Cardiac MRI to Investigate Myocardial Scar and Coronary Venous Anatomy Using a Slow Infusion of Dimeglumine Gadobenate in Patients Undergoing Assessment for Cardiac Resynchronization Therapy

n/

Preliminary Computational Framework to Map MRI-Derived Markers to predict Response to Cardiac Resynchronization Therapy

Prediction of the response to cardiac resynchronization therapy (CRT) is still uncertain. On our previous CRT clinical research, we have found that a decrease in the ratio between the two principal axes of the 3D trajectory of the electrode at the pacing site (S1/S2) recorded before and after pacing could define a marker between responders and non-responders to CRT. The aim of this work is to design a framework to map the S1/S2 marker on the 3D ventricular anatomy as a preliminary test to verify if the concept of the S1/S2 may predict the response to CRT in a pre-implant scenario. Based on MR images of a CRT candidate, the 3D mesh of the left ventricle geometry is constructed. Using image registration we are able to track the deformation of the mesh throughout the cardiac cycle and to compute the trajectory of each point of the mesh. Then the S1/S2 is calculated for every trajectory and mapped on a 3D geometry representation. We have applied this framework to one CRT patient, highlighting that in the area in which the electrode was placed the S1/S2 was low. This value suggests a poor possibility of a pacing-induced decrease for the S1/S2 ratio after implant. Consistently the patient was classified as non-responder at the clinical follow-up. Ongoing work focuses on the clinical validation of S1/S2 as a tool for the prediction of CRT response and the acquisition of MR data of potential candidates to CRT for the assessment of the presented framework

Early diagnosis of cardiovascular diseases in workers: role of standard and advanced echocardiography

Cardiovascular disease (CVD) still remains the main cause of morbidity and mortality and consequently early diagnosis is of paramount importance. Working conditions can be regarded as an additional risk factor for CVD. Since different aspects of the job may affect vascular health differently, it is important to consider occupation from multiple perspectives to better assess occupational impacts on health. Standard echocardiography has several targets in the cardiac population, as the assessment of myocardial performance, valvular and/or congenital heart disease, and hemodynamics. Three-dimensional echocardiography gained attention recently as a viable clinical tool in assessing left ventricular (LV) and right ventricular (RV), volume, and shape. Two-dimensional (2DSTE) and, more recently, three-dimensional speckle tracking echocardiography (3DSTE) have also emerged as methods for detection of global and regional myocardial dysfunction in various cardiovascular diseases, and applied to the diagnosis of subtle LV and RV dysfunction. Although these novel echocardiographic imaging modalities have advanced our understanding of LV and RV mechanics, overlapping patterns often show challenges that limit their clinical utility. This review will describe the current state of standard and advanced echocardiography in early detection (secondary prevention) of CVD and address future directions for this potentially important diagnostic strategy

Internship in arrhythmology

The arrhythmology focuses on the diagnosis and treatment of heart rhythm disorders and their complications, and has undergone a dramatic evolution over the past two decades. The widespread use of catheter ablation, the introduction of implantable cardioverter defibrillators for the prevention of sudden cardiac death and, finally, the development of cardiac resynchronization therapy led to a gradual loss of the impact of antiarrhythmic drugs as a therapeutic approach. This report was performed as a result of an internship performed in Cardiac Physiology with the duration of 400 hours. The main goal of the internship was to strengthen theoretical knowledge and acquire practical experience in the varied fields of arrhythmology, especially in the areas of Cardiac Pacing and Electrophysiology. During the internship were performed 41 electrophysiologic studies, where Atrioventricular Node Reentrant Tachycardia and Atrial Fibrillation were the most observed arrhythmias. New technologies such as three-dimensional mapping for electrophysiology studies are developing quickly and being use on a daily basis, as they prove to have safe and higher success rates. The proof is that in approximately half of the studies, one of the two mapping systems available, Carto or NavX, was used. In addition, were interrogated 283 pacemakers during the pacing clinics, being the dual chamber with DDD pacing mode the most encountered device. A large number of devices with Cardiac Resynchronization Therapy and/or Implantable Cardioverter Defibrillators were also observed. This report is divided into three chapters. Chapter I is constituted by a revision of the literature and includes concepts such as definition and mechanisms of cardiac arrhythmias; a brief description of the varied diagnostic tools and its recommendations; and a presentation of the different therapeutic approaches available and its indications. The second chapter is a descriptive drawing of the activity performed in the modules of Electrophysiology and Pacing. Lastly, the chapter III presents two clinical cases in Electrophysiology considered interesting from a clinical point of view

