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Cardiac Conduction and Microstructure in the Right Atrial Isthmus

Abstract: Vorhofflimmern und Vorhofflattern sind Erkrankungen, deren Inzidenz in hohem Alter um ein vielfaches zunimmt. In USA sind derzeit 6% der Bevölkerung über 65 Jahre davon betroffen. Die Erforschung atrialer Erregungsleitung unter besonderer Berücksichtigung der altersbedingten Mikrostrukturveränderungen des Myokards verdient daher besondere Beachtung. Aus klinischer Sicht wird u.a. der postero-laterale Isthmus des rechten Atriums als kritisches Substrat für die Entstehung von intermittierendem Leitungblock angesehen. Diese Zone besteht aus einem komplexen Netzwerk kabelförmiger Faserbündel (Musculi Pectinati), welche die Crista Terminalis und das Vestibulum verbinden.
Neuere Untersuchungen der Bindegewebsmatrix im Atrium Gewebe lassen die Vermutung zu, dass in detailliert mikroskopischer Sicht (Submillimeterbereich) Erregungsausbreitung nicht so verläuft, wie in makroskopischen intrakardialen Verfahren abgebildet. Da klinische Messverfahren auch in absehbarer Zukunft diese hohe räumliche Auflösung nicht erwarten lassen, sind in-vitro Experimente am isolierten Kleintierherz mit ultra-hochauflösenden Verfahren zweckdienlich und geplant. Ein derartiges System wurde von unserer Forschergruppe entwickelt. Es ermöglicht das Erfassen des elektrischen Nah-Feldes (CNF = cardiac near field) an der Gewebsoberfläche durch vier Elektroden innerhalb von 50x50 µm und in einer Entfernung von 60 µm und kann dieses als zweidimensionales Signal (Vektorschleife) mit exzellenter Signalqualität aufzeichnen. Betrag und Richtung der lokalen Ausbreitungsgeschwindigkeit sowie kleinste Signallatenzen im Bereich von wenigen Mikrosekunden können ermittelt werden. Somit werden Diskontinuitäten der Erregungsausbreitung, verursacht durch (oft nur durch Bruchteile eines Millimeters getrennte) Bindegewebseinlagerungen detektierbar. Durch gezielte individuelle Positionierung von bis zu 5 nadelförmigen Nahfeld-Sensoren und simultane Erfassung der kardialen Nahfelder speziell im Bereich von Verzweigungen oder Einmündungen von dünnen Muskelfasern kann man eine Aufklärung sowohl der makroskopischen als auch der mikroskopischen Leitungsmechanismen in diesem Faserbündelnetz des Isthmus erwarten.
Ziel des Projektes ist es, Makro- und Mikroerregungsaubreitung an kritischen Zonen des Vorhofs zu messen und zu analysieren, und zwar mit einer bisher unerreichten Auflösung in Raum (50µm) und Zeit (5µs). Um dieses Ziel zu erreichen, benötigen wir vier Komponenten: 1. die Erstellung einer detaillierten elektro-anatomischen Karte des Isthmus mit einer Zuordnung der leitungsrelevanten Parameter (Größe und Richtung der Ausbreitungsgeschwindigkeit sowie deren Komplexität). 2. Histologische Schnitte zur Bestimmung des Verlaufs von Faserrichtung, Bindegewebsstrukturen und der Topologie der zwischenzellulären Spalte. 3. Bildverabeitung von histologischen Schnitten zur Konstruktion von 3D-Leitungsmodellen und 4. Simulation der Erregungsausbreitung im Gewebsstrukturmodell. Mit einem derartigen Modell kann das elektrophysiologische Experiment validiert werden und vice versa.
Ein breiter interdisziplinärer Ansatz mit Einsatz modernster Verfahren aus Signalverarbeitung, Bildverarbeitung, Messtechnik und Sensorik, Histologie und Computersimulation lässt neue Erkenntnisse um die Mechanismen von Vorhofflimmern und flattern erwarten. In weiterer Zukunft könnten derartige mikrostrukturrelevante Analysen aus dem Nahfeldsignal auch für die klinische Anwendung in minimal-invasiver Kathetertechnik relevant werden.

Schlagworte: Computerunterstützte Simulation; Histologie; Elektro- und biomedizinische Technik; Medizinische Physiologie; Atrialer Isthmus; Computermodell; Elektrophysiologisches Experiment; Kardiales Nahfeld; Mikrostruktur

Projektleitung:: Hofer Ernst

Laufzeit:: 01.07.2007-31.10.2011

Art der Forschung: Grundlagenforschung

Mitarbeiter*innen: Hofer, Ernst, Projektleiter*in; Feichtinger, Kurt, Projektmitarbeiter*in; Sax, Wolfgang, Projektmitarbeiter*in; Zach, Gerald, Projektmitarbeiter*in; Plank, Gernot, Projektmitarbeiter*in; Gruber, Verena, Projektmitarbeiter*in; Ahammer, Helmut, Projektmitarbeiter*in

Beteiligte MUG-Organisationseinheiten: Lehrstuhl für Medizinische Physik und Biophysik

Gefördert durch: FWF, Fonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung, Wien, Österreich

Publizierte Projektergebnisse: > Electroanatomical characterization of atrial micro... IEEE Trans Biomed Eng. 2013; 60(8):2339-2349; > Circumferential Pacing Reveals Microstructure of C... BIOMED ENG-BIOMED TECH. 2012; 57(SI-1 Track-F): 627-630.; > Influence of ischemic core muscle fibers on surfac... Med Biol Eng Comput. 2012; 50(5):461-472; > Decomposition of fractionated local electrograms u... Biomed Tech (Berl). 2012; 57(5):371-382; > Accelerating cardiac excitation spread simulations... CONCURR COMPUT-PRACT EXP. 2011; 23(7): 708-720.