Abstract:

Optical Coherence Tomography (OCT) is a stan- dard imaging procedure in ophthalmology. OCT Angiography is a promising extension, allowing for fast and non-invasive imaging of the retinal vasculature analyzing multiple OCT scans at the same place. Local variance is examined and highlighted. Despite its introduction in the clinic, unanswered questions remain when it comes to signal generation. Multi- phase fluids like intralipid, milk-water solutions and human blood cells were applied in phantom studies shedding light on some of the mechanisms. The use of hydrogel beads allows for the generation of alternative blood models for OCT and OCT Angiography. Beads were produced in Hannover, their size was measured and their long term stability was assessed. Then, beads were shipped to Karlsruhe, where OCT imaging resulted in first insights. The hydrogel acts as a diffusion barrier, which enables a clear distinction of bead and fluid when scattering particles were added. Further on, the scattering medium be- low the bead showed increased signal intensity. We conclude that the inside of the bead structure shows enhanced transmis- sion compared to the plasma substitute with dissolved TiO2 surrounding it. Beads were found clumped and deformed af- ter shipping, an issue to be addressed in further investigations. Nevertheless, hydrogel beads are promising as a blood model for OCT Angiography investigations, offering tunable optical parameters within the blood substitute solution.

Abstract:

During cerebral revascularization surgeries, blood flow values help surgeons to monitor the quality of the pro- cedure, e.g., to avoid cerebral hyperperfusion syndrome due to excessively enhanced perfusion. The state-of-the-art technique is the ultrasonic flow probe that has to be placed around the blood vessel. This causes contact between probe and vessel, which, in the worst case, leads to rupture. The recently devel- oped intraoperative indocyanine green (ICG) Quantitative Flu- orescence Angiography (QFA) is an alternative technique that overcomes this risk. However, it has been shown by the devel- oper that the calculated flow has deviations. After determining the bolus transit time as the most sensitive parameter in flow calculation, we propose a new two-step uncertainty reduction method for flow calculation. The first step is to generate more data in each measurement that results in functions of the pa- rameters. Noise can then be reduced in a second step. Two methods for this step are compared. The first method fits the model for each parameter function separately and calculates flow from models, while the second one fits multiple parame- ter functions together. The latter method is proven to perform best by in silico tests. Besides, this method reduces the de- viation of flow comparing to original QFA as expected. Our approach can be generally used in all QFA applications using two-point theory. Further development is possible if number of dimensions of the achieved parameter data are broadened that results in even more data for processing in the second step.

Abstract:

In silico studies are often used to analyze mechanisms of cardiac arrhythmias. The electrophysiological cell models that are used to simulate the membrane potential in these studies range from highly detailed physiological models to simplistic phenomenological models. To effectively cover the middle ground between those cell models, we utilize the manifold boundary approxi- mation method (MBAM) to systematically reduce the widely used O’Hara-Rudy ventricular cell model (ORd) and investigate the influence of parametrization of the model as well as different strategies of choosing input quantities, further called quantities of interest (QoI). As a result of the reduction process, we present three re- duced model variants of the ORd model that only contain a fraction of the original model’s ionic currents resulting in a twofold speedup in computation times compared to the original model. We find that the reduced models show similar action potential duration restitution and repolarization rates. Additionally, we are able to initialize and observe stable spiral wave dynamics on a 3D tissue patch for 2 out of the 3 reduced models.

Abstract:

Atrial fibrillation (AF) is a critical pathology due to the risk of secondary diseases like thromboemboli and ventricular arrhythmia. A recent study identified a familial type of AF based on a mutation influencing the cardiac IKs channel. The mutant channel is characterized by a gain-of-function and a nearly linear current-voltage relationship. The kinetics and density of IKs in a model of atrial myocytes was adjusted to the measured characteristic to describe the mechanisms and effects of the mutation. A schematic anatomical model of the right atrium was designed to simulate the excitation propagation. The action potential duration of the mutant cell was reduced to 105 ms and the effective refractory period to 148 ms. Both factors lead to a reduction in wavelength and thus the risk of an initiation and perpetuation of AF rises. The results support the understanding of the complex behavior of cardiac cells. The described model will be used to investigate AF and potential treatments.

