Highly trabeculated structure of the human endocardium underlies asymmetrical response to low-energy monophasic shocks

Novel low-energy defibrillation therapies are thought to be driven by virtual-electrodes (VEs), due to the interaction of applied monophasic electric shocks with fine-scale anatomical structures within the heart. Significant inter-species differences in the cardiac (micro)-anatomy exist, however, particularly with respect to the degree of endocardial trabeculations, which may underlie important differences in response to low-energy defibrillation protocols. Understanding the interaction of monophasic electric fields with the specific human micro-anatomy is therefore imperative in facilitating the translation and optimisation of these promising experimental therapies to the clinic. In this study, we sought to investigate how electric fields from implanted devices interact with the highly trabeculated human endocardial surface to better understand shock success in order to help optimise future clinical protocols. A bi-ventricular human computational model was constructed from high resolution (350 μm) ex-vivo MR data, including anatomically accurate endocardial structures. Monophasic shocks were applied between a basal right ventricular catheter and an exterior ground. Shocks of varying strengths were applied with both anodal [positive right ventricle (RV) electrode] and cathodal (negative RV electrode) polarities at different states of tissue refractoriness and during induced arrhythmias. Anodal shocks induced isolated positive VEs at the distal side of “detached” trabeculations, which rapidly spread into hyperpolarised tissue on the surrounding endocardial surfaces following the shock. Anodal shocks thus depolarised more tissue 10 ms after the shock than cathodal shocks where the propagation of activation from VEs induced on the proximal side of “detached” trabeculations was prevented due to refractory endocardium. Anodal shocks increased arrhythmia complexity more than cathodal shocks during failed anti-arrhythmia shocks. In conclusion, multiple detached trabeculations in the human ventricle interact with anodal stimuli to induce multiple secondary sources from VEs, facilitating more rapid shock-induced ventricular excitation compared to cathodal shocks. Such a mechanism may help explain inter-species differences in response to shocks and help to develop novel defibrillation strategies

Atrial Arrhythmogenic Substrates: The Role of Structure and Molecular Remodeling

Atrial tachyarrhythmias, specifically atrial flutter: AFl) and fibrillation: AF), affect over 2.2 million Americans, leading to more hospitalizations than any other cardiac arrhythmia. These arrhythmias are defined by the presence of reentrant circuits of excitation leading to high atrial rates and uncoordinated activation of the ventricles. The underlying mechanisms of AFl/AF have proven complex and, despite a century of research, no one effective treatment has been developed. Surgical ablation and pharmacological therapies are both fraught with risks and potential pro-arrhythmic side effects. Electrical cardioversion, on the other hand, is extremely effective in terminating these arrhythmias, but the high-energy shocks required for termination cause substantial pain to the patient. In this dissertation, we first investigate the underlying molecular and structural mechanisms of AF in two clinically-relevant models - the human and canine hearts. We identify structural and molecular substrates responsible for the generation and maintenance of AFl/AF. We then explore the application of a novel low-voltage defibrillation therapy to a rabbit model of atrial tachyarrhythmias and show significant reductions in the defibrillation threshold for both AF and AFl. We utilize a variety of experimental techniques, such as high throughput quantitative PCR, optical coherence tomography, and optical mapping. Only truly integrative approaches to arrhythmia research, combining a variety of experimental models and techniques, can continue to unravel the complexities of underlying molecular, structural, and electrophysiological mechanisms and develop effective, safe therapies, as we demonstrate in this dissertation with regards to atrial tachyarrhythmias

Computational modelling of the human heart and multiscale simulation of its electrophysiological activity aimed at the treatment of cardiac arrhythmias related to ischaemia and Infarction

