Integración de una etapa de control de rotación de precisión en experimentos de cartografía óptica cardíaca

Abstract

Consulta en la Biblioteca ETSI Industriales (Riunet)

[ES] La fibrilación ventricular (FV) es la arritmia cardiaca más peligrosa de la práctica clínica. Pese a ello, todavía se desconocen los mecanismos de instauración y perpetuación que la subyacen, limitando el desarrollo de tratamientos eficaces. Actualmente, técnicas experimentales como el mapeo cartográfico de la actividad cardiaca permiten progresar en la comprensión de los mecanismos de las arritmias. El mapeo óptico del corazón, aislado y perfundido en el sistema Langendorff, es una técnica novedosa que permite el registro de la actividad eléctrica en la superficie cardíaca con alta resolución temporal y espacial. Debido a la complejidad y alto coste de estos sistemas, normalmente solo es posible registrar información en regiones localizadas. Además, no es posible simultáneamente relacionar la actividad eléctrica y óptica con la superficie anatómica en tres dimensiones, arrastrando limitaciones en la parametrización del proceso de activación, como son los cálculos de velocidad de conducción. Adicionalmente, durante el proceso fibrilatorio, las ondas de propagación fluyen por toda la superficie cardíaca, así como a través del músculo de manera transmural. Con objeto, no solo de correlacionar la actividad funcional con la anatomía cardiaca en distintas posiciones, sino también estudiar el proceso de propagación de ondas en toda la superficie, se plante diseñar e implementar un sistema de control, monitorización y registro para experimentación con corazón aislado de corazones grandes con carácter traslacional, como el modelo porcino, y escalable para su uso con modelos de investigación básica en modelos habituales en laboratorios experimentales como el del grupo de Electrofisiología y Bioingeniería del consorcio entre el instituto de investigación ITACA de la UPV y el grupo de Electrofisiología Cardíaca Experimental de la Facultad de Medicina y Odontología de la Universidad de Valencia. El objetivo principal de este proyecto es realizar el diseño e implementación ad-hoc de una etapa de control de rotación de precisión para el registro de fluorescencia panorámico sobre la superficie epicárdica. En este trabajo, se plantea el diseño y creación de un módulo que permita la rotación controlada del corazón aislado en el sistema Langendorff para facilitar el posicionamiento de precisión al servicio de los investigadores, así como, permitir el registro secuencial de distintas regiones a través de toda la superficie cardiaca, con especial interés en su aplicación al estudio de la fibrilación cardíaca y la geolocalización de regiones implicadas en el mantenimiento de la misma, evitando así la necesidad de reposicionar la posición relativa entre el sistema de adquisición y perfusión manualmente durante estos delicados experimentos. Para el diseño final, de acuerdo con las especificaciones, se propone una solución modular con control de transmisión mediante microcontrolador basado en Arduino, programable, garantizando una rotación automática y de precisión con resolución de 1º. Además, pensando en un control intuitivo para el usuario, se opta finalmente por un entorno gráfico basado en LabView. El diseño del mecanizado, inicialmente externalizado, se optimiza finalmente reduciendo costes, en parte, empleando la técnica de la fabricación por impresión 3D.

