At komme til hjertet af kortlægning af arytmi-relaterede excitationer

Atrieflimren er den mest udbredte form for hjertearytmi, påvirker op til 6 millioner mennesker alene i USA. Almindelige behandlinger for alvorlige former for fænomenet uregelmæssig slag er kontroversielle, og styret af detektionsmetoder, der endnu ikke er standardiserede eller fuldt raffinerede. Men ny forskning fra en mangfoldig gruppe af tværfaglige videnskabsmænd, offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Kaos , tilbyder en beregningsmæssig tilgang til at forstå de vigtige faktorer, der er involveret i måling af hjerte-excitationsbølger.

Mens arytmier kan være et symptom forbundet med flere sygdomme, deres grundlæggende adfærd opstår fra bølger af excitation, og hvordan de forplanter sig gennem hjertemuskelvæv. Disse bølger kan antage spiralgeometrier, kaldet rotorer, som menes at være vigtige for at igangsætte og vedligeholde atrieflimren.

For nogle alvorlige tilfælde, behandling kan omfatte ablation - effektivt ødelægge - lokaliserede områder af hjertevæv, hvor kardiologer identificerer formodede rotorer. Selvom ablation af rotorer kræver en række tilfredse patienter, dens samlede succes er stadig kontroversiel. Dette skyldes delvist uenigheder relateret til diagnostiske tilgange, der bruges til at karakterisere de underliggende fænomener og identificere rotorer.

Leon Glass og Alvin Shrier, begge professorer i fysiologi ved McGill University i Canada, har studeret rotorer i hjerteceller fra embryonale kyllinger. Sammen med Min Ju You, en bachelorstuderende på det tidspunkt, kosmolog Matt Dobbs, og to andre forskere, de identificerede vildledende effekter som følge af de metoder, der blev brugt til at kortlægge dynamikken.

"Kardiologer måler lokal aktivitet en række forskellige steder og forsøger at rekonstruere, hvad der sker baseret på det, " sagde Glas. "Spørgsmålet er, hvad der er fejlene i den procedure. Problemer opstår, fordi der ikke er en klar forståelse af måleanalyseprocessen. Du vil altid have en vis rumlig opløsning, en vis tidsmæssig opløsning. ..."

Glass og hans team udviklede en algoritmisk teknik til at kortlægge spiralbølgeaktiveringerne målt i 1-centimeter brede monolagsprøver af embryonale kyllingehjerteceller, mærket med calciumfølsomme fluorescerende farvestoffer, der gør rotorerne strålende til direkte optisk detektion.

Denne forenklede model giver mulighed for målinger med meget højere præcision end de kateterbaserede detektionsmetoder, der anvendes i levende (menneskelige) patienter, men dette er faktisk en faktor, som forskerholdet forsøgte at fremhæve. Med deres algoritme, de var i stand til at vise nogle af de vildledende virkninger af stikprøvefejl og opløsningsforskelle.

"Når du har et heterogent medie, sådan som det virkelige væv er, så kan der være komplikationer på grund af flere ledningshastigheder og komplicerede geometrier for udbredelse af bølger fra forskellige kilder, " sagde Glass. "Der kan være falske positiver, du kan se noget, der måske ikke rigtig er der, [eller] der kan være falske negativer, du kan undlade at opdage noget, der virkelig er der, og for alle disse er der datakrav med hensyn til den rumlige opløsning, som du har brug for for at detektere rotorer."

Ved at tage statistiske overvejelser i betragtning, deres beregningsmæssige rekonstruktioner giver en række værdifulde indsigter til rotoridentifikation. For enklere dynamik, de viser enkle justeringer af tærskler baseret på detektionsopløsningen kan forhindre falske positiver.

For mere kompleks dynamik med flere interagerende rotorer, de var i stand til at demonstrere, hvornår artefakter kan være tegn på falsk positive læsninger af såkaldte fase-singulariteter forbundet med oprindelsen af ​​en rotor. Fordi disse singulariteter ofte er i fokus for at bestemme, hvor man skal målrette ablation, deres resultater fremhæver, hvad der kan bidrage til meget af usikkerheden på området.

"Vi føler, at for at prøve at løse det, der sker i det menneskelige hjerte, at det vil være nødvendigt for grupper at forsøge at eksplicitere de teknikker, de bruger i databehandlingen, " sagde Glas.

I betragtning af, at vanskelighederne med rotoridentifikation fra substratheterogeniteter og komplekse bølgegeometrier gøres udfordrende af lave optagelsesopløsninger, og at disse komplikationer kun vil blive forstørret i realtidsanalyser af syge menneskehjerter, Glass gentog en stemning direkte i artiklens konklusion:"Vi opfordrer samfundet til at udvikle offentlige algoritmer til rotoridentifikation, der kan evalueres kritisk i såvel forskning som kliniske sammenhænge."