[ES] Las enfermedades cardiovasculares constituyen la principal causa de morbilidad y mortalidad a nivel mundial, causando en torno a 18 millones de muertes cada año. De entre ellas, la más común es la enfermedad isquémica cardíaca, habitualmente denominada como infarto de miocardio (IM). Tras superar un IM, un considerable número de pacientes desarrollan taquicardias ventriculares (TV) potencialmente mortales durante la fase crónica del IM, es decir, semanas, meses o incluso años después la fase aguda inicial. Este tipo concreto de TV normalmente se origina por una reentrada a través de canales de conducción (CC), filamentos de miocardio superviviente que atraviesan la cicatriz del infarto fibrosa y no conductora. Cuando los fármacos anti-arrítmicos resultan incapaces de evitar episodios recurrentes de TV, la ablación por radiofrecuencia (ARF), un procedimiento mínimamente invasivo realizado mediante cateterismo en el laboratorio de electrofisiología (EF), se usa habitualmente para interrumpir de manera permanente la propagación eléctrica a través de los CCs responsables de la TV. Sin embargo, además de ser invasivo, arriesgado y requerir mucho tiempo, en casos de TVs relacionadas con IM crónico, hasta un 50% de los pacientes continúa padeciendo episodios recurrentes de TV tras el procedimiento de ARF. Por tanto, existe la necesidad de desarrollar nuevas estrategias pre-procedimiento para mejorar la planificación de la ARF y, de ese modo, aumentar esta tasa de éxito relativamente baja. En primer lugar, realizamos una revisión exhaustiva de la literatura referente a los modelos cardiacos 3D existentes, con el fin de obtener un profundo conocimiento de sus principales características y los métodos usados en su construcción, con especial atención sobre los modelos orientados a simulación de EF cardíaca. Luego, usando datos clínicos de un paciente con historial de TV relacionada con infarto, diseñamos e implementamos una serie de estrategias y metodologías para (1) generar modelos computacionales 3D específicos de paciente de ventrículos infartados que puedan usarse para realizar simulaciones de EF cardíaca a nivel de órgano, incluyendo la cicatriz del infarto y la región circundante conocida como zona de borde (ZB); (2) construir modelos 3D de torso que permitan la obtención del ECG simulado; y (3) llevar a cabo estudios in-silico de EF personalizados y pre-procedimiento, tratando de replicar los verdaderos estudios de EF realizados en el laboratorio de EF antes de la ablación. La finalidad de estas metodologías es la de localizar los CCs en el modelo ventricular 3D para ayudar a definir los objetivos de ablación óptimos para el procedimiento de ARF. Por último, realizamos el estudio retrospectivo por simulación de un caso, en el que logramos inducir la TV reentrante relacionada con el infarto usando diferentes configuraciones de modelado para la ZB. Validamos nuestros resultados mediante la reproducción, con una precisión razonable, del ECG del paciente en TV, así como en ritmo sinusal a partir de los mapas de activación endocárdica obtenidos invasivamente mediante sistemas de mapeado electroanatómico en este último caso. Esto permitió encontrar la ubicación y analizar las características del CC responsable de la TV clínica. Cabe destacar que dicho estudio in-silico de EF podría haberse efectuado antes del procedimiento de ARF, puesto que nuestro planteamiento está completamente basado en datos clínicos no invasivos adquiridos antes de la intervención real. Estos resultados confirman la viabilidad de la realización de estudios in-silico de EF personalizados y pre-procedimiento de utilidad, así como el potencial del abordaje propuesto para llegar a ser en un futuro una herramienta de apoyo para la planificación de la ARF en casos de TVs reentrantes relacionadas con infarto. No obstante, la metodología propuesta requiere de notables mejoras y validación por medio de es[CA] Les malalties cardiovasculars constitueixen la principal causa de morbiditat i mortalitat a nivell mundial, causant entorn a 18 milions de morts cada any. De elles, la més comuna és la malaltia isquèmica cardíaca, habitualment denominada infart de miocardi (IM). Després de superar un IM, un considerable nombre de pacients desenvolupen taquicàrdies ventriculars (TV) potencialment mortals durant la fase crònica de l'IM, és a dir, setmanes, mesos i fins i tot anys després de la fase aguda inicial. Aquest tipus concret de TV normalment s'origina per una reentrada a través dels canals de conducció (CC), filaments de miocardi supervivent que travessen la cicatriu de l'infart fibrosa i no conductora. Quan els fàrmacs anti-arítmics resulten incapaços d'evitar episodis recurrents de TV, l'ablació per radiofreqüència (ARF), un procediment mínimament invasiu realitzat mitjançant cateterisme en el laboratori de electrofisiologia (EF), s'usa habitualment per a interrompre de manera permanent la propagació elèctrica a través dels CCs responsables de la TV. No obstant això, a més de ser invasiu, arriscat i requerir molt de temps, en casos de TVs relacionades amb IM crònic fins a un 50% dels pacients continua patint episodis recurrents de TV després del procediment d'ARF. Per tant, existeix la necessitat de desenvolupar noves estratègies pre-procediment per a millorar la planificació de l'ARF i, d'aquesta manera, augmentar la taxa d'èxit, que es relativament baixa. En primer lloc, realitzem una revisió exhaustiva de la literatura referent als models cardíacs 3D existents, amb la finalitat d'obtindre un profund coneixement de les seues principals característiques i els mètodes usats en la seua construcció, amb especial atenció sobre els models orientats a simulació de EF cardíaca. Posteriorment, usant dades clíniques d'un pacient amb historial de TV relacionada amb infart, dissenyem i implementem una sèrie d'estratègies i metodologies per a (1) generar models computacionals 3D específics de pacient de ventricles infartats capaços de realitzar simulacions