Kardiale Aktivierung und Mikrostruktur im Atrialen Isthmus
Cardiac Conduction and Microstructure in the Atrial Isthmus
Wissenschaftsdisziplinen
Informatik (20%); Medizinisch-theoretische Wissenschaften, Pharmazie (50%); Medizintechnik (30%)
Keywords
-
Heart,
Microstructure,
Cardiac Near Field,
Computer Model,
Atrial Isthmus,
In-Vitro Experiment
Vorhofflimmern und Vorhofflattern sind Erkrankungen, deren Inzidenz in hohem Alter um ein vielfaches zunimmt. In USA sind derzeit 6% der Bevölkerung über 65 Jahre davon betroffen. Die Erforschung atrialer Erregungsleitung unter besonderer Berücksichtigung der altersbedingten Mikrostrukturveränderungen des Myokards verdient daher besondere Beachtung. Aus klinischer Sicht wird u.a. der postero-laterale Isthmus des rechten Atriums als kritisches Substrat für die Entstehung von intermittierendem Leitungblock angesehen. Diese Zone besteht aus einem komplexen Netzwerk kabelförmiger Faserbündel (Musculi Pectinati), welche die Crista Terminalis und das Vestibulum verbinden. Neuere Untersuchungen der Bindegewebsmatrix im Atrium Gewebe lassen die Vermutung zu, dass in detailliert mikroskopischer Sicht (Submillimeterbereich) Erregungsausbreitung nicht so verläuft, wie in makroskopischen intrakardialen Verfahren abgebildet. Da klinische Messverfahren auch in absehbarer Zukunft diese hohe räumliche Auflösung nicht erwarten lassen, sind in-vitro Experimente am isolierten Kleintierherz mit ultra-hochauflösenden Verfahren zweckdienlich und geplant. Ein derartiges System wurde von unserer Forschergruppe entwickelt. Es ermöglicht das Erfassen des elektrischen Nah-Feldes (CNF = cardiac near field) an der Gewebsoberfläche durch vier Elektroden innerhalb von 50x50 m und in einer Entfernung von 60 m und kann dieses als zweidimensionales Signal (Vektorschleife) mit exzellenter Signalqualität aufzeichnen. Betrag und Richtung der lokalen Ausbreitungsgeschwindigkeit sowie kleinste Signallatenzen im Bereich von wenigen Mikrosekunden können ermittelt werden. Somit werden Diskontinuitäten der Erregungsausbreitung, verursacht durch (oft nur durch Bruchteile eines Millimeters getrennte) Bindegewebseinlagerungen detektierbar. Durch gezielte individuelle Positionierung von bis zu 5 nadelförmigen Nahfeld-Sensoren und simultane Erfassung der kardialen Nahfelder speziell im Bereich von Verzweigungen oder Einmündungen von dünnen Muskelfasern kann man eine Aufklärung sowohl der makroskopischen als auch der mikroskopischen Leitungsmechanismen in diesem Faserbündelnetz des Isthmus erwarten. Ziel des Projektes ist es, Makro- und Mikroerregungsaubreitung an kritischen Zonen des Vorhofs zu messen und zu analysieren, und zwar mit einer bisher unerreichten Auflösung in Raum (50m) und Zeit (5s). Um dieses Ziel zu erreichen, benötigen wir vier Komponenten: 1. die Erstellung einer detaillierten elektro-anatomischen Karte des Isthmus mit einer Zuordnung der leitungsrelevanten Parameter (Größe und Richtung der Ausbreitungsgeschwindigkeit sowie deren Komplexität). 2. Histologische Schnitte zur Bestimmung des Verlaufs von Faserrichtung, Bindegewebsstrukturen und der Topologie der zwischenzellulären Spalte. 3. Bildverabeitung von histologischen Schnitten zur Konstruktion von 3D-Leitungsmodellen und 4. Simulation der Erregungsausbreitung im Gewebsstrukturmodell. Mit einem derartigen Modell kann das elektrophysiologische Experiment validiert werden und vice versa. Ein breiter interdisziplinärer Ansatz mit Einsatz modernster Verfahren aus Signalverarbeitung, Bildverarbeitung, Messtechnik und Sensorik, Histologie und Computersimulation lässt neue Erkenntnisse um die Mechanismen von Vorhofflimmern und -flattern erwarten. In weiterer Zukunft könnten derartige mikrostrukturrelevante Analysen aus dem Nahfeldsignal auch für die klinische Anwendung in minimal-invasiver Kathetertechnik relevant werden.
