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Clase: Tese
Título : Análise de sensibilidade de alternâncias cardíacas em modelos celulares de eletrofisiologia
Autor(es): Pigozzo, Rodrigo Bittencourt
Orientador: Rocha, Bernardo Martins
Co-orientador: Santos, Rodrigo Weber dos
Miembros Examinadores: Chapiro, Grigori
Miembros Examinadores: Campos, Joventino de Oliveira
Miembros Examinadores: Oliveira, Rafael Sachetto
Miembros Examinadores: Queiroz, Rafael Alves Bonfim de
Resumo: Arritmias cardíacas são um grave problema de saúde que pode levar à parada cardíaca súbita, à insuficiência cardíaca e, por fim, à morte. O alternans é frequentemente observado em pacientes com arritmias cardíacas, particularmente naquelas que afetam os ventrículos. Trata-se de uma variação, batimento a batimento, na duração ou na amplitude dos potenciais de ação cardíacos, que também pode se refletir em alterações do eletrocardiograma. Compreender os mecanismos que levam à sua ocorrência é, portanto, clinicamente relevante. Nesse esforço, os modelos matemáticos da eletrofisiologia celular são ferramentas fundamentais, por permitirem investigar, de forma controlada, as condições que favorecem o surgimento do alternans. A capacidade de um modelo reproduzir o alternans depende de sua formulação e de seus parâmetros, e ainda são escassos os estudos que identificam, de forma sistemática, quais parâmetros governam a ocorrência desse fenômeno. Determinar esses parâmetros é essencial tanto para compreender os mecanismos do alternans quanto para avaliar a coerência dos próprios modelos. O objetivo principal deste trabalho foi identificar os parâmetros que mais influenciam a ocorrência de alternans, empregando técnicas de análise de sensibilidade, com destaque para a Filtragem de Monte Carlo (MCF), além dos índices de Sobol. Para acelerar essas análises, que exigiriam um número proibitivo de simulações do modelo completo, foram utilizados modelos substitutos, tendo como referência o método de Monte Carlo clássico. Além da Expansão em Caos Polinomial (PCE), foram investigadas duas outras técnicas de modelagem substituta: os Processos Gaussianos (GP) e as Florestas Aleatórias (RF), empregadas tanto na regressão das quantidades de interesse quanto na classificação direta da ocorrência de alternans, com comparação sistemática entre as duas estratégias em termos de precisão e custo computacional. A abordagem foi aplicada a três modelos celulares de complexidade crescente: o modelo simplificado de Mitchell-Schaeffer modificado, o modelo detalhado de ten Tusscher-Panfilov e o modelo de Mahajan-Shiferaw. Os resultados identificaram os parâmetros determinantes para o alternans em cada modelo. Para os modelos biofisicamente detalhados, a condutância da corrente de cálcio do tipo L destacou-se como o parâmetro mais influente, evidenciando a capacidade da abordagem de recuperar, a partir da estrutura interna dos modelos, relações fisiologicamente relevantes, além de identificar interações entre parâmetros não evidentes a priori.
Resumen : Cardiac arrhythmias are a serious health problem that can lead to sudden cardiac arrest, heart failure, and ultimately death. Alternans is frequently observed in patients with cardiac arrhythmias, particularly those affecting the ventricles. It consists of a beat-to-beat variation in the duration or amplitude of the cardiac action potential, which may also be reflected in changes in the electrocardiogram. Understanding the mechanisms that lead to its occurrence is therefore clinically relevant. In this effort, mathematical models of cellular electrophysiology are fundamental tools, as they allow the controlled investigation of the conditions that favor the onset of alternans. The ability of a model to reproduce alternans depends on its formulation and its parameters, and studies that systematically identify which parameters govern the occurrence of this phenomenon are still scarce. Determining these parameters is essential both to understand the mechanisms of alternans and to assess the consistency of the models themselves. The main objective of this work was to identify the parameters that most influence the occurrence of alternans, employing sensitivity analysis techniques, with emphasis on Monte Carlo Filtering (MCF), in addition to Sobol indices. To accelerate these analyses, which would otherwise require a prohibitive number of full-model simulations, surrogate models (emulators) were used, with the classical Monte Carlo method serving as reference. In addition to Polynomial Chaos Expansion (PCE), two other surrogate modeling techniques were investigated: Gaussian Processes (GP) and Random Forests (RF), employed both in the regression of the quantities of interest and in the direct classification of alternans occurrence, with a systematic comparison between the two strategies in terms of accuracy and computational cost. The approach was applied to three cell models of increasing complexity: the simplified modified Mitchell-Schaeffer model, the detailed ten Tusscher-Panfilov model, and the Mahajan-Shiferaw model. The results identified the determining parameters for alternans in each model. For the biophysically detailed models, the conductance of the L-type calcium current stood out as the most influential parameter, demonstrating the ability of the approach to recover physiologically relevant relationships from the internal structure of the models, as well as to identify interactions between parameters that are not evident a priori.
Palabras clave : Arritmias
Alternans
Índices de Sobol
Filtragem de Monte Carlo
Expansão em caos polinomial
Arrhythmias
Alternans
Sobol indices
Monte Carlo filtering
Polynomial chaos expansion
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Idioma: por
País: Brasil
Editorial : Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Sigla de la Instituición: UFJF
Departamento: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Programa: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Clase de Acesso: Acesso Aberto
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Licenças Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
URI : https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/21449
Fecha de publicación : 25-sep-2026
Aparece en las colecciones: Doutorado em Modelagem Computacional (Teses)



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