Remodelado estructural y de GAP Junctions en un modelo 3D de aurícula humana

Introducción:la fibrilación auricular (AF), es la más común de la arritmia cardiaca sostenida y un factor de riesgo para el accidente cerebro vascular y otras morbilidades, si no es tratada. Estudios epidemiológicos muestran que la AF tiende a perpetuarse con el tiempo, generando cambios electrofisiológicos y anatómicos denominados: remodelados auriculares. Se ha demostrado que estos cambios provocan variaciones de la velocidad de conducción (CV), en el tejido auricular. Objetivo:estudiar el efecto del remodelado de gap junctions en la propagación del potencial de acción, implementando un modelo 3D de aurícula humana altamente realista. Materiales y Métodos:se incorporaron los cambios generados por el remodelado eléctrico a un modelo de potencial de acción (AP) de miocito auricular, acoplado con un modelo tridimensional anatómicamente realista de aurícula humana dilatada. Mediante simulaciones de la propagación del AP en condiciones de remodelado eléctrico y anatómico, y de remodelado de gap junctions, se midieron las ventanas vulnerables de generación de reentradas en la base de las venas pulmonares izquierdas de la aurícula. Resultados:los resultados obtenidos indican que la ventana vulnerable en el remodelado de gap junctions, se desplazó 38 ms con relación al modelo dilatado, lo que nos muestra el impacto de la dilatación con remodelado de gap junction. Conclusiones:el remodelado eléctrico generó una disminución del 70 % en la duración del potencial de acción y una disminución de las velocidades de conducción entre un 14.6 y un 26 %, que fueron medidas en diferentes regiones de la aurícula dilatada. El foco disparado en la base de las venas pulmonares izquierdas, generó un frente de onda que mantiene una actividad reentrante debido a la anatomía subyacente de las venas pulmonares.Introduction:Atrial fibrillation (AF) is the most common sustained cardiac arrhythmia and a significant risk factor for cerebrovascular accident and other morbidities if left untreated. Epidemiological studies show that AF tends to persist over time, creating electrophysiological and anatomical changes called atrial remodeling. It has been shown that these changes result in variations in conduction velocity (CV) in the atrial tissue. Objective:to study the effect of remodeling of gap junctions in the propagation of the action potential by implementing a highly realistic 3D human atrial model. Materials and methods:the changes caused by electrical remodeling were incorporated in an atrial myocyte action potential (AP) model coupled with an anatomically realistic three-dimensional model of dilated human atria. Through simulations of the AP spread in variations of anatomical and electrical remodeling and of gap junctions remodeling, vulnerable windows of reentry generation were measured at the base of the atrium left pulmonary veins. Results:the results obtained indicate that vulnerable window in the gap junctions remodeling moved 38 ms in relation with the expanded model which shows the impact of the dilatation gap junction remodeling. Conclusions:the electrical remodeling produced 70% decrease in action potential duration and decreased conduction velocities between 14.6 and 26 %, which were measured in different regions of the dilated atrium. The focus shot at the base of the left pulmonary veins created a wave which maintains a reentering activity due to the underlying anatomy of the pulmonary veins

Efecto de la frecuencia del ritmo sinusal en la generación de reentradas en un modelo 3D de aurícula humana remodelada

Las arritmias auriculares son las taquiarritmias más comunes en humanos. Recientemente, se ha demostrado que una actividad ectópica alrededor de las venas pulmonares puede generar mecanismos reentrantes en presencia de un sustrato vulnerable. En este estudio, examinamos el efecto de la frecuencia del ritmo sinusal para contribuir en la generación de mecanismos reentrantes iniciados por actividad ectópica. Los efectos del remodelado en las corrientes iónicas se incorporaron en un modelo 3D de aurícula humana, altamente realista. Sólo a altas frecuencias del ritmo sinusal (longitud del ciclo base ≤ 300 ms), la actividad ectópica provocó la generación de reentradas en figura de ocho en la aurícula derecha. Nuestro estudio sugiere que la interacción de actividad ectópica con un ritmo sinusal a alta frecuencia facilita la generación de mecanismos reentrantes en aurícula humana remodelada

Diseño de bancos de ensayo para pulsoreactores y motores cohetes de pequeño empuje destinados a UAV

Se busca discutir sobre el diseño y desarrollo de un banco de pruebas de motores de bajo empuje que sea versátil para ensayar indistintamente motores pulso-reactores o motores cohetes destinados a la propulsión de UAV dirigidos al adiestramiento integral de las unidades operativas de las fuerzas de defensa. Para ello se realiza un análisis de pulso-reactores y motores cohetes de bajo empuje, y se seleccionan los principales parámetros que permiten caracterizar el comportamiento de motores de este tipo como por ejemplo: empuje, consumo de combustible, velocidad de gases de escape, flujo másico y temperatura en la cámara de combustión entre otros. Adicionalmente se presenta análisis de alternativas de instrumentación con indicación de los más adecuados, se plantean alternativas para el desarrollo del banco, se selecciona la más adecuada, y se ejecuta el anteproyecto a modo de diseño preliminar de banco, se definen procedimientos de ensayo y se plantean alternativas de montaje de prototipos. Básicamente se presentan alternativas de instrumentación y de banco propiamente dicho.Grupo de Transporte Aéreo - Grupo de Ingeniería Aplicada a la Industri

