Эффект Доплера поможет быстро определять эффект электротерапии аритмий сердца

Любые отклонения сердечного ритма от нормального синусового называются аритмией. Чаще всего человек даже не подозревает об их наличии, однако есть и более тяжелые формы. Так, некоторые опасные аритмии сердца связаны с появлением в миокарде особых волн электрического возбуждения клеток — спиральных волн, распространяющихся от точки возникновения по спирали. Они возникают либо в предсердиях, либо в желудочках. В первом случае человек их может даже не ощущать, но они повышают риск смерти от тромбов, образующихся в сердце. Во втором случае больной падает в обморок или умирает, потому что сердце начинает очень плохо перекачивать кровь.

Есть три основных подхода к лечению аритмий: прижигание проблемного участка (он погибнет и не сможет запускать патологическое возбуждение), прием специальных препаратов и электротерапия. Последний набирает все большую популярность, поскольку не такой травмирующий, как первый, и намного эффективнее второго. Суть подхода заключается в том, что кардиостимулятор имплантируют под кожу на груди пациента, а отходящие от него электроды проводят по сосудам в сердце и размещают их концы в миокарде. Прибор реагирует на аномалии сердечного ритма и пускает электрический разряд. Он может быть слабым или достаточно сильным — шоковым. Для пациента в сознании важно обеспечить безболезненность такого импульса, а потому необходимо развивать низковольтную электротерапию — пока недостаточно действенную.

«Сейчас обычно используют стимуляцию с фиксированным периодом — 80% от периода спиральной волны, но этот метод имеет эффективность лишь около 70%. Наши расчеты показывают, что целесообразно подавать импульсы с периодами от 70% до 95% от периода спиральной волны. Мы предлагаем метод, который позволит быстро определять, результативна ли стимуляция. Он основан на эффекте Доплера — изменении характеристик волны в зависимости от того, где находится наблюдатель или измеряющий прибор», — говорит руководитель проекта по гранту РНФ Сергей Правдин, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник и заведующий сектором математического моделирования в кардиологии Института математики и механики имени Н. Н. Красовского УрО РАН.

Ученые из Института математики и механики УрО РАН и Гентского университета (Бельгия) при помощи компьютерного моделирования выяснили, как в миокарде распространяются спиральные волны. Сначала они создавали стабильно вращающуюся волну, которая возникает при аритмии, а затем заставляли ее дрейфовать по компьютерному сердцу с помощью виртуальной стимуляции с электрода.

Оказалось, что период (время совершения полного колебания) дрейфующей волны зависит от места его измерения, причем достаточно точно работает формула Доплера, связывающая период волны и скорость ее дрейфа. Если измерять периоды во множестве точек, то можно предсказать наличие дрейфа волны и его направление — именно это и удалось исследователям в экспериментах с трехмерной моделью желудочка сердца, причем достаточно было всего двух-трех оборотов волны. Также авторы научились по периоду колебаний электрического потенциала клеток предсказывать скорость дрейфа.

«По результатам исследования мы вывели простые критерии эффективности стимуляции. Они охватывают и такие диагнозы, как желудочковая тахикардия, при которой очаги возбуждения находятся в желудочках и ускоряют сердцебиение. В этом случае может произойти неожиданная остановка сердца, и кардиостимулятор обычно выполняет роль дефибриллятора, подающего высоковольтный импульс. Наша цель — разработать алгоритмы, которые позволили бы обойтись без такой шоковой терапии», — отметил Сергей Правдин.