Estudio de la dinámica eléctrica cardíaca: análisis y modelado de índices temporales y espectrales basados en el procesado del electrocardiograma de superficie

Título

Estudio de la dinámica eléctrica cardíaca: análisis y modelado de índices temporales y espectrales basados en el procesado del electrocardiograma de superficie

Colaborador

Arini, Pedro D.

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2019-07-11

Extensión

xv, 125 p.

Resumen

Introducción. La muerte súbita cardíaca (SCD, del inglés sudden cardiac death) ocurre cuando el corazón deja repentinamente de latir. Una actividad el´éctrica anormal genera cambios importantes en la secuencia de activación/inactivación produciendo arritmias cardíacas, las cuales afectan la capacidad del corazón para bombear sangre al organismo. Los eventos isquémicos, junto con el incremento de la dispersión de la repolarización ventricular (VRD, del inglés ventricular repolarization dispersion), son responsables en gran parte de las arritmias cardíacas, tales como la taquicardia ventricular (VT, del inglés ventricular tachycardia) que puede derivar en una SCD [9]. Los incrementos de la VRD pueden deberse a varios factores: diferencias en duración de los potenciales de acción (APs, del inglés action potential ), incrementos de los tiempos de activación, disminuci´on de la velocidad de conducción del impulso o caminos de conducción eléctrica alterados (anatómicos y/o funcionales). Por ello, cuando la VRD aumenta o se producen retrasos en la conducción, pueden generarse mecanismos de re-entrada capaces de inducir arritmias. Durante el periodo isquémico, las propiedades de la membrana de las células cardíacas están significativamente alteradas [65]. En consecuencia, los electrogramas (EGMs, del ingl´es electrograms) registrados en la superficie del corazón tienden a manifestarse de menor amplitud, más lentos y de mayor duración. Los cambios recién mencionados se reflejan como alteraciones latido-a-latido en el electrocardiograma (ECG) de superficie. Estos cambios pueden ser imperceptibles a la vista del cardiólogo siendo necesarias herramientas de procesamiento y análisis para detectarlos. Por ello, desde el ámbito de la Ingeniería Biomédica es importante el análisis matemático/computacional de los registros del ECG en presencia de las patologías cardíacas antes mencionadas, con el objetivo de mejorar el diagnóstico y seguimiento de los pacientes. El objetivo de la presente tesis fue cuantificar y analizar variaciones latido-a-latido que pudiesen desencadenar arritmias ventriculares malignas y/o SCD en corazones con isquemia aguda y/o infarto. Para ello se estudiaron los ECGs en animales y en humanos. Se propusieron nuevas herramientas de procesamiento y análisis del ECG y se las comparó con métodos estandarizados en la cardiología clínica. Además, el trabajo se orientó a comprender los procesos fisiológicos subyacentes en la isquemia aguda y en diferentes etapas post-infarto de miocardio (MI, del inglés myocardial infarction). Materiales y métodos. Modelo de infarto en animales. Se implementó en 34 conejos blancos de la raza Nueva Zelanda, a los que se les practicó una toracotomía intercostal izquierda. A 24 animales (infartados) se les realizó una ligadura en la arteria coronaria descendente anterior izquierda (LAD, del inglés left anterior descendent) de manera de provocarles un MI controlado. Al segundo grupo de 10 animales (sham) no se les realizó la oclusión. Se registraron tres ECGs, de aproximadamente 400 latidos: uno antes de la cirugía (control ), y otros dos a los 15 y 45 días post-MI. Se computó la varianza espectral de la onda T (TSV, del inglés T-wave spectral variance) con el fin de comparar ambos grupos en las tres instancias. Finalmente, los animales fueron