Modelo matemático-computacional reduzido para potencial de ação, dinâmica de cálcio e tensão ativa de cardiomiócitos

• João Gabriel Rocha Silva IFB
• Carolina Ribeiro Xavier UFSJ
• Rodrigo Weber dos Santos UFJF

DOI: https://doi.org/10.5753/sbcas_estendido.2025.7630

Resumo

A simulação da atividade eletromecânica do coração é essencial para a análise de fenômenos cardíacos, mas modelos computacionais podem ser custosos. Na tese, foi desenvolvido um modelo reduzido em nível celular, capaz de reproduzir qualitativamente a atividade eletromecânica cardíaca, considerando as interações elétricas, de cálcio e mecânica, além de simular efeitos de diferentes drogas. O modelo foi construído a partir do acoplamento do modelo mínimo de Bueno-Orovio para a parte elétrica e de equações simplificadas para a dinâmica do cálcio e da tensão ativa, com parâmetros ajustados por um algoritmo genético. Os resultados mostraram que o modelo reproduziu adequadamente o potencial de ação, cálcio e força ativa com apenas seis equações diferenciais ordinárias. Além disso, em simulações 3D, o modelo desenvolvido apresentou uma redução significativa no custo computacional quando comparado ao modelo de referência, com ganhos de velocidade evidentes tanto em GPU quanto em CPU. O speed-up atingiu até 5.75, destacando a eficiência do modelo proposto para simulações biventriculares extensas.

Referências

Belhamadia, Y., Briffard, T., and Fortin, A. (2022). Efficiency of parallel anisotropic mesh adaptation for the solution of the bidomain model in cardiac tissue. Journal of Computational Science, 61:101656.

Bueno-Orovio, A., Cherry, E. M., and Fenton, F. H. (2008). Minimal model for human ventricular action potentials in tissue. Journal of theoretical biology, 253(3):544–560.

Freedland, K. E., Rich, M. W., and Carney, R. M. (2021). Improving quality of life in heart failure. Current cardiology reports, 23:1–7.

Mansur, A. d. P. and Favarato, D. (2021). Taxas de mortalidade por doenças cardiovasculares e câncer na população brasileira com idade entre 35 e 74 anos, 1996-2017. Arquivos Brasileiros de Cardiologia, 117(2):329–340.

Margara, F., Wang, Z. J., Levrero-Florencio, F., Santiago, A., Vázquez, M., Bueno-Orovio, A., and Rodriguez, B. (2021). In-silico human electro-mechanical ventricular modelling and simulation for drug-induced pro-arrhythmia and inotropic risk assessment. Progress in Biophysics and Molecular Biology, 159:58–74.

Organização Pan-Americana da Saúde (2020). Oms revela as principais causas de morte e incapacidade em todo o mundo entre 2000 e 2019. Acesso em: 28 jul. 2024.

Sachetto Oliveira, R., Rocha, B. M., Burgarelli, Meira Jr, W., Constantinides, C., and Santos, R. W. d. (2018). Performance evaluation of gpu parallelization, space-time adaptive algorithms, and their combination for simulating cardiac electrophysiology. International journal for numerical methods in biomedical engineering, 34(2):e2913.

Silva, J. G. R. (2024). Modelo matemático-computacional reduzido para potencial e ação, dinâmica de cálcio e tensão ativa de cardiomiócitos. PhD thesis, Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora, MG, Brasil.

Siqueira, A. d. S. E., Siqueira-Filho, A. G. d., and Land, M. G. P. (2017). Análise do impacto econômico das doenças cardiovasculares nos últimos cinco anos no brasil. Arquivos Brasileiros de Cardiologia, 109:39–46.