MioAtlas
Technische und biophysikalische Spezifikation

Methodik und Modellgrundlagen

Technische Dokumentation über mathematische Grundlagen, Koordinatentransformationen, elektrophysiologische Parameter und wissenschaftliche Quellen des MioAtlas 3D-Herzsimulators.

Letzte technische Prüfung: · Schemaversion: 1.0.0

1. Gegenstand und Zweck dieses Dokuments

Dieses Dokument legt die mathematische und biophysikalische Formulierung von MioAtlas dar. In der interaktiven medizinischen Simulation ist algorithmische Transparenz unerlässlich: Jeder quantitative Parameter und Vektor muss wissenschaftlich belegt sein.

Die Offenlegung ermöglicht es Studierenden und Forschenden, die Entstehung der 12-Kanal-EKG-Signale und deren Zusammenhang mit Koronarverschlüssen nachzuvollziehen.

Entwicklungschronologie: Die erste funktionale Version (3D-Herz, Koronararterien, Ischämie und 12-Kanal-EKG) entstand an einem Tag. Das Reizleitungssystem, der Katalog von 43 Arrhythmien und der Augmented-Reality-Modus folgten in den Tagen bis zum 12. September 2026.

2. Rekonstruktion der Koronaranatomie

Der Koronargefäßbaum modelliert 11 epikardiale Arterien: Hauptstamm (LM), RIVA (LAD), RCX, RCA, Diagonaläste (D1, D2), Marginaläste (OM1, OM2, AM), RIVP (PDA) und PLB.

Zwei Spline-Typen sichern die kontinuierliche Krümmung in den anatomischen Sulci:

  • Kubische Bezier-Splines (LAD und LM): Positionskontrollpunkte und Tangentenvektoren über THREE.CubicBezierCurve3.
  • Zentripetale Catmull-Rom-Splines (RCX, RCA und Äste): THREE.CatmullRomCurve3(points, false, 'centripetal') verhindert Artefakte in engen Krümmungen.

Kanonische Koordinatentransformation

Kurven werden in Blender (+Z oben, Rechtssystem) erstellt und zur Laufzeit für WebGL/glTF (+Y oben) transformiert:

coordenadas_glTF = [x_blender, z_blender, -y_blender]

Die Konvertierung wird beim Start durch automatische Assertionen verifiziert (assertCoordinateConversion).

Anatomische Validierung ischämischer Territorien

Die 6 STEMI-Territorien basieren auf dem 17-Segment-Modell der AHA/ACC (Cerqueira et al., 2002).

Die Volumina wurden pixelgenau auditiert (Herz in Tele-Diastole bei 0,0 s, 100 % Myokardopazität, etablierte Phase mit Intensität 0,98).

3. Modellierung des Erregungsleitungssystems

Das Reizleitungssystem wird im Frontalschnitt dargestellt und umfasst:

  • 17 anatomische Hauptstämme: Sinusknoten (SAN), internodale Bahnen (Wenckebach, Thorel), Bachmann-Bündel, AV-Knoten (AVN, Koch-Dreieck), His-Bündel, rechter Schenkel (RBB), linker Hauptschenkel (LBB) mit anteriorem, posteriorem und septalem Faszikel sowie Kent-Bündel.
  • 84 Purkinje-Verzweigungen: Subendokardiales Netzwerk zur Aktivierung beider Ventrikel.

Leitungsgeschwindigkeiten im Gewebe

Die Impulsausbreitung folgt elektrophysiologischen Referenzwerten:

  • Sinusknoten (Austritt): 0,05 m/s.
  • Vorhofmyokard: 1,0 m/s.
  • AV-Knoten (dekrementelle Verzögerung): 0,05 m/s.
  • His-Purkinje-System: 2,0 bis 4,0 m/s.
  • Kammermyokard: 0,4 bis 0,5 m/s.

