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Type: Dissertação
Title: Modulation of cardiac arrhythmogenesis by spatially correlated fibrosis
Author: Couto, Guilherme Martins
First Advisor: Santos, Rodrigo Weber dos
Co-Advisor: Campos, Joventino de Oliveira
Referee Member: Lawson, Brodie Alexander James
Referee Member: Rocha, Bernardo Martins
Resumo: A fibrose cardíaca cria barreiras estruturais que perturbam a propagação elétrica, precipitando arritmias. Modelos computacionais frequentemente aproximam a fibrose utilizando ruído aleatório não correlacionado, negligenciando a complexa microarquitetura do tecido biológico. Neste trabalho, investigamos como diferentes estruturas fibróticas inspiradas em histologia interagem com ondas de propagação para modular a reentrada sustentada. Estendemos um gerador baseado em ruído Perlin — introduzindo um modo de composição de fibrose para alta densidade e suporte a zonas de borda — para sintetizar padrões compact, diffuse, interstitial e patchy. Essas arquiteturas foram caracterizadas por meio de um conjunto de descritores morfológicos e topológicos e pela teoria da percolação. Em seguida, realizamos simulações eletrofisiológicas em domínios 2D e 3D utilizando a formulação do monodomínio acoplada a um modelo celular ventricular detalhado, adaptado para reproduzir hipóxia aguda. Os resultados revelaram que padrões espacialmente correlacionados possuem limiares de percolação mais elevados do que o ruído não correlacionado, produzindo perfis de vulnerabilidade distintos. A fibrose compact, caracterizada por aglomerados maciços e densos, ancorou circuitos estáveis com fracionamento mínimo de ondas, apresentando o menor risco relativo de reentrada entre os padrões. Em contrapartida, a fibrose diffuse fracionou significativamente as frentes de onda, criando múltiplos pontos de ancoragem e a maior incidência de reentrada. As arquiteturas interstitial e patchy forçaram condução tortuosa em zigue-zague; notavelmente, a fibrose patchy foi o único padrão que exibiu maior arritmogenicidade em 3D, utilizando sua combinação de filamentos alongados e macroestrutura densas para estabilizar ondas de rolagem. A quantificação dessas interações onda-topologia fornece uma base para embasar modelos computacionais mais precisos e conscientes da geometria da fibrose cardíaca e da sua arritmogênese.
Abstract: Cardiac fibrosis creates structural barriers that disrupt electrical propagation, precipitating arrhythmias. Computational models frequently approximate fibrosis using uncorrelated random noise, neglecting the complex micro-architecture of biological tissue. Here, we investigated how different histology-inspired fibrotic structures interact with propagating waves to modulate sustained reentry. We extended a Perlin noise-based generator — introducing a high-density composition mode and border zone support — to synthesize compact, diffuse, interstitial, and patchy patterns. These architectures were characterized using a set of morphological and topological descriptors and percolation theory. Subsequently, we conducted electrophysiological simulations across 2D and 3D domains using the monodomain formulation coupled with a detailed ventricular cellular model adapted to reproduce acute hypoxia. The results revealed that spatially correlated patterns possess higher percolation thresholds than uncorrelated noise, yielding distinct vulnerability profiles. Compact fibrosis, characterized by massive and dense clusters, anchored stable circuits with minimal wave fractionation, presenting the lowest relative reentry risk among the patterns. Conversely, diffuse fibrosis significantly fractionated wavefronts, creating multiple anchoring points and the highest reentry incidence. Interstitial and patchy architectures forced tortuous, zigzag conduction; notably, patchy fibrosis was the only pattern that exhibited increased arrhythmogenicity in 3D, utilizing its combination of elongated strands and dense macro-structures to stabilize scroll waves. Quantifying these topology-specific wave interactions provides a foundation to inform more accurate and geometry-conscious computational modeling of cardiac fibrosis and arrhythmogenesis.
Keywords: Fibrose
Arritmia
Eletrofisiologia computacional
Caracterização estrutural
Fibrosis
Arrhythmia
Computational electrophysiology
Structural characterization
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/20944
Issue Date: 25-Jun-2026
Appears in Collections:Mestrado em Modelagem Computacional (Dissertações)



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