Desarrollo de modelos 3D electrofisiológicos personalizados para el análisis de la influencia de la variabilidad estructural y la fibrosis sobre la actividad eléctrica de la aurícula

Abstract

[ES] El estudio electrofisiológico del corazón es de vital importancia en la prevención, diagnóstico y tratamiento de las enfermedades cardiovasculares. Las simulaciones computacionales de modelos cardiacos permiten realizar estos estudios de forma no invasiva. La estructura de la aurícula presenta una gran heterogeneidad en cuanto a forma, tamaño y grosor en función del sujeto, causando así diferencias en la propagación de la actividad eléctrica. Esto refleja la importancia de desarrollar modelos personalizados que se adecúen a la anatomía específica del paciente. Por otro lado, en condiciones patológicas, la aparición de fibrosis en las paredes de la aurícula causa una heterogeneidad en el tejido que ralentiza la conducción eléctrica y que puede concluir en la creación de un foco arrítmico. El objetivo de este trabajo es el desarrollo de modelos tridimensionales de aurícula personalizados para realizar simulaciones cuyo análisis ilustre las diferencias en la propagación eléctrica, causadas tanto por la propia variabilidad anatómica de los pacientes, como por el efecto de la fibrosis. Se han construido modelos realistas que tienen en cuenta la heterogeneidad en función de la región anatómica de diferentes propiedades, como el grosor de las paredes, la dirección de fibra, el modelo iónico y las conductividades y anisotropías para la propagación del estímulo eléctrico. Para la resolución de las simulaciones se generó una malla hexaédrica de elementos finitos que incluía estas propiedades. Finalmente, se realizaron diferentes simulaciones electrofisiológicas con los modelos obtenidos. Por un lado, en condiciones de control, para validar su capacidad de reproducir la actividad eléctrica, y por otro, en condiciones patológicas con fibrosis para estudiar las diferencias de propagación con respecto a las condiciones normales y entre los diferentes pacientes. Se obtuvieron distintos patrones de propagación en condiciones patológicas, probando la importancia de la creación de modelos personalizados para cada paciente.

[EN] Electrophysiological studies of the heart are of vital importance in the prevention, diagnosis and treatment of cardiovascular diseases. Computational simulations of cardiac models represent one way to carry out these studies non-invasively. Atrium¿s structure presents great heterogeneity in terms of shape, size and thickness depending on the patient, thus causing differences in the propagation of electrical activity. Therefore, it is important to develop customized models that fit the specific anatomy of the patient. In addition, under pathological conditions, the appearance of fibrosis on atrial walls causes heterogeneity in the tissue that leads to an electrical conduction slowing, which may conclude in the creation of an arrhythmic focus. Main objective of this work is the development of personalized three-dimensional models of the atrium to perform computer simulations whose analysis illustrates the differences in electrical propagation caused both by the patients' anatomical variability and by the effect of fibrosis. Realistic models have been constructed taking into account heterogeneity in terms of anatomical region of different properties, such as wall thickness, fibre direction, ionic model and conductivities and anisotropies for the propagation of the electrical stimulus. For the resolution of the simulations, a hexahedral finite element mesh was generated with these properties. Finally, different electrophysiological simulations were performed with the obtained models. On one hand, under control conditions, to validate their ability to reproduce electrical activity, and on the other hand, under pathological conditions with fibrosis, to study the differences in propagation with respect to normal conditions and between different patients. Different patterns of propagation in pathological conditions were obtained, proving the importance of creating personalized models for each patient.

[CA] L'estudi electrofisiològic del cor és de vital importància en la prevenció, diagnòstic i tractament de les malalties cardiovasculars. Les simulacions computacionals de models cardíacs permetin realitzar aquests estudis de manera no invasiva. L'estructura de l'aurícula presenta una gran heterogeneïtat quant a forma, grandària i gruix en funció del subjecte, causant així diferències en la propagació de l'activitat elèctrica. Per tant, resulta important el desenvolupament de models personalitzats que s'adeqüin a l'anatomia específica del pacient. D'altra banda, en condicions patològiques, l'aparició de fibrosi en les parets de l'aurícula causant una heterogeneïtat en el teixit que alenteix la conducció elèctrica i que pot concloure en la creació d'un focus arrítmic. L'objectiu principal d'aquest treball és el desenvolupament de models tridimensionals d'aurícula personalitzats per a realitzar simulacions l’anàlisi de les quals illustri les diferències en la propagació elèctrica, causades tant per la pròpia variabilitat anatòmica dels pacients, com per l'efecte de la fibrosi. S'han construït models realistes que tenen en compte l'heterogeneïtat en funció de la regió anatòmica de diferents propietats, com el gruix de les parets, la direcció de fibra, el model iònic i les conductivitats i anisotropies per a la propagació de l'estímul elèctric. Per a la resolució de les simulacions es va generar una malla hexaèdrica d'elements finits que incloïa aquestes propietats. Finalment, es van realitzar diferents simulacions electrofisiològic amb els models obtinguts. D'una banda, en condicions de control, per a validar la seua capacitat de reproduir l'activitat elèctrica, i per un altre, en condicions patològiques amb fibrosis per a estudiar les diferències de propagació respecte a les condicions normals i entre els diferents pacients. Es van obtindre diferents patrons de propagació en condicions patològiques, provant la importància de la creació de models personalitzats per a cada pacient.