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Computer modeling of cardiac conduction system for arrhythmia research and implantable device testing

研究課題

研究課題/領域番号 20K12046
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分62010:生命、健康および医療情報学関連
研究機関会津大学

研究代表者

Maxim・V Ryzhii  会津大学, コンピュータ理工学部, 上級准教授 (50254082)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
キーワードatrioventricular node / rabbit heart model / Aliev-Panfilov model / dual pathway / AVNRT / Wenckebach periodicity / ECG / MATLAB / cardiac conduction curve / coupling asymmetry / retrograde conduction / ladder diagram / Corrado-Niederer / Aliev-Panfilov / "natural pacemaker" / "nonlinear equation" / "dual pathway" / "cardiac model" / intestine / "sinoatrial node" / Mitchell-Schaeffer / pacemaker / nonlinear equation / oscillator / cardiac model / arrhythmia / computer modeling / conduction system / implantable device
研究開始時の研究の概要

We are going to develop a simple comprehensive computer model of conduction system of the heart for implantable pacemaker testing and cardiac arrhythmia study. Using the developed model, we will perform various computer simulations of the cardiac rhythm disturbances, and investigate possible methods of their control.

研究実績の概要

* Using our AV node model we studied the onset of typical and atypical forms of atrioventricular nodal reentrant tachycardia (AVNRT) and revealed their origin and clinical incidence. We demonstrated for the first time using computer simulations that differences in the effective refractory periods of slow and fast pathways during anterograde and retrograde conduction determine
the type of AVNRT. The obtained results explain significant prevalence of the typical type over atypical one.
* We simulated Wenckebach patterns with our AV node model and revealed the domination of atypical Wenckebach forms with high AV conduction ratios at lower atrial pacing rates. We observed that Wenckebach phenomenon occurs at regular atrial pacing rhythms with cycles shorter than effective refractory periods of fast pathway, more precisely, shorter than the point of transition of conduction from fast to slow pathway. The Wenckebach patterns are formed around the penetrating bundle, where the most pronounced increase of atria-His and His-His interval delays occur.
* We proposed a novel model for generating synthetic ECG, combining AV node with dual pathways, Bachmann’s bandle, and muscle responses. Using the model, we reproduced several cardiac scenarios: tachycardia, AVNRT, atrial fibrillation, and atrial flutter with Wenckebach patterns formation. The model provides a unique possibility to reproduce cardiac conduction scenarios simultaneously as electrical signals inside the cardiac conduction system and outside the body in the form of ECG for better understanding of cardiac electrophysiology.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

Using our previously developed model for pacemaking variant of excitable Aliev-Panfilov cardiac cell model, and our compact atrioventricular node (AVN) model for rabbit heart with dual pathway structure, we performed preliminary study of atrioventricular reentrant tachycardia (AVNRT) and formation of Wenckebach periodicity. We also developed a new model for synthetic ECG simulation based on the combination of our compact AVN model for rabbit heart and previously developed cardiac muscle response model. The results were presented at Computing in Cardiology 2023 and IEEE Int. Conference on Bioinformatics and Biomedicine (BIBM 2023). The pertinent inhouse MATLAB software was developed.

今後の研究の推進方策

We are in a process of a new improved model development for the rabbit AV node under the influence of autonomic nervous system (ANS). Using the improved AV node model, we are going to consider and simulate the following cardiac phenomena: (a) the onset, sustainability and spontaneous termination of the atrioventricular nodal reentrant tachycardia (AVNRT), (b) influence of ANS on the AV node filtering properties during atrial fibrillation, (c) transformation of Wenckebach patterns under the influence of ANS, (d) further development of our ECG simulation models, including simplest human three-oscillator model and more detailed rabbit AV node model based on modified Aliev-Panfilov equation, to provide wider functionality and detalization with the aim of their future hardware implementation.

報告書

(4件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (21件)

すべて 2023 2022 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 9件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 7件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 6件、 招待講演 3件) 備考 (6件)

  • [雑誌論文] Revealing the Origin of Typical and Atypical Forms of Atrioventricular Nodal Reentrant Tachycardia with a Compact Computer Model of Rabbit AV Node2023

    • 著者名/発表者名
      Ryzhii Maxim、Ryzhii Elena
    • 雑誌名

      IEEE Conference Proceedings (IEEE Conf Proc)

      巻: 2023 ページ: 1-4

    • DOI

      10.22489/cinc.2023.080

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Formation of the Wenckebach Periodicity in a Mathematical Model of Rabbit AV Node2023

    • 著者名/発表者名
      E. Ryzhii and M. Ryzhii
    • 雑誌名

      IEEE Conference Proceedings (IEEE Conf Proc)

      巻: 2023 ページ: 1-4

    • DOI

      10.22489/cinc.2023.320

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Simulation of ECG Using a Rabbit Cardiac Conduction Model with Dual-Pathway Atrioventricular Node2023

