Caracterización del tejido columnar del cérvix mediante espectroscopia de impedancia eléctrica y modelado computacional / Characterization of cervical columnar tissue through electrical impedance spectroscopy and computer modeling

RESUMEN Introducción: En este artículo se presenta la utilización de la espectroscopia de impedancia eléctrica (EIE) en la caracterización del tejido columnar cervical y como herramienta de apoyo a las técnicas diagnósticas del cáncer de cuello uterino. Métodos: Se realizó un estudio de validez diagnóstica a 30 pacientes no menopáusicas que presentaron ectopia cervical durante la colposcopia. Se obtuvieron 129 espectros de impedancia eléctrica de tejido columnar, que fueron diferenciados en cuatro zonas o puntos de toma de medidas, semejantes a las zonas horarias 12, 3, 6, y 9 de un reloj análogo. Los datos experimentales obtenidos fueron ajustados al modelo de Cole-Cole, que describe la fisiología y estructura del tejido mediante parámetros eléctricos de resistividad R y S, frecuencia característica Fc y capacitancia de membrana Cm. Resultados: La comparación entre tejidos columnares sanos y con lesión en cada uno de los puntos de medida se realizó mediante pruebas no paramétricas U de Mann-Whitney, que mostraron diferencias estadísticamente significativas (p <0,05) para las medianas de R y S, con un nivel de confianza del 95%. Los valores promedio de R y S para tejido columnar sano fueron 2,0 Ω-m y 11,36 Ω-m, con desviación estándar 0,41 y 0,51 respectivamente; mientras que para los tejidos con lesiones el valor promedio R y S fueron de 4,21 Ω-m y 7,03 Ω-m, con desviación estándar 0,40 para ambas medidas. Conclusión: Se encontró que la resistividad del líquido extracelular R y la resistividad de la matriz intracelular S son las que mejor discriminan entre epitelios columnares sanos y aquellos afectados por lesiones.

ABSTRACT Introduction: Thi s pape r shows the implementation of Electrical Impedance Spectroscopy (EIS) in the characterization of the cervical columnar tissue and as a supporting tool to the diagnostic techniques of cervical cáncer Methods: A diagnostic validity study was performed on 30 non-menopausal patients who presented cervical ectopy during colposcopy. A total of 129 electric impedance spectra of columnar tissue was obtained, which were differentiated into four measurement zones or points similar to time zones 12, 3, 6, and 9 of an analog clock. The experimental data obtained were adjusted to the Cole-Cole model which describes the physiology and structure of the tissue through electrical resistivity parameters R and S, characteristic frequency Fc and membrane capacitance Mc. Results: The comparison between healthy and damaged columnar tissue at each of the measurement points was performed using non-parametric Mann-Whitney U tests which showed statistically significant differences (p <0.05) for the R and S medians with a 95% confidence level. The average values of R and S for healthy columnar tissue were 2.0 Ω-m and 11.36 Ω-m, with 0.41 and 0.51 standard deviation respectively, whereas for a damaged tissue the average value of R and S were 4.21 Ω-m and 7.03 Ω-m, with 0.40 standard deviation for both measurements. Conclusions: It was found that the resistivity of the extracellular liquid R, and the resistivity of the intracellular matrix S, are the parameters that better discriminate between healthy columnar epithelia and those affected by lesions.

Remodelado estrcctural y de gap junctions en un modelo 3d de aurícula humana / Strctural remodeeling and of gap junctions in a 3d model of human atrial

