整心电生理模型中ECG QRS波群对希-浦系统结构的敏感性

《Computer Methods and Programs in Biomedicine》：Sensitivity of ECG QRS complexes to His-Purkinje structure in whole-heart electrophysiology models

　　

摘要
背景与目的：希 - 浦系统（HPS）是决定患者特异性全心电生理（EP）模型准确性的一个关键但研究不足的因素。HPS 影响心室除极并塑造心电图（ECG）的 QRS 波群。在本研究中，我们调查了 HPS 模型的结构变异如何影响完整全心单域 EP 模型（包含心脏传导系统的所有组件）中模拟的 QRS 形态。
方法：使用基于规则的分形树算法，我们生成了 HPS 模型，并系统地改变了九个结构参数以评估它们对十个 QRS 相关指标的影响。我们使用 Sobol 敏感性分析来量化驱动 QRS 指标观察到的变异的直接效应和参数交互作用。
结果：我们的结果表明，HPS 结构参数的大多数轻微扰动对模拟的 QRS 特征影响有限。22,528 次试验中参数扰动引起的变异既不比网络生成算法的内在随机变异大得多，也不超出正常 QRS 波群的界限。然而，少数异常试验偏差显著。特别是，一些生成的 HPS 网络过于密集并延伸至心房区域，导致 QRS 波群过早形成；少数其他网络产生了异常的分支配置，未能充分覆盖心室周长，导致 QRS 波幅和持续时间异常。这些非典型 HPS 网络极其罕见（<1% 的 22,528 个模型），可通过快速目视检查轻松识别并排除进一步使用。
结论：在窦性心律的健康心脏中，单域全心电生理模型中模拟的 QRS 波群的诊断相关特征对 HPS 结构参数的适度变化表现出低敏感性。因此，定义良好的通用 HPS 几何形状可能足以用于大多数窦性心律生理正常心脏的模拟，但应谨慎避免本研究中揭示的异常、非生理性网络。这些发现代表了开发对潜在解剖不确定性具有鲁棒性的心脏模型的重要一步，最终增强了其在研究和临床应用中的可靠性。