Noninvasive evaluation of patients with coronary artery disease and heart failure

In dit proefschrift worden patiënten bestudeerd met een voorgeschiedenis van coronair lijden en hartfalen. De thesis is onderverdeeld in drie delen: 1. Niet-invasieve inschatting van vuldrukken door middel van geavanceerde echocardiografische technieken 2. Selectie van kandidaten voor cardiale resynchronizatietherapie met echocardiografie, nucleaire technieken en multi slice CT 3. Nietinvasieve prognostische markers waaronder nuchtere glycemie en determinanten van inspanningscapacitei

Dynamic three-dimensional echocardiography combined with semi-automated border detection offers advantages for assessment of resynchronization therapy

Simultaneous electrical stimulation of both ventricles in patients with interventricular conduction disturbance and advanced heart failure improves hemodynamics and results in increased exercise tolerance, quality of life. We have developed a novel technique for the assessment and optimization of resynchronization therapy. Our approach is based on transthoracic dynamic three-dimensional (3D) echocardiography and allows determination of the most delayed contraction site of the left ventricle (LV) together with global LV function data. Our initial results suggest that fast reconstruction of the LV is feasible for the selection of the optimal pacing site and allows identifying LV segments with dyssynchrony

Contribution to the improvement of electrical therapies and to the comprehension of electrophysiological mechanisms in heart failure and acute ischemia using computational simulation