de EF cardíaca a nivell d'òrgan, incloent la cicatriu de l'infart i la regió circumdant coneguda com a zona de vora (ZV); (2) construir models 3D de tors que permeten l'obtenció del ECG simulat; i (3) dur a terme estudis in-silico de EF personalitzats i pre-procediment, tractant de replicar els vertaders estudis de EF realitzats en el laboratori de EF abans de l'ablació. La finalitat d'aquestes metodologies és la de localitzar els CCs en el model ventricular 3D per a ajudar a definir els objectius d'ablació òptims per al procediment d'ARF. Finalment, a manera de prova de concepte, realitzem l'estudi retrospectiu per simulació d'un cas, en el qual aconseguim induir la TV reentrant relacionada amb l'infart usant diferents configuracions de modelatge per a la ZV. Validem els nostres resultats mitjançant la reproducció, amb una precisió raonable, del ECG del pacient en TV, així com en ritme sinusal a partir dels mapes d'activació endocardíac obtinguts invasivament mitjançant sistemes de mapatge electro-anatòmic en aquest últim cas. Això va permetre trobar la ubicació i analitzar les característiques del CC responsable de la TV clínica. Cal destacar que aquest estudi in-silico de EF podria haver-se efectuat abans del procediment d'ARF, ja que el nostre plantejament està completament basat en dades clíniques no invasius adquirits abans de la intervenció real. Aquests resultats confirmen la viabilitat de la realització d'estudis in-silico de EF personalitzats i pre-procediment d'utilitat, així com el potencial de l'abordatge proposat per a arribar a ser en un futur una eina de suport per a la planificació de l'ARF en casos de TVs reentrants relacionades amb infart. No obstant això, la metodologia proposada requereix de notables millores i validació per mitjà d'estudis de simulació amb grans cohorts de pacients.[EN] Cardiovascular diseases represent the main cause of morbidity and mortality worldwide, causing around 18 million deaths every year. Among these diseases, the most common one is the ischaemic heart disease, usually referred to as myocardial infarction (MI). After surviving to a MI, a considerable number of patients develop life-threatening ventricular tachycardias (VT) during the chronic stage of the MI, that is, weeks, months or even years after the initial acute phase. This particular type of VT is typically sustained by reentry through slow conducting channels (CC), which are filaments of surviving myocardium that cross the non-conducting fibrotic infarct scar. When anti-arrhythmic drugs are unable to prevent recurrent VT episodes, radiofrequency ablation (RFA), a minimally invasive procedure performed by catheterization in the electrophysiology (EP) laboratory, is commonly used to interrupt the electrical conduction through the CCs responsible for the VT permanently. However, besides being invasive, risky and time-consuming, in the cases of VTs related to chronic MI, up to 50% of patients continue suffering from recurrent VT episodes after the RFA procedure. Therefore, there exists a need to develop novel pre-procedural strategies to improve RFA planning and, thereby, increase this relatively low success rate. First, we conducted an exhaustive review of the literature associated with the existing 3D cardiac models in order to gain a deep knowledge about their main features and the methods used for their construction, with special focus on those models oriented to simulation of cardiac EP. Later, using a clinical dataset of a chronically infarcted patient with a history of infarct-related VT, we designed and implemented a number of strategies and methodologies to (1) build patient-specific 3D computational models of infarcted ventricles that can be used to perform simulations of cardiac EP at the organ level, including the infarct scar and the surrounding region known as border zone (BZ); (2) construct 3D torso models that enable to compute the simulated ECG; and (3) carry out pre-procedural personalized in-silico EP studies, trying to replicate the actual EP studies conducted in the EP laboratory prior to the ablation. The goal of these methodologies is to allow locating the CCs into the 3D ventricular model in order to help in defining the optimal ablation targets for the RFA procedure. Lastly, as a proof-of-concept, we performed a retrospective simulation case study, in which we were able to induce an infarct-related reentrant VT using different modelling configurations for the BZ. We validated our results by reproducing with a reasonable accuracy the patient's ECG during VT, as well as in sinus rhythm from the endocardial activation maps invasively recorded via electroanatomical mapping systems in this latter case. This allowed us to find the location and analyse the features of the CC responsible for the clinical VT. Importantly, such in-silico EP study might have been conducted prior to the RFA procedure, since our approach is completely based on non-invasive clinical data acquired before the real intervention. These results confirm the feasibility of performing useful pre-procedural personalized in-silico EP studies, as well as the potential of the proposed approach to become a helpful tool for RFA planning in cases of infarct-related reentrant VTs in the future. Nevertheless, the developed methodology requires further improvements and validation by means of simulation studies including large cohorts of patients.During the carrying out of this doctoral thesis, the author Alejandro Daniel López Pérez was financially supported by the Ministerio de Economía, Industria y Competitividad of Spain through the program Ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores, with the grant number BES-2013-064089.López Pérez, AD. (2019). Computational modelling of the human heart and multiscale simulation of its electrophysiological activity aimed at the treatment of cardiac arrhythmias related to ischaemia and Infarction [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/124973TESI

