[论文解读] Dynamics of cardiac re-entry in micro-CT and serial histological sections based models of mammalian hearts

Girish Ramlugun, Belvin Thomas+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2018

Cardiac electrophysiology and arrhythmias被引用 3

一句话总结

本研究利用高分辨率显微CT和连续组织切片数据，对大鼠肺静脉壁和绵羊心房中的心脏再入现象进行模拟，表明解剖结构与跨壁纤维各向异性（尤其是约90°的纤维旋转）可在无电生理不均质性的情况下诱导并稳定再入。关键发现是，平面波在壁厚波动与各向异性传导的共同作用下可转化为固定型再入，揭示了一种由几何结构驱动的微解剖性再入启动机制。

ABSTRACT

Cardiac re-entry regime of self-organised abnormal synchronisation underlie dangerous arrhythmias and fatal fibrillation. Recent advances in the theory of dissipative vortices, experimental studies, and anatomically realistic computer simulations, elucidated the role of cardiac re-entry interaction with fine anatomical features in the heart, and anatomy induced drift. The fact that anatomy and structural anisotropy of the heart is consistent within a species suggested its possible functional effect on spontaneous drift of cardiac re-entry. A comparative study of the anatomy induced drift could be used in order to predict evolution of atrial arrhythmia, and improve low-voltage defibrillation protocols and ablation strategies. Here, in micro-CT based model of rat pulmonary vein wall, and in sheep atria models based on high resolution serial histological sections, we demonstrate effects of heart geometry and anisotropy on cardiac re-entry anatomy induced drift, its pinning to fluctuations of thickness in the layer. The data sets of sheep atria and rat pulmonary vein wall are incorporated into the BeatBox High Performance Computing simulation environment. Re-entry is initiated at prescribed locations in the spatially homogeneous mono-domain models of cardiac tissue. Excitation is described by FitzHugh-Nagumo kinetics. In the in-silico models, isotropic and anisotropic conduction show specific anatomy effects and the interplay between anatomy and anisotropy of the heart. The main objectives are to demonstrate the functional role of the species hearts geometry and anisotropy on cardiac re-entry anatomy induced drift. In case of the rat pulmonary vein wall with ~90 degree transmural fibre rotation, it is shown that the joint effect of the PV wall geometry and anisotropy turns a plane excitation wave into a re-entry pinned to a small fluctuation of thickness in the wall.

研究动机与目标

• 研究心脏解剖结构与各向异性在解剖诱导的再入波漂移中的功能作用。
• 评估内在结构特征（如纤维旋转与壁厚变化）是否可在无电生理不均质性的情况下启动并稳定再入。
• 评估物种特异性解剖特征（如乳头肌与巴赫曼束）对再入固定与稳定的影响。
• 证明高分辨率解剖数据可直接整合至高性能计算（HPC）模拟中，实现对心脏心律失常的高保真实验模拟。
• 探讨在薄壁组织（如肺静脉）中，由于三维激动模式导致的再入在心内膜与心外膜表现的差异。

提出的方法

• 利用大鼠肺静脉壁与绵羊心房的高分辨率显微CT及连续组织切片数据集，重建详细的三维解剖模型。
• 采用BeatBox高性能计算环境，对心脏电生理进行解剖与生物物理上均逼真的模拟。
• 基于纤维取向数据生成的各向同性与各向异性传导张量，使用简化的FitzHugh-Nagumo方程模拟激动波传播。
• 引入基于跨壁纤维方向的扩散张量，以模拟各向异性传导，尤其在大鼠肺静脉壁中。
• 通过单一直线波刺激启动再入，并分析其漂移、固定与手性效应的动力学特征。
• 对比各向同性与各向异性传导条件，以分离纤维方向与组织几何结构在再入稳定性与形态中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅凭几何结构与各向异性，而无电生理不均质性，是否可在哺乳动物心脏中启动并稳定心律失常再入？
• RQ2 大鼠肺静脉壁中约90°的跨壁纤维旋转如何影响平面波向固定型再入环路的转变？
• RQ3 细微解剖结构（如壁厚波动或乳头肌）在在多大程度上可作为再入波前的固定位点？
• RQ4 由于各向异性传导的影响，同一再入环路在心内膜与心外膜的三维激动模式有何差异？
• RQ5 绵羊心房中的物种特异性解剖特征（如巴赫曼束）是否可通过解剖诱导的漂移维持稳定再入？

主要发现

• 在具有约90°跨壁纤维旋转的大鼠肺静脉壁中，几何结构与各向异性共同作用可将平面激动波转化为无电生理不均质性下的稳定、厚度固定的再入，表明其具备内在的再入维持能力。
• 具有不同手性的再入表现出定性上截然不同的稳定模式，表明波前手性在复杂解剖环境中显著影响再入稳定性。
• 同一微解剖性再入在心内膜表现为“8”字形图案，而在心外膜则表现为两个局灶性源，凸显了三维激动模式的显著差异。
• 绵羊心房模型中的乳头肌与巴赫曼束被识别为正张力螺旋波再入的潜在固定位点，有助于维持心律失常。
• 各向异性传导可增强特定方向（如心外膜的垂直y轴、心内膜的水平x轴）的激动波传播，但若仅基于纤维方向而无生理验证，则此类效应可能为人为构造。
• 本研究证实，高分辨率解剖与心肌纤维数据可直接用于HPC模拟，揭示此前未被观察到的再入启动与稳定机制。