Simultane fluoreszenzoptische und elektrische Charakterisierung von atrialem Gewebe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Fokus dieses Forschungsprojekts lag auf der Etablierung neuer Methoden in der Finite Elemente Simulation der kardialen Elektrophysiologie sowie von experimentellen Messungen an vitalem Herzmuskelgewebe. Durch ein tiefergehendes Verständnis der Entstehung von intrakardialen Elektrogrammen wurden Möglichkeiten zur Verbesserung der klinischen Diagnose und Therapie aufgezeigt. Darüber hinaus bieten die validierten Simulationsansätze zum ersten mal die Möglichkeit, neue Katheterdesigns in der Simulation zu bewerten und somit optimale Designs bei reduzierten Kosten zu erhalten. Die folgenden Absätze fassen die Ergebnisse in den einzelnen Teilbereichen zusammen. Aufbau eines experimentellen Systems für die elektrische und optische Erfassung der kardialen Elektrophysiologie: Es wurde ein neuer Versuchsaufbau entwickelt, der es erlaubt simultan fluoreszenzoptisch und elektrisch elektrophysiologische Daten an vitalen Herzmuskelpräparaten zu erfassen. Für die elektrischen Messungen wurde ein Sensor entwickelt, der in Bezug auf Elektrodenabstand, -länge und -material mit klinischen Messkathetern übereinstimmt. Mithilfe dieses Sensors wurden bipolare und unipolare Messungen durchgeführt. Durch einen computergesteuerten Mikromanipulator ist eine präzise Positionierung relativ zum Gewebe möglich. Mit einem neuentwickelten Gewebebad ist es möglich unter einstellbaren Temperaturbedingungen gleichzeitig das Signal eines spannungssensitiven Farbstoffes zu erfassen. Mit der Messapparatur konnten wichtige Zusatzinformationen im Vergleich zu klinischen Messungen erfasst werden. Zum einen ist die Orientierung des Sensors relativ zur Gewebeoberfläche bekannt, zum anderen kann aus den optischen Daten das zugrundeliegende Erregungsmuster identifiziert werden. Analyse von klinisch gemessenen intrakardialen Elektrogrammen: Datensätze von fünf Patienten wurden retrospektiv analysiert. Dafür wurde eine Methode entwickelt, mit der Erregungsfronten segmentiert und durch Mittelung ein repräsentatives Template gewonnen wurde. Dies stellte die Grundlage für eine detaillierte Analyse der Elektrogrammveränderungen während der RF-Ablation dar. Hochaufgelöstes Simulationsframework für intrakardiale Elektrogramme: Basierend auf experimentellen und klinischen Daten wurden Simulationsansätze entwickelt mit denen Messelektroden geometrisch genau beschrieben und als Gebiete hoher Leitfähigkeit beschrieben sind. Durch Verwendung des Bidomain Ansatzes für die Modellierung der Erregungsausbreitung konnte der Einfluss von hochleitfähigen Elektroden auf die Erregungsausbreitung untersucht werden. Anwendungen: Basierend auf den experimentellen und klinischen Messdaten konnten die Simulationsansätze validiert werden. In einem nächsten Schritt wurden verschiedenen Einflussparameter auf das Signal (z.B. Ausbreitungsgeschwindigkeit, Gewebedicke, Katheterorientierung, Filtereinstellungen) untersucht. Im Folgenden wurden in der Simulation pathologische Substrate untersucht. Hierzu zählten fibrotisches Gewebe, ischämische Areale bis hin zu Ablationsnarben. Zur Entwicklung und Validierung wurden wiederum klinische Messungen (CFAE-Signale, Signale während Ablation), sowie experimentelle Daten (Ausbreitungsgeschwindigkeit bei erhöhter Temperatur) eingesetzt. Durch die Simulation konnte die Interpretation klinischer Messsignale wesentlich verbessert werden. Ein wichtiges Resultat war die Aufklärung des Zusammenhangs zwischen Elektrogrammveränderungen und der transmuralen Ausdehnung von Ablationsnarben. Durch die detaillierte Betrachtung konnte gezeigt werden, dass der zeitliche Veränderung des Signals das sicherste Kriterium zur Beurteilung der Narbenbildung darstellt. Im letzten Teil der Arbeit wurde gezeigt, wie neue Katheterprototypen gezielt virtuell entwickelt und erprobt werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Towards simultaneous optical and electrical characterization of the electrode tissue interface in catheter measurements of atrial electrophysiolog“. In Biomedizinische Technik / Biomedical Engineering (Proc. BMT 2011), vol. 56(s1) , 2011
Keller, M. W.; Dössel, O.
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“Differences in intracardiac signals on a realistic catheter geometry using mono and bidomain models“. In Computing in Cardiology, vol. 39, pp. 305- 308, 2012
Keller, M. W.; Schuler, S.; Seemann, G.; Dössel, O.
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“Simulating extracellular microelectrode recordings on cardiac tissue preparations in a bidomain model“. In Biomedizinische Technik / Biomedical Engineering, vol. 57(s1), pp. 814, 2012
Keller, M. W.; Seemann, G.; Dössel O.
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"Comparison of simulated and clinical intracardiac electrograms“, Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 35th Annual International Conference of the IEEE , pp. 6858-6861, 2013
Keller, M.W.; Schuler, S.; Luik, A.; Seemann, G.; Schilling, C.; Schmitt, C.; Dössel, O.
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“Evaluating changes in electrogram morphology during radiofrequency ablation of cardiac arrhythmias“. In Biomedical Engineering/Biomedizinische Technik, vol. 58(s1), 2013
Keller, M. W.; Schuler, S.; Luik, A.; Schmitt, C.; Dössel, O.
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“Influence of Catheter Orientation, Tissue Thickness and Conduction Velocity on the Intracardiac Electrogram“. In Biomedical Engineering/Biomedizinische Technik, vol. 58(s1), 2013
Schuler, S.; Keller, M. W.; Oesterlein, T.; Seemann, G.; Dössel, O.
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“Influence of three-dimensional fibrotic patterns on simulated intracardiac electrogram morphology“. In Computing in Cardiology, vol. 40, pp.923 - 926, 2013
Keller, M.W., et al.
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"Characterization of Radiofrequency Ablation Lesion Development Based on Simulated and Measured Intracardiac Electrograms," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 61, no.9, pp. 2467-2478, Sept. 2014
Keller, M.W.; Schuler, S.; Wilhelms, M.; Lenis, G.; Seemann, G.; Schmitt, C.; Dössel, O.; Luik, A.
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“Formation of Intracardiac Electrograms under Physiological and Pathological Conditions “(Dissertation), Karlsruhe Institute of Technology, KIT Scientific Publishing, 2014
Matthias Keller