[CA] La fibril·lació ventricular (FV) és l'arítmia cardíaca més perillosa de la pràctica clínica. Malgrat això, encara es desconeixen els mecanismes d'instauració i perpetuació que la subjacents, limitant el desenvolupament de tractaments eficaços. Actualment, tècniques experimentals com el mapeig cartogràfic de l'activitat cardíaca permeten progressar en la comprensió dels mecanismes de les arítmies. El mapatge òptic del cor, aïllat i perfós en el sistema Langendorff, és una tècnica innovadora que permet el registre de l'activitat elèctrica en la superfície cardíaca amb alta resolució temporal i espacial. A causa de la complexitat i alt cost d'aquests sistemes, normalment només és possible registrar informació en regions localitzades. A més, no és possible simultàniament relacionar l'activitat elèctrica i òptica amb la superfície anatòmica en tres dimensions, arrossegant limitacions en la parametrització del procés d'activació, com són els càlculs de velocitat de conducció. Addicionalment, durant el procés fibrilatori, les ones de propagació flueixen per tota la superfície cardíaca, així com a través del múscul de manera transmural. Amb objecte, no només de correlacionar l'activitat funcional amb l'anatomia cardíaca en diferents posicions, sinó també estudiar el procés de propagació d'ones en tota la superfície, es planti dissenyar i implementar un sistema de control, monitorització i registre per a experimentació amb cor aïllat de cors grans amb caràcter translacional, com el model porcí, i escalable per al seu ús amb models d'investigació bàsica en models habituals en laboratoris experimentals com el del grup de Electrofisiologia i Bioenginyeria del consorci entre l'institut d'investigació ITACA de la UPV i el grup d'Electrofisiologia Cardíaca Experimental de la Facultat de Medicina i Odontologia de la Universitat de València. L'objectiu principal d'aquest projecte és realitzar el disseny i implementació ad hoc d'una etapa de control de rotació de precisió per al registre de fluorescència panoràmic sobre la superfície epicàrdica. En aquest treball, es planteja el disseny i creació d'un mòdul que permeta la rotació controlada del cor aïllat en el sistema Langendorff per facilitar el posicionament de precisió al servei dels investigadors, així com, permetre el registre seqüencial de diferents regions a través de tota la superfície cardíaca. Amb especial interès en la seva aplicació a l'estudi de la fibril·lació cardíaca i la geolocalització de regions implicades en el manteniment de la mateixa, evitant així la necessitat de reposicionar la posició relativa entre el sistema d'adquisició i perfusió manualment durant aquests delicats experiments. Per al disseny final, d'acord amb les especificacions, es proposa una solució modular amb control de transmissió mitjançant microcontrolador basat en Arduino, programable, garantint una rotació automàtica i de precisió amb resolució de 1º. A més, pensant en un control intuïtiu per a l'usuari, s'opta finalment per un entorn gràfic basat en LabView. El disseny de la mecanització, inicialment externalitzat, s'optimitza finalment reduint costos, en part, emprant la tècnica de la fabricació per impressió 3D.

[EN] Ventricular fibrillation (VF) is the most dangerous cardiac arrhythmia in clinical practice. In spite of this, the mechanisms of establishment and perpetuation that underlie it are still unknown, limiting the development of effective treatments. Currently, experimental techniques such as mapping of cardiac activity allow progression in the understanding of the mechanisms of arrhythmias. The optical mapping of the heart, isolated and perfused in the Langendorff system, is a novel technique that allows the recording of electrical activity on the cardiac surface with high temporal and spatial resolution. Due to the complexity and high cost of these systems, it is usually only possible to record information in localized regions. In addition, it is not possible to simultaneously relate electrical and optical activity to the anatomical surface in three dimensions, drawing limitations in the parameterization of the activation process, such as conduction velocity calculations. Additionally, during the fibrillatory process, propagation waves flow throughout the cardiac surface, as well as through the muscle in a transmural form. In order not only to correlate the functional activity with the cardiac anatomy in different positions, but also to study the process of propagation of waves throughout the surface, we plan to design and implement a control, monitoring and recording system for experimentation with isolated heart of large hearts with a translational nature, such as the porcine model, and scalable for use with basic research models in standard models in experimental laboratories such as the Electrophysiology and Bioengineering group of the consortium between the ITACA research institute of the UPV and the group of Experimental Cardiac Electrophysiology of the Faculty of Medicine and Dentistry of the University of Valencia. The main objective of this project is to design and ad-hoc implement a precision rotation control stage for the recording of panoramic fluorescence on the epicardial surface. In this work, we propose the design and creation of a module that allows the controlled rotation of the isolated heart in the Langendorff system to facilitate the precision positioning at the service of the researchers, as well as, to allow the sequential registration of different regions through The entire cardiac surface, with special interest in its application to the study of cardiac fibrillation and the identification of regions involved in the maintenance of the same, thus avoiding the need to reposition the relative position between the acquisition and perfusion system manually during these delicate Experiments. For the final design, according to the specifications, a modular solution with transmission control is proposed by means of microcontroller based on Arduino, programmable, guaranteeing an automatic rotation and of precision with resolution of 1º. In addition, thinking about an intuitive control for the user, we finally opt for a graphical environment based on LabView. The design of the machining, initially externalized, is optimized finally reducing costs, in part, using the technique of manufacture by 3D printing.