Abstract:

Computermodelle können zum besseren Verständnis der Herzphysiologie beitragen und damit helfen, geeignete Therapien zu finden oder vorhandene Therapien zu verbessern. Diese Modelle können ferner verwendet werden, um die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Herz und Kreislaufsystem zu untersuchen. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurden bereits mehrere solcher Modelle entwickelt, die unterschiedliche Mechanismen der Herzfunktion wie beispielsweise die Deformation, den Blutfluss oder die elektrische Akti- vierung und Repolarisation simulieren. Um die physiologischen Gegebenheiten annähernd realistisch abzubilden, ist es notwendig, das Zusammenwirken dieser Modelle nachzuvollzie- hen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Modellen der Mechanik und der Fluiddynamik. Der Ausgangspunkt war folgender: Im bereits vorhandenen parametrischen Kreislaufmodell (Mechanik) basiert die Mitralklappenimplementierung auf Parametern, die ursprünglich für die Aortenklappe optimiert worden waren. Der Zweck dieser Arbeit bestand darin, die mathematische Beschreibung der Aortenklappe für die Mitralklappe anzupassen. Dafür wurde ein vereinfachtes Modell des Kreislaufsystems implementiert, das den linken Vorhof, die Mitralklappe und den linken Ventrikel umfasst. Der Druckverlauf im linken Ventrikel wurde mit der mechanischen Simulation unter Vorgabe unterschiedlicher Drücke im Vor- hof nachgebildet. Anschließend wurden die Ergebnisse der mechanischen Simulation als Grundlage für die fluiddynamische Simulation verwendet. Durch den Vergleich der Drucker- gebnisse der beiden Simulationen wurde das Klappenmodell bewertet, und die Parameter der Mitralklappenbeschreibung wurden optimiert. Die zugrundeliegende Annahme war, dass die fluiddynamische Simulation das Klappenverhalten annähernd realistisch abbildet. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Veränderung der Mitralklappenimplementierung die Mechanik zwar beeinflusst wurde, allerdings weniger als erwartet. Auf die Ergebnisse der fluiddynamischen Simulation hatten diese Änderungen dagegen einen wesentlich stärkeren Einfluss. Es lässt sich schlussfolgern, dass die Anpassung der Mitralklappenimplementie- rung das Zusammenwirken der beiden Simulationen erheblich verbessert hat. Auch wenn diese Modelle nicht in der Lage sind, die Wirkungen und Wechselwirkungen des Herz- Kreislaufsystems vollständig zu beschreiben, so hat diese Arbeit doch einen Beitrag geleistet, das mechanische und das fluiddynamische Modell aufeinander abzustimmen und deren Wechselwirkung besser nachzuvollziehen.

Abstract:

Die computergestu ̈tzte Simulation des Verhaltens von Herzmuskelzellen und der Ausbreitung der elektrischen Erregung im Herzgewebe hilft Technikern und Medizinern, Vorga ̈nge im Herzen zu analysieren und zu verstehen. Exakte Modelle ko ̈nnen die Realita ̈t sehr gut nachbilden. Daher ist die Entwicklung eines Modelles der menschlichen linksventrikula ̈ren Herzwand unter Beru ̈ck- sichtigung transmural heterogener Ionenstro ̈me und der anisotropen Faserorientierung Gegenstand dieser Diplomarbeit.Kapitel 1 liefert eine Einfu ̈hrung in das Thema und erla ̈utert die Aufgabenstellung. Das zweite Kapitel hat die Elektrophysiologie von einzelnen Zellen zum Inhalt. Im darauf folgenden Kapitel wird eine U ̈bersicht u ̈ber die Anatomie und Elektrophysiologie des menschlichen Herzens sowie u ̈ber das Verhalten kardialer Myozyten im Zellverband gegeben.Kapitel 4 stellt die bisher untersuchten elektrophysiologischen Unterschiede innerhalb der ventriku- la ̈ren Herzwand vor. Hauptaugenmerk liegt auf transmuralen Ionenstromgradienten, die in mensch- lichen Ventrikeln festgestellt werden konnten. Weiterhin wird auf Messungen der Faserorientierung im menschlichen Herzen eingegangen.Das Zellmodell, welches im Laufe der Arbeit an die Anforderungen angepasst wurde, wird im fu ̈nften Kapitel vorgestellt. Es handelt sich um ein Modell, bei dem sich die elektrophysiologischen Eigenschaften der Einzelzelle aus gekoppelten Differentialgleichungen ergeben. Eine Simulation der Erregung im Zellverband wird mit einem der anschließend dargestellten Modelle der elektrischen Erregungsausbreitung ermo ̈glicht.In Kapitel 6 wird auf die Entwicklung des heterogenen Ventrikelwandmodelles eingegangen. Die elektrophysiologischen Modellanpassungen finden zuna ̈chst auf einzelzellula ̈rer Ebene statt. Die Definitionen verschiedener Ionenstro ̈me werden so modifiziert, dass das Verhalten dieser Stro ̈me vom Modell realita ̈tsnah abgebildet wird. Als Qualita ̈tskriterium der Anpassung wird anschließend der Verlauf des Aktionspotentials mit den gefundenen Parametrisierungen herangezogen. Durch Untersuchung des Verhaltens im elektrotonisch gekoppelten Zellverband werden weitere Parameter des Ventrikelwandmodelles bestimmt. Die Einbringung der anisotropen Faserorientierung in das zugrunde liegende anatomische Modell bildet den Abschluss dieses Kapitels.Kapitel 7 gibt einen U ̈berblick, wie sich ein Modell der menschlichen ventrikula ̈ren Wand unter Be- ru ̈cksichtigung transmuraler Inhomogenita ̈ten der Ionenstro ̈me und einer anisotropen Orientierung der Herzmuskelzellen im Computer generieren la ̈sst. Die Ergebnisse, die sich mit dem entwickelten Herzwandmodell erzielen lassen, werden im achten Kapitel beschrieben. Mit dem Modell wird sowohl das Verhalten von Einzelzellen als auch das von Zellen in einem eindimensionalen und einem dreidimensionalen gekoppelten Verband untersucht. Weiterhin wird das Verhalten im physiologischen und in pathologischen Fa ̈llen betrachtet. Dabei zeigt sich, dass die erzielten Simulationsresultate zum gro ̈ßten Teil mit denen von Experimenten vergleichbar sind. Lediglich die Ursachen des LQT1-Syndroms mu ̈ssen neu u ̈berdacht werden, da sich die Messergebnisse mit den bisherigen Annahmen nicht erkla ̈ren lassen.

