Desarrollo de modelos personalizados de ventrículos y torso de pacientes pediátricos

Abstract

[ES] El presente trabajo de investigación de Final de Máster centra su estudio en el ámbito del modelado y la simulación bioeléctrica, concretamente en el desarrollo de modelos cardíacos tridimensionales para pacientes pediátricos. Los modelos computacionales cardíacos son una herramienta innovadora que han revolucionado el campo de la electrofisiología durante las últimas décadas. La información y los datos generados por las simulaciones cardíacas proporcionan una amplia gama de recursos para la modernización del entorno clínico, como la medicina personalizada, la planificación quirúrgica, el diagnóstico precoz, la prevención, etc. Además, su relevancia en el ámbito de la investigación se ha visto incentivada por los avances en la tecnología de sensores, la comprensión de fenómenos biológicos y las técnicas matemáticas y de procesamiento computacional. Por lo tanto, el desarrollo y la optimización de los modelos cardíacos son un aspecto clave para el futuro de la ingeniería biomédica y la medicina clínica. El objetivo general de este trabajo consiste en el desarrollo de un modelo computacional personalizado de ventrículos y de torso utilizando imágenes médicas de resonancia magnética (MRI) de pacientes pediátricos. Para ello, se realizara un proceso de segmentación de las estructuras ventriculares utilizando el software Seg3D, así como del resto de órganos y estructuras principales del torso. A continuación, se generara un mallado volumétrico de elementos finitos en cada estructura tridimensional para llevar a cabo las simulaciones matemáticas utilizando el software Elvira. En dichas simulaciones, se reproduce el proceso de despolarización ventricular (incorporando un sistema de conducción de Purkinje genérico) y será validado mediante la obtención de las señales de electrocardiograma generadas por la propagación eléctrica a través del resto de estructuras del torso. Finalmente, se llevan a cabo simulaciones de despolarización patológica, concretamente se pretende recrear una situación de preexcitación ventricular por vías accesorias.

[CA] El present treball d’investigació de final de Màster centra el seu estudi en l’àmbit del modelatge i la simulació bioelèctrica, concretament en el desenvolupament de models cardíacs tridimensionals per a pacients pediàtrics. Els models computacionals cardíacs son una ferramenta innovadora que ha revolucionat el camp de l’electrofisiologia durant les últimes dècades. La informació i les dades generades per les simulacions cardíaques proporcionen una ampla gama de recursos per a la modernització de l’entorn clínic, com la medicina personalitzada, la planificació quirúrgica, el diagnòstic precoç, la prevenció, etc. A demés, la seua rellevància en l’àmbit de la investigació s’ha vist incentivada pels avanços en la tecnologia de sensors, la comprensió de fenòmens biològics i les tècniques matemàtiques i de processament computacional. Per lo tant, el desenvolupament i l’optimització dels models cardíacs son un aspecte clau per al futur de l’enginyeria biomèdica i la medicina clínica. L’objectiu general d’aquest treball consisteix en el desenvolupament d’un model computacional personalitzat de ventricles i tors utilitzant imatges mèdiques de ressonància magnètica (MRI) de pacients pediàtrics. Per aconseguir-ho, es realitza un procés de segmentació de les estructures ventriculars utilitzant el software Seg3D, així com la resta dels orgues i estructures principals del tors. A continuació, es genera un mallat volumètric d’elements finits en cada estructura tridimensional per a dur a terme les simulacions matemàtiques utilitzant el software Elvira. En aquestes simulacions, es reproduirà el procés de despolarització ventricular (incorporant un sistema de conducció de Purkinje genèric) i es validarà amb l’obtenció de les senyals d’electrocardiograma generades per la propagació elèctrica a través de les estructures del tors. Finalment, es duen a terme simulacions de despolarització patològica, concretament es pretén recrear una situació de preexitació ventricular per vies accessòries.

[EN] This Final Master’s research project focuses its study on the field of bioelectric modelling and simulation, specifically on the development of three-dimensional cardiac models for pediatric patients. Cardiac computational models are an innovative tool which has revolutionized the field of electrophysiology during the last decades. The information and data generated by cardiac simulations provide a wide range of resources for the modernization of the clinical environment, such as personalized medicine, surgical planning, early diagnosis, prevention, etc. Moreover, its relevance in research has been boosted by advances in sensor technology, understanding of biological phenomena, and mathematical and computational processing techniques. Therefore, the development and optimisation of cardiac models is a key issue for the future of biomedical engineering and clinical medicine. The overall objective of this project is to develop a customised computational model of the ventricles and torso using medical magnetic resonance images (MRI) of paediatric patients. To do this, a segmentation process of the ventricular structures will be carried out using Seg3D software, as well as the rest of the main organs and structures of the torso. Then, a volumetric finite element mesh will be generated for each three-dimensional structure to carry out the mathematical simulations using the Elvira software. n these simulations, the ventricular depolarisation process will be reproduced (incorporating a generic Purkinje conduction system) and validated by obtaining the electrocardiogram signals generated by the electrical propagation through the rest of the torso structures. Finally, simulations of pathological depolarisation are carried out, specifically the aim is to recreate a situation of ventricular pre-excitation via accessory pathways.