[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究评估了简化的电生理模型——eikonal、reaction-eikonal 和 monodomain 模型——结合快速前向计算方法（边界元法、无限体积分导体法），用于心房模拟。结果表明，eikonal 模型结合边界元法在局部激活时间（LATs）和体表心电图（ECGs）方面与双域/FEM 结果的相关系数达到 0.9 以上，实现了高达 1,000 倍的加速，同时保持了生理准确性，但复极化动力学仍需扩散项。

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.

研究动机与目标

• 评估简化传播模型（eikonal、reaction-eikonal、monodomain）与双域模型在模拟心房电生理方面的准确性。
• 评估前向计算方法（边界元法、无限体积分导体法）在生成心电图方面与有限元法的比较。
• 确定简化模型是否能在不牺牲 LAT 和 ECG 生理保真度的前提下，实现临床可行的模拟时间。
• 量化在细胞、组织和器官尺度上动作电位时程、局部激活时间及 P 波形态的误差。
• 识别在简化模型中扩散项对准确复极化动力学至关重要的条件。

提出的方法

• 在患者特异性双心房解剖结构上进行模拟，平均网格分辨率 523 µm，包含纤维化组织作为被动屏障。
• 双域模型结合有限元法作为激活传播与心电图计算的金标准。
• 简化模型包括单域、reaction-eikonal 和 eikonal 公式，其中 eikonal 模型使用时间偏移的动作电位模板。
• 前向计算采用边界元法（BEM）和无限体积分导体法，从心脏源计算体表心电图。
• 电导率通过 tuneCV 调整，以匹配双域模型的传导速度，网格分辨率在 523 µm 和 265 µm 下测试以评估误差。
• 评估指标包括动作电位时程（APD90）、局部激活时间（LATs）以及简化方法与金标准之间的心电图相关性（皮尔逊 r）。

实验结果

研究问题

• RQ1 eikonal、reaction-eikonal 和 monodomain 模型在健康与纤维化心房中，与双域模型相比，其局部激活时间（LATs）和 P 波的重现准确性如何？
• RQ2 边界元法（BEM）与无限体积分导体法与有限元法相比，其心电图重现的准确性如何？
• RQ3 在简化模型中排除扩散项对复极化动力学（APD90）准确性的影响是什么？
• RQ4 网格分辨率与组织异质性（纤维化、离子通道重构）如何影响 LAT 和 ECG 的数值误差？
• RQ5 简化模型是否能将模拟时间降低数个数量级，同时保持 LAT 和 ECG 的生理保真度？

主要发现

• eikonal 模型生成的 LAT 和 P 波与双域模型高度一致，激活序列的相关系数 >0.99。
• 使用边界元法计算的心电图与有限元法相比，相关系数 >0.9，表明具有高准确性。
• 无限体积分导体法系统性高估了 P 波振幅，尤其在胸前 leads 中，导致相关系数较低。
• 仅使用时间偏移动作电位模板的 eikonal 模型在复极化行为（APD90）上表现出显著偏差，表明缺乏扩散项会导致保真度下降。
• 单域模型在 523 µm 网格上 LAT 误差极小（≤1.2 ms），APD90 误差极小（≤0.05 mV RMS 误差），总激活时间误差为 2%，主要源于网格分辨率。
• LAT 的 2% 数值误差（≈2 ms）归因于网格分辨率，APD90 无显著额外离散化误差。