High Resolution Multi-parametric Diagnostics and Therapy of Atrial Fibrillation: Chasing Arrhythmia Vulnerabilities in the Spatial Domain

After a century of research, atrial fibrillation (AF) remains a challenging disease to study and exceptionally resilient to treatment. Unfortunately, AF is becoming a massive burden on the health care system with an increasing population of susceptible elderly patients and expensive unreliable treatment options. Pharmacological therapies continue to be disappointingly ineffective or are hampered by side effects due to the ubiquitous nature of ion channel targets throughout the body. Ablative therapy for atrial tachyarrhythmias is growing in acceptance. However, ablation procedures can be complex, leading to varying levels of recurrence, and have a number of serious risks. The high recurrence rate could be due to the difficulty of accurately predicting where to draw the ablation lines in order to target the pathophysiology that initiates and maintains the arrhythmia or an inability to distinguish sub-populations of patients who would respond well to such treatments. There are electrical cardioversion options but there is not a practical implanted deployment of this strategy. Under the current bioelectric therapy paradigm there is a trade-off between efficacy and the pain and risk of myocardial damage, all of which are positively correlated with shock strength. Contrary to ventricular fibrillation, pain becomes a significant concern for electrical defibrillation of AF due to the fact that a patient is conscious when experiencing the arrhythmia. Limiting the risk of myocardial injury is key for both forms of fibrillation. In this project we aim to address the limitations of current electrotherapy by diverging from traditional single shock protocols. We seek to further clarify the dynamics of arrhythmia drivers in space and to target therapy in both the temporal and spatial domain; ultimately culminating in the design of physiologically guided applied energy protocols. In an effort to provide further characterization of the organization of AF, we used transillumination optical mapping to evaluate the presence of three-dimensional electrical substrate variations within the transmural wall during acutely induced episodes of AF. The results of this study suggest that transmural propagation may play a role in AF maintenance mechanisms, with a demonstrated range of discordance between the epicardial and endocardial dynamic propagation patterns. After confirming the presence of epi-endo dyssynchrony in multiple animal models, we further investigated the anatomical structure to look for regional trends in transmural fiber orientation that could help explain the spectrum of observed patterns. Simultaneously, we designed and optimized a multi-stage, multi-path defibrillation paradigm that can be tailored to individual AF frequency content in the spatial and temporal domain. These studies continue to drive down the defibrillation threshold of electrotherapies in an attempt to achieve a pain-free AF defibrillation solution. Finally, we designed and characterized a novel platform of stretchable electronics that provide instrumented membranes across the epicardial surface or implanted within the transmural wall to provide physiological feedback during electrotherapy beyond just the electrical state of the tissue. By combining a spatial analysis of the arrhythmia drivers, the energy delivered and the resulting damage, we hope to enhance the biophysical understanding of AF electrical cardioversion and xiii design an ideal targeted energy delivery protocol to improve upon all limitations of current electrotherapy

