Estimulação por campo elétrico em um coração isolado de rato : um modelo computacional
Orientadores: Pedro Xavier de Oliveira, Lindemberg da Mota Silveira Filho
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2025 |
| País: | Brasil |
| Institución: | Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) |
| Repositorio: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) |
| Idioma: | portugués |
| OAI Identifier: | oai::1508418 |
| Acceso en línea: | https://hdl.handle.net/20.500.12733/34186 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Simulação (Computadores) Desfibriladores Fibrilação ventricular Princípio de superposição (Física) Campos elétricos Simulation (Computers) Defibrillators Ventricular fibrillation Superposition principle (Physics) Electric fields |
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Estimulação por campo elétrico em um coração isolado de rato : um modelo computacional Stimulation by electric field in an isolated rat heart : a computational model |
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Estimulação por campo elétrico em um coração isolado de rato : um modelo computacional Sá, Lizandra Alcantara, 1992- Simulação (Computadores) Desfibriladores Fibrilação ventricular Princípio de superposição (Física) Campos elétricos Simulation (Computers) Defibrillators Ventricular fibrillation Superposition principle (Physics) Electric fields |
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Oliveira, Pedro Xavier de, 1975- Silveira Filho, Lindemberg da Mota, 1972- Quevedo, Antonio Augusto Fasolo Oshiyama, Natália Ferreira Suzuki, Daniela Ota Hisayasu Guedert, Raul Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS |
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Estimulação por campo elétrico em um coração isolado de rato : um modelo computacionalStimulation by electric field in an isolated rat heart : a computational modelSimulação (Computadores)DesfibriladoresFibrilação ventricularPrincípio de superposição (Física)Campos elétricosSimulation (Computers)DefibrillatorsVentricular fibrillationSuperposition principle (Physics)Electric fieldsOrientadores: Pedro Xavier de Oliveira, Lindemberg da Mota Silveira FilhoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: É muito comum usar campos elétricos (E) muito elevados para desfibrilar corações, o que pode danificar os cardiomiócitos, destacando a importância de desenvolver métodos que possam reduzir o E aplicado nos protocolos de desfibrilação. Utilizamos o software COMSOL Multiphysics para modelar, simular e analisar a aplicação de um E em uma câmara de estimulação e em um coração isolado de rato com estímulos monodirecionais e multidirecionais utilizando 2 pares de eletrodos e o princípio da superposição como forma de reduzir o E aplicado e diminuir o número de eletrodos de estimulação necessários. Ao aplicar um E de 3 V/cm nas direções de 0°, 30° e 60°, individualmente na câmara de estimulação, o E foi igual a 3,2 V/cm e suas fases foram 0°, 30° e 60°, respectivamente, validando o princípio da superposição. Observamos uma redução de até 31,8% no E ao aplicar um estímulo multidirecional em comparação ao estímulo monodirecional para estimular a mesma área do coração. Para a mesma quantidade de direções de estímulo, obteve-se uma redução de até 11,7% do E apenas modificando as direções dos estímulos aplicados. Os resultados da curva intensidade x duração mostraram que a reobase é consistentemente menor para estímulos multidirecionais. Além disso, encontramos uma boa relação com a expressão de Weiss-Lapicque (R² > 0,9) em todos os casos, tanto para o limiar de estimulação quanto para a desfibrilação. Os estímulos multidirecionais exigiram uma intensidade menor para alcançar o mesmo efeito de excitação em comparação aos estímulos monodirecionais, quando o coração foi rotacionado na câmara de estimulação em relação ao eixo x. Entre todos os casos simulados, o pior cenário apresentou um E máximo de 6,5 V/cm, valor insuficiente para eletroporar as células cardíacas. Os resultados da simulação validam o princípio da superposição na estimulação de um coração isolado, mostrando que, para uma mesma área estimulada, a intensidade do E em uma configuração multidirecional foi consistentemente menor do que na configuração monodirecional. Além disso, foi observado que, para reduzir a intensidade do E, tanto o número de estímulos aplicados quanto suas direções desempenharam papéis relevantes. Os resultados obtidos abrem caminho para futuros experimentos biológicos com corações isolados, nos quais os efeitos observados na simulação poderão ser analisados em condições reais. Caso os resultados se confirmem, isso poderá viabilizar o desenvolvimento de um desfibrilador eficaz fundamentado nesses princípios, representando um avanço relevante na área da cardiologia e no tratamento das arritmias cardíacasAbstract: High-intensity electric fields (E) are commonly used for cardiac defibrillation, which can lead to cardiomyocyte damage. This highlights the importance of developing strategies to reduce the applied E in defibrillation protocols. We used COMSOL Multiphysics to model, simulate, and analyze the application of E in a stimulation chamber and in an isolated rat heart using monodirectional and multidirectional stimuli, with two pairs of electrodes and the principle of superposition as a strategy to reduce the required E and minimize the number of stimulation electrodes. When applying an E of 3 V/cm in the directions of 0°, 30°, and 60°, individually in the stimulation chamber, the resulting field was 3.2 V/cm with phase angles of 0°, 30°, and 60°, respectively, validating the principle of superposition. We observed a reduction of up to 31.8% in E when applying multidirectional stimulation compared to monodirectional stimulation to excite the same area of the heart. For the same number of stimulus directions, simply changing their orientations led to a reduction of up to 11.7% in the required E. The intensity-duration curve results showed that the rheobase was consistently lower for multidirectional stimuli. Additionally, we observed a good fit to the Weiss-Lapicque expression (R² > 0.9) in all cases, both for stimulation and defibrillation thresholds. Multidirectional stimulation required a lower intensity to achieve the same excitation effect compared to monodirectional stimulation, especially when the heart was rotated in the chamber with respect to the x-axis. Among all simulated cases, the worst-case scenario yielded a maximum E of 6.5 V/cm, a value insufficient to electroporate cardiac cells. Simulation results validate the principle of superposition for the stimulation of an isolated heart, demonstrating that for the same excited area, the intensity of E in a multidirectional configuration was consistently lower than in a monodirectional configuration. Moreover, we observed that both the number of applied stimuli and their directions played relevant roles in reducing the required E intensity. The results obtained pave the way for future biological experiments with isolated hearts, in which the effects observed in the simulation can be investigated under real conditions. If these results are confirmed, this may enable the development of an effective defibrillator based on these principles, representing a significant advancement in cardiology and in the treatment of cardiac arrhythmiasAbertoDoutoradoEngenharia BiomédicaDoutora em Engenharia ElétricaCAPES001[s.n.]Oliveira, Pedro Xavier de, 1975-Silveira Filho, Lindemberg da Mota, 1972-Quevedo, Antonio Augusto FasoloOshiyama, Natália FerreiraSuzuki, Daniela Ota HisayasuGuedert, RaulUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS20252025-05-26T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (90 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/34186SÁ, Lizandra Alcantara. Estimulação por campo elétrico em um coração isolado de rato: um modelo computacional. 2025. 1 recurso online (90 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP. Disponível em: 20.500.12733/34186. Acesso em: 29 set. 2025.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1508418Cover: https://repositorio.unicamp.br/capa/capa?codigo=1508418porreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccessSá, Lizandra Alcantara, 1992-2025-08-20T17:27:49Zoai::1508418Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2025-08-20T17:27:49Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false |
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