Computational techniques for cardiac atrial fibres generation and influence on myocardial electrophysiology

Computational models of the heart are increasingly being used in the development of devices, patient diagnosis and therapy guidance, gradually becoming a powerful tool to better understand the heart function and to support clinical decision-making. Even though some areas of heart modelling are approaching clinical translation, the field of computational cardiology is still under development as more and more features are being integrated and represented to make them as realistic as possible. One of the most important feature to be integrated into the model is the muscular fibre architecture. This is crucial in order to reproduce physiological cardiac electrical activity since fibres architecture determines preferential directions for the electrophysiology signal and the myocardium contraction; in particular, atrial fibres reconstruction is a very complex task because fibres in the atrium, unlike ventricular fibres, are divided into bundles that run along different directions. Several computational models for atrial fibres reconstruction have been developed. In this study, we examine in detail two of these methodologies: the atrial Laplace-Dirichlet Rule-Based method and the Universal Atrial Coordinates. We use these algorithms to reconstruct the fibre fields on 24 bi-atrial meshes extracted from a virtual cohort of four-chamber hearts. This results in having three different datasets of reconstructed architectures for each of the 24 meshes. By using the Universal Atrial Coordinates, we can also map some of the most important tissue regions of the atrium in our 24 meshes: Bachmann bundle, pectinate muscles and crista terminalis. Then, we use the eikonal model to simulate cardiac electrophysiology with specific values of conduction velocity on each regions and we evaluate the differences in activation times between different architectures. We link electrophysiological and morphological differences and on the bi-atrial geometry that presents the greatest differences in local activation times, and we perform a sensitivity analysis using Gaussian Process Emulators to determine which electrophysiological parameter has the greatest influence. We show that these methods are universally applicable and the sensitivity analysis reveals that the influence of the atrial regions in determining the difference in activation times is limited compared to that of the myocardium with the biggest morphological difference. Characterized atrial regions effect increases when both electrophysiological and morphological differences at global level decrease.

I modelli computazionali del cuore stanno diventando uno strumento sempre più importate per la ricerca e lo sviluppo di dispositivi, per la diagnosi e per la terapia. Nonostante questi modelli siano ormai molto all’avanguardia, sono ancora in fase di sviluppo. Infatti si cercano di integrare e rappresentare sempre più caratteristiche per renderli il più possibile vicini alla realtà. Una caratteristica importante da rappresentare per simulare al meglio l’elettrofisiologia è la rappresentazione delle fibre muscolari cardiache. Le fibre muscolari infatti guidano lo stimolo elettrico e la conseguente contrazione del miocardio. In particolare la rappresentazione delle fibre atriali è una task molto complessa poichè le fibre nell’atrio, al contrario di quelle del ventricolo, sono suddivise in fasci orientati in direzioni diverse. In questo studio sono stati esaminati nel dettaglio due metodi sviluppati per la ricostruzione delle fibre atriali, il Laplace Dirichlet Rule-Based method e le Universal Atrial Coordinates. Le due metodologie sono state utilizzate per ricostruire più campi di fibre su 24 mesh biatriali estratte da cuori a quattro camere. Questo ha portato ad avere tre datasets di architetture ricostruite in ciascuna mesh. Le Universal Atrial Coordinates hanno permesso di mappare anche alcune tra le più important regioni muscolari dell’atrio: Bachmann bundle, pectinate muscles and crista terminalis. L’utilizzo del modello eikonale con parametri specifici per ogni regione atriale ha permesso di simulare lo stimolo elettrico e sono state valutate differenze nei tempi di attivazione tra i diversi campi di fibre. Le differenze elettrofosiologiche e morfologiche sono state entrambe valutate e connesse. Infine, sulla geometria biatriale che ha presentato le differenze maggiori tra i tempi di attivazione è stata svolta un’analisi di sensitività utilizzando gli emulatori gaussiani per determinare quale parametro elettrofisiologico fosse quello che maggiormente influenzava le differenze nell’attivazione. É stato dimostrato che queste metodologie di ricostruzione sono universalmente applicabili e dall’analisi di sensitività è emerso che l’influenza delle regioni atriali nel determinare la differenza nei tempi di attivazione è limitata rispetto a quella del miocardio, che è la parte dove si ha una maggiore di differenza morfologica. L’influenza delle regioni atriali mappate aumenta al diminuire delle differenze elettrofisiologiche e morfologiche a livello globale.