Desarrollo de un software para la simulación computacional del síndome de Wolff-Parkinson-White

Abstract

[ES] El correcto funcionamiento del sistema de conducción eléctrico cardíaco es un aspecto fundamental para la vida. En condiciones fisiológicas, aurículas y ventrículos se encuentran eléctricamente aislados entre sí mediante el anillo auriculoventricular, que no es eléctricamente conductor, y el único punto de paso de la corriente eléctrica entre dichas cavidades es el nodo auriculoventricular.

Sin embargo, puede darse la situación de que exista una conexión eléctrica anómala entre aurículas y ventrículos, conocida como vía o fascículo accesorio. Esta patología se conoce como síndrome de Wolff-Parkinson-White (WPW) o síndrome de preexcitación, y puede pasar desapercibida durante años, ya que su único diagnóstico es mediante el electrocardiograma. El peligro de dicho síndrome radica en que es capaz de provocarle la muerte súbita al portador por establecer un camino de conducción de cerrado y de gran longitud que puede causar una arritmia reentrante.

En este Trabajo de Fin de Grado se han desarrollado diferentes programas informáticos en el entorno Matlab\ que permiten la simulación de los efectos electrofisiológicos del síndrome de WPW. Por un lado, se ha desarrollado un software que simula el acoplamiento eléctrico entre un cardiomiocito auricular y otro ventricular para emular así la conexión que entre ambos establece la vía accesoria. Para ello, se han utilizado los modelos de potencial iónico de Malekar para aurícula y Ten Tuscher para ventrículo.

Por otro lado, se ha desarrollado un software que simula un tejido virtual bidimensional que emula la estructura geométrica simlificada de un corazón. El modelo incluye aurículas, ventrículos, los nodos sinusal y auriculoventricular, el sistema de conducción especializado y el fascículo accesorio propio del síndrome de WPW. En dicho software se ha implementado el modelo mínimo de Bueno-Orovio adaptado en cada zona del tejido a las características electrofisiológicas del mismo.

Por último, se ha desarrollado también un software capaz de calcular el pseudo-ECG de las simulaciones obtenidas en el modelo bidimensional.

Tras diseñar y desarrollar los mencionados programas de simulación, se ha utilizado el software para llevar a cabo estudios preliminares relacionados con el síndrome de preexcitación que sirven como prueba de concepto de la utilidad de los programas computacionales. En este sentido, los resultados del modelo bicelular indican que la frecuencia cardiaca es un factor crítico en el acoplamiento entre los dos tipos de tejido: a mayor frecuencia cardíaca existe una menor probabilidad de sufrir reentradas, puesto que las duraciones de los potenciales de acción de ambas células difieren menos que a menores frecuencias.

En cuanto a la simulación bidimensional, se han realizado simulaciones de un corazón fisiológico y también de un corazón con síndrome de WPW que demuestran la influencia de la posición de la vía accesoria en el circuito que provoca reentradas cardíacas. Los resultados muestran que vías accesorias situadas más lejos del nodo aurículo-ventricular provocan arritmias con reentrada con mayor probabilidad que en el caso de vías más proximales a dicho nodo. Por último, los pseudo-ECGs simulados ratifican que los resultados de estas simulaciones corresponden efectivamente a ritmos propios del síndrome de WPW.

[EN] The correct functioning of the cardiac electrical conduction system is a fundamental aspect for life. Under physiological conditions, atria and ventricles are electrically isolated from each other by the atrioventricular ring, which is not electrically conductive, and the only point of passage of the electrical current between these cavities is the atrioventricular node.

However, an anomalous electrical connection between atria and ventricles, known as a accessory pathway or bundle, may occur. This pathology is known as the Wolff-Parkinson-White syndrome (WPW) or pre-excitation syndrome, and it can go unnoticed for years, since its only diagnosis is through the electrocardiogram. The danger of this syndrome lies in the fact that it is capable of causing sudden death to the wearer by establishing a closed, long conduction pathway that can cause a reentrant arrhythmia.

In this Bachelor's thesis different computer programs have been developed in the environment Matlab that allows the simulation of the electrophysiological effects of the WPW syndrome. On the one hand, a software has been developed that simulates the electrical coupling between an atrial cardiomyocyte and a ventricular one in order to emulate the connection that establishes the accessory pathway between both. For this purpose, Malekar's ionic potential model for the atrium and Ten Tuscher's model for the ventricle have been used.

On the other hand, a software has been developed that simulates a virtual two-dimensional tissue that emulates the simulated geometric structure of a heart. The model includes atria, ventricles, the sinus and atrioventricular nodes, the specialized conduction system and the accessory fascicle characteristic of the WPW syndrome. In this software, the minimum model of Bueno-Orovio has been implemented, adapted in each zone of the tissue to the electrophysiological characteristics of the same.

Finally, a software capable of calculating the pseudo-ECG of the simulations obtained in the two-dimensional model has also been developed.

After designing and developing the mentioned simulation programs, the software has been used to carry out preliminary studies related to the pre-excitation syndrome that serve as a proof of concept of the utility of the computer programs. In this sense, the results of the bicellular model indicate that the heart frequency is a critical factor in the coupling between the two types of tissue: the higher the heart frequency, the less likely it is to suffer re-entries, since the durations of the action potentials of the two cells differ less than at lower frequencies.

As far as two-dimensional simulation is concerned, simulations of a physiological heart and also of a heart with WPW syndrome have been carried out, showing the influence of the position of the accessory pathway in the circuit that causes cardiac re-entries. The results show that accessory pathways located farther away from the atrioventricular node cause re-entry arrhythmias more likely than pathways closer to that node. Finally, the simulated pseudo-ECGs confirm that the results of these simulations effectively correspond to rhythms typical of the WPW syndrome.