sacrificados y los corazones fueron analizados histo-patol´ogicamente, clasific´andolos en tres subgrupos, dependiendo de la extensión y ubicación del área del MI. Modelo de isquemia aguda en humanos. Se estudió la base de datos STAFF III, del Centro Médico del área de Charleston, USA (STAFF-III), a cuyos pacientes se les practicó un procedimiento de Intervención Coronaria Percutánea (PCI, del inglés Percutaneous Coronary Intervention) en una o varias de sus arterias coronarias principales: en la LAD, en la circunfleja izquierda (LCx, del inglés left circunflex ), en la arteria coronaria derecha (RCA, del inglés right coronary artery) y en la izquierda principal (LM, del inglés left main). Las 12 derivaciones del ECG se agruparon en: 6 derivaciones frontales (FR), I a aVF; y 6 derivaciones precordiales (PR), V1 a V6. Además, se sintetizaron las tres derivaciones ortogonales (OR), VX, VY y VZ mediante la transformada de Kors [66]. La población total (TP) (n = 62) fue agrupada según la arteria coronaria ocluida: LM (n = 2), LAD (n = 21), LCx (n = 12) y RCA (n = 27). Se registraron tres ECGs: primero, dos registros control antes del procedimiento de PCI, y luego otro durante dicho procedimiento. La TSV se calculó en los ECGs con el objetivo de comparar las diferencias que puedan existir antes y durante el inflado del balón de angioplastía. Además, se obtuvo el cambio relativo (R) en cada derivación electrocardiográfica. A partir de los controles, se realizó el análisis de la variabilidad intra-sujeto e inter -sujeto para determinar estabilidad y confiabilidad de la TSV. Modelo de infarto en humanos: repolarización ventricular. Se utilizó la base de datos Physikalisch-Technische Bundesanstalt, del Instituto de Metrología Nacional de Alemania (PTB). Se seleccionaron los registros del ECG de los sujetos control , (n = 49), y de aquellos pacientes que no sufrieron una taquicardia y/o fibrilación ventricular (VT/VF, del inglés ventricular tachycardia and/or fibrillation) post-MI (n = 38), y de los cuales se disponen dos registros: uno dentro de primera semana del MI (MI7), denominada fase de curación (healing), y el otro a partir de los dos meses del MI (MI60), denominada fase de cicatrizado (healed). Por otra parte, los pacientes fueron agrupados por infarto anterior (n = 20) e inferior (n = 17). La TSV se calculó en las 12 derivaciones para el grupo control y durante healing y healed. Además, se obtuvo el R en cada derivación electrocardiográfica y se aplicó el criterio multi-derivación (ML, del inglés multi-lead) a partir de las denominadas derivaciones preferenciales. Los registros también fueron analizados mediante el índice de variabilidad del intervalo QT (QTVI, del inglés QT interval variability index ), que es un est´andar en la cardiología. Finalmente, se realizó el análisis de la variabilidad intra-sujeto e inter -sujeto para determinar si la TSV puede considerarse estable y confiable. Modelo de infarto en humanos: despolarización ventricular. Se utilizó la base de datos PTB. En este caso se analizaron los ECGs en las tres derivaciones ortogonales de Frank VX, VY y VZ. Se estudiaron: sujetos control , n = 48; y en pacientes post-MI: sin VT/VF en MI7, n = 84 y en MI60, n = 41; con VT/VF en MI7, n = 7 y en MI60, n = 6. Se calculó la varianza espectral del QRS (QRSSV, del ingl´es QRS spectral variance) en VX, VY y VZ para el grupo control y durante healing y healed con y sin VT/VF. Por otro lado, se procesaron los mismos registros mediante la técnica de la electrocardiografía de Señal Promediada (SaECG, del inglés Signal-averaged ECG), que es un estándar de la cardiología. Finalmente, se estudió la variabilidad intra-sujeto e inter - sujeto para determinar si la QRSSV es estable y confiable. Resultados. Modelo de infarto en animales. La