Ausbreitungschronometrie (Sinusrhythmus)

Vom Sinusknotenstart (t = 0 ms) an gelten physiologische Aktivierungsfenster (conductionTimingMs):

Segment / Struktur Eigenschaft Dauer Kumulatives Fenster
Sinusknotenaustritt saExit 5 ms 0 – 5 ms
Vorhofausbreitung atrialSpread 60 ms 5 – 65 ms
AV-Verzögerung avDelay 80 ms 60 – 140 ms
His-Bündel his 15 ms 140 – 155 ms
Hauptschenkel (RBB/LBB) branches 20 ms 155 – 175 ms
Faszikel (LAF/LPF/LSF) fascicles 15 ms 175 – 190 ms
Purkinje-Netzwerk purkinje 15 ms 190 – 205 ms
Kammermyokard ventricularMyocardium 85 ms 205 – 290 ms

4. Mathematische EKG-Synthese

Der Monitor synthetisiert 12 Standardableitungen (I, II, III, aVR, aVL, aVF, V1–V6) und 5 Zusatzableitungen (V7–V9, V3R, V4R) in Echtzeit.

Deterministischer 120-Hz-Akkumulator

Ein fester Zeitschritt von 120 Hz (Δt = 8,333 ms) stellt klinische Kalibrierung sicher:

  • Vorschub: 25 mm/s (1 mm = 0,04 s; 5 mm = 0,20 s).
  • Spannung: 10 mm/mV (1 mm = 0,1 mV; 10 mm = 1,0 mV).
  • 12-Kanal-Segmente: 2,5 Sekunden (300 Abtastwerte bei 120 Hz).
  • Rhythmusstreifen (II): 10,0 Sekunden (1.200 Abtastwerte bei 120 Hz).

Referenzintervalle

Bei 72 bpm gelten die Standardwerte (referenceIntervalsMs):

  • P-Welle (p): 90 ms (Referenz: 80–100 ms).
  • PR-Intervall (pr): 160 ms (Referenz: 120–200 ms).
  • QRS-Komplex (qrs): 90 ms (Referenz: 80–100 ms).
  • Basales QT-Intervall (qt): 390 ms bei 72 bpm (Referenz: 350–430 ms).

QT-Frequenzanpassung: Fridericia vs. Bazett

Das Modell nutzt die Fridericia-Formel (Kubikwurzel aus RR) anstelle von Bazett:

QT(RR) = QT_base · (RR / RR_72)^(1/3)

Begründung: Bazett neigt bei Tachykardien zu Überkorrektur. Fridericia gewährleistet physiologische Stabilität zwischen 200 und 600 ms.

3D-Thoraxvektoren und Herzdipol

Elektrodenkoordinaten im Thorax: RA [-0.080, +0.070, -0.025], LA [+0.080, +0.065, +0.025], LL [0.000, -0.090, +0.055] und V1–V6. Die Ableitungsspannung resultiert aus dem Skalarprodukt des Dipols mit den Richtungsvektoren (Frank 1956).

5. Was der Simulator NICHT leistet: Physiologische Vereinfachungen

Für flüssige 60 FPS im Browser nutzt MioAtlas gezielte Vereinfachungen:

1. Keine Lösung von Differenzialgleichungen via Finite Elemente

Der Simulator nutzt Wellenfrontausbreitung statt Ionenkanal-Kinetik (Hodgkin-Huxley).

2. Dominanz in drei diskreten Mustern ohne Ostium-Anomalien

Modelliert Rechts-, Links- und Kodominanz, aber keine intramyokardialen Brücken oder atypischen Abgänge.

3. Ischämie als geometrische Volumina statt Mikrozirkulationshydrodynamik

Infarktbereiche basieren auf kalibrierten Ellipsoiden, nicht auf Druck-Fluss-Dynamik.

4. Mechanische Kopplung über Morph-Targets

Herzkontraktion über Shape-Keys ohne Frank-Starling-Kurvenberechnung.

