Een mathematisch model voor hartadaptatie

Computermodel

Met behulp van deze bronnen kan steeds beter in beeld worden gebracht wat de onderliggende oorzaak is van een verminderde pompfunctie, maar de puzzel is echter nog niet compleet. En dit heeft ermee te maken dat het niet triviaal is een directe vertaling te maken van de informatie uit deze bronnen naar het daadwerkelijke probleem. Zo is het ECG een indirecte representatie van de elektrische activatie in de hartspier en geeft ultrasound kwalitatieve informatie over bijvoorbeeld de vorm en bewegingen van het hart. Met andere technieken, zoals MRI, kunnen vervormingen en bewegingen op lokaal niveau bestudeerd worden, maar de interpretatie van deze deformatiepatronen is nog niet zo eenvoudig. Kortom, we kunnen niet alles meten wat we zouden willen weten om de diagnose en behandeling af te stemmen op de patiënt in kwestie. 

Een computermodel kan hulp bieden bij het aanvullen van de klinische data. Zo'n model kan namelijk gebruikt worden om de niet-meetbare informatie in kaart te brengen en om een beter begrip te creëren rondom de informatie die wel gemeten kan worden. Het doel van dit promotieonderzoek is dan ook om een bijdrage te leveren aan het gebruik van computermodellen ter ondersteuning van het proces van klinisch diagnosticeren en het selecteren van de behandeling. Hiertoe is een 3D computermodel in eindige elementen van de linker- en rechterkamer van het menselijk hart gemaakt.

Modelvoorspelde deformatie werd vergeleken met gemeten deformatie om te evalueren of de invoer van het model een goede representatie was van de werkelijkheid. Een goede overeenstemming tussen modelresultaten en gemeten data kon alleen bereikt worden wanneer de invoer van de spiervezeloriëntatie in de hartwand werd aangepast volgens een heroriëntatiemodel. Dit heroriëntatiemodel gebruikt informatie over de deformatie om vervolgens de spiervezeloriëntatie aan te passen.

CRT

Vervolgens is het model toegepast voor Cardiale Resynchronizatie Therapie (CRT). Deze therapie wordt toegepast bij patiënten met dyssynchroon hartfalen (DHF). Bij DHF is er een verstoring in het geleidingssysteem voor de impulsgeleiding over de hartspier. Door deze verstoring kan het tot wel meer dan twee keer langer duren om de hele hartspier elektrisch te activeren. Vaak is hierbij de linker kamer laat geactiveerd en ontstaat er een dyssynchrone samentrekking van de spiervezels, met als gevolg een verminderde pompfunctie.

Bij CRT wordt een pacemaker elektrode geïmplanteerd in zowel de rechterkamer als op de vrije wand van de linkerkamer om zo de impulsgeleiding te herstellen. Hoewel deze therapie leidt tot een verbetering van de pompfunctie van het hart en daarmee de kwaliteit van leven van vele patiënten, heeft de therapie weinig tot geen effect in maar liefst één derde van de patiënten die in aanmerking komt voor CRT. Dit grote aantal vraagt om een verbetering en verdere ontwikkeling van CRT.

Eén van de strategieën voor het verbeteren van CRT is het zoeken naar een optimale plek voor de linkerkamer elektrode. Met behulp van computersimulaties konden we de plek van stimulatie systematisch veranderen en berekenen welke verandering van pompfunctie dit met zich meebracht. Het is gebleken dat de pompfunctie het meeste toeneemt, wanneer de hele linkerkamer zo snel mogelijk geactiveerd wordt. Dit was het geval vanaf een plek midden op de vrije wand van de linkerkamer en niet zozeer vanaf een plek die tijdens de abnormale activatie van de patiënt als laatste geactiveerd is. Dit laatste is echter wel opgenomen in de Europese en Amerikaanse richtlijnen voor het uitvoeren van CRT en cardiologen gebruiken dit bij het plaatsen van de linkerkamer elektrode.

De modelresultaten geven dus nieuwe inzichten in hoe CRT geoptimaliseerd kan worden. Daarmee  illustreert dit proefschrift hoe computermodellen ingezet kunnen worden ter aanvulling van de klinische data. Hiermee hebben we een stap gemaakt in de ondersteuning van computermodellen in het proces van klinisch diagnosticeren en het selecteren van de behandeling.

De linker kolom toont de activatiepatronen tijdens normale impulsgeleiding (NORM, boven), tijdens dyssynchroon hartfalen (DHF, midden boven) en tijdens CRT (onder) waarbij de linkerkamerelektrode op de positie van het blauwe vierkant (midden onder) is geplaatst. De figuur midden onder geeft ook alle andere posities van de LK elektrode aan. In de grafiek rechtsboven is te zien dat de pompfunctie (oppervlakte onder de druk-volume relatie) van zowel de LK als RK afneemt als gevolg van DHF en dat deze gedeeltelijk hersteld kan worden tijdens CRT. De grafiek rechtsonder laat zien dat de grootste verbetering van pompfunctie bereikt wordt door de linkerkamer elektrode midden op de vrije wand van de linkerkamer (LKvw, blauwe en gele vierkant) te plaatsen en dat hiermee de dyssynchronie binnen de LK zo klein mogelijk is.