Πολυεπίπεδη μοντελοποίηση και ανάλυση βιοσημάτων της κολπικής καρδιακής λειτουργίας στην κολπική μαρμαρυγή
Authors: Φίλος Δημήτριος 
Published: September 2021

Η κολπική μαρμαρυγή (ΚΜ) είναι η συνηθέστερη καρδιακή αρρυθμία. Η έναρξη και η διατήρηση της ΚΜ σχετίζεται με φαινόμενα κολπικής αναδιαμόρφωσης, που αναφέρονται στην τροποποίηση των ηλεκτρικών και δομικών χαρακτηριστικών των κόλπων. Η διάγνωση και κατανόηση των παθοφυσιολογικών μηχανισμών γίνεται με επεμβατικές και μη μεθόδους. Η μορφολογία ενός κύματος Ρ, όπως αυτό καταγράφεται από το επιφανειακό ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ), εξαρτάται από τη θέση έναρξης του ερεθίσματος και από την ακολουθούμενη αγώγιμη οδό, ενώ η σε βάθος ανάλυση του σε ασθενείς με ιστορικό ΚΜ κατά τη διάρκεια του φλεβοκομβικού ρυθμού, έχει αποκαλύψει διαφορές σε σύγκριση με τα αντίστοιχα κύματα από υγιείς εθελοντές. Για την καλύτερη κατανόηση της παθοφυσιολογίας της ΚΜ παρουσιάζεται η ανάγκη σύνδεσης διαφορετικών επιπέδων ανάλυσης, με σκοπό την ερμηνεία των μακροσκοπικών παρατηρήσεων, μέσω ενός ηλεκτροκαρδιογραφήματος επιφανείας, με τις αλλαγές που συντελούνται στο επίπεδο του κυττάρου και του ιστού. Η υπολογιστική μοντελοποίηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί προς αυτή την κατεύθυνση καθώς αποτελεί μία αναπαραγώγιμη και μη επεμβατική μέθοδο ανάλυσης της ηλεκτρικής δραστηριότητας της καρδιάς.Ο σκοπός της παρούσας διατριβής υπήρξε η σε βάθος ανάλυση των κυμάτων Ρ, από παλμό σε παλμό, σε ασθενείς με ιστορικό παροξυσμικής ΚΜ (ΠΚΜ) κατά τη διάρκεια του φλεβοκομβικού ρυθμού και η ανίχνευση διαφορών με τα αντίστοιχα κύματα υγιών εθελοντών, με απώτερο στόχο την διερεύνηση της ικανότητας της μεθόδου να διαχωρίζει τις ομάδες αυτές. Επιπλέον έγινε προσπάθεια οι διαφορές αυτές να ερμηνευθούν μέσω διενέργειας προσομοιώσεων σε μικροσκοπικό επίπεδο, ώστε να διερευνηθεί ο διαφορετικός τρόπος ενεργοποίησης των κόλπων στις δύο υπό μελέτη ομάδες.Πιο αναλυτικά, στην μακροσκοπική μελέτη της ΚΜ χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα ΗΚΓ από ασθενείς με ιστορικό ΠΚΜ και από υγιείς εθελοντές. Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των κυμάτων Ρ, από παλμό σε παλμό, κατά τη διάρκεια του φλεβόκομβου, αναλύθηκαν τόσο στο πεδίο του χρόνου όσο και στο χρονοφασματικό επίπεδο, με απώτερο στόχο την διερεύνηση αλλαγών που μπορεί να εμφανιστούν σε ασθενείς με ΠΚΜ και τα οποία μπορεί να αποτελέσουν τη βάση για τη διάκριση μεταξύ παθολογικών και υγιών ατόμων. Τα αποτελέσματα της μακροσκοπικής ανάλυσης αποκάλυψαν την ύπαρξη μίας δευτερεύουσας μορφολογίας κυμάτων Ρ, ενώ το ποσοστό των παλμών όπου το κύμα Ρ ακολουθεί τη δευτερεύουσα μορφολογία είναι υψηλότερο στους ασθενείς με ιστορικό ΠΚΜ. Επιπλέον η χρονοφασματική ανάλυση των κυμάτων Ρ, τα οποία ακολουθούν την κύρια μορφολογία, οδήγησε στην δημιουργία ενός ταξινομητή ο οποίος είναι δυνατό να διακρίνει, με μεγάλη ακρίβεια (93.75%), τα σήματα ασθενών με ΠΚΜ από τα υγιή σήματα, κατά τη διάρκεια φλεβοκομβικού ρυθμού. Η προτεινόμενη μεθοδολογία είναι διαθέσιμη στον κλινικό ιατρό για τη πρόβλεψη της εμφάνισης ΚΜ και τη διενέργεια περαιτέρω αναλύσεων.