[ES] Una mejor comprensión de los mecanismos subyacentes a las arritmias ventriculares, así como una mejora de las terapias eléctricas y farmacológicas asociadas, son un factor clave para prevenir la muerte súbita cardíaca en pacientes con cardiopatías estructurales y eléctricas. Una miocardiopatía importante que puede provocar arritmias ventriculares potencialmente mortales es la insuficiencia cardíaca (HF). Los pacientes con HF a menudo sufren también de bloqueo de rama izquierda (LBBB) que deteriora su condición. Actualmente, el tratamiento más eficaz para estos pacientes es la terapia de resincronización cardíaca (CRT). Sin embargo, no se alcanza una respuesta positiva en todos los casos, por lo que es necesario un mayor estudio para mejorar este tratamiento. Una segunda patología cardíaca que también produce arritmias letales es la isquemia miocárdica. Evidencia experimental ha demostrado que las alteraciones electrofisiológicas en el miocardio ventricular constituyen un sustrato para la generación de arritmias durante la fase aguda de isquemia. Estas alteraciones son inducidas por los tres componentes isquémicos principales: hipercalemia, hipoxia y acidosis. Sin embargo, la influencia de cada componente en los mecanismos de inicio y mantenimiento de las arritmias no se comprende aún con claridad. Una primera parte de esta tesis doctoral, se centra en la optimización de la CRT durante su aplicación en un corazón que padece HF y LBBB. Para esto, se modificó el modelo de potencial de acción (AP) de O'Hara para simular una velocidad de conducción realista tanto en condiciones sanas como patológicas. Además, se estimó e incorporó un sistema de His-Purkinje (HPS) dentro de un modelo biventricular/torso humano 3D para simular un LBBB realista. A continuación, se desarrolló un conjunto de simulaciones computacionales para diferentes configuraciones de la CRT a fin de determinar la posición y el instante de estimulación óptimo que conducen a la duración más corta del QRS. Posteriormente, los resultados se compararon con otros criterios de optimización. Los principales hallazgos de este estudio mostraron la necesidad de definir criterios de optimización mejores o complementarios, como un índice basado en el tiempo hasta alcanzar el 90% del área del QRS sugerido en este trabajo, para alcanzar la mejor sincronía eléctrica ventricular durante la aplicación de la CRT. Además, nuestros resultados también muestran que el septo superior cercano al tracto de salida es un sitio alternativo para la estimulación del ventrículo derecho, lo cual evita los problemas de perforación de la pared apical durante el procedimiento típico de la CRT. Por último, para obtener mejores resultados de la CRT se deben considerar protocolos de estimulación endocárdica en el ventrículo izquierdo. En la segunda parte de esta tesis se investigó los efectos de los tres componentes principales de la isquemia sobre la vulnerabilidad a una reentrada, así como el papel del HPS y sus mecanismos de acción en la generación y mantenimiento de arritmias ventriculares. Para lograr este objetivo, en primer lugar, se modificó el modelo AP ventricular para simular de forma realista las principales alteraciones provocadas por la isquemia miocárdica aguda. Las simulaciones se realizaron en un modelo biventricular humano 3D, acoplado en un torso virtual, que incluye una geometría realista de las zonas isquémicas central y de borde, así como un HPS detallado. Se simularon cuatro escenarios de severidad isquémica correspondientes a diferentes minutos de oclusión de la arteria coronaria para evaluar los efectos de la evolución de la isquemia en el tiempo. Luego, se evaluó la influencia individual de la hipercalemia, hipoxia y acidosis en el ancho de la ventana vulnerable (VW) a reentradas durante siete escenarios de isquemia aguda. Finalmente, se repitió este último conjunto de simulaciones isquémicas utilizando el modelo anatómico sin el HPS para evaluar el efecto de este último en la VW. Los resultados muestran que una condición isquémica moderada es el peor escenario para la generación de una reentrada. La hipoxia es el componente isquémico con el efecto más significativo en el ancho de la VW. Además, el flujo de corriente retrógrado desde el miocardio hacia el HPS en la región isquémica, los bloqueos de conducción en secciones discretas del HPS y el grado de hiperkalemia que afecta a las células de Purkinje, son sugeridos como mecanismos que podrían favorecer la aparición de arritmias ventriculares.[EN] A better understanding of the mechanisms underlying ventricular arrhythmias, as well as an improvement of the associated electrical and pharmacological therapies, are a key factor to prevent sudden cardiac death in patients with structural and electrical heart diseases. An important cardiomyopathy that can lead to life-threatening ventricular arrhythmias is heart failure (HF). Patients with HF also often suffer from left bundle branch block (LBBB), which worsens their condition. Currently, the most effective treatment to these patients is cardiac resynchronization therapy (CRT). However, many patients are non-responders, so further studies are needed to improve this treatment. A second cardiac pathology that also produces lethal arrhythmias is myocardial ischemia. Substantial experimental evidence has shown that electrophysiological alterations in the ventricular myocardium constitute a substrate for the generation of arrhythmias during the acute phase of ischemia. These alterations are induced by the three main ischemic components: hyperkalemia, hypoxia and acidosis. However, the influence of each component in the mechanisms of arrhythmia initiation and maintenance is still not completely understood. In the first section of this doctoral thesis, we focus on the optimization of CRT during its application in a heart suffering from HF and LBBB. For this purpose, we modified the O'Hara action potential (AP) model to simulate a realistic conduction velocity both in healthy and pathological conditions. In addition, a His-Purkinje system (HPS) was generated and incorporated into a 3D human biventricular/torso model to simulate realistic LBBB. A set of computational simulations were performed for different CRT configurations to determine the optimal pacing leads location and delay values leading to the shortest QRS duration. Subsequently, results were compared with other optimization criteria. The main findings of this study showed the need of better or complementary optimization criteria, such as an index based on the time to reach the 90% of the QRS area suggested in this work, to reach the best ventricular electrical synchrony during the CRT