Diseño y desarrollo de una metodología para la creación de modelos personalizados anatómicos y electrofisiológicos de aurículas y torso humanos

Abstract

[ES] Las enfermedades cardiovasculares son la primera causa de muerte en el mundo en los países desarrollados. Entre ellas, las arritmias supraventriculares tales como la taquicardia o fibrilación auriculares son muy frecuentes, y contribuyen sustancialmente a la morbimortalidad cardiaca. Para entender con más detalle estas patologías sin tener que recurrir a métodos invasivos, las simulaciones computacionales electrofisiológicas de modelos cardiacos se han convertido en una importante herramienta en los últimos años. El desarrollo de modelos 3D cardiacos personalizados permite estudiar la actividad eléctrica cardiaca de manera específica para la optimización de la prevención, diagnóstico y tratamiento del paciente. El objetivo principal de este trabajo es el diseño de una metodología para la creación de modelos 3D multi-escala de aurícula y torso humanos personalizados para cada paciente. Por tanto, se desarrollaron modelos de aurículas y de torso completo, y de solamente aurículas, y se realizaron simulaciones electrofisiológicas para estudiar sus diferentes comportamientos. El primer paso fue la segmentación anatómica de las aurículas y los principales órganos del torso para obtener los modelos de superficie, a partir de imágenes de tomografía axial computarizada proporcionadas por el Hospital Politécnico y Universitario La Fe. Se efectuó un suavizado y acondicionamiento para los modelos de superficie, y se definió e implementó un grosor homogéneo en los modelos auriculares. Los órganos del torso segmentados, además de las aurículas, fueron: hígado, riñones, pulmones, huesos, vasos sanguíneos principales, superficie del torso (piel), y ventrículos. Debido a la alta heterogeneidad de las aurículas, un algoritmo se desarrolló para dividir de manera semiautomática las 45 regiones auriculares que poseen diferentes propiedades histológicas, funcionales o electrofisiológicas. A partir de los modelos de superficie, se generó una malla hexaédrica volumétrica de elementos finitos. Posteriormente, la dirección de fibras se definió basándose en estudios histológicos previos. Finalmente, se realizaron diferentes simulaciones electrofisiológicas con los modelos obtenidos tanto en condiciones de ritmo sinusal, para validación, como de arritmias supraventriculares, con el objetivo de analizar los distintos patrones de propagación en patología cardíaca respecto de condiciones de control, así como la variabilidad entre pacientes. Para ambos, la validación en control y el análisis de los patrones arrítmicos, se utilizaron los mapas de propagación de potenciales de acción en las aurículas, y los electrocardiogramas (ECG) y mapas de potencial en la superficie del torso (BSPM).

[EN] Cardiovascular diseases are the leading cause of death in the world in developed countries. Among them, supraventricular arrhythmias such as atrial tachycardia or are frequent and contribute substantially to cardiac morbidity and mortality. To understand these pathologies in more detail without using invasive methods, the electrophysiological computational simulations of cardiac models have become an important tool in recent years. The development of personalized 3D cardiac models allows to study the cardiac electrical activity in a specific way for the optimization of the prevention, diagnosis and treatment of the patient. The main objective of this work is the design of a methodology for the creation of 3D multi-scale models of human atrium and torso for each patient. Therefore, models of atria and complete torso, as well as only atrial models, were developed, and electrophysiological simulations were performed to study their different behaviors. The first step was the anatomical segmentation of the atria and the main organs of the torso to obtain the surface models, from computerized axial tomography images provided by the Hospital Politécnico y Universitario La Fe. A smoothing and conditioning was done for the surface models, and a homogeneous thickness was defined and implemented in the auricular models. The organs of the segmented torso, in addition to the atria, were: liver, kidneys, lungs, bones, main blood vessels, surface of the torso (skin), and ventricles. Due to the high heterogeneity of the atria, an algorithm was developed to semi-automatically divide a total of 45 atrial regions that have different histological, functional or electrophysiological properties. From the surface models, a hexahedral finite element mesh was generated. Subsequently, fiber direction was defined based on previous histological studies. Finally, different electrophysiological simulations were performed with the models obtained both in conditions of sinus rhythm, for validation, as well as supraventricular arrhythmias with the aim of analyzing the differences in the propagation patterns for cardiac pathology with respect to control conditions, and the variability among patients. For both, the validation in control and the analysis of the arrhythmic patterns, action potentials propagation maps in the atria, and electrocardiograms (ECG) and body surface potential maps (BSPM) on the torso were used.