Η διαφορά στο ποσοστό της κύριας μορφολογίας του κύματος Ρ και των χρονοφασματικών τους χαρακτηριστικών υποδηλώνει μεγαλύτερη ηλεκτρική αστάθεια του κολπικού υποστρώματος σε ασθενείς με ΠΚΜ και διαφορετικούς τρόπους αγωγής στους κόλπους. Η παρατήρηση αυτή οδήγησε στην υπόθεση ότι οι πολλαπλές μορφολογίες του κύματος Ρ σε ένα ΗΚΓ, μπορεί να είναι αποτέλεσμα της τυχαίας αλλαγής της θέσης έναρξης του ερεθίσματος, πιθανώς εντός της ευρύτερης ανατομικής περιοχής του φλεβόκομβου, και ότι η ηλεκτρική αναδιαμόρφωση των κόλπων είναι αυτή η οποία συμβάλλει ώστε συχνότερα να καταγράφονται κύματα Ρ που ακολουθούν τη δευτερεύουσα μορφολογία στους ασθενείς με ΠΚΜ. Για την επιβεβαίωση της ερευνητικής υπόθεσης κρίθηκε απαραίτητη η χρήση υπολογιστικών μοντέλων και η διενέργεια προσομοιώσεων της ηλεκτρικής διάδοσης στους κόλπους. Μετά από μία εκτενή βιβλιογραφική ανασκόπηση, η οποία αποκάλυψε την απουσία μελετών που να ερευνούν τη συγκεκριμένη υπόθεση, σχεδιάστηκε μία δισδιάστατη γεωμετρική δομή που περιγράφει τον κολπικό ιστό. Τα ηλεκτροφυσιολογικά χαρακτηριστικά των κόλπων προσαρμόστηκαν κατάλληλα ώστε να περιγράψουν τόσο τον υγιή όσο και τον ηλεκτρικά αναδιαμορφωμένο ιστό. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι σε ηλεκτρικά αναδιαμορφωμένο ιστό, η μετατόπιση της θέσης διέγερσης, εντός της περιοχής του φλεβόκομβου, οδήγησε σε σημαντικές αλλαγές στον χρόνο ενεργοποίησης των κόλπων, σε σύγκριση με τον υγιή ιστό, ενώ όσο μεγαλύτερη ήταν η χωρική έκταση της αναδιαμόρφωσης τόσο μεγαλύτερες οι αλλαγές στου χρόνους ολοκλήρωσης των ηλεκτροφυσιολογικών διαδικασιών. Επίσης αποκαλύφθηκε η σημασία της συχνότητας του καρδιακού ρυθμού στην μεταβολή των χρόνων ηλεκτρικής ενεργοποίησης των κόλπων. Συμπερασματικά, βρέθηκε ότι η ανάλυση των κυμάτων Ρ, από παλμό σε παλμό, κατά τη διάρκεια φλεβοκομβικού ρυθμού, είναι δυνατό να προβλέψει την ύπαρξη ΠΚΜ, ενώ η υπολογιστική μοντελοποίηση παρέχει τη δυνατότητα ερμηνείας των αποτελεσμάτων της μακροσκοπικής ανάλυσης. Τα ευρήματα αυτά υπογραμμίζουν την ανάγκη σύνδεσης των μακροσκοπικών ευρημάτων της ανάλυσης στην υποφαινόμενη ηλεκτρική δραστηριότητα των κόλπων σε μικροσκοπικό επίπεδο, με σκοπό την καλύτερη κατανόηση της παθοφυσιολογιάς της ΚΜ. Η παρούσα διατριβή αποτελεί ένα βήμα προς την κατεύθυνση της υπολογιστικής ιατρικής στην καρδιολογία. Στο μέλλον, μεγαλύτερο δείγμα σημάτων πρέπει να χρησιμοποιηθεί για την βελτίωση της απόδοσης του ταξινομητή, ενώ είναι απαραίτητη η χρήση ενός λεπτομερούς τρισδιάστατου μοντέλου των ανθρώπινων κόλπων για να διερευνηθεί η αναπαραγωγιμότητα των αποτελεσμάτων σε μικροσκοπικό επίπεδο. Τέλος, ένα επιπλέον πεδίο έρευνας είναι η διερεύνηση των συνθηκών που οδηγούν στην μετατόπιση της θέσης έναρξης του ερεθίσματος, εντός του φλεβόκομβου.