TSV aumentó significativamente en ambos grupos (infartados y sham) a los 15 d´ıas de la cirugía. Sin embargo, a los 45 días, mientras la TSV del grupo sham retornó al valor equivalente al control , el grupo infartado se mantuvo significativamente mayor que el sham. Los corazones de los animales infartados fueron clasificados en: sin área visible infartada (n = 8), con infarto en el mesocardio (n = 5), y con infarto transmural (n = 12). La TSV fue mayor a medida que se extendía la región infartada, siendo significativamente mayor al grupo sham. Modelo de isquemia aguda en humanos. La TSV computada en el grupo TP aumentó significativamente durante la PCI respecto del control en todas las derivaciones del ECG. El R, para TP y para los pacientes agrupados seg´un el sitio de oclusión, presentaron una derivación preferencial que mejor evidencia el cambio de la TSV. Esto es, para TP: RI = 2,51, RV 3 = 4,94 y RZ = 3,41; para LAD: RI = 4,07, RV 3 = 3,85 y RY = 2,95; para LCx: RI = 3,31, RV 3 = 5,76 y RZ = 4,16; y para RCA: RaV L = 5,33, RV 3 = 5,40 y RZ = 6,41. Pudo observarse también que V3 es la derivación que mayor R mostró para TP y todos los sitios de oclusi´on. En todas las derivaciones, excepto en V6, el análisis intra-sujeto e inter -sujeto de la TSV mostró ser estable y confiable, con un coeficiente de confiabilidad (rik, del inglés reliability index ) > 0.6, en donde k = 1 . . .K son las derivaciones consideradas. Modelo de infarto en humanos: repolarización ventricular. Para todas las derivaciones, excepto la III, la TSV aumentó significativamente durante MI7 y luego descendió en MI60. Por otro lado, el R elevó su valor durante healing y luego descendió durante healed. Las derivaciones I, II, aVR, V4 y V5 conformaron las derivaciones preferenciales, a las que se les aplicó el criterio ML para luego obtener los valores medios por grupo: TSV C ML = 0,009 ± 0,001, TSV MI7 ML = 0,187 ± 0,032‡ y TSV MI60 ML = 0,100 ± 0,019‡,∗. Además, se calculó el QTVI en todos los sujetos; los resultados fueron: control (−1,21±0,06), MI7 (−0,01±0,10‡) y MI60 (−0,42±0,10‡,∗), siendo ‡ p < 0,0005 entre control y ambos grupos infartados y ∗ p < 0,05 entre MI7 y MI60. Los pacientes con MI anterior evidenciaron una mayor TSV en V4; los pacientes con MI inferior se observaron mejor en aVF. Finalmente, el análisis intra-sujeto e inter -sujeto de la TSV mostró ser estable y confiable, con un rik > 0.9 en todas las derivaciones consideradas. Modelo de infarto en humanos: despolarización ventricular. En pacientes sin VT/VF se observó un aumento significativo del QRSSV tanto en healing como en healed, respecto del control , siguiendo el mismo tipo de modulación que se observó en la TSV para los modelos anteriores. En los pacientes con VT/VF, se encontraron diferencias significativas en healing para VX y VY , y en healed para VY , respecto del control . La QRSSV también presentó modulación en la derivación VX, elevándose durante MI7 y decreciendo durante MI60. La proporción de potenciales tardíos (LPs, del inglés late potentials) en pacientes sin VT/VF no presentó diferencias entre grupos. Por otro lado, en pacientes con VT/VF se observaron diferencias significativas en |VFX|, |VFY | y |VFM|. Finalmente, el análisis intra-sujeto e inter -sujeto de la QRSSV mostró ser estable y confiable, con un rik > 0.95 en todas las derivaciones consideradas. Discusión y conclusiones. Modelo de infarto en animales. Este estudio experimental confirma la existencia de alteraciones latido-a-latido durante la repolarización ventricular en el peróodo post-MI. En este sentido, la TSV muestra ser un método no-invasivo para observar estas alteraciones. La oclusión de la LAD indujo diferentes grados de lesión en los corazones a los 45 d´ıas de la cirugía. Pudo observarse que