引言
心血管疾病仍然是全球死亡的主要原因，2021 年导致超过 1900 万人死亡 [1]。心脏心律失常是由心脏电传导系统中断引起的心律不规则，是发病率和猝死的主要贡献因素 [2]。计算电生理（EP）模型已成为心脏病学中潜在的变革性工具，为心律失常的诊断和治疗提供了更高的精确度和个性化。这些模型可以模拟心脏中患者特异性的病理性电活动，使临床医生能够优化疗法、指导治疗规划并支持个性化干预措施的开发 [3]、[4]。这些模型在临床和研究环境中的可靠性在很大程度上取决于其准确建模患者特异性心脏电生理的能力。在此背景下，心电图（ECG）提供了非侵入性验证框架，发挥着关键作用。作为心脏电活动的度量，ECG 使得模拟输出与临床输出之间的直接比较成为可能，从而促进参数调节和模型细化 [5]、[6]、[7]。
心脏传导系统的一个关键组件是希 - 浦系统（HPS），这是一种负责心室快速、协调除极的专用传导系统 [8]。HPS 允许电信号在心室心肌中高效传播，确保左右心室收缩同步以及塑造心电图上 QRS 波群的节律性除极 [9]、[10]、[11]。功能失调的 HPS 通路，如束支传导阻滞中看到的，会破坏这种协调活动，产生特征性的 QRS 异常，作为诊断指标 [12]、[13]、[14]。
尽管其作用至关重要，但目前为个性化 EP 模型建模 HPS 的方法面临主要局限。计算模型的患者特异性几何形状通常源自临床扫描；然而，HPS 的分支太细而无法可视化，需要模型依赖对其结构的假设 [15]、[16]。生成 HPS 模型的一个既定方法是使用基于规则的分形树方法在患者特异性心脏网格上构建浦肯野系统，但这可能根据算法中使用的参数在模型与实际患者解剖之间引入差异 [17]、[18]、[19]。
敏感性分析（SA）是系统评估建模的 HPS 结构参数的微小变化是否影响模型输出结果以及识别哪些输入参数驱动观察到的变异的关键方法。该方法可以评估 HPS 的结构差异是否实质性地影响模型输出，如果是，则确定哪些控制 HPS 结构的参数最具影响力，因此可能需要个性化模型。尽管已经对计算模型中的 ECG 进行了许多敏感性分析，但大多数主要关注电生理特性（例如，离子通道动力学）或 ECG 特定参数，如导联放置 [20]、[21]、[22]。结构和物理参数（如分支数量或分支角度）对生成的 QRS 波群形态的影响研究不足 [23]。先前研究 HPS 结构对模型输出影响的研究未充分考虑完整的 HPS 结构或其结构特征之间的相互作用，这可以导致变异 [24]。解决这一差距对于理解 HPS 假设对模拟 ECG 形态的影响以及提高患者特异性全心 EP 模型的可靠性至关重要 [25]。这种理解对于开发支持涉及虚拟患者队列的计算机模拟临床试验的鲁棒模型也至关重要 [26]、[27]。
本研究提出了一种全局的、基于方差的敏感性分析，以评估建模的 HPS 结构变异如何影响模拟 ECG 信号中 QRS 波群的形态。与传统局部敏感性分析不同，全局方法允许评估单个参数效应和高级交互作用 [28]。我们同时改变控制建模 HPS 结构的九个参数，并将生成的 HPS 模型纳入包含心脏传导系统所有主要组件的全心 EP 模型中以生成 ECG 信号。然后分析这些信号以量化十个感兴趣的 QRS 相关量（QOIs）之间的变异。我们计算 Sobol 敏感性指数以确定哪些 HPS 参数通过直接效应和与其他参数的交互作用对观察到的变异贡献最大。我们的发现确定了驱动 QRS 形态变异的 HPS 关键结构特征，提供了关于 HPS 模型结构如何影响患者特异性 EP 模型准确性的见解，并为未来模型开发提供信息。

章节摘录
方法
本研究旨在量化 HPS 模型参数变化导致 QRS 形态十个 QOIs 之间的变异，并识别驱动这种变异的参数。为 HPS 参数分配变异范围，并使用 Saltelli 采样方案在不同试验中同时改变所有参数。使用采样的参数值生成 HPS 模型并将其纳入全心单域 EP 模拟中以生成 ECG 信号。该
结果
本研究进行的 22,528 次试验的结果如下。总体而言，所有 QOIs 的变异极小，并与随机分析相当。QOI 数据与补充材料中“随机分析统计摘要”部分呈现的随机分析数据进行了比较。几乎所有分布看起来视觉对称，只有少数异常值。在本研究中，异常值是使用四分位距
讨论
几乎所有试验在 ECG QRS 波群的诊断相关特征中表现出极小变化。观察到的感兴趣量变异中的大多数保持在正常 ECG QRS 波群特征范围内 [14]，并与随机分形树 HPS 生成算法引入的基线内在变异相当。这些发现表明，QRS 形态对建模的 HPS 结构的适度变化具有很强的鲁棒性。
尽管大多数试验
结论
在窦性心律的健康心脏中，单域全心电生理模型中模拟的 QRS 波群的诊断相关特征对 HPS 结构参数的适度变化表现出低敏感性。22,528 次试验中参数扰动引起的变异既不比网络生成算法的内在随机变异大得多，也不超出正常 QRS 波群的界限，表明总体上
CRediT 作者贡献声明
Preetam V. Tanikella：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Laryssa Abdala：撰写 – 审阅与编辑，验证，软件，方法论，概念化。David Wells：可视化，软件，方法论。Karin Leiderman：撰写 – 审阅与编辑，方法论。Annie Green Howard：撰写 – 审阅与编辑，方法论。Boyce E. Griffith：撰写 – 审阅与
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Preetam V. Tanikella|Laryssa Abdala|David Wells|Karin Leiderman|Annie Green Howard|Boyce E. Griffith
美国北卡罗来纳大学教堂山分校数学系，NC 27599