Computational Tools for Human Atrial Cardiomyocyte Modeling: Integration of Electro-Mechanical Coupling

Abstract

[ES] Las enfermedades cardiovasculares son la principal causa de muerte a nivel mundial, siendo las arritmias uno de los principales trastornos asociados a estas condiciones. La fibrilación auricular (FA) surge como la arritmia cardíaca más frecuente en adultos y está asociada a un mayor riesgo de accidente cerebrovascular, insuficiencia cardíaca y otras complicaciones cardiovasculares, que pueden llevar a la muerte. La FA contribuye a una notable proporción de muertes relacionadas con problemas cardiovasculares a nivel mundial, convirtiéndose en una preocupación significativa en la salud pública. En el campo de la investigación sobre la FA, las simulaciones computacionales del corazón humano juegan un papel crucial en la comprensión del mecanismo electrofisiológico subyacente a las condiciones patológicas y son una herramienta valiosa para asistir al personal médico en la selección de terapias de tratamiento. El objetivo de este Trabajo Fin de Máster es desarrollar una herramienta computacional que nos permita estudiar la tensión generada a nivel celular durante el proceso de contracción cardíaca, tanto en tejido auricular sano como en tejido caracterizado por la presencia de fibrilación auricular persistente (peAF). Al acoplar la actividad eléctrica y mecánica en un modelo computacional, es posible evaluar la relación entre la concentración de calcio y la fuerza de contracción muscular, considerando el papel de los canales activados por estiramiento, así como evaluar el efecto de las anomalías causadas por la FA sobre la capacidad de contracción auricular. En este trabajo se integrará el modelo electromecánico de Land y el modelo electrofisiológico de Courtemanche en Matlab, y se compararán los resultados de tensión del modelo sano con los del modelo peAF a nivel celular. Además, se implementará el citado modelo electromecánico en el software de resolución de elementos finitos svFSI con el objetivo de desarrollar una herramienta que permita hacer simulaciones a nivel de tejido (2D) y de órgano (3D) con el fin de evaluar la respuesta electromecánica a nivel de tejido uy de aurícula completa. Finalmente, se verificarán y validaran los modelos implementados y se realizarán estudios que nos permitan comprender mejor cómo varía la fuerza de contracción auricular en diferentes condiciones del corazón.

[EN] Cardiovascular diseases are the leading cause of death worldwide, with arrhythmias being one of the main disorders associated with these conditions. Atrial fibrillation (AF) emerges as the most common cardiac arrhythmia in adults and is associated with an increased risk of stroke, heart failure, and other cardiovascular complications, which can lead to death. AF contributes to a significant proportion of deaths related to cardiovascular problems globally, becoming a major public health concern. In the field of AF research, computational simulations of the human heart play a crucial role in understanding the electrophysiological mechanism underlying pathological conditions and are a valuable tool to assist medical personnel in the selection of treatment therapies. The aim of this Master's Thesis is to develop a computational tool that allows us to study the tension generated at the cellular level during the cardiac contraction process, both in healthy atrial tissue and in tissue characterized by the presence of persistent atrial fibrillation (peAF). By coupling electrical and mechanical activity in a computational model, it is possible to evaluate the relationship between calcium concentration and muscle contraction strength, considering the role of stretch-activated channels, as well as evaluating the effect of anomalies caused by AF on atrial contraction capacity. In this work, the Land electromechanical model and the Courtemanche electrophysiological model will be integrated in Matlab, and the tension results of the healthy model will be compared with those of the peAF model at the cellular level. In addition, the electromechanical model will be implemented in the finite element solver software svFSI with the aim of developing a tool that allows simulations at the tissue level (2D) and organ level (3D) in order to evaluate the electromechanical response at the tissue and whole atrium level. Finally, the implemented models will be verified and validated, and studies will be conducted to better understand how atrial contraction strength varies under different heart conditions.