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Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik

Editor-in-Chief: Dössel, Olaf

Editorial Board Member: Augat, Peter / Gehring, Hartmut / Haueisen, Jens / Jockenhoevel, Stefan / Kraft, Marc / Leonhardt, Steffen / Niederlag, Wolfgang / Plank, Gernot / Radermacher, Klaus M. / Schkommodau, Erik / Schmitz, Georg / Stieglitz, Thomas / Witte, Herbert / Boenick, Ulrich / Lenthe, Harry / Penzel, Thomas / Clasbrummel, Bernhard / Robitzki, Andrea A. / Snedeker, Jess G. / Wintermantel, Erich / Werner, Jürgen

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Volume 57 (2012)

Modeling of cardiac ischemia in human myocytes and tissue including spatiotemporal electrophysiological variations / Modellierung kardialer Ischämie in menschlichen Myozyten und Gewebe

Daniel L. Weiss1 / Manuel Ifland1 / Frank B. Sachse2 / Gunnar Seemann1 / Olaf Dössel1

1Institute of Biomedical Engineering, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Karlsruhe, Germany

2Nora Eccles Harrison Cardiovascular Research and Training Institute, University of Utah, Salt Lake City, UT, USA

Corresponding author: Dr.-Ing. Gunnar Seemann, Institute of Biomedical Engineering, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Kaiserstr. 12, 76131 Karlsruhe, Germany Phone: +49-721-6082790 Fax: +49-721-6082789

Citation Information: Biomedizinische Technik/Biomedical Engineering. Volume 54, Issue 3, Pages 107–125, ISSN (Online) 1862-278X, ISSN (Print) 0013-5585, DOI: 10.1515/BMT.2009.016, May 2009

Publication History

Received:
2008-10-07
Accepted:
2009-02-27
Published Online:
2009-05-26

Abstract

Cardiac tissue exhibits spatially heterogeneous electrophysiological properties. In cardiac diseases, these properties also change in time. This study introduces a framework to investigate their role in cardiac ischemia using mathematical modeling and computational simulations at cellular and tissue level. Ischemia was incorporated by reproducing effects of hyperkalemia, acidosis, and hypoxia with a human electrophysiological model. In tissue, spatial heterogeneous ischemia was described by central ischemic (CIZ) and border zone. Anisotropic conduction was simulated with a bidomain approach in an anatomical ventricle model including realistic fiber orientation and transmural, apico-basal, and interventricular electrophysiological heterogeneities. A model of electrical conductivity in a human torso served for ECG calculations. Ischemia increased resting but reduced peak voltage, action potential duration, and upstroke velocity. These effects were strongest in subepicardial cells. In tissue, conduction velocity decreased towards CIZ but effective refractory period increased. At 10 min of ischemia 19% of subepi- and 100% of subendocardial CIZ cells activated with a delay of 34.6±7.8 ms and 55.9±18.8 ms, respectively, compared to normal. Significant ST elevation and premature T wave end appeared only with the subepicardial CIZ. The model reproduced effects of ischemia at cellular and tissue level. The results suggest that the presented in silico approach can complement experimental studies, e.g., in understanding the role of ischemia or the onset of arrhythmia.

Zusammenfassung

Kardiales Gewebe weist räumlich heterogene elektrophysiologische Eigenschaften auf. Diese Merkmale können sich während kardialer Erkrankungen zeitlich verändern. In dieser Studie wird eine Simulationsumgebung vorgestellt, bei der ihre Rolle im Fall kardialer Ischämie mittels mathematischer Modellierung und Computersimulationen auf Zell- und Gewebeebene untersucht wird. Ischämie wurde durch Nachbildung der Effekte von Hyperkalämie, Acidose und Hypoxie in einem menschlichen elektrophysiologischen Zellmodell repräsentiert. Im Gewebe wurde die Ischämie räumlich heterogen durch eine zentrale ischämische (CIZ) und eine Randzone beschrieben. Ein Bidomain-Modell simulierte anisotrope Erregungsausbreitung in einem anatomischen Ventrikelmodell, welches realistische Faserorientierung sowie transmurale, apiko-basale und interventrikuläre elektrophysiologische Heterogenitäten berücksichtigte. Ein Modell der elektrischen Leitfähigkeit eines menschlichen Torsos ermöglichte Berechnungen von Oberflächen-EKGs. Ischämie erhöhte Ruhe-, aber reduzierte Spitzenspannung, Aktionspotentialdauer und Anstiegsgeschwindigkeit in Einzelzellen. Diese Effekte waren am stärksten in subepikardialen Myozyten ausgeprägt. Im Gewebe reduzierte sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Richtung CIZ, wobei sich die effektive Refraktärphase verlängerte. Nach 10-minütiger Ischämie wurden noch 19% der subepi- und 100% der subendokardialen CIZ-Zellen aktiviert. Die zeitliche Verzögerung im Vergleich zu normal lag bei 34.6±7.8 ms bzw. 55.9±18.8 ms. Eine signifikante ST-Streckenanhebung sowie ein verfrühtes Ende der T-Welle konnten nur im Fall der subepikardialen CIZ registriert werden. Das Modell reproduzierte Ischämieeffekte auf Zell- und Gewebeebene. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieser In-silico-Ansatz experimentelle Studien ergänzen kann, z.B. um die Rolle der Ischämie bei der Entstehung von Arrhythmien zu verstehen.

Keywords: cardiac ischemia; computational modeling; ion channel; spatiotemporal variations; Ionenkanal; kardiale Ischämie; Modellierung im Computer; räumlich-zeitliche Variationen

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