Desarrollo de motores pulsorreactores para propulsión de UAV

Es bien conocido que los motores pulso-reactores son muy simples con ninguna o muy pocas partes móviles. Cuando se inyecta una mezcla de aire combustible en la cámara de combustión esta es inicialmente encendida por una chispa y la presión desarrollada expulsa los gases por la tobera. Debida a la inercia de dichos gases se produce una depresión en la cámara de combustión la que origina que los productos de la combustión se evacuen, que las válvulas se abran e ingrese una nueva carga de mezcla a través de ellas. Esta nueva carga es encendida por los gases calientes que todavía se encuentran en la cámara y el proceso se vuelva a repetir. El propósito primario de este trabajo es rever, mostrar el procedimiento de cálculo y desarrollar un motor de bajo costo para la propulsión de un vehículo no tripulado que va a ser usado como blanco de artillería y misiles. El objetivo secundario es desarrollar un sistema de alimentación de combustible que pueda ser usado en vuelo. En este trabajo se presenta el procedimiento de cálculo clásico usado para el desarrollo del motor. Además dichos cálculos se corroboraron numéricamente usando software libre. Se hizo un estudio de elementos finitos del tubo motor, la frecuencia de resonancia de las clapetas y se analizo el flujo sobre el mismo. Todos los valores calculados se van a verificar experimentalmente usando el banco de ensayo que se está desarrollado en colaboración con el departamento de Ingeniería Aeronáutica de la Universidad Nacional de La Plata (Área de motores), Escuela Superior Técnica y CITEDEF. En dicho banco podremos confeccionar todas las curvas de funcionamiento de dicho motor y otros de similares características.Grupo de Transporte Aéreo - Grupo de Ingeniería Aplicada a la Industri

A three-dimensional human atrial model with fiber orientation. Electrograms and arrhythmic activation patterns relationship

The most common sustained cardiac arrhythmias in humans are atrial tachyarrhythmias, mainly atrial fibrillation. Areas of complex fractionated atrial electrograms and high dominant frequency have been proposed as critical regions for maintaining atrial fibrillation; however, there is a paucity of data on the relationship between the characteristics of electrograms and the propagation pattern underlying them. In this study, a realistic 3D computer model of the human atria has been developed to investigate this relationship. The model includes a realistic geometry with fiber orientation, anisotropic conductivity and electrophysiological heterogeneity. We simulated different tachyarrhythmic episodes applying both transient and continuous ectopic activity. Electrograms and their dominant frequency and organization index values were calculated over the entire atrial surface. Our simulations show electrograms with simple potentials, with little or no cycle length variations, narrow frequency peaks and high organization index values during stable and regular activity as the observed in atrial flutter, atrial tachycardia (except in areas of conduction block) and in areas closer to ectopic activity during focal atrial fibrillation. By contrast, cycle length variations and polymorphic electrograms with single, double and fragmented potentials were observed in areas of irregular and unstable activity during atrial fibrillation episodes. Our results also show: 1) electrograms with potentials without negative deflection related to spiral or curved wavefronts that pass over the recording point and move away, 2) potentials with a much greater proportion of positive deflection than negative in areas of wave collisions, 3) double potentials related with wave fragmentations or blocking lines and 4) fragmented electrograms associated with pivot points. Our model is the first human atrial model with realistic fiber orientation used to investigate the relationship between different atrial arrhythmic propagation patterns and the electrograms observed at more than 43000 points on the atrial surface.This work was partially supported by the Plan Nacional de Investigacion Cientifica, Desarrollo e Innovacion Tecnologica, Ministerio de Ciencia e Innovacion of Spain (TEC2008-02090), by the Plan Avanza (Accion Estrategica de Telecomunicaciones y Sociedad de la Informacion), Ministerio de Industria Turismo y Comercio of Spain (TSI-020100-2010-469), by the Programa Prometeo 2012 of the Generalitat Valenciana and by the Programa de Apoyo a la Investigacion y Desarrollo de la Universitat Politecnica de Valencia (PAID-06-11-2002). The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.Tobón Zuluaga, C.; Ruiz Villa, CA.; Heidenreich, E.; Romero Pérez, L.; Hornero, F.; Saiz Rodríguez, FJ. (2013). A three-dimensional human atrial model with fiber orientation. Electrograms and arrhythmic activation patterns relationship. PLoS ONE. 8(2):1-13. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0050883S11382Ho SY, Sanchez-Quintana D, Anderson RH (1998) Can anatomy define electric pathways? In: International Workshop on Computer Simulation and Experimental Assessment of Electrical Cardiac Function, Lausanne, Switzerland. 77–86.Tobón C (2009) Evaluación de factores que provocan fibrilación auricular y de su tratamiento mediante técnicas quirúrgicas. Estudio de simulación. Master Thesis Universitat Politècnica de València.Ruiz C (2010) Estudio de la vulnerabilidad a reentradas a través de modelos matemáticos y simulación de la aurícula humana. Doctoral Thesis Universitat Politècnica de València.Tobón C (2010) Modelización y evaluación de factores que favorecen las arritmias auriculares y su tratamiento mediante técnicas quirúrgicas. Estudio de simulación. Doctoral Thesis Universitat Politècnica de València.Henriquez, C. S., & Papazoglou, A. A. (1996). Using computer models to understand the roles of tissue structure and membrane dynamics in arrhythmogenesis. Proceedings of the IEEE, 84(3), 334-354. doi:10.1109/5.486738Grimm, R. A., Chandra, S., Klein, A. L., Stewart, W. J., Black, I. W., Kidwell, G. A., & Thomas, J. D. (1996). Characterization of left atrial appendage Doppler flow in atrial fibrillation and flutter by Fourier analysis. American Heart Journal, 132(2), 286-296. doi:10.1016/s0002-8703(96)90424-xMaleckar, M. M., Greenstein, J. L., Giles, W. R., & Trayanova, N. A. (2009). K+ current changes account for the rate dependence of the action potential in the human atrial myocyte. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 297(4), H1398-H1410. doi:10.1152/ajpheart.00411.200

