Μοντελοποίηση της ηλεκτρικής λειτουργίας της καρδιάς

Abstract

Two are the basic goals of this study. The first goal is the development of an automatedsystem for the analysis of the monophasic action potentials. Monophasic action potentials(MAPs) are exrtacellular recordings that have been found to correlate sufficiently withintracellular action potentials (IAPs). There are many reports investigating the effects ofelectrophysiological and pharmacological interventions in the MAP of the intact heart. Thesystem consists of three stages: signal acquisition, feature extraction and statistical processing.The MAP features which are extracted with high accuracy are: MAP amplitude, actionpotential duration (APD) at all repolarization levels (10- 90%), the baseline and amplitude.The proposed system has been used for the analysis of MAPs from two series of experiments.The system performs well despite the morphological differences of the signals. The drugeffect on MAPs is recorded and useful input can de acquired for the myocardium condition.msec. The MAP signal is heavily contaminated by noise (power line interference and motionartifacts), which is removed by a combination of filters (notch, low, band and high pass). Dueto the power line interference at 50 Hz the digital notch filter has a transfer function. In thisstage the MAP signal features are extracted. The MAP morphology and the MAP usedfeatures for pigs and rats. The used threshold values are set and the signal is fed into thesystem. The algorithm can extract upstroke, the baseline, the plateau and the APDs. To makeeasier the analysis a window is used, whose length is adapted when an upstroke is found. Abaseline is acceptable when it compares well (using a threshold value) with the average of theprevious five baselines. The feature extraction ends when both plateau and APDs are detected.The second goal of this study was the investigation of the dynamical response of Zhangmodel. Physiological rhythms play an important role in life. Some of them are sustainedthroughout life but even a brief interruption leads to death. Variation of rhythms outside230normal limits, or appearance of new rhythms, where none existed before indicates disease.After a perturbation of the repetitive activity, the timing of subsequent repeats of the events isgenerally altered: the prior rhythm eventually reasserts itself, only with its phase reset relativeto an unperturbed control. The amount of the resetting depends both on the magnitude andmanner of the external stimulus and on the phase in the oscillation when the perturbationbegins. The topological approach offers new insights into the analysis of the resetting of thecardiac cells. In our work, we summarize the most important studies were the authors appliedthe PRT in cardiac models and we provide a brief description of the results that theypublished. Thereinafter, we present an extension of our work done in this field, where weinvestigate and characterize the effects of external stimulation on central and peripheral SANcells using the Zhang et al. model. In recent work, we have investigated the dynamic responseof the SAN to short external stimuli using the Zhang et al. model . The model equations aresolved twice for the central cell and for the peripheral cell.A short current pulse is applied to reset the spontaneous rhythmic activity of the singlesinoatrial node cell. Depending on the stimulus timing either a delay or an advance in theoccurrence of next action potential is produced. This resetting behavior is quantified in termsof PTCs for short electrical current pulses of varying amplitude which span the whole period.For low stimulus amplitudes the transition from advance to delay is smooth, while at higheramplitudes abrupt changes and discontinuities are observed in PTCs. Such discontinuitiesreveal critical stimuli, the application of which can result in annihilation of activity in centralSAN cells. The detailed analysis of the ionic mechanisms involved in its resetting behavior ofSAN cell models provides new insight into the dynamics and physiology of excitation of thesinoatrial node of the heart