existe una correlación entre el valor de la TSV y la extensión del área necrosada. Esta área podría estar conformada por regiones eléctricamente silentes que rodean tejido sano y que actúan como barreras que favorecen la fragmentación de la propagación del impulso. Esto da origen a diferentes patrones de activación y recuperación, que se estarían manifestando como alteraciones latido-a-latido, forzando el aumento del valor de la TSV. Modelo de isquemia aguda en humanos. En este estudio, al computar el R se encontraron derivaciones preferenciales de acuerdo al sitio de oclusión. El RLAD fue máximo en I, RLCx en V3 y RRCA en VZ, sugiriendo que existe una derivación que mejor evidencia el cambio de la TSV. Por otro lado, V3 manifestó el mayor R en PR para todas las oclusiones, coincidente con los resultados obtenidos en el Modelo de infarto en animales. La PCI ofrece un buen modelo para observar cambios electrofisiológicos durante la isquemia aguda, causada por el bloqueo abrupto y completo de alguna de las arterias coronarias [45,81]. Las zonas isquémicas actúan como barreras para la propagaci´on del impulso y para la recuperación ventricular, promoviendo APs deformados y en consecuencia EGMs anormales que se reflejan como cambios latido-a-latido en la morfología de las ondas T. En conclusión, la TSV pone en evidencia dichos cambios, aumentando su valor durante la isquemia. Modelo de infarto en humanos: repolarización ventricular. Los resultados mostraron ser más evidentes en las derivaciones preferenciales, y concuerdan con los observados en el Modelo animal. Estos nos permiten plantear la existencia de una modulación en ambas etapas del MI: una elevación significativa de la TSV durante MI7, y luego un descenso a un valor intermedio durante MI60. La zona del infarto en general está edematizada, en donde las uniones entre miocitos están rotas y hay una disminución de los discos intercalados [84]. Dicha zona abarca una región mayor a la del infarto, y presenta un aumento de la anisotropía no-uniforme, lo que podr´ıa explicar el aumento de la TSV. A los dos meses post-MI, los EGMs se vuelven m´as extensos en tiempo y de menor amplitud [61], manifestándose en el ECG como cambios latido-a-latido de muy baja magnitud, derivando en una TSV de menor magnitud. El estándar QTVI se modula de manera similar a la TSV. Sin embargo, la desventaja de la QTVI es la necesidad de medir el fin de la onda T con precisión, mientras que en la TSV no. Modelo de infarto en humanos: despolarización ventricular. La modulación de la QRSSV fue similar a los otros modelos de isquemia/infarto. Parece razonable pensar que las anormalidades durante ambas, activación y recuperación, juegan un rol importante en la arritmogénesis, evidenciándose en la modulación de los índices espectrales. Además, en healing, los caminos de re-entrada y bloqueo de conducción se manifiestan a causa del aumento el tejido conectivo y del edema [82]. En [61], se observaron EGMs fraccionados que producían activación lenta y discontinua, la cual frecuentemente cambiaba latido-a-latido. Por otro lado, cuando se consideraron pacientes sin VT/VF, la SaECG no detectó diferencias significativas. Sin embargo, sólo en algunas derivaciones y para los pacientes que presentaron VT/VF, ambas técnicas detectaron diferencias estadísticas en healing respecto del control . Concluimos de esta manera que el cálculo la QRSSV detecta las alteraciones repetibles y variables latido-a-latido (determinísticas y aleatorias), mientras que la técnica de la SaECG solo captura las alteraciones repetitivas, cancelando las variables a causa del promediado. Esto muestra la ventaja de la QRSSV respecto de la SaECG, debido a que aquellos pacientes post-MI sin VT/VF no fueron detectados como de riesgo mediante la SaECG.