клеткой пациента установлен генератор магнитного поля, в котором находятся 4 сенсора-3 снизу, один на грудной клетке пациента, это референсные сенсоры, задающие границы области, в которой проводится исследование. Когда в это поле,созданное вокруг торса пациента, заезжает катетер, у него тоже есть магнитный сенсор, который показывает напряженность магнитного поля в конкретной точке. Затем на основе этого сигнала вычисляется точное положение и ориентация катетера. Эта система навигации более точная и может использоваться вместе с импедансной или отдельно.

Небольшой прыжок в сторону.

Как выглядит операционная для ЭФ исследований?
Там есть операционный стол, совмещенный с рентгеновской установкой. В него также вмонтирован генератор магнитного поля. Перед лицом хирурга висит большой дисплей. В другом конце или в соседнем помещении находится оператор. Естественно, есть медсестра или две. Кроме этого, есть набор аппаратуры: машина принимающая сырые сигналы с катетера. Она их обрабатывает, удаляет шумы и передает подготовленные данные через локальную оптоволоконную сеть оператору; перистальтический насос, вливающий пациенту разные жидкости - контраст, лекарства и прочее; прибор для проведения абляции - RF генератор или что-то иное; записывающий прибор, для регистрации всех данных и событий в системе; у оператора есть рабочая станция, линух или виндоус, с GPU. На станции крутится набор специализированного софта, включая программу для построения, анализа и визуализации 3-х мерных карт электрической активности сердца; одновременно отображаются все участвующие в деле катетеры, электроды, их положение, ориентация и форм, а также состояние других компонентов системы. Данные визуализации отражаются на дисплее врача. Есть много разных способов визуализации и анализа; можно например создать динамическую картину протекающих токов. Все это помогает обнаружить электрические аномалии.

Другой софт на станции включает систему для экспорта и архивации медицинских данных в PACS (Picture Archiving and Communication System); систему для совмещения результата исследования с результатами других исследований - МРТ, томография и тому подобное.

Прыжок обратно.

После того как врач закончил возить катетер по полости, он с помощью оператора принимает решение, куда двигаться дальше: отпускать пациента или принимать более жесткие меры.
Если выявляются патологии, которые невозможно залечить более мягкими средствами, врач может решить ликвидировать их с помощью абляции. Это такая процедура, в ходе которой патологические локации уничтожаются или подавляются.

Есть несколько технологий абляции: замораживание, выжигание, электропорация. Первый метод уничтожает очаги аномалии заморозкой, второй с помощью ВЧ радиоизлучения, третья создает локальное электрическое поле, которое дырявит клетку. Последний метод также избирателен: он бьет только по клеткам сердца, не влияя на нервы. Есть также более современные технологии, которые не убивают клетки, а временно подавляют, давая им возможность со временем реабилитироваться.
Если доктор решил жечь, с помощью оператора он разрабатывает стратегию абляции; затем доктор подводит абляционный катетер к нужной точке, прижимает к ней кончик и дальше вступает в дело оператор: устанавливает параметры абляции и запускает абляционную сессию - в случае RF абляции это серия высокочастотных радиоимпульсов.

Когда все сгорело жечь больше нечего, врач вынимает катетеры, закрывает разрезы и заканчивает процедуру. Обычно она занимает 20-40 минут. Пациента везут в реанимацию на отдых, а потом отпускают домой.

Взгляд в будущее.

Что еще можно улучшить в подобных системах? Вообще работы еще много. Популярность процедуры растет, тысячи больниц по всему миру покупают оборудование и еще тысячи хотят. Стоимость одного комплекта около 250-300 тыщ долларов, под него нужны дорогостоящие врачи, медсестры, операторы - значит системы надо упрощать и удешевлять, чтобы сокращать сопутствующие расходы.

Что для этого делается?

Например, разрабатываются новые методы рентгенографии. Пациенту легко - пришел-облучился-ушел, а врач стоит под лучами очень часто. Конечно, он защищен, но за годы сумма набирается значительная. Поэтому нужны новые установки и рентген-датчики, которые позволят сократить радиационную нагрузку.

Нужно сократить время пребывания пациента на столе и уменьшить наносимый операцией ущерб - значит надо ускорить процесс картирования и абляции. Разрабатываются новые катетеры на 64, 128 и даже больше электродов, это позволяет быстрее собирать информацию для анализа.

Новые методы абляции, позволяющие калечить сердечную ткань по-минимуму, а то и вообще временно.

Есть катетеры для проведения ультразвукового исследования - вероятно для обнаружения патологий, которые не видны с помощью электрофизиологических методов.

Новые методы анализа - разные виды машинного обучения, быстро обнаруживающие паттерны и аномалии, и реконструирующие внутренние структуры сердца в модели.

Улучшения в области HMI - чтобы упростить работу и сэкономить время всем. Добавляются облачные технологии и шифрование - для создания информационных хранилищ.

Естественно требуются улучшения безопасности, как физической, так и информационной.

Этот текст был изготовлен без участия БЯМ.

Ссылки

Heart

https://my.clevelandclinic.org/health/body/21704-heart

Cardiac Muscle and Electrical Activity

https://courses.lumenlearning.com/suny-ap2/chapter/cardiac-muscle-and-electrical-activity/

Conduction system of the heart

https://www.kenhub.com/en/library/anatomy/conducting-system-of-the-heart

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079610718301147

Fundamentals of Electrocardiography Interpretation

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC1614214/

Cardiac Conduction System

https://my.clevelandclinic.org/health/body/21648-heart-conduction-system

Ablation

https://www.bhf.org.uk/informationsupport/treatments/ablation

https://en.wikipedia.org/wiki/Catheter_ablation

https://my.clevelandclinic.org/health/diagnostics/16832-cardiac-catheterization

Pulse Field Ablation (PFA)

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11396515/

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

0%Кучу нового0

0%Я в теме, почти все и так знаю0

0%Много нового, и многое было известно.0

0%Зачем это на хабре?0

Никто еще не голосовал. Воздержался 1 пользователь.

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.