Desarrollo de modelos ventriculares personalizados multiescala para pacientes pediátricos con arritmias ventriculares

Abstract

[ES] El presente Trabajo de Fin de Máster se enmarca en el ámbito del Modelado y Simulación Cardíaca, puesto que el principal objetivo es generar modelos 3D ventriculares personalizados para cada paciente de modo que se pueda estudiar, mediante simulaciones empleando dichos modelos, arritmias cardíacas. En concreto, los pacientes de estudio son pediátricos. La mayoría de las cardiopatías emergentes en la infancia son de origen congénito, se estima que la incidencia es de 8 por cada 1000 y sigue siendo una de las principales causas de mortalidad infantil en países desarrollados. Las principales arritmias que pueden desarrollarse en estos casos son debidas a alteraciones en la formación de impulsos (automatismo), en la conducción de los impulsos o anomalías en la influencia del sistema autónomo originando focos ectópicos, es decir, contracciones ventriculares o auriculares prematuras. Por ello, se necesitan herramientas de ayuda al diagnóstico y tratamiento de estos pacientes. Los modelos cardíacos personalizados permiten estudiar a través de simulaciones computacionales la actividad eléctrica del corazón y, por tanto, pueden ser un instrumento muy útil para diseñar estrategias precisas de tratamiento, evitando en la medida de lo posible otros métodos más invasivos. Por todo ello, el objetivo general del trabajo final de máster consiste en el desarrollo de modelos computacionales tridimensionales personalizados a partir de las imágenes de resonancia de pacientes pediátricos, con el fin de estudiar las arritmias de dichos pacientes y proporcionar un posible tratamiento a partir de los resultados de las simulaciones. A partir de las imágenes, se realizará una segmentación anatómica de los ventrículos de cada uno de los pacientes. Tras este primer paso, se realizará un suavizado y acondicionamiento de las mallas geométricas con el fin de proceder a su mallado volumétrico de elementos finitos. Por último, se llevarán a cabo simulaciones electrofisiológicas con los modelos generados en condiciones de ritmo sinusal y de arritmias ventriculares. El fin último de estos modelos es dotar a los clínicos de una herramienta para poder planificar estrategias de tratamiento, como puede ser la ablación por radiofrecuencia u otras técnicas.

[CA] El present Treball de Fi de Màster s'emmarca en l'àmbit del Modelatge i Simulació Cardíaca, ja que el principal objectiu és generar models 3D ventriculars personalitzats per a cada pacient de manera que es puga estudiar, mitjançant simulacions emprant aquests models, arrítmies cardíaques. En concret, els pacients d'estudi són pediàtrics. La majoria de les cardiopaties emergents en la infància són d'origen congènit, s'estima que la incidència és de 8 per cada 1000 i continua sent una de les principals causes de mortalitat infantil en països desenvolupats. Les principals arrítmies que poden desenvolupar-se en aquests casos són degudes a alteracions en la formació d'impulsos (automatisme), en la conducció dels impulsos o anomalies en la influència del sistema autònom originant focus ectòpics, és a dir, contraccions ventriculars o auriculars prematures. Per això, es necessiten eines d'ajuda al diagnòstic i tractament d'aquests pacients. Els models cardíacs personalitzats permeten estudiar a través de simulacions computacionals l'activitat elèctrica del cor i, per tant, poden ser un instrument molt útil per a dissenyar estratègies precises de tractament, evitant en la mesura que siga possible altres mètodes més invasius. Per tot això, l'objectiu general del treball final de màster consisteix en el desenvolupament de models computacionals tridimensionals personalitzats a partir de les imatges de ressonància de pacients pediàtrics, amb la finalitat d'estudiar les arrítmies d'aquests pacients i proporcionar un possible tractament a partir dels resultats de les simulacions. A partir de les imatges, es realitzarà una segmentació anatòmica dels ventricles de cadascun dels pacients. Després d'aquest primer pas, es realitzarà un suavitzat i condicionament de les malles geomètriques amb la finalitat de conducta a la seua mallado volumètric d'elements finits. Finalment, es duran a terme simulacions electrofisiològiques amb els models generats en condicions de ritme sinusal i d'arrítmies ventriculars. La fi última d'aquests models és dotar als clínics d'una eina per a poder planificar estratègies de tractament, com pot ser l'ablació per radiofreqüència o altres tècniques.

[EN] The present Final Master¿s Project can be classified in the field of Cardiac Modeling and Simulation, since the main objective is to generate personalized 3D ventricular models for each patient so that cardiac arrhythmias can be studied through simulations using these models. Specifically, the patients of study are pediatric. Most of the emerging heart diseases in childhood are of congenital origin, it is estimated that the incidence is 8 out of 1000 and it continues to be one of the main causes of infant mortality in developed countries. Arrhythmias developed in these cases are mainly due to alterations in the formation of impulses (automatism), in the conduction of impulses or anomalies in the influence of the autonomic system, causing ectopic foci, that is, premature ventricular or atrial contractions. For this reason, tools to help in the diagnose and treatment of these patients are needed. Personalized cardiac models allow to study the electrical activity of the heart through computer simulations and, therefore, can be a very useful tool for the design of treatment strategies, avoiding as far as possible invasive methods. Therefore, the general objective of the master's thesis is to develop personalized threedimensional computational models from resonance images of pediatric patients, to study the arrhythmias of these patients and provide a possible treatment from simulation results. First, an anatomical segmentation of the ventricles from resonance images will be performed for each patient. Then, smoothing and conditioning of the geometric meshes will be carried out to proceed to their volumetric meshing of finite elements. Finally, electrophysiological simulations will be performed with the generated models under sinus rhythm and ventricular arrhythmias conditions. The main goal of these models is to provide clinicians with a tool to plan treatment strategies, such as radiofrequency ablation or other techniques.