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Kardiale Aktivierung und Mikrostruktur im Atrialen Isthmus

Cardiac Conduction and Microstructure in the Atrial Isthmus

Ernst Hofer (ORCID: )
  • Grant-DOI 10.55776/P19993
  • Förderprogramm Einzelprojekte
  • Status beendet
  • Projektbeginn 01.07.2007
  • Projektende 31.10.2011
  • Bewilligungssumme 254.324 €
  • E-Mail

Wissenschaftsdisziplinen

Informatik (20%); Medizinisch-theoretische Wissenschaften, Pharmazie (50%); Medizintechnik (30%)

Keywords

    Heart, Microstructure, Cardiac Near Field, Computer Model, Atrial Isthmus, In-Vitro Experiment

Abstract Endbericht

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.

Forschungsstätte(n)
  • Medizinische Universität Graz - 100%
Internationale Projektbeteiligte
  • Jose Angel Cabrera Rodriguez, Ciudad Universitaria - Spanien
  • Damian Sanchez Quintana, University of Extremadura - Spanien

Research Output

  • 102 Zitationen
  • 8 Publikationen
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

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