Estudio mediante simulación de la generación de arritmias reentrantes en distintos estadios tras un infarto de miocardio

Abstract

[ES] Las enfermedades cardiovasculares son la primera causa de muerte en todo el mundo y las isquemias cardíacas y sus consecuencias, en concreto las arritmias, suponen una parte importante de estas muertes. Tras un infarto de miocardio el tejido muerto comienza un proceso de curación que lleva a una remodelación cardíaca, provocando la aparición de una estructura fibrosa conocida como cicatriz miocárdica. Estudios recientes sugieren que el potencial arritmogénico de esta cicatriz es un indicador más preciso del riesgo de arritmias que los usados hasta ahora, como la fracción de eyección del corazón. La estructura y morfología de las cicatrices puede extraerse a partir de imágenes médicas haciendo posible la modelización de estas en 3D junto al tejido miocárdico del que son parte. Modelizaciones como estas permiten realizar estudios de simulación que revelan los mecanismos subyacentes a estas arritmias, como las reentradas, y determinan el potencial arritmogénico del tejido cicatricial. Establecer el riesgo de un paciente a sufrir arritmias puede ayudar a decidir qué tratamientos es preciso llevar a cabo para mejorar el pronóstico tras sobrevivir a un infarto. En el presente TFM se ha construido un modelo completo de ventrículos cardíacos a partir de imágenes clínicas de un paciente tras un infarto de miocardio con el fin de realizar un estudio de simulación que mostrase el potencial arritmogénico de la cicatriz miocárdica resultante en dos momentos distintos: seis meses tras el infarto y cuatro años tras el infarto. Las técnicas utilizadas para el modelado han supuesto una personalización del caso al paciente concreto del cual se han extraído las imágenes y en el modelado funcional se ha utilizado técnicas avanzadas en diferenciación del tejido miocárdico sano e isquémico según la literatura científica al respecto, así como algoritmos potentes de simulación que siguen el modelado bioeléctrico desarrollado por O¿Hara en 2011. El modelado cardíaco de los ventrículos y la lesión isquémica en ambas fases post infarto revela que la cicatriz miocárdica comienza siendo una masa compacta de tejido fibroso totalmente afuncional y que, con el tiempo, el remodelado cardíaco provoca la progresiva sustitución de este por tejido parcialmente funcional que permite la propagación del estímulo cardiaco a través de la cicatriz. Las simulaciones llevadas a cabo indican que los instantes temporales estudiados son fases demasiado tempranas (seis meses tras infarto) y demasiado tardías (cuatro años tras infarto) de la remodelación cardíaca, lo que supone un potencial arritmogénico bajo del tejido cicatricial al no cumplir este con las condiciones para conformar un circuito de reentrada óptimo, siendo los motivos distintos en cada caso y coherentes con la literatura. No obstante, en el modelo de la fase más tardía se ha observado un circuito pequeño de reentrada no persistente provocado por tejido cicatricial cercano a la zona del ápex. En definitiva, se concluye que los modelos cardíacos construidos a partir de imágenes clínicas ayudan a comprender las consecuencias derivadas de las diferencias estructurales de las cicatrices miocárdicas y, por tanto, a catalogar el riesgo potencial de un superviviente de infarto de sufrir una arritmia a lo largo del tiempo usando técnicas centradas en el paciente que mejoren la toma de decisiones en cuanto al tratamiento a seguir y también el pronóstico de los pacientes.