Propagación de onda en un tejido cardiaco 3D usando dos modelos auriculares

Objective to evaluate the degree of predictability between two models of human atrial cellular electrophysiology, analyzing at tissue level the properties of the action potential duration (APD) and conduction velocity (CV) in a three-dimensional tissue incorporating direction of fibers for the entire atrial anatomy. Methods we implemented the cellular models of Courtemanche-Ramirez-Nattel and Nygren, also developed a detailed and realistic geometric model of a human atrium, starting from the clumsy model of Harrild-Henriquez to which we incorporated the direction of fibers throughout the entire atrial anatomy. Results The diffusion constants implemented allowed to obtain in both models conduction velocities very similar to the real conduction velocities; moreover, in the high conductivity regions the longitudinal fiber direction allowed to obtain conduction velocities higher than in other areas of the atrium. Conclusions the action potential curve shows a APD90 (AP at 90% of repolarization) of 320 ms in NYG and 235 ms in CRN. Under conditions where the membrane properties have not changed in the normal atrium, we observed that in both models increases of fast action potential are generated, which can be seen as the potential associated with a low propagation velocity in the transversal direction and a slow rise of the action potential, which is also related to a high propagation velocity in the longitudinal direction

Propagación de onda en un tejido cardiaco 3D usando dos modelos auriculares

Objetivo: evaluar el grado de predictibilidad entre dos modelos de electrofisiología celular para aurícula humana, analizando las propiedades, a nivel tisular, de la duración del potencial de acción (APD) y velocidad de conducción (CV) en un tejido en tres dimensiones incorporando el direccionamiento de fibras para toda la anatomía auricular. Métodos: se implementaron los modelos celulares de Courtemanche-Ramírez-Nattel y Nygren; además se desarrolló un modelo geométrico detallado y realista de una aurícula humana, partiendo del modelo burdo de Harrild-Henriquez al que se le incorporó el direccionamiento de fibras en toda la anatomía auricular. Resultados: las constantes de difusión implementadas permitieron obtener en ambos modelos velocidades de conducción muy similares a las velocidades de conducción reales; además, en las regiones de alta conductividad el direccionamiento de fibras longitudinal permitió obtener velocidades de conducción más altas que en otras zonas de la aurícula. Conclusiones: la curva del potencial de acción muestra un APD90 (AP al 90% de la repolarización) de 320 ms en NYG y 235 ms en CRN. En condiciones donde las propiedades de la membrana no han cambiado en la aurícula normal, se ha observado que en ambos modelos se generan subidas de potencial de acción rápidas que se aprecian en la forma del potencial, asociados con una baja velocidad de propagación en la dirección transversal y una subida lenta del potencial de acción, que se relaciona también con una alta velocidad de propagación en el sentido longitudinal

3D model of human atria.

<p>Frontal (A) and dorsal (B) views of the 3D model of human atria. Colored areas show regions with different conductivity and/or electrophysiological heterogeneity.</p

Fiber orientation in the model.

<p>Frontal (A) and dorsal (B) views of the model. The model was divided into 42 areas (represented with different colors) according to the orientation of the muscle bundles (left) and fiber orientation (see black arrows) assigned to the main areas (right).</p

Flutter and reentrant tachycardia episodes. Snapshots, APs, EGM and spectral analysis in selected points.

<p>(A) Atrial flutter and (B) reentrant tachycardia episodes. In the snapshots, the color scale represents the range of values of the AP in mV. The depolarizing front is identified by the red color. The black arrow indicates the wavefront direction and the dash line a blocking line. AP time-courses of selected sites (indicated in the snapshots) are showed at the left, the dotted arrows indicate the activation sequence. EGM and their spectral analysis showing DF and OI values are shown (See text for more details).</p