Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4260
Main Title: Realistic models of the electrical excitation in the human heart and the determination of the cardiac magnetic field
Translated Title: Realistische Modelle der elektrischen Erregungsleitung im menschlichen Herzen und die Bestimmung des Herzmagnetfeldes
Author(s): Fruhner, Stefan
Advisor(s): Bär, Markus
Engel, Harald
Referee(s): Bär, Markus
Engel, Harald
Weber dos Santos, Rodrigo
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Diese Dissertation behandelt ein Computermodell der elektrischen Erregungsausbreitung im menschlichen Herzen. Die mechanische Bewegung, die notwendig ist, um die Funktion des Herzens als Pumpe zu gewährleisten, wird durch eine elektrische Erregungswelle ausgelöst. Ionenströme breiten sich entlang von Muskelzellen, den sogenannten Myozyten, aus. Die starke Anisotropie des menschlichen Herzens wird durch die längliche Gestalt dieser Zellen und deren komplexer räumlicher Verteilung im Herzen widergespiegelt. Myozyten haben unterschiedliche elektrische Eigenschaften je nachdem wo sie sich im Herzen befinden. Die Verteilung dieser unterschiedlichen Zelltypen wird in dieser Arbeit anhand von generischen Modellen sowie auch an realistischen, patientienspezifischen geometrischen Modellen untersucht. Die erforderlichen Daten wurden mit Hilfe der Methode der Magnetresonanztomographie (MRT) gewonnen. Für Größen, die nicht aus experimentellen Messungen ersichtlich sind, wurden entsprechende mathematische Modelle entwickelt. Dazu gehören die Zelltypverteilung und die räumliche Orientierung der Myozyten. Um die Bewegung des Herzens berücksichtigen zu können, wurde das Verschiebungsfeld aus MRT-Aufnahmen extrahiert. Der Einfluß der Bewegung wurde untersucht, indem berechnete Elektrokardiogramme (EKG) und Magnetokardiogramme (MKG) für zwei Kontraktionszustände mit einem neuen, dynamischen Ansatz verglichen wurden. Dazu wurden bestehende Simulationsmethoden um einen Ansatz zur Interpolation der elektrischen Erregung zwischen aufeinanderfolgenden Zuständen im Kontraktionszyklus erweitert. Die Gestalt der Simulationsgeometrie beeinflusst die Ergebnisse der numerischen Simulation – insbesondere das EKG und das MKG. Ereignisse, die innerhalb des Signalverlaufs auftreten und der Erregung bzw. Repolarisation des Gewebes zuzuordnen sind, können in Zusammenhang zum Bewegungszustand des Herzens gesetzt werden. Es wurde gezeigt, dass die Gestalt einzelner Ereignisse durch die Wahl der Simulationsgeometrie beeinflusst wird. Der QRS-Komplex wird nicht realistisch wiedergegeben, wenn eine statische, systolische Geometrie verwendet wird. Im Gegensatz dazu wird die Amplitude der T-Welle unter Modellierung eines diastolischen Zustandes vermindert. Der dynamische Ansatz berücksichtigt beide Effekte. Darüber hinaus wurden Messungen des Herzmagnetfeldes ausgewertet und digital verarbeitet. Ein Computermodell des dazugehörigen Messgerätes wurde erstellt, um die Messergebnisse in der Simulation nachvollziehen zu können. Das geometrische Modell wurde erfolgreich auf drei Dimensionen erweitert, um eine Übereinstimmung zu erhalten. Der Weg der Erregungswelle durch das Herzgewebe kann mit Hilfe der vorhandenen Messmethode nicht rekonstruiert werden. Aus gemessenen sowie modellierten Daten des Magnetfeldes können im direkten Vergleich verschiedener Anregungsszenarien jedoch Rückschlüsse auf das Anregungsprotokoll gezogen werden. Die Ergebnisse legen nahe, dass das Netzwerk aus Purkinje-Fasern eine wichtige Rolle spielt und nicht zu vernachlässigen ist, wenn man das MKG akkurat reproduzieren möchte.
This work presents a computer model of the electrical excitation of the human heart. The mechanical motion that is necessary for the function as a pump for blood is triggered off by a wave of electrical excitation. Ionic currents are traversing along the cardiac muscle cells. The strong anisotropy of the cardiac conduction system is reflected by the elongated shape of these cells and the complex structure of their spatial distribution. According to their location within the cardiac muscle the cells show different electrical properties. Here, the distribution of these different cell types is investigated for generic geometries as well as for realistic cardiac models. Therefore, data are extracted from magnetic resonance images (MRI) in order to create a patient-specific model. In absence of experimental information models for the cell type distribution and the myocardial fibre orientation are developed. To account for the contraction of the cardiac muscle cells the local displacement field is determined from measurements. The effect of cardiac motion on calculated bio-signals as electrocardiograms (ECG) and magneto-cardiograms (MCG) is investigated by comparing two different states of contraction to a dynamic simulation approach. Therefore, existing methods for the numerical simulation of static model domains are extended by an interpolation method that interchanges the geometric model describing the current state of contraction during the course of an ongoing electrical excitation. The shape of the simulation domain renders the results obtained by numerical simulation. This is especially true for the ECG and the MCG. Events within these signals, which are connected to excitation and repolarisation of the cardiac tissue, are associated with the corresponding state of contraction. Namely, the QRS-complex is not realistically reflected using a static systolic model for the human heart. The amplitude of the T-wave is affected by a reduction when the geometrical model is of diastolic type. The dynamic approach accounts for both effects. Measurements of the magneto-cardiogram are digitally processed. A model of the measurement device is built in order to calculate the corresponding signals from simulations of cardiac excitation. The geometrical model is successfully extended into three dimensions in order to find good agreement to the experimental data. The path of initial excitation cannot be determined from the experimental data. Therefore, it is investigated by comparing the magneto-cardiogram obtained from modelling different protocols of stimulation to the corresponding measurement results. It is shown that the site of initial stimulation strongly influences the morphology of the magneto-cardiogram. The investigations indicate that the Purkinje fibre system must be incorporated into the model in order to accurately reproduce the MCG.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-59285
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4557
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4260
Exam Date: 13-Nov-2014
Issue Date: 9-Mar-2015
Date Available: 9-Mar-2015
DDC Class: 538 Magnetismus
610 Medizin und Gesundheit
Subject(s): Elektrokardiogram (EKG)
Magnetkardiogram (MKG)
Realistische Herzmodellierung
Electrocardiogram
Magnetocardiogram
Realistic cardiac modelling
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Institut für Theoretische Physik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
fruhner_stefan.pdf30.93 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.