Modello del monodominio

Il modello monodominio (monodomain model) è una riduzione del modello del bidominio che simula la propagazione elettrica nel tessuto miocardico. La riduzione deriva dall'ipotesi che i domini intra ed extracellulari abbiano rapporti di anisotropia uguali. Sebbene non sia fisiologicamente accurato come il modello del bidominio, in alcuni casi risulta sufficientemente adeguato allo studio dell'attività electtrica cardiaca, con il grande vantaggio di avere una riduzione del costo computazionale rispetto al bidominio.

Formulazione

Sia $\mathbb {T}$ il dominio di riferimento del modello, il modello del monodominio può essere formulato come segue

{\frac {\lambda }{1+\lambda }}\nabla \cdot \left(\mathbf {\Sigma } _{i}\nabla v\right)=\chi \left(C_{m}{\frac {\partial v}{\partial t}}+I_{\text{ion}}\right)\quad \quad {\text{in }}\mathbb {T} ,

dove $\mathbf {\Sigma } _{i}$ è il tensore di conduttività intracellulare, $v$ è il potenziale transmembrana, $I_{\text{ion}}$ è la corrente ionica transmembrana per unità di area, $C_{m}$ è la conducibilità della membrana per unità di superficie, $\lambda$ è il rapporto di conducibilità intra-extracellulare e $\chi$ è la superficie della membrana per unità di volume (di tessuto).

Derivazione

Il modello del monodominio può essere facilmente derivato dal modello del bidominio. Quest'ultimo può essere scritto come

{\begin{aligned}\nabla \cdot \left(\mathbf {\Sigma } _{i}\nabla v\right)+\nabla \cdot \left(\mathbf {\Sigma } _{i}\nabla v_{e}\right)&=\chi \left(C_{m}{\frac {\partial v}{\partial t}}+I_{\text{ion}}\right)\\\nabla \cdot \left(\mathbf {\Sigma } _{i}\nabla v\right)+\nabla \cdot \left(\left(\mathbf {\Sigma } _{i}+\mathbf {\Sigma } _{e}\right)\nabla v_{e}\right)&=0\end{aligned}}

Supponendo di avere un rapporto fisso di anisotropia, cioè $\mathbf {\Sigma } _{e}=\lambda \mathbf {\Sigma } _{i}$ , la seconda equazione può essere scritta come

\nabla \cdot \left(\mathbf {\Sigma } _{i}\nabla v_{e}\right)=-{\frac {1}{1+\lambda }}\nabla \cdot \left(\mathbf {\Sigma } _{i}\nabla v\right).

Quindi, sostituendo tale risultato nella prima equazione del bidominio, si ottiene un'unica equazione che rappresenta il modello del monodominio

{\frac {\lambda }{1+\lambda }}\nabla \cdot \left(\mathbf {\Sigma } _{i}\nabla v\right)=\chi \left(C_{m}{\frac {\partial v}{\partial t}}+I_{\text{ion}}\right).

Condizioni al contorno

A differenza del modello del bidominio, solitamente per il monodominio vengono considerate delle condizioni al contorno di completo isolamento elettrico, ossia viene assunto che la corrente non possa fluire all'interno o all'esterno del dominio di riferimento (solitamente il cuore). Matematicamente questo può essere descritto imponendo che il flusso del potenziale sia pari a zero sul bordo del dominio, ossia

$(\mathbf {\Sigma } _{i}\nabla v)\cdot \mathbf {n} =0\quad \quad {\text{on }}\partial \mathbb {T}$

in cui $\mathbf {n}$ è la normale unitaria esterna al dominio e $\partial \mathbb {T}$ è il contorno del dominio stesso.

Note

1 2 3 4 5 Andrew J. Pullan, Martin L. Buist e Leo K. Cheng, Mathematically modelling the electrical activity of the heart : from cell to body surface and back again, World Scientific, 2005, ISBN 978-9812563736.
↑ Keener J, Sneyd J, Mathematical Physiology II: Systems Physiology, 2ndª ed., Springer, 2009, ISBN 978-0-387-79387-0.
↑ (EN) Simone Rossi e Boyce E. Griffith, Incorporating inductances in tissue-scale models of cardiac electrophysiology, in Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, vol. 27, n. 9, 2017-09, p. 093926, DOI:10.1063/1.5000706. URL consultato il 26 giugno 2020.
1 2 (EN) Muriel Boulakia, Serge Cazeau e Miguel A. Fernández, Mathematical Modeling of Electrocardiograms: A Numerical Study, in Annals of Biomedical Engineering, vol. 38, n. 3, 2010-03, pp. 1071-1097, DOI:10.1007/s10439-009-9873-0. URL consultato il 26 giugno 2020.

Voci correlate

[Pullan-2005-1] 1 2 3 4 5 Andrew J. Pullan, Martin L. Buist e Leo K. Cheng, Mathematically modelling the electrical activity of the heart : from cell to body surface and back again, World Scientific, 2005, ISBN 978-9812563736.

[KeenerSneyd-2] Keener J, Sneyd J, Mathematical Physiology II: Systems Physiology, 2ndª ed., Springer, 2009, ISBN 978-0-387-79387-0.

[3] (EN) Simone Rossi e Boyce E. Griffith, Incorporating inductances in tissue-scale models of cardiac electrophysiology, in Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, vol. 27, n. 9, 2017-09, p. 093926, DOI:10.1063/1.5000706. URL consultato il 26 giugno 2020.

[:0-4] 1 2 (EN) Muriel Boulakia, Serge Cazeau e Miguel A. Fernández, Mathematical Modeling of Electrocardiograms: A Numerical Study, in Annals of Biomedical Engineering, vol. 38, n. 3, 2010-03, pp. 1071-1097, DOI:10.1007/s10439-009-9873-0. URL consultato il 26 giugno 2020.