Dissertation/Thesis Abstract

Realistic Models of the Electrical Excitation in the Human Heart and the Determination of the Cardiac Magnetic Field
by Fruhner, Stefan, Ph.D., Technische Universitaet Berlin (Germany), 2015, 207; 27609872
Abstract (Summary)

Diese Dissertation behandelt ein Computermodell der elektrischen Erregungsausbreitung im menschlichen Herzen. Die mechanische Bewegung, die notwendig ist, um die Funktion des Herzens als Pumpe zu gewährleisten, wird durch eine elektrische Erregungswelle ausgelöst. Ionenströme breiten sich entlang von Muskelzellen, den sogenannten Myozyten, aus. Die starke Anisotropie des menschlichen Herzens wird durch die längliche Gestalt dieser Zellen und deren komplexer räumlicher Verteilung im Herzen widergespiegelt. Myozyten haben unterschiedliche elektrische Eigenschaften je nachdem wo sie sich im Herzen befinden. Die Verteilung dieser unterschiedlichen Zelltypen wird in dieser Arbeit anhand von generischen Modellen sowie auch an realistischen, patientienspezifischen geometrischen Modellen untersucht. Die erforderlichen Daten wurden mit Hilfe der Methode der Magnetresonanztomographie (MRT) gewonnen. Für Größen, die nicht aus experimentellen Messungen ersichtlich sind, wurden entsprechende mathematische Modelle entwickelt. Dazu gehören die Zelltypverteilung und die räumliche Orientierung der Myozyten. Um die Bewegung des Herzens berücksichtigen zu können, wurde das Verschiebungsfeld aus MRT-Aufnahmen extrahiert. Der Einfluß der Bewegung wurde untersucht, indem berechnete Elektrokardiogramme (EKG) und Magnetokardiogramme (MKG) für zwei Kontraktionszustände mit einem neuen, dynamischen Ansatz verglichen wurden. Dazu wurden bestehende Simulationsmethoden um einen Ansatz zur Interpolation der elektrischen Erregung zwischen aufeinanderfolgenden Zuständen im Kontraktionszyklus erweitert. Die Gestalt der Simulationsgeometrie beeinflusst die Ergebnisse der numerischen Simulation – insbesondere das EKG und das MKG. Ereignisse, die innerhalb des Signalverlaufs auftreten und der Erregung bzw. Repolarisation des Gewebes zuzuordnen sind, können in Zusammenhang zum Bewegungszustand des Herzens gesetzt werden. Es wurde gezeigt, dass die Gestalt einzelner Ereignisse durch die Wahl der Simulationsgeometrie beeinflusst wird. Der QRS-Komplex wird nicht realistisch wiedergegeben, wenn eine statische, systolische Geometrie verwendet wird. Im Gegensatz dazu wird die Amplitude der T-Welle unter Modellierung eines diastolischen Zustandes vermindert. Der dynamische Ansatz berücksichtigt beide Effekte. Darüber hinaus wurden Messungen des Herzmagnetfeldes ausgewertet und digital verarbeitet. Ein Computermodell des dazugehörigen Messgerätes wurde erstellt, um die Messergebnisse in der Simulation nachvollziehen zu können. Das geometrische Modell wurde erfolgreich auf drei Dimensionen erweitert, um eine Übereinstimmung zu erhalten. Der Weg der Erregungswelle durch das Herzgewebe kann mit Hilfe der vorhandenen Messmethode nicht rekonstruiert werden. Aus gemessenen sowie modellierten Daten des Magnetfeldes können im direkten Vergleich verschiedener Anregungsszenarien jedoch Rückschlüsse auf das Anregungsprotokoll gezogen werden. Die Ergebnisse legen nahe, dass das Netzwerk aus Purkinje-Fasern eine wichtige Rolle spielt und nicht zu vernachlässigen ist, wenn man das MKG akkurat reproduzieren möchte.

Indexing (document details)
Advisor: Bär, Harald
Commitee:
School: Technische Universitaet Berlin (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/4(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Biomedical engineering
Keywords: Magnetic field, Electrical excitation, Human heart
Publication Number: 27609872
ISBN: 9781392379936
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