The fractal heart — embracing mathematics in the cardiology clinic

For clinicians grappling with quantifying the complex spatial and temporal patterns of cardiac structure and function (such as myocardial trabeculae, coronary microvascular anatomy, tissue perfusion, myocyte histology, electrical conduction, heart rate, and blood-pressure variability), fractal analysis is a powerful, but still underused, mathematical tool. In this Perspectives article, we explain some fundamental principles of fractal geometry and place it in a familiar medical setting. We summarize studies in the cardiovascular sciences in which fractal methods have successfully been used to investigate disease mechanisms, and suggest potential future clinical roles in cardiac imaging and time series measurements. We believe that clinical researchers can deploy innovative fractal solutions to common cardiac problems that might ultimately translate into advancements for patient care

Effect of Heart Structure on Ventricular Fibrillation in the Rabbit: A Simulation Study

Ventricular fibrillation (VF) is a lethal condition that affects millions worldwide. The mechanism underlying VF is unstable reentrant electrical waves rotating around lines called filaments. These complex spatio-temporal patterns can be studied using both experimental and numerical methods. Computer simulations provide unique insights including high resolution dynamics throughout the heart and systematic control of quantities such as fiber orientation and cellular kinetics that are not feasible experimentally. Here we study filament dynamics using two bi-ventricular 3-D high-resolution rabbit heart geometries, one with detailed fine structure and another without fine structure. We studied filament dynamics using anisotropic and isotropic conductivities, and with four cellular action potential models with different recovery kinetics. Spiral wave dynamics observed in isotropic two-dimensional sheets were not predictive of the behavior in the whole heart. In 2-D the four cell models exhibited stable reentry, meandering spiral waves, and spiral-wave breakup. In the whole heart with fine structure, all simulation results exhibited complex dynamics reminiscent of fibrillation observed experimentally. In the whole heart without fine structure, anisotropy acted to destabilize filament dynamics although the number of filaments was reduced compared to the heart with structure. In addition, in isotropic hearts without structure the two cell models that exhibited meandering spiral waves in 2-D, stabilized into figure-of-eight surface patterns. We also studied the sensitivity of filament dynamics to computer system configuration and initial conditions. After large simulation times, different macroscopic results sometimes occurred across different system configurations, likely due to a lack of bitwise reproducibility. The study conclusions were insensitive to initial condition perturbations, however, the exact number of filaments over time and their trends were altered by these changes. In summary, we present the following new results. First, we provide a new cell model that resembles the surface patterns of VF in the rabbit heart both qualitatively and quantitatively. Second, filament dynamics in the whole heart cannot be predicted from spiral wave dynamics in 2-D and we identified anisotropy as one destabilizing factor. Third, the exact dynamics of filaments are sensitive to a variety of factors, so we suggest caution in their interpretation and their quantitative analyses

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