A personalized 3D electromechanical model to assess virtual scenarios of biventricular pacing

The field of electromechanical cardiac modeling has undergone a great development during the last decades, offering an increasingly promising assistance in therapy decision-making. However, definitive criteria for the optimal configuration of cardiac resynchronization therapy in patients suffering from left bundle branch block have not yet been established, resulting in a large percentage of non-responders. This work aims to contribute in the delineation of a general strategy to guide the successful implantation of the device and in the consequent reduction of failure outcomes. Personalized Eikonal-Reaction-Mechanics models have been created by means of the threedimensional reconstruction of the ventricular anatomy, from magnetic resonance images, and the calibration of their relevant parameters, through the reproduction of clinical preoperative activation time maps and pressure-volume measurements. The electrical component of each model has also been validated by comparing the experimental and computational myocardial depolarization pattern during the right apical stimulation. The calibrated and electrically validated models have been applied to perform the simulation of several biventricular pacing scenarios, with the assumption that the conductive and contractile properties of the muscular tissue do not vary acutely. Starting from the standard device arrangement usually realized by clinicians at Ospedale Santa Maria del Carmine in Rovereto, the left and right leads positioning and the inter-ventricular delay have been modified once at a time. From the evaluation of simulations results appears that the most favourable regions to be paced coincide with the left latest electrically activated segment (LEAS), contained in the lateral sector of the base, and the right mid septal area, while the anticipation of the right stimulus seems to guarantee the best timing. Similar conclusions can also be drawn from the extension of the model to the biventricular domain, for which only the suggested left electrode placement moves with respect to the monoventricular case, especially from LEAS towards the basal inferolateral zone.

Il campo della modellizzazione cardiaca elettromeccanica ha subito un grande sviluppo negli ultimi decenni, offrendo un’assistenza sempre più promettente nel processo decisionale delle terapie. Tuttavia, non sono ancora stati stabiliti dei criteri definitivi per la configurazione ottimale della terapia di risincronizzazione cardiaca nei paienti affetti da blocco di branca sinistra, causando una vasta percentuale di non rispondenti. Questo lavoro mira a contribuire nella delineazione di una strategia generale per guidare l’impianto del dispositivo con successo e nella conseguente riduzione degli esiti fallimentari. Sono stati creati modelli Eikonal-Reaction-Mechanics personalizzati attraverso la riscotruzione tridimensionale dell’anatomia ventricolare, dalle immagini di risonanza magnetica, e la calibrazione dei loro parametri rilevanti, mediante la riproduzione delle mappe di attivazione temporale e delle misurazioni di pressione e volume cliniche preoperatorie. La componente elettrica di ogni modello è stata validata comparando gli andamenti della depolarizzazione miocardica sperimentale e computazionale durante la stimolazione apicale destra. I modelli calibrati ed elettricamente validati sono stati applicati per compiere la simulazione di diversi scenari di stimolazione biventricolare, con l’assunzione che le proprietà conduttive e contrattili del tessuto muscolare non variano in acuto. Partendo dalla disposizione del dispositivo standard solitamente realizzata dai clinici all’Ospedale Santa Maria del Carmine di Rovereto, il posizionamento degli elettrodi sinistro e destro e il ritardo inter-ventricolare sono stati modificati uno alla volta. Dalla valutazione dei risultati delle simulazioni è emerso che le regioni più favorevoli da essere stimolate coincidono con l’ultimo segmento attivato elettricamente (LEAS), contenuto nel settore laterale della base, e l’area settale media, mentre l’anticipazione dello stimolo destro sembra garantire la tempistica migliore. Conclusioni simili possono essere tratte dall’estensione del modello al dominio biventricolare, per il quale solo il posizionamento consigliato dell’elettrodo sinistro viene spostato rispetto al caso monoventricolare, in particolare dal LEAS verso la zona infero-laterale della base.