    • 著者名/発表者名
      Ryzhii Maxim、Ryzhii Elena
    • 雑誌名

      Proceedings - 2023 IEEE Int. Conf. on Bioinformatics and Biomedicine, BIBM 2023

      巻: 196805 ページ: 2197-2200

    • DOI

      10.1109/bibm58861.2023.10385295

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A compact multi-functional model of the rabbit atrioventricular node with dual pathways2023

    • 著者名/発表者名
      M. Ryzhii and E. Ryzhii
    • 雑誌名

      Frontiers in Physiology

      巻: 14 ページ: 1126648-1126648

    • DOI

      10.3389/fphys.2023.1126648

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Pacemaking function of two simplified cell models2022

    • 著者名/発表者名
      M. Ryzhii and E. Ryzhii
    • 雑誌名

      PLOS One

      巻: 17(4) 号: 4 ページ: e0257935-e0257935

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0257935

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Comparison of Responses of Ion-Channel and Simplified Pacemaker Cell Models on External Stimulation2021

    • 著者名/発表者名
      M. Ryzhii and E. Ryzhii
    • 雑誌名

      Proceedings - 2021 IEEE International Conference on Bioinformatics and Biomedicine, BIBM 2021

      巻: 176400 ページ: 2855-2861

    • DOI

      10.1109/bibm52615.2021.9669353

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Pacemaking function of two simplified cell models2021

    • 著者名/発表者名
      M. Ryzhii and E. Ryzhii
    • 雑誌名

      BioRxiv preprint server

      巻: online

    • DOI

      10.1101/2021.09.14.460406

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Simulation of the Effect of AC stimulation on Atrioventricular Node with Nonlinear Model2020

    • 著者名/発表者名
      M. Ryzhii, E. Ryzhii
    • 雑誌名

      Proc. of 11th Conference of the European Study Group on Cardiovascular Oscillations (ESGCO)

      巻: - ページ: 9158159-9158159

    • DOI

      10.1109/esgco49734.2020.9158159

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Simulation of ectopic activity onset in border zones between normal and damaged myocardium with minimal ionic models2020

    • 著者名/発表者名
      Ryzhii Maxim、Ryzhii Elena
    • 雑誌名

      2020 Computing in Cardiology, CinC 2020

      巻: 167094 ページ: 9344249-9344249

    • DOI

      10.22489/cinc.2020.142

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Revealing the Origin of Typical and Atypical Forms of Atrioventricular Nodal Reentrant Tachycardia with a Compact Computer Model of Rabbit AV Node2023

    • 著者名/発表者名
      M. Ryzhii
    • 学会等名
      Computing in Cardiology 2023, 50th Computing in Cardiology, CinC 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Formation of the Wenckebach Periodicity in a Mathematical Model of Rabbit AV Node2023

    • 著者名/発表者名
      M. Ryzhii
    • 学会等名
      Computing in Cardiology 2023, 50th Computing in Cardiology, CinC 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Simulation of ECG Using a Rabbit Cardiac Conduction Model with Dual-Pathway Atrioventricular Node2023

    • 著者名/発表者名
      M. Ryzhii
    • 学会等名
      Proceedings - 2023 IEEE Int. Conf. on Bioinformatics and Biomedicine, BIBM 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Comparison of Responses of Ion-Channel and Simplified Pacemaker Cell Models on External Stimulation2021

    • 著者名/発表者名
      M. Ryzhii
    • 学会等名
      2021 IEEE International Conference on Bioinformatics and Biomedicine, BIBM 2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Simulation of the Effect of AC stimulation on Atrioventricular Node with Nonlinear Model2020

    • 著者名/発表者名
      Ryzhii Maxim
    • 学会等名
      11th Conference of the European Study Group on Cardiovascular Oscillations, ESGCO 2020
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Simulation of Ectopic Activity Onset in Border Zones between Normal and Damaged Myocardium with Minimal Ionic Models2020

    • 著者名/発表者名
      Ryzhii Maxim
    • 学会等名
      2020 Computing in Cardiology, CinC 2020
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] MATLAB and CellML source codes for PLOS One, 2022

    • URL

      https://github.com/mryzhii/Simplified-pacemaker-cell-models

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] MATLAB source code for Front. Physiol. 2023

    • URL

      https://github.com/mryzhii/Compact-model-of-Rabbit-AV-node

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] MATLAB source code for Front. Physiol. 2023

    • URL

      https://doi.org/10.6084/m9.figshare.22015289.v1

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] Video presented at IEEE BIBM 2021 Conference

    • URL

      https://u-aizu.ac.jp/labs/cs-csm/mr/video/BIBM2021_presentation.mp4

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [備考] MATLAB and CellML codes for models at GitHub

    • URL

      https://github.com/mryzhii/Simplified-pacemaker-cell-models

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [備考] Video presentation at CinC 2020 Conference

    • URL

      https://www.u-aizu.ac.jp/labs/cs-csm/mr/video/CINC2020_142.mp4

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-12-25  

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