5. Vektorprojektion ohne heterogenen Rumpfleiter

Dipolprojektion ohne Lösung der 3D-Laplace-Gleichung für Lungen- und Knochenwiderstände.

6. Phasische Ereignistabellen für körperliche Untersuchung

Jugularispuls und Herztöne über zeitgesteuerte Kurvenfunktionen statt invasiver Messung.

6. Wissenschaftliche Quellen und Referenzliteratur

  1. Kligfield P, Gettes LS, Bailey JJ, et al. (2007). "Recommendations for the standardization and interpretation of the electrocardiogram: Part I: The electrocardiogram and its technology". Circulation. 2007;115(10):1306-1324.
    DOI 10.1161/CIRCULATIONAHA.106.180200
  2. Surawicz B, Childers R, Deal BJ, et al. (2009). "Recommendations for the standardization and interpretation of the electrocardiogram: Part III: Intraventricular conduction disturbances". Circulation. 2009;119(10):e235-e240.
    DOI 10.1161/CIRCULATIONAHA.108.191095
  3. Rautaharju PM, Surawicz B, Gettes LS, et al. (2009). "Recommendations for the standardization and interpretation of the electrocardiogram: Part IV: The ST segment, T and U waves, and the QT interval". Circulation. 2009;119(10):e241-e250.
    DOI 10.1161/CIRCULATIONAHA.108.191096
  4. Wagner GS, Macfarlane P, Wellens H, et al. (2009). "AHA/ACCF/HRS Recommendations for the Standardization and Interpretation of the Electrocardiogram: Part VI: Acute Ischemia/Infarction". Circulation. 2009;119(10):e262-e270.
    DOI 10.1161/CIRCULATIONAHA.108.191098
  5. Cerqueira MD, Weissman NJ, Dilsizian V, et al. (2002). "Standardized myocardial segmentation and nomenclature for tomographic imaging of the heart". Circulation. 2002;105(4):539-542.
    DOI 10.1161/hc0402.102975
  6. Anderson RH, Yanni J, Boyett MR, Chandler NJ, Dobrzynski H. (2009). "The anatomy of the cardiac conduction system". Clin Anat. 2009;22(1):99-113.
    DOI 10.1002/ca.20700
  7. Frank E. (1956). "An accurate, clinically practical system for spatial vectorcardiography". Circulation. 1956;13(5):737-749.
    DOI 10.1161/01.cir.13.5.737
  8. Fridericia LS. (1920). "Die Systolendauer im Elektrokardiogramm bei normalen Menschen und bei Herzkranken". Acta Med Scand. 1920;53:469-486.
    DOI 10.1111/j.0954-6820.1920.tb18266.x
  9. Bazett HC. (1920). "An analysis of the time-relations of electrocardiograms". Heart. 1920;7:353-370.
  10. Sovilj S, Magjarević R, Lovell NH, Dokos S. (2013). "A simplified 3D model of whole heart electrical activity and 12-lead ECG generation". Comput Math Methods Med. 2013;2013:134208.
    DOI 10.1155/2013/134208 PMID 23737838
  11. Thygesen K, Alpert JS, Jaffe AS, et al. (2019). "Fourth Universal Definition of Myocardial Infarction (2018)". Eur Heart J. 2019;40(3):237-269.
    DOI 10.1093/eurheartj/ehy462

7. Redaktioneller Status und Zusammenarbeit

Keine Begutachtung durch einen Facharzt für Kardiologie.

MioAtlas wurde vollständig von Guillermo Nimubona Castrillo, Absolvent der Medizin und KI-Berater, entwickelt.

Fachärztliche Unterstützung zur Begutachtung der Modelle ist willkommen. Kontakt: contacto@mioatlas.com.

Pädagogischer Inhalt. Kein Diagnosewerkzeug und kein Ersatz für die Beurteilung durch medizinisches Fachpersonal. Medizinischer Hinweis.