Estudio de las manifestaciones electrocardiográficas de la isquemia miocárdica mediante modelado y simulación

Abstract

[ES] En el presente Trabajo Fin de grado se han desarrollado diversos programas informáticos para el estudio de las manifestaciones electrocardiográficas de la isquemia miocárdica mediante simulación computacional. Para ello, este trabajo se ha llevado a cabo en dos fases. El potencial de acción de un cardiomiocito difiere dependiendo de la localización en el miocardio ventricular de la célula, y se altera cuando en la pared ventricular aparece una zona isquémica. Estas diferencias en el potencial de acción se ven reflejadas también en el electrocardiograma (ECG). La finalidad de este trabajo ha sido estudiar los efectos de estas diferencias en el ECG dependiendo de la localización y el grado de isquemia miocárdica. En una primera fase de este trabajo, se han desarrollado unos modelos computacionales y unos programas informáticos en el entorno Matlab® basados en el modelo de simulación del potencial de acción de un cardiomiocito, el modelo de O’Hara. Se han desarrollado 12 modelos correspondientes a 12 posibles de los cardiomiocitos localizaciones en el miocardio ventricular. Se han simulado potenciales de acción de cardiomiocitos en cada localización para cinco grados de isquemia distintos. Finalmente, se han obtenido parámetros significativos (biomarcadores) de dichos potenciales de acción para poder estudiar posteriormente las diferencias. En una segunda fase del trabajo, se han extrapolado los datos de los potenciales de acción obtenidos en el entorno Matlab® al entorno ECGSIM®. Una vez incluidos los valores obtenidos de los parámetros del potencial de acción a un modelo de simulación en ECGSIM®, se ha procedido a simular procesos de isquemia miocárdica en diferentes ubicaciones, tamaños y severidades con el fin de estudiar las manifestaciones electrocardiográficas que generan. Para ello, se han desarrollado algoritmos informáticos de extracción de datos del ECGSIM al entorno Matlab, y algoritmos de medición de ondas en el ECG, para medir específicamente la elevación del segmento ST en cada derivación electrocardiográfica y hallar las diferencias entre señales, así como para detectar las derivaciones en las que las manifestaciones isquémicas son más aparentes. Una vez desarrollado el software y realizadas las simulaciones tanto en el entorno Matlab® como en el ECGSIM®, se han interpretado los datos obtenidos con la finalidad de observar las principales diferencias a nivel del segmento ST en el ECG dependiendo da la localización y grado de isquemia. Para ello, se ha desarrollado también una interfaz de usuario para facilitar la tarea.

[CA] En el present Treball Fi de grau s'han desenvolupat diversos programes informàtics per a l'estudi de les manifestacions electrocardiogràfiques de la isquèmia miocàrdica mitjançant simulació computacional. Per a això, aquest treball s'ha dut a terme en dues fases. El potencial d'acció d'un cardiomiòcit difereix depenent de la localització en el miocardi ventricular de la cèl·lula, i s'altera quan a la paret ventricular apareix una zona isquèmica. Aquestes diferències en el potencial d'acció es veuen reflectides també en l'electrocardiograma (ECG). La finalitat d'aquest treball ha estat en estudiar els efectes d'aquestes diferències en l'ECG depenent de la localització i el grau d'isquèmia miocàrdica. En una primera fase d'aquest treball, s'han desenvolupat uns models computacionals i uns programes informàtics en l'entorn Matlab® basats en el model de simulació del potencial d'acció d'un cardiomiòcit, el model de O'Hara. S'han desenvolupat 12 models corresponents a 12 possibles dels cardiomiòcits localitzacions en el miocardi ventricular. S'han simulat potencials d'acció de cardiomiòcits en cada localització per a cinc graus d'isquèmia diferents. Finalment, s'han obtingut paràmetres significatius (biomarcadors) d'aquests potencials d'acció per poder estudiar posteriorment les diferències. En una segona fase del treball, s'han extrapolat les dades dels potencials d'acció obtinguts en l'entorn Matlab® a l'entorn ECGSIM®. Un cop inclosos els valors obtinguts dels paràmetres del potencial d'acció a un model de simulació en ECGSIM®, s'ha procedit a simular processos d'isquèmia miocàrdica en diferents ubicacions, mides i severitats per tal d'estudiar les manifestacions electrocardiogràfiques que generen. Per a això, s'han desenvolupat algoritmes informàtics d'extracció de dades del ECGSIM a l'entorn Matlab, i algoritmes de mesura d'ones en l'ECG, per mesurar específicament l'elevació del segment ST a cada derivació electrocardiogràfica i trobar les diferències entre senyals, així com per detectar les derivacions en què les manifestacions isquèmiques són més aparents. Un cop desenvolupat el programari i realitzades les simulacions tant en l'entorn Matlab® com en el ECGSIM®, s'han interpretat les dades obtingudes amb la finalitat d'observar les principals diferències a nivell del segment ST a l'ECG depenent dóna la localització i grau de isquèmia. Per a això, s'ha desenvolupat també una interfície d'usuari per facilitar la tasca.

[EN] In the present Final Project, various computer programs have been developed for the study of the electrocardiographic manifestations of myocardial ischemia through computational simulation. For this, this work has been carried out in two phases. The action potential of a cardiomyocyte differs depending on the location in the ventricular myocardium of the cell and is altered when an ischemic area appears in the ventricular wall. These differences in the action potential are also reflected in the electrocardiogram (ECG). The purpose of this work has been to study the effects of these differences in the ECG depending on the location and degree of myocardial ischemia. In the first phase of this work, computational models and computer programs have been developed in the Matlab® environment based on the simulation model of the action potential of a cardiomyocyte, O'Hara's model. We have developed 12 models corresponding to 12 possible cardiomyocyte localizations in the ventricular myocardium. Cardiomyocyte action potentials have been simulated at each location for five different degrees of ischemia. Finally, significant parameters (biomarkers) of these action potentials have been obtained in order to subsequently study the differences. In a second phase of the work, the data of the action potentials obtained in the Matlab® environment have been extrapolated to the ECGSIM® environment. Once the values obtained from the parameters of the action potential have been included in a simulation model in ECGSIM®, we have proceeded to simulate myocardial ischemia processes in various locations, sizes and severities in order to study the electrocardiographic manifestations that they generate. For this, computer algorithms have been developed to extract data from the ECGSIM to the Matlab® environment, and waveform algorithms in the ECG, to specifically measure the ST segment elevation in each electrocardiographic derivation and find the differences between signals, as well as for detect the shunts in which the ischemic manifestations are more apparent. Once the software was developed and the simulations were carried out both in Matlab® and in ECGSIM®, the data obtained was interpreted to observe the main differences at the level of the ST segment in the ECG depending on the location and degree of ischemia. For this, a user interface has also been developed to facilitate the task.