Diseño y desarrollo de modelos personalizados multiescala de corazón completo para el estudio de la actividad eléctrica cardiaca

Abstract

[ES] Las enfermedades cardiovasculares son la principal causa de muerte en todo el mundo, especialmente las arritmias cardíacas y los trastornos de la conducción eléctrica. En la actualidad, el estudio de estas alteraciones es posible a través del análisis del electrocardiograma (ECG). Sin embargo, acotar espacialmente la región del corazón donde se producen las alteraciones mediante técnicas no invasivas es de gran utilidad para una mejor planificación de procedimientos terapéuticos, como la ablación. Por este motivo, los modelos computacionales tridimensionales que permiten simular la actividad eléctrica cardíaca han ganado importancia, especialmente los modelos de corazón completo que permiten estudiar ciertas patologías derivadas de una mala conducción entre aurículas y ventrículos. En el presente trabajo se tiene como objetivo principal el desarrollo de modelos tridimensionales personalizados de corazón completo (aurículas y ventrículos) para ser utilizados como herramienta en el estudio de la actividad eléctrica cardíaca. Para ello, se realiza la segmentación de los ventrículos a partir de imágenes de tomografía computarizada de pacientes del Hospital Politécnico y Universitario La Fe y se une a los modelos de aurículas y torso ya desarrollados en el Ci2B. Los modelos de corazón completo son acondicionados y suavizados para obtener una malla volumétrica. Además, se realiza una serie de divisiones tanto de las aurículas como los ventrículos en diferentes regiones para representar la heterogeneidad experimentalmente observada y, así, ser lo más realista posible. Previo a las simulaciones tridimensionales, se realizan simulaciones de una fibra de Purkinje para estudiar las condiciones más realistas de la propagación entre aurícula y ventrículo. Finalmente, se realiza un conjunto de simulaciones que permiten reproducir la propagación del potencial de acción por las diferentes regiones del corazón, con el objetivo de analizar los patrones de activación en ritmo sinusal y la variabilidad entre pacientes. Además, se intenta desarrollar, sin éxito, simulaciones de la propagación en un modelo de torso completo en condiciones de control y con las heterogeneidades producidas en la conductividad de los pulmones como consecuencia de la neumonía provocada por el COVID-19, para obtener posibles indicadores de dichas anomalías de manera no invasiva mediante los registros de ECG y compararlo con las condiciones de control.

[CA] Les malalties cardiovasculars són la principal causa de mort a tot el món, especialment les arrítmies cardíaques i els trastorns de la conducció elèctrica. En l'actualitat, l'estudi d'aquestes alteracions és possible a través de l'anàlisi de l'electrocardiograma (ECG). No obstant això, fitar espacialment la regió del cor on es produeixen les alteracions mitjançant tècniques no invasives és de gran utilitat per a una millor planificació de procediments terapèutics, com l'ablació. Per aquest motiu, els models computacionals tridimensionals que permeten simular l'activitat elèctrica cardíaca han guanyat importància, especialment els models de cor complet que permeten estudiar certes patologies derivades d'una mala conducció entre aurícules i ventricles. En el present treball es té com a objectiu principal el desenvolupament de models tridimensionals personalitzats de cor complet (aurícules i ventricles) per a ser utilitzats com a eina en l'estudi de l'activitat elèctrica cardíaca. Per a això, es realitza la segmentació dels ventricles a partir d'imatges de tomografia computada de pacients de l'Hospital Politècnic i Universitari La Fe i s'uneix als models d'aurícules i tors ja desenvolupats en el Ci2B. Els models de cor complet són condicionats i suavitzats per a obtindre una malla volumètrica. A més, es realitza una sèrie de divisions tant de les aurícules com els ventricles en diferents regions per a representar l'heterogeneïtat experimentalment observada i, així, ser el més realista possible. Previ a les simulacions tridimensionals, es realitzen simulacions d'una fibra de Purkinje per a estudiar les condicions més realistes de la propagació entre aurícula i ventricle. Finalment, es realitza un conjunt de simulacions que permeten reproduir la propagació del potencial d'acció per les diferents regions del cor, amb l'objectiu d'analitzar els patrons d'activació en ritme sinusal i la variabilitat entre pacients. A més, s'intenta desenvolupar, sense èxit, simulacions de la propagació en un model de tors complet en condicions de control i amb les heterogeneïtats produïdes en la conductivitat dels pulmons com a conseqüència de la pneumònia provocada pel COVID-19, per a obtindre possibles indicadors d'aquestes anomalies de manera no invasiva mitjançant els registres de ECG i comparar-ho amb les condicions de control.

[EN] Cardiovascular diseases are the leading cause of death worldwide, especially cardiac arrhythmias and electrical conduction disorders. At present, the study of these alterations is possible through the analysis of the electrocardiogram (ECG). However, spatially delimiting the region of the heart where alterations occur using non-invasive techniques is very useful for better planning of therapeutic procedures, such as ablation. For this reason, three-dimensional computational models that allow simulating cardiac electrical activity have gained importance, especially whole-heart models that allow studying certain pathologies derived from poor conduction between atria and ventricles. The main objective of the present work is to develop personalized three-dimensional models of the whole heart (atria and ventricles) to be used as a tool in the study of cardiac electrical activity. To do this, the ventricles are segmented from computed tomography images of patients from the La Fe Polytechnic and University Hospital and are joined to the atria and torso models already developed in the Ci2B. Full heart models are conditioned and smoothed to obtain a volumetric mesh. In addition, a series of divisions of both the atria and ventricles are made into different regions to represent the experimentally observed heterogeneity and thus be as realistic as possible. Prior to the three-dimensional simulations, simulations of a Purkinje fiber are performed to study the most realistic conditions of the propagation between atrium and ventricle. Finally, a set of simulations is carried out that allow to reproduce the propagation of the action potential through the different regions of the heart, in order to analyze the activation patterns in sinus rhythm and the variability between patients. In addition, an attempt is being made to develop, without success, simulations of the spread in a full torso model under control conditions and with the heterogeneities produced in the conductivity of the lungs as a consequence of pneumonia caused by COVID-19, to obtain possible indicators of these anomalies in a non-invasive way using the ECG recordings and compare it with the control conditions.