[論文レビュー] Comparison of propagation models and forward calculation methods on cellular, tissue and organ scale atrial electrophysiology

Claudia Nagel, Cristian Barrios Espinosa+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Cardiac electrophysiology and arrhythmias被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、心房シミュレーションにおける高速前向き計算手法（境界要素法、無限体積導体）と組み合わせた簡略化された電気生理学的モデル（イコナール、反応-イコナール、単一媒体）の評価を行った。eikonalモデルに境界要素法を適用した場合、bidomain/FEM結果と比較してLATsおよびECGの相関係数が0.9未塔を示し、生理的正確性を保持したまま最大1,000倍の高速化を達成したが、復分極化ダイナミクスについては拡散項が必要であることが判明した。

ABSTRACT

Objective: The bidomain model and the finite element method are an established standard to mathematically describe cardiac electrophysiology, but are both suboptimal choices for fast and large-scale simulations due to high computational costs. We investigate to what extent simplified approaches for propagation models (monodomain, reaction-eikonal and eikonal) and forward calculation (boundary element and infinite volume conductor) deliver markedly accelerated, yet physiologically accurate simulation results in atrial electrophysiology. Methods: We compared action potential durations, local activation times (LATs), and electrocardiograms (ECGs) for sinus rhythm simulations on healthy and fibrotically infiltrated atrial models. Results: All simplified model solutions yielded LATs and P waves in accurate accordance with the bidomain results. Only for the eikonal model with pre-computed action potential templates shifted in time to derive transmembrane voltages, repolarization behavior notably deviated from the bidomain results. ECGs calculated with the boundary element method were characterized by correlation coefficients >0.9 compared to the finite element method. The infinite volume conductor method led to lower correlation coefficients caused predominantly by systematic overestimations of P wave amplitudes in the precordial leads. Conclusion: Our results demonstrate that the eikonal model yields accurate LATs and combined with the boundary element method precise ECGs compared to markedly more expensive full bidomain simulations. However, for an accurate representation of atrial repolarization dynamics, diffusion terms must be accounted for in simplified models. Significance: Simulations of atrial LATs and ECGs can be notably accelerated to clinically feasible time frames at high accuracy by resorting to the eikonal and boundary element methods.

研究の動機と目的

• 簡略化された伝播モデル（eikonal、反応-イコナール、単一媒体）が、bidomainモデルと比較して心房電気生理学をどれだけ正確に再現できるかを評価すること。
• 有限要素法と比較して、体表面ECGの生成に用いる前向き計算手法（境界要素法、無限体積導体法）の正確性を評価すること。
• 簡略化モデルが、LATsおよびECGの生理的正確性を損なわせずに、臨床的に実用可能なシミュレーション時間に短縮できるかを同定すること。
• 細胞、組織、臓器スケールにおいて、活動電位持続時間、局所活性化時刻、P波形態の誤差を定量化すること。
• 簡略化モデルにおける拡散項を省略した場合、復分極化ダイナミクスの正確性にどのような影響を与えるかを特定すること。

提案手法

• 患者特異的バイアトリアルジオメトリを用いたシミュレーションを実施し、メッシュ解像度の平均は523 µmであり、線維化組織は受動的障害物として含めた。
• 活性化伝播およびECG計算のゴールドスタンダードとして、有限要素法を用いたbidomainモデルを採用した。
• 簡略化モデルには単一媒体、反応-イコナール、イコナール形式を含み、イコナールモデルでは時間ずらし可能な活動電位テンプレートを事前に計算した。
• 前向き計算では、境界要素法（BEM）および無限体積導体法を用いて、心筋からの電気的出力を体表面ECGに変換した。
• 拡散係数は、bidomainモデルの伝導速度と一致するようにtuneCVを用いて調整し、誤差評価のためメッシュ解像度を523 µmおよび265 µmで変更した。
• 評価指標には、活動電位持続時間（APD90）、局所活性化時刻（LATs）、および簡略化モデルとゴールドスタンダードとの間のECG相関（ピアソンのr）を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 健康および線維化心房において、eikonal、反応-イコナール、単一媒体モデルは、bidomainモデルと比較して、局所活性化時刻（LATs）およびP波をどれだけ正確に再現できるか？
• RQ2 境界要素法（BEM）および無限体積導体法は、有限要素法と比較して、ECGをどれだけ正確に再現できるか？
• RQ3 簡略化モデルから拡散項を省いた場合、活動電位持続時間（APD90）の復分極化ダイナミクスの正確性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 メッシュ解像度および組織の不均一性（線維化、イオンチャネルリモデリング）が、LATsおよびECGにおける数値誤差に与える影響は？
• RQ5 簡略化モデルは、LATsおよびECGの生理的正確性を維持したまま、シミュレーション時間を桁違いに短縮できるか？

主な発見

• eikonalモデルは、bidomainモデルとほぼ同一のLATsおよびP波を再現し、活性化順序の相関係数が0.99を超える結果となった。
• 境界要素法を用いて算出したECGは、有限要素法と比較して相関係数が0.9を超える結果となり、高い正確性を示した。
• 無限体積導体法は、特に precordial leads においてP波の振幅を系統的に過大評価し、相関係数が低くなった。
• 時間ずらし可能な活動電位テンプレートを用いたeikonalモデルのみが、復分極化挙動（APD90）において顕著な乖離を示し、拡散項が欠落していることが原因であることが判明した。
• 単一媒体モデルは、523 µmメッシュにおいてLATsに最小限の誤差（≤1.2 ms）およびAPD90に最小限の誤差（≤0.05 mV RMS誤差）を示し、全活性化時間の2％の誤差はメッシュ解像度に起因した。
• LATsに2％の数値誤差（約2 ms）が観察されたが、これは主にメッシュ解像度に起因し、APD90には顕著な追加の離散化誤差は認められなかった。