Spatial and Temporal Inverse Problem Techniques for Arrhythmia Mechanism Analysis

Abstract

En el campo de la bioingeniería, específicamente en aquél centrado en el ámbito de la electrofisiología cardíaca, existe una amplia literatura focalizada en técnicas para la detección, identificación y tratamiento de las arritmias, siendo éstas una de las principales causas de muerte en el mundo. Estas arritmias se encuentran hoy en día en constante investigación debido a la falta de conocimiento del mecanismo generador de la misma y la dificultad de localización e identificación que conlleva. Por otro lado, desde un punto de vista cardiológico, las arritmias cardiacas se definen como un desorden en el ritmo cardiaco normal, generado de forma natural en respuesta a necesidades fisiológicas, o por trastornos en la actividad eléctrica que controla la contracción del musculo cardíaco. Estas arritmias son provocadas, en la mayoría de sus casos, por regiones del corazón que se encuentran enfermas, esto es, con conducción lenta o cicatriz dentro del tejido cardiaco. Una de las principales fuentes de información para el estudio de las arritmias son los electrogramas intracavitarios (EGM). Un EGM es un registro endocárdico de la señal eléctrica generada por el impulso eléctrico que contrae el músculo cardiaco. El procedimiento utilizado en electrofisiología para el registro de los EGM es el estudio electrofisiológico (EEF), en el cuál se evalúa el mecanismo que genera la arritmia y se trata mediante ablación, esto es, la cauterización con radiofrecuencia o frío intenso del tejido cardiaco enfermo, utilizando catéteres intracavitarios. Los sistemas de navegación cardíaca (SNC) se han desarrollado como herramienta de apoyo en los EEF. Estos sistemas generan mapas con información anatómica y eléctrica de la cavidad cardíaca que ayudan a identificar el origen y/o la secuencia de activación de las arritmias. Para la generación de estos mapas, se insertan una serie de catéteres que muestrean distintas localizaciones espaciales de la cavidad cardíaca, registrando y evaluando los EGM allí recogidos. Sin embargo, el número de puntos y su distribución espacial durante los procedimientos se toman de forma heurística y requieren un tiempo de exploración y registro secuencial de los EGM que alarga la duración de los EEF. En la actualidad se han desarrollado sistemas no invasivos para la generación de mapas con información anatómica y eléctrica de la cavidad cardíaca llamados sistemas de imagen electrocardiográfica (ECGI). Estos sistemas utilizan la variación de campo eléctrico generada por las corrientes bioeléctricas que mueven el músculo cardiaco, la cual puede registrarse a través de una serie de electrodos ubicados en el torso y la espalda del paciente. Esto nos permite estimar un número elevado de EGMs unipolares virtuales (del orden de varios cientos) sobre un mallado de la superficie epicárdica, aumentando así la información bioeléctrica que podemos tener del corazón en tiempo real y de forma no invasiva. El sistema ECGI utiliza el problema inverso en electrocardiografía para calcular y estimar los EGMs unipolares virtuales de la superficie epicárdica a partir de los registros de superficie de alta densidad obtenidos en torso y espalda. El problema inverso en electrocardiografía es un problema numéricamente mal condicionado, debido a la inversión de la matriz de características del sistema. Es por ello que se utilizan métodos de regularización como el de método de Tikhonov, o la Descomposición de Valores Singulares Truncados para resolver este problema. Si bien estos métodos resuelven el problema inverso en cardiología, aún presentan problemas de resolución en la solución que proporcionan. Por otro lado, los sistemas ECGI se encuentran limitados en su utilización con los criterios usados habitualmente en los EEF, dado que estos suelen estar en función de los EGM bipolares. En los EEF, los EGM bipolares son normalmente utilizados para ver el ancho del complejo, la amplitud que tiene la onda de despolarización y la fragmentación que puede presentar el EGM bipolar. Estos EGM bipolares se obtienen gracias a la utilización de catéteres que captan los EGM unipolar de cada uno de los electrodos del catéter obteniendo la señal bipolar mediante la resta de dos señales unipolares. Los sistemas ECGI utilizan los EGM unipolares para obtener mapas de activación del corazón, pero esta información es insuficiente si queremos realizar un análisis de los EGM y poder así identificar y/o localizar la arritmia.