Abstract:

Gegenstand dieser Studienarbeit ist der Vergleich zweier verschiedener elektrophy- siologischer Modelle der Erregungsausbreitung im Herzen. Diese Modelle werden daraufhin untersucht, inwieweit sie bei simulierten Fibrillationen in menschlichem Vorhofgewebe vergleichbare Ergebnisse liefern.Eine Einfu ̈hrung in das Thema und die Aufgabenstellung liefert das erste Kapitel. Das zweite Kapitel hat die Elektrophysiologie von Einzelzellen und das Verhalten von Herzmuskelzellen im Zellverband zum Inhalt. Die verwendeten Modelle werden im dritten Kapitel vorgestellt. Es handelt sich dabei zum einen um ein Zellmodell, bei dem sich die elektrophysiologischen Eigen- schaften der Einzelzelle aus gekoppelten Differentialgleichungen ergeben. Zusammen mit einem der anschließend vorgestellten Erregungsausbreitungsmodelle ermo ̈glicht es eine Simulation der Erregung im Zellverband. Zum anderen wird der Zellula ̈re Automat eingefu ̈hrt, der ein regelbasiertes Modell darstellt. Da mit den ausgewa ̈hl- ten elektrophysiologischen Modellen kreisende Erregungen simuliert werden, finden zusa ̈tzlich verschiedene Modellvorstellungen fu ̈r die Auslo ̈sung kreisender Erregun- gen Beru ̈cksichtigung.Im vierten Kapitel werden die Ergebnisse dieser Arbeit beschrieben. Unter verschie- denen Voraussetzungen werden die Wesensmerkmale der beiden Modelle bei Ar- rhythmien in Form von kreisenden Erregungen untersucht und verglichen. Die zu- grunde liegende Anatomie erstreckt sich dabei in ein, zwei und drei Dimensionen. Das Verhalten der Modelle wird zuna ̈chst in homogenen Gewebeausschnitten betrachtet. Daru ̈ber hinaus wird der Einfluss von anatomischen Hindernissen untersucht, wie sie beispielsweise durch nicht erregbares Gewebe vorliegen. Die Simulationen wer- den zusa ̈tzlich bei einer verringerten Leitfa ̈higkeit des Gewebes durchgefu ̈hrt, um den Einfluss leitfa ̈higkeitsa ̈ndernder Pharmaka auf die Erregungsmuster zu ermitteln. Ei- ne abschließende Beurteilung und eine Zusammenfassung der Gemeinsamkeiten und Unterschiede im Verhalten der Modelle bei kreisenden Erregungen runden dieses Kapitel ab.