[CA] Les malalties cardiovasculars són la primera causa de mort en tot el món i les isquèmies cardíaques i les seues conseqüències, en concret les arrítmies, suposen una part important d’aquestes morts. Després d'un infart de miocardi el teixit mort comença un procés de curació que porta a una remodelació cardíaca, provocant l'aparició d'una estructura fibrosa coneguda com a cicatriu miocàrdica. Estudis recents asseguren que el potencial arritmogènic d'aquesta cicatriu és un indicador més precís del risc d'arrítmies que els usats fins ara, com la fracció d'ejecció del cor. L'estructura i morfologia de les cicatrius pot extraure's a partir d'imatges mèdiques fent possible la modelització d'aquestes en 3D al costat del teixit miocàrdic del qual són part. Modelitzacions com aquestes permeten realitzar estudis de simulació que revelen els mecanismes subjacents a aquestes arrítmies, com les reentrades, i determinen el potencial arritmogènic del teixit cicatricial. Establir el risc d'un pacient a patir arrítmies pot ajudar a decidir quins tractaments cal dur a terme per a millorar el pronòstic després de sobreviure a un infart. En el present TFM s'ha construït un model complet de ventricles cardíacs a partir d'imatges clíniques d'un pacient després d'un infart de miocardi amb la finalitat de realitzar un estudi de simulació que mostrara el potencial arritmogènic de la cicatriu miocàrdica resultant en dos moments diferents: sis mesos després de l'infart i quatre anys després de l'infart. Les tècniques utilitzades per al modelatge han suposat una personalització del cas al pacient concret del qual s'han extret les imatges i en el modelatge funcional s'ha utilitzat tècniques avançades en diferenciació del teixit miocàrdic sa i isquèmic segons la literatura científica sobre aquest tema, així com algorismes potents de simulació que segueixen el modelatge bioelèctric desenvolupat per O’Hara en 2011. El modelatge cardíac dels ventricles i la lesió isquèmica en totes dues fases post infart revela que la cicatriu miocàrdica comença sent una massa compacta de teixit fibrós no funcional en absolut i que, amb el temps, el remodelat cardíac provoca la progressiva substitució d'aquest per teixit parcialment funcional que permet la propagació de l'estímul cardíac a través de la cicatriu. Les simulacions dutes a terme indiquen que els instants temporals estudiats són fases massa primerenques (sis mesos després d'infart) i massa tardanes (quatre anys després d'infart) de la remodelació cardíaca, la qual cosa suposa un potencial arritmogènic sota del teixit cicatricial al no complir aquest amb les condicions per a conformar un circuit de reentrada òptim, sent els motius diferents en cada cas i coherents amb la literatura. No obstant això, en el model de la fase més tardana s'ha observat un circuit xicotet de reentrada no persistent provocat per teixit cicatricial pròxim a la zona del àpex. En definitiva, es conclou que els models cardíacs construïts a partir d'imatges clíniques ajuden a comprendre les conseqüències derivades de les diferències estructurals de les cicatrius miocàrdiques i, per tant, a catalogar el risc potencial d'un supervivent d'infart de patir una arrítmia al llarg del temps usant tècniques centrades en el pacient que milloren la presa de decisions quant al tractament a seguir i també el pronòstic dels pacients.

[EN] Cardiovascular diseases are the first cause of death worldwide and myocardial ischemia and its consequences, especially arrythmias, are mainly responsible for these deaths. After myocardial infarction dead tissue begins a healing process that results in cardiac remodelling, provoking the emergence of a fibrous structure known as myocardial scar. Recent studies suggest that arrhythmogenic potential regarding these scars is a better arrhythmia risk indicator than the ones that are being used currently, like left ventricular ejection fraction. The structure and morphology of the scars can be extracted from clinical images which are crucial to develop 3D virtual models of the heart including the scar. This kind of models allows simulation studies, revealing the underlying mechanisms of arrhythmias such as re-entries and so determining the arrhythmogenic potential of scars. The prediction of risk of suffering arrhythmias can help deciding treatments that improve the prognosis of infarction survivors. In this final master project, a complete 3D ventricular model has been constructed from medical images of a patient that had suffered myocardial infarction in order to perform a simulation study that showed the arrhythmogenic potential of the myocardial scar. The data were taken and analysed at two specific time instants: six months after infarction and four years after myocardial infarction. The methods used for geometrical modelling have implied a high degree of personalisation to the patient from which the images have been acquired and functional modelling has been carried out using advanced techniques regarding tissue distinction based on scientific literature, as well as powerful simulation algorithms based on the bioelectric model proposed by O¿Hara in 2011. The model of the ventricles and the ischemic lesion in both post infarction phases reveals that myocardial scar begins being a compact mass made of completely dysfunctional fibrous tissue and then, as time goes through, cardiac remodelling causes the progressive substitution of this tissue with partially functional new tissue that allows stimulus propagation through the scar. The simulations carried out show that both instants are either a too early cardiac remodelling stage (six months after infarction) or a too late cardiac remodelling stage (four years after infarction), implying low arrhythmogenic potential of the scar tissue as it does not fit the condition to form an optimal re-entrant circuit. However, it is possible to notice a little re-entry circuit, which does not persist in time, that happens in the late phase cardiac model. In conclusion, the clinical image based cardiac models have demonstrated to be useful to comprehend the consequences derived from structural differences of myocardial scars and can help categorizing potential arrhythmogenic risk of an infarction survivor over time. This can be achieved by using patient-oriented techniques that improves decision making regarding treatments and prognosis.