Procesamiento de la actividad eléctrica cardíaca basado en modelos biológicos y matemáticos: Detección y cuantificación de riesgo cardíaco - Cruces, Pablo Daniel (2018)
Los cambios globales que se han dado a fines del siglo XX, han transformado los hábitos de vida de las sociedades. La mala alimentación basada en lípidos, la continua exposición al estrés, las extensas jornadas laborales, el tabaquismo, la drogadicción, el consumo de fármacos y el sedentarismo, han conducido a la elevación progresiva y desmedida de la tasa de mortalidad por enfermedades del corazón. Argentina no queda al margen de estos cambios sufriendo hoy en día una tasa mayor al 30% de defunción es provocada por patologías cardiovasculares. Dentro de estos números, el síndrome coronario agudo (daño → isquemia → infarto) juega sin duda un papel central.El infarto es una de las condiciones cardíacas con más probabilidades de desatar arritmias ventriculares malignas y/o muerte súbita cardíaca. Los medios de diagnóstico actuales se basan inicialmente en la búsqueda de alteraciones enzimáticas en el flujo sanguíneo, principalmente Troponina. Sin embargo, los valores predictivos más altos sólo se alcanzan dentro de una ventana de horas posteriores al daño en el miocardio, y aún así no superan el 90%. Asimismo, muchas condiciones de isquemia, etapa previa al infarto, se dan de forma espontánea e imprevista y su diagnóstico tardío conduce inevitablemente al daño permanente. Los métodos más avanzados involucran equipamiento cuyo costo resulta inaccesible para la mayoría dela población.En este contexto, las técnicas electrocardiográficas modernas se presentan como un recurso económicamente alcanzable y a la vez no invasivo. Desafortunadamente, la eficacia de estas técnicas tampoco alcanza un valor suficiente para el diagnóstico temprano y completo, obligando a los especialistas a tomar decisiones sobre un conjunto de estudios, algunos de ellos invasivos. Es por esto, que la correcta evaluación del riesgo cardíaco permanece siendo al día de hoy una búsqueda con desmedidos esfuerzos de investigación científica. El diagnóstico temprano de una patología cardíaca permitiría el desarrollo de un tratamiento adecuado y evitaría a la vez, la medicación innecesaria por falsos positivos.En esta memoria de tesis, una serie de algoritmos novedosos se presentan como una propuesta superadora que busca alcanzar valores de eficacia de diagnóstico suficientemente altos para aportar al no requerimiento de estudios invasivos. En una primera instancia, se recorren diferentes formas para caracterizar la dinámica de la dispersión del vector eléctrico cardíaco,entendida como la proyección de toda la ola de potenciales que se desarrollan en el corazón durante la actividad principalmente ventricular. La dinámica se estudia frente a cambios de la frecuencia del corazón inducidos por una maniobra de inclinación de camilla. Se desarrollan cuantificadores temporales, asociados a intervalos electrocardiográficos, espaciales, basados en transformaciones de componentes principales, y morfológicos, incluyendo áreas, pendientes y amplitudes de la onda de repolarización (onda T).Con estos índices se demuestra que las principales variaciones temporales de la dispersión causadas por el cambio abrupto del ritmo cardíaco (de 1050 ± 150 mseg hasta 810 ± 140 mseg), función recíproca de la frecuencia cardíaca, se observan en la primera mitad de la onda T con reducciones relativas del tiempo de inicio al pico (28 ± 10 mseg) y que el resto de las alteraciones de duración en los intervalos de depolarización y repolarización se deben a la misma. En las energías totales y las áreas, se observan cambios equitativos en ambas mitades, quedando constante la relación que guardan con un 62% de área en la primera mitad, asociada a la repolarización del epicardio. La caracterización se pondera asimismo en jóvenes y adultos para definir las dimensiones normales en cada grupo etario, fuera de las cuales se sugiere un estudio de riesgo cardíaco.Posteriormente, se desarrolla un modelo matemático novedoso que cuantifica la dinámica de la velocidad angular del vector eléctrico cardíaco mediante el procesamiento digital del vector cardiograma en el cuerpo de los cuaterniones. Dicha velocidad está directamente relacionada a los caminos de conducción eléctrica del miocardio. A lo largo del trabajo, se combina con las velocidades lineales clásicas permitiendo el hallazgo de índices de muy alta sensibilidad y especificidad para el diagnóstico del síndrome coronario agudo. La eficiencia y robustez del método permiten su simple aplicación tanto en infarto, logrando un par sensibilidad/especificidad del 98%/100%, como en isquemia, alcanzando el par 98%/100%. La comparación se realiza contra sujetos sanos. La sensibilidad se mantiene muy alta,sin pérdida de especificidad: 95%/100% cuando se introducen patologías no isquémicas que suelen provocar muchos falsos positivos en los métodos del estado del arte. Además, se propone una mejora al algoritmo de velocidad angular, introduciendo el concepto de red neuronal cuaterniónica con realimentación temporal. Esta red representa un algoritmo que simplifica una parte importante del modelo y permite alcanzar la sensibilidad más alta reduciendo la cantidad de parámetros necesarios para la elaboración de los cardiomarcadores de síndrome coronario agudo.Finalmente, si una arritmia se dispara, esta puede conducir a la muerte súbita cardíaca. Dado que se conocen las características fisiológicas de los mecanismos arritmogénicos, en las últimas décadas se han desarrollado tratamientos basados en agentes farmacológicos que interfieren en la actividad normal de los canales iónicos del tejido muscular del corazón, denominados?drogas antiarrítmicas?. Lamentablemente, si bien muchos experimentos han mostrado la eficacia de estos fármacos en laboratorios, es usual quedicha eficacia no se traslade a la clínica. Esto se debe a que el suministro de estos agentes puede producir efectos secundarios proarrítmicos que complican la condición del paciente. El gold standard actual de medición de riesgo es una metodología basada en el electrocardiograma (ECG) que presenta gran cantidad de falsos positivos. En esta tesis se mostrará un estudio alternativo de la dinámica de la heterogeneidad ventricular bajo los efectos de drogas antiarrítmicas. En un modelo de corazón animal aislado,se mide sobre un tórax artificial una señal símil ECG con treinta electrodos. Con la información provista se construye un modelo espacial yse determinan las alteraciones provocadas por el suministro de la droga.Con este estudio se logra mejorar el análisis de la cardiotoxicidad desarrollando cardiomarcadores que podrían llevarse al vectorcardiograma (VCG)y que complementan eficientemente y de forma descorrelacionada a los índices existentes en el estado del arte. Este resultado podría favorecer el desarrollo de estudios tendientes a alcanzar terapias farmacológicas seguras de control de arritmias que no desaten efectos proarrítmicos, evitando el peligro de muerte súbita cardíaca.Se concluye que la determinación de los rangos de actividad normal,los índices de detección de síndrome coronario agudo y el estudio de la cardiotoxicidad de fármacos, representan un aporte significativo al estado del arte. Dado los valores extremadamente altos de eficacia, se convierten en logros prometedores para la aplicación a registradores de larga duración los cuales pueden ser adquiridos en hospitales de bajos recursos y de esta forma, poder acceder a estudios de rutina que permitan determinar el riesgo cardíaco de forma temprana y eficiente.