application. In addition, our results also show that the upper septum close to the outflow tract is an alternative site for the right ventricle (RV) stimulation, which avoids the perforation problems of the RV apical wall during the typical CRT procedure. Finally, protocols of left ventricle endocardial pacing should be considered to obtain better CRT results. In the second section of this thesis, we investigated the effects of the three main components of ischemia on the vulnerability to reentry, as well as the role of the HPS and its mechanisms of action in the generation and maintenance of ventricular arrhythmias. In order to achieve our goal, we first modified the ventricular AP model to realistically simulate the major alterations caused by acute myocardial ischemia. Simulations were performed in a 3D human biventricular model, embedded in a virtual torso, which includes a realistic geometry of the central and border ischemic zones, as well as a detailed HPS. Four scenarios of ischemic severity corresponding to different minutes after coronary artery occlusion were simulated to evaluate the effects of the evolution of ischemia over time. Then, the individual influence of hyperkalemia, hypoxia and acidosis in the width of the vulnerable window (VW) for reentry was assessed during seven scenarios of acute ischemia. Finally, this last set of ischemic simulations was repeated using the anatomical model without the HPS to evaluate the effect of the latter in the VW. Results show that a moderate ischemic condition is the worst scenario for reentry generation. Hypoxia is the ischemic component with the most significant effect on the width of the VW. Furthermore, the retrograde current flow from the myocardium to the HPS in the ischemic region, conduction blocks in discrete sections of the HPS, and the degree of hyperkalemia affecting the Purkinje cells, are suggested as HPS mechanisms that could favor the triggering of ventricular arrhythmias.[CA] Una millor comprensió dels mecanismes subjacents a les arrítmies ventriculars, així com una millora de les teràpies elèctriques i farmacològiques associades, són un factor clau per a previndre la mort sobtada cardíaca en pacients amb cardiopaties estructurals i elèctriques. Una miocardiopatia important que pot provocar arrítmies ventriculars potencialment mortals és la insuficiència cardíaca (HF). Els pacients amb HF sovint pateixen també de bloqueig de branca esquerra (LBBB) que deteriora la seua condició. Actualment, el tractament més eficaç per a aquests pacients és la teràpia de resincronització cardíaca (CRT). No obstant això, no s'aconsegueix una resposta positiva en tots els casos, per la qual cosa és necessari un major estudi per a millorar aquest tractament. Una segona patologia cardíaca que també produeix arrítmies letals és la isquèmia miocàrdica. Evidència experimental ha demostrat que les alteracions electrofisiològiques en el miocardi ventricular constitueixen un substrat per a la generació d'arrítmies durant la fase aguda d'isquèmia. Aquestes alteracions són induïdes pels tres components isquèmics principals: hipercalèmia, hipòxia i acidosi. No obstant això, la influència de cada component en els mecanismes d'inici i manteniment de les arrítmies no es comprén encara amb claredat. Una primera part d'aquesta tesi doctoral, se centra en l'optimització de la CRT durant la seua aplicació en un cor que pateix HF i LBBB. Per a això, es va modificar el model de potencial d'acció (AP) de O'Hara per a simular una velocitat de conducció realista tant en condicions sanes com patològiques. A més, es va estimar i es va incorporar un sistema de His-Purkinje (HPS) dins d'un model biventricular/tors humà 3D per a simular un LBBB realista. A continuació, es va desenvolupar un conjunt de simulacions computacionals per a diferents configuracions de la CRT a fi de determinar la posició i l'instant d'estimulació òptim que condueixen a la duració més curta del QRS. Posteriorment, els resultats es van comparar amb altres criteris d'optimització. Les principals troballes d'aquest estudi van mostrar la necessitat de definir millors o complementaris criteris d'optimització, com un índex basat en el temps fins a aconseguir el 90% de l'àrea del QRS suggerida en aquest treball, per a aconseguir la millor sincronia elèctrica ventricular durant l'aplicació de la CRT. A més, els nostres resultats també mostren que el septe superior pròxim al tracte d'eixida és un lloc alternatiu per a l'estimulació del ventricle dret, la cual cosa evita els problemes de perforació de la paret apical durant el procediment típic de la CRT. Finalment, per a obtindre millors resultats de la CRT s'han de considerar protocols d'estimulació endocárdica en el ventricle esquerre. En la segona part d'aquesta tesi es va investigar els efectes dels tres components principals de la isquèmia sobre la vulnerabilitat a una reentrada, així com el paper del HPS i els seus mecanismes d'acció en la generació i manteniment d'arrítmies ventriculars. Per a aconseguir aquest objectiu, en primer lloc es va modificar el model AP ventricular per a simular de manera realista les principals alteracions provocades per la isquèmia miocàrdica aguda. Les simulacions es van realitzar en un model biventricular humà 3D, acoblat en un tors virtual, que inclou una geometria realista de les zones isquèmiques central i de vora, així com un HPS detallat. Es van simular quatre escenaris de severitat isquèmica corresponents a diferents minuts d'oclusió de l'artèria coronària per a avaluar els efectes de l'evolució de la isquèmia en el temps. Després, es va avaluar la influència individual de la hipercalèmia, hipòxia i acidosi en l'ample de la finestra vulnerable (VW) a reentradas durant set escenaris d'isquèmia aguda. Finalment, es va repetir aquest últim conjunt de simulacions isquèmiques utilitzant el model anatòmic sense el HPS per a avaluar l'efecte d'aquest últim en la VW. Els resultats mostren que una condició isquèmica moderada és el pitjor escenari per a la generació d'una reentrada. La hipòxia és el component isquèmic amb l'efecte més significatiu en l'ample de la VW. A més, el flux de corrent retrògrad des del miocardi cap al HPS a la regió isquèmica, els bloquejos de conducció en seccions discretes del HPS i el grau d'hiperkalèmia que afecta les cèl·lules de Purkinje, són suggerits com a mecanismes que podrien afavorir l'aparició d'arrítmies ventriculars.Carpio Garay, EF. (2021). Contribution to the improvement of electrical therapies and to the comprehension of electrophysiological mechanisms in heart failure and acute ischemia using computational simulation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/163041TESI