Characterization and modeling of the purkinje system for biophysical simulations

Abstract

The usability of computer models of the heart depends mostly on their capacity to accurately represent heart anatomy, microstructure and function. However, integrating such a variety of biological data is often not possible. This is the case of the cardiac conduction system (CCS), which is responsible for the fast and coordinated distribution of the electrical impulses. The CCS cannot be observed in-vivo but it is mandatory in several cardiac modeling applications involving arrhythmias.

The aims of this thesis are to show the importance of explicitly modeling the CCS structure and function for an accurate description of the electrical activation of the ventricles and to present a novel technique to build automatically a CCS structure that meets physiological observations. Pursuing that goal has required a multidisciplinary effort to build models for cardiac electrophysiology, and imaging techniques to acquire and analyze data of the CCS at different scales.

La usabilidad de modelos computacionales cardíacos depende del poder representar con precisión la anatomía del corazón, su microestructura y su función. Sin embargo, la integración de tal variedad de datos biológicos no siempre es posible. Este es el caso del sistema de conducción cardiaco (CCS), que es responsable de la distribución rápida y coordinada de los impulsos eléctricos. El CCS no puede ser observado in vivo pero es imprescindible en los modelos del corazón que involucran las arritmias.

Los objetivos de esta tesis son el modelar la estructura y función del CCS para obtener una descripción precisa de la activación eléctrica del corazón y el construir la estructura de un CCS que cumpla con las observaciones fisiológicas. La persecución de este objetivo ha requerido un esfuerzo multidisciplinar para construir modelos de la electrofisiología cardiaca y las técnicas de imagen necesarias para adquirir y analizar datos del CCS a diferentes escalas.