Introducción: la fibrilación auricular (AF), es la más común de la arritmia cardiaca sostenida y un factor de riesgo para el accidente cerebro vascular y otras morbilidades, si no es tratada. Estudios epidemiológicos muestran que la AF tiende a perpetuarse con el tiempo, generando cambios electrofisiológicos y anatómicos denominados: remodelados auriculares. Se ha demostrado que estos cambios provocan variaciones de la velocidad de conducción (CV), en el tejido auricular. Objetivo: estudiar el efecto del remodelado de gap junctions en la propagación del potencial de acción, implementando un modelo 3D de aurícula humana altamente realista. Materiales y Métodos: se incorporaron los cambios generados por el remodelado eléctrico a un modelo de potencial de acción (AP) de miocito auricular, acoplado con un modelo tridimensional anatómicamente realista de aurícula humana dilatada. Mediante simulaciones de la propagación del AP en condiciones de remodelado eléctrico y anatómico, y de remodelado de gap junctions, se midieron las ventanas vulnerables de generación de reentradas en la base de las venas pulmonares izquierdas de la aurícula. Resultados: los resultados obtenidos indican que la ventana vulnerable en el remodelado de gap junctions, se desplazó 38 ms con relación al modelo dilatado, lo que nos muestra el impacto de la dilatación con remodelado de gap junction. Conclusiones: el remodelado eléctrico generó una disminución del 70 % en la duración del potencial de acción y una disminución de las velocidades de conducción entre un 14.6 y un 26 %, que fueron medidas en diferentes regiones de la aurícula dilatada. El foco disparado en la base de las venas pulmonares izquierdas, generó un frente de onda que mantiene una actividad reentrante debido a la anatomía subyacente de las venas pulmonares.

Introduction: Atrial fibrillation (AF) is the most common sustained cardiac arrhythmia and a significant risk factor for cerebrovascular accident and other morbidities if left untreated. Epidemiological studies show that AF tends to persist over time, creating electrophysiological and anatomical changes called atrial remodeling. It has been shown that these changes result in variations in conduction velocity (CV) in the atrial tissue. Objective: to study the effect of remodeling of gap junctions in the propagation of the action potential by implementing a highly realistic 3D human atrial model. Materials and methods: the changes caused by electrical remodeling were incorporated in an atrial myocyte action potential (AP) model coupled with an anatomically realistic three-dimensional model of dilated human atria. Through simulations of the AP spread in variations of anatomical and electrical remodeling and of gap junctions remodeling, vulnerable windows of reentry generation were measured at the base of the atrium left pulmonary veins. Results: the results obtained indicate that vulnerable window in the gap junctions remodeling moved 38 ms in relation with the expanded model which shows the impact of the dilatation gap junction remodeling. Conclusions: the electrical remodeling produced 70% decrease in action potential duration and decreased conduction velocities between 14.6 and 26 %, which were measured in different regions of the dilated atrium. The focus shot at the base of the left pulmonary veins created a wave which maintains a reentering activity due to the underlying anatomy of the pulmonary veins.

EFECTO DEL REMODELADO ELÉCTRICO AURICULAR EN UN MODELO TRIDIMENSIONAL DE AURÍCULA HUMANA

Las arritmias cardíacas más frecuentes en humanos tienen origen auricular. El modelado de la actividad auricular se ha convertido en una importante herramienta en el análisis de arritmias como la fibrilación auricular. Estudios experimentales han demostrado que la fibrilación auricular tiende a perpetuarse, generando cambios electrofisiológicos denominados remodelado auricular. En este trabajo se presenta un modelo tridimensional geométricamente realista de la aurícula humana, al cual se le incorporan: anisotropía, dirección de las fibras y heterogeneidad en la conductividad. En un modelo del potencial de acción acoplado al modelo tridimensional, se estudió el efecto del remodelado auricular sobre el potencial de acción y su propagación teniendo en cuenta sus efectos sobre las corrientes iónicas. El modelo reprodujo el comportamiento de la actividad eléctrica en toda la superficie auricular. El remodelado redujo la duración del potencial de acción, el periodo refractario efectivo y la velocidad de conducción. Los resultados sugieren que en el modelo tridimensional desarrollado, es posible simular la actividad eléctrica auricular en condiciones fisiológicas y con remodelado eléctrico auricular.

The most common cardiac arrhythmias in humans originate in the atrium. Modelling of the atrial activity has become an important tool to analyze arrhythmias such as atrial fibrillation. Experimental studies have shown that atrial fibrillation tends to be perpetual, generating electrophysiological changes called atrial remodeling. In this study we present a geometrically realistic three-dimensional (3D) model of human atrium, which incorporates anisotropy, direction of the fibers and conductive heterogeneity. The effects of remodeling on the ionic currents were applied to an action potential model coupled to the 3D model. The effects of remodeling on the action potential and its propagation were studied the model reproduced the electrical activity behavior across the atrial surface. Remodelling induced a reduction in the action potential duration, the effective refractory period and the conduction velocity. Our results suggest that in the developed 3D model of human atrium is possible to simulate the atrial electrical activity under physiological conditions and with atrial electrical remodeling.