Vorhofflimmern und Vorhofflattern sind Erkrankungen, deren Inzidenz in hohem Alter um ein vielfaches zunimmt. In USA sind derzeit 6% der Bevölkerung über 65 Jahre davon betroffen. Die Erforschung atrialer Erregungsleitung unter besonderer Berücksichtigung der altersbedingten Mikrostrukturveränderungen des Myokards verdient daher besondere Beachtung. Aus klinischer Sicht wird u.a. der postero-laterale Isthmus des rechten Atriums als kritisches Substrat für die Entstehung von intermittierendem Leitungblock angesehen. Diese Zone besteht aus einem komplexen Netzwerk kabelförmiger Faserbündel (Musculi Pectinati), welche die Crista Terminalis und das Vestibulum verbinden. Neuere Untersuchungen der Bindegewebsmatrix im Atrium Gewebe lassen die Vermutung zu, dass in detailliert mikroskopischer Sicht (Submillimeterbereich) Erregungsausbreitung nicht so verläuft, wie in makroskopischen intrakardialen Verfahren abgebildet. Da klinische Messverfahren auch in absehbarer Zukunft diese hohe räumliche Auflösung nicht erwarten lassen, sind in-vitro Experimente am isolierten Kleintierherz mit ultra-hochauflösenden Verfahren zweckdienlich und geplant. Ein derartiges System wurde von unserer Forschergruppe entwickelt. Es ermöglicht das Erfassen des elektrischen Nah-Feldes (CNF = cardiac near field) an der Gewebsoberfläche durch vier Elektroden innerhalb von 50x50 m und in einer Entfernung von 60 m und kann dieses als zweidimensionales Signal (Vektorschleife) mit exzellenter Signalqualität aufzeichnen. Betrag und Richtung der lokalen Ausbreitungsgeschwindigkeit sowie kleinste Signallatenzen im Bereich von wenigen Mikrosekunden können ermittelt werden. Somit werden Diskontinuitäten der Erregungsausbreitung, verursacht durch (oft nur durch Bruchteile eines Millimeters getrennte) Bindegewebseinlagerungen detektierbar. Durch gezielte individuelle Positionierung von bis zu 5 nadelförmigen Nahfeld-Sensoren und simultane Erfassung der kardialen Nahfelder speziell im Bereich von Verzweigungen oder Einmündungen von dünnen Muskelfasern kann man eine Aufklärung sowohl der makroskopischen als auch der mikroskopischen Leitungsmechanismen in diesem Faserbündelnetz des Isthmus erwarten. Ziel des Projektes ist es, Makro- und Mikroerregungsaubreitung an kritischen Zonen des Vorhofs zu messen und zu analysieren, und zwar mit einer bisher unerreichten Auflösung in Raum (50m) und Zeit (5s). Um dieses Ziel zu erreichen, benötigen wir vier Komponenten: 1. die Erstellung einer detaillierten elektro- anatomischen Karte des Isthmus mit einer Zuordnung der leitungsrelevanten Parameter (Größe und Richtung der Ausbreitungsgeschwindigkeit sowie deren Komplexität). 2. Histologische Schnitte zur Bestimmung des Verlaufs von Faserrichtung, Bindegewebsstrukturen und der Topologie der zwischenzellulären Spalte. 3. Bildverabeitung von histologischen Schnitten zur Konstruktion von 3D-Leitungsmodellen und 4. Simulation der Erregungsausbreitung im Gewebsstrukturmodell. Mit einem derartigen Modell kann das elektrophysiologische Experiment validiert werden und vice versa. Ein breiter interdisziplinärer Ansatz mit Einsatz modernster Verfahren aus Signalverarbeitung, Bildverarbeitung, Messtechnik und Sensorik, Histologie und Computersimulation lässt neue Erkenntnisse um die Mechanismen von Vorhofflimmern und -flattern erwarten. In weiterer Zukunft könnten derartige mikrostrukturrelevante Analysen aus dem Nahfeldsignal auch für die klinische Anwendung in minimal-invasiver Kathetertechnik relevant werden.
- Jose Angel Cabrera Rodriguez, Ciudad Universitaria - Spanien
- Damian Sanchez Quintana, University of Extremadura - Spanien
Research Output
- 102 Zitationen
- 8 Publikationen
-
2012
Titel Influence of ischemic core muscle fibers on surface depolarization potentials in superfused cardiac tissue preparations: a simulation study DOI 10.1007/s11517-012-0880-1 Typ Journal Article Autor Campos F Journal Medical & Biological Engineering & Computing Seiten 461-472 Link Publikation -
2014
Titel An Efficient Finite Element Approach for Modeling Fibrotic Clefts in the Heart DOI 10.1109/tbme.2013.2292320 Typ Journal Article Autor Costa C Journal IEEE Transactions on Biomedical Engineering Seiten 900-910 Link Publikation -
2012
Titel Decomposition of fractionated local electrograms using an analytic signal model based on sigmoid functions DOI 10.1515/bmt-2012-0008 Typ Journal Article Autor Wiener T Journal Biomedizinische Technik. Biomedical engineering Seiten 371-382 Link Publikation -
2012
Titel On-Line Analysis of Cardiac Near Field Signals during Electrophysiological Experiments with Heart Preparations DOI 10.1109/i2mtc.2012.6229563 Typ Conference Proceeding Abstract Autor Wiener T Seiten 1487-1490 -
2010
Titel Accelerating cardiac excitation spread simulations using graphics processing units DOI 10.1002/cpe.1683 Typ Journal Article Autor Rocha B Journal Concurrency and Computation: Practice and Experience Seiten 708-720 -
2009
Titel The Contribution of Core Muscle Fibers to the Surface Depolarization Signals on Cable-Like Cardiac Tissue Preparations - A Computer Simulation Study DOI 10.1007/978-3-642-03882-2_551 Typ Book Chapter Autor Campos F Verlag Springer Nature Seiten 2077-2080 -
2011
Titel A Finite Element Approach for Modeling Micro-structural Discontinuities in the Heart DOI 10.1109/iembs.2011.6090059 Typ Conference Proceeding Abstract Autor Costa C Seiten 437-440 Link Publikation -
2011
Titel Topology and Conduction in the Inferior Right Atrial Isthmus Measured in Rabbit Hearts DOI 10.1109/iembs.2011.6090047 Typ Conference Proceeding Abstract Autor Arnold R Seiten 247-250