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή µελετάται η ηλεκτρική δραστηριότητα της καρδιάς µέσα από δύο διαφορετικές προσεγγίσεις. Μια πρώτη προσέγγιση είναι η ανάπτυξη ενός ολοκληρωµένου συστήµατος καταγραφής και αυτόµατης ανάλυσης µονοφασικών δυναµικών ενέργειας. Στο πλαίσιο της ανάπτυξης αυτού του συστήµατος µελετήθηκε η εξέλιξη της τεχνικής της καταγραφής των Μ?Ε, η σηµασία τους και οι κλινικές τους εφαρµογές. Προηγήθηκε µια ολοκληρωµένη παρουσίαση των βασικότερων γνώσεων στην ηλεκτροφυσιολογία, όπως το ερεθισµαταγωγό σύστηµα, η δηµιουργία των δυναµικών δράσεως, ο τρόπος εξέλιξης του ερεθίσµατος κ.α. Επίσης παρουσιάσθηκαν οι κυριότερες αρρυθµίες που δηµιουργούνται από δυσλειτουργίες του ερεθισµαταγωγού συστήµατος και από προβλήµατα στην διάδοση του ερεθίσµατος γενικά. Παρουσιάσθηκαν όλα τα προηγούµενα συστήµατα που έχουν αναπτυχθεί για την καταγραφή την αυτόµατη ανάλυση των Μ?Ε. Επίσης παρουσιάσθηκαν αναλυτικά τα χαρακτηριστικά των Μ?Ε, η µορφολογία τους και ο τρόπος υπολογισµού των χαρακτηριστικών τους. Το σύστηµα καταγραφής και ανάλυσης αποτελείται από τέσσερα υποσυστήµατα: το υποσύστηµα καταγραφής και ψηφιοποίησης των Μ?Ε, το υποσύστηµα προεπεξεργασίας των Μ?Ε, το υποσύστηµα αυτόµατη ανάλυσης των χαρακτηριστικών των Μ?Ε και το υποσύστηµα εξαγωγής των αποτελεσµάτων. Το κάθε υποσύστηµα παρουσιάσθηκε αναλυτικά. Το σύστηµα ελέγχθηκε για την αξιοπιστία του, τόσο στο στάδιο της καταγραφής των Μ?Ε όσο και στο στάδιο της αυτόµατης ανάλυσης των Μ?Ε. Τα αποτελέσµατα της. αυτόµατης ανάλυσης δεν ήταν δυνατόν να συγκριθούν άµεσα µε άλλες µεθόδους αλλά έµµεσα. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι το σύστηµα καταγράφει και αναλύει αυτόµατα Μ?Ε µε παρά πολύ καλή ακρίβεια, σε πολύ µικρό χρονικό διάστηµα. Η δεύτερη προσέγγιση της ηλεκτρικής λειτουργίας έγινε µε την χρήση µαθηµατικών µοντέλων τα οποία προσοµοιώνουν την διέγερση (0D) και την διάδοση (1D) του ερεθίσµατος στα καρδιακά κύτταρα. Παρουσιάσθηκε η εξέλιξη των µοντέλων και η χρήση των µοντέλων µε την πάροδο των χρόνων. Για την µοντελοποίηση της διέγερσης του ερεθίσµατος χρησιµοποιήθηκε το µοντέλο του φλεβόκοµβου κουνελιού. Στο µοντέλο εφαρµόσθηκαν εξωτερικά ερεθίσµατα σε διάφορες χρονικές στιγµές του κύκλου (phase resetting technique) και µελετήθηκε η απόκριση του µοντέλου µε τις καµπύλες επαναφοράς της φάσης. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι µόνο στα κεντρικά κύτταρα του φλεβόκοµβου παρατηρήθηκε το φαινόµενο της µόνιµης διακοπής της διέγερσης του ερεθίσµατος. Η χωρική επέκταση του µοντέλου, έδωσε την δυνατότητα να αναπτυχθεί ένα µονοδιάστατο µοντέλο κεντρικών και περιφερειακών κυττάρων του φλεβόκοµβου. Για την ανάπτυξη του µοντέλου χρησιµοποιήθηκαν οι διαστάσεις και οι αγωγιµότητες µεταξύ των κεντρικών και των περιφερειακών κυττάρων που έχουν δηµοσιευθεί στην βιβλιογραφία. Στο µονοδιάστατο µοντέλο εφαρµόσθηκαν εξωτερικά ερεθίσµατα και µελετήθηκαν τα αποτελέσµατα της απόκρισης του µοντέλου µέσα από τις καµπύλες επαναφοράς της φάσης.