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An In-Silico Study of the Effects of Conductance Variation on the Regionally Based Action Potential Morphology
Full text linkConsensus statement on the credibility assessment of machine learning predictors
No full textThe rapid integration of machine learning (ML) predictors into in silico medicine has revolutionized the estimation of quantities of interest that are otherwise challenging to measure directly. However, the credibility of these predictors is critical, especially when they inform high-stakes healthcare decisions. This position paper presents a consensus statement developed by experts within the In Silico World Community of Practice. We outline 12 key statements forming the theoretical foundation for evaluating the credibility of ML predictors, emphasizing the necessity of causal knowledge, rigorous error quantification, and robustness to biases. By comparing ML predictors with biophysical models, we highlight unique challenges associated with implicit causal knowledge and propose strategies to ensure reliability and applicability. Our recommendations aim to guide researchers, developers, and regulators in the rigorous assessment and deployment of ML predictors in clinical and biomedical contexts
Electrograms in a Cardiac Cell-by-Cell Model
No full textCardiac electrograms are an important tool to study the spread of excitation waves inside the heart, which in turn underlie muscle contraction. Electrograms can be used to analyse the dynamics of these waves, e.g. in fibrotic tissue. In computational models, these analyses can be done with greater detail than during minimally invasive in vivo procedures. Whilst homogenised models have been used to study electrogram genesis, such analyses have not yet been done in cellularly resolved models. Such high resolution may be required to develop a thorough understanding of the mechanisms behind abnormal excitation patterns leading to arrhythmias. In this study, we derived electrograms from an excitation propagation simulation in the Extracellular, Membrane, Intracellular (EMI) model, which represents these three domains explicitly in the mesh. We studied the effects of the microstructural excitation dynamics on electrogram genesis and morphology. We found that electrograms are sensitive to the myocyte alignment and connectivity, which translates into micro-fractionations in the electrograms
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Mein digitaler Zwilling: Mathematische Computermodelle des Herzens (Dr.-Ing. Axel Loewe)
No full textDr.-Ing. Axel Loewe, Leiter der KIT-Nachwuchsgruppe Computational Cardiac Modeling am
Institut für Biomedizinische Technik, beschreibt in seinem Vortrag welche Möglichkeiten mathematische Computermodelle des Herzens für die Diagnose und Therapie von Herzkrankheiten eröffnen.
Der Vortrag wurde am 7. Februar 2022 im Rahmen der Veranstaltung "KIT im Rathaus - Das KIT-Zentrum MathSEE stellt sich vor" live gestreamt
Effects of Serum Calcium Changes on the Cardiac Action Potential and the ECG in a Computational Model
Full text linkPatients suffering from end stage of chronic kid ney disease (CKD) often undergo haemodialysis to normaliz the electrolyte concentrations. Moreover, cardiovascula disease (CVD) is the main cause of death in CKD patients To study the connection between CKD and CVD, we investi gated the effects of an electrolyte variation on cardiac signal (action potential and ECG) using a computational model. In first step, simulations with the Himeno et al. ventricular cel model were performed on cellular level with different extra cellular sodium ([Na+]o), calcium ([Ca2+]o) and potassium ([K+]o) concentrations as occurs in CKD patients. [Ca2+]o an [K+]o changes caused variations in different features describ ing the morphology of the AP. Changes due to a [Na+]o varia tion were not as prominent. Simulations with [Ca2+]o varia tions were also carried out on ventricular ECG level and 12-lead ECG was computed. Thus, a multiscale simulato from ion channel to ECG reproducing the calcium-dependen inactivation of ICaL was achieved. The results on cellular an ventricular level agree with results from literature. Moreover we suggest novel features representing electrolyte change that have not been described in literature. These results coul be helpful for further studies aiming at the estimation of ioni concentrations based on ECG recordings
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Personalized Electromechanical Modeling of the Human Heart : Challenges and Opportunities for the Simulation of Pathophysiological Scenarios
Full text linkMathematische Modelle des menschlichen Herzens entwickeln sich zu einem Eckpfeiler der personalisierten Medizin.
Sie sind ein nützliches Instrument und helfen klinischen Entscheidungsträgern die zugrundeliegenden Mechanismen von Herzkrankheiten zu erforschen und zu verstehen.
Aufgrund der Komplexität des Herzens benötigen derartige Modelle allerdings eine detaillierte Beschreibung der physikalischen Prozesse, welche auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen miteinander interagieren.
Aus mathematischer Perspektive stellen vor allem die Entwicklung robuster numerischer Methoden für die Lösung des Modells in Raum und Zeit sowie die Identifizierung von Parametern aus patientenspezifischen Messungen eine Herausforderung dar.
In dieser Arbeit wird ein detailliertes mathematisches Modell vorgestellt, welches ein vollgekoppeltes Multiskalenmodell des menschlichen Herzens beschreibt.
Das Modell beinhaltet unter anderem die Ausbreitung des elektrischen Signals und die mechanische Verformung des Herzmuskels sowie eine Beschreibung des Herz-Kreislauf-Systems.
Basierend auf dem neusten Stand der Technik wurden Modelle der Membrankinetik sowie der Entwicklung der aktiven Kraft zu einem einheitlichen Modell einer Herzmuskelzelle zusammengeführt.
Dieses beschreibt die elektromechanische Kopplung in Herzmuskelzellen der Vorhöfe und der Herzkammern basierend auf der Physiologie im Menschen und wurde mit Hilfe von experimentellen Daten aus einzelnen Zellen neu parametrisiert.
Um das elektromechanisch gekoppelte Modell des menschlichen Herzens lösen zu können, wurde ein gestaffeltes Lösungsverfahren entwickelt, welches auf bereits existierenden Softwarelösungen der Elektrophysiologie und Mechanik aufbaut.
Das neue Modell wurde verwendet, um den Einfluss elektromechanischer Rückkopplungseffekte auf das Herz im Sinusrhythmus zu untersuchen.
Die Simulationsergebnisse zeigten, dass elektromechanische Rückkopplungseffekte auf zellulärer Ebene einen wesentlichen Einfluss auf das mechanische Verhalten des Herzens haben.
Dahingegen hatte die Verformung des Herzens nur einen geringen Einfluss auf den Diffusionskoeffizienten des elektrischen Signals.
Um die verschiedenen Komponenten der Simulationssoftware zu verifizieren, wurden spezielle Probleme definiert, welche die wichtigsten Aspekte der Elektrophysiologie und der Mechanik abdecken.
Zusätzlich wurden diese Probleme dazu verwendet, den Einfluss von räumlicher und zeitlicher Diskretisierung auf die numerische Lösung zu bewerten.
Die Ergebnisse zeigten, dass Raum- und Zeitdiskretisierung vor allem für das elektrophysiologische Problem die limitierenden Faktoren sind, während die Mechanik hauptsächlich anfällig für volumenversteifende Effekte ist.
Weiterhin wurde das Modell verwendet, um zu untersuchen, wie sich eine Verteilung der Faserspannung auf den gesamten Herzmuskel auf die Funktion der linken Herzkammer auswirkt.
Hierzu wurde zusätzlich eine Spannung in die Normalenrichtungen der Fasern einer idealisierten linken Herzkammer angewandt.
Es zeigte sich, dass insbesondere eine Spannung senkrecht zu den Faserschichten zu einer physiologischeren Kontraktion der Kammer führte.
Allerdings konnten diese Ergebnisse auf einem ganzen Herzen nicht vollständig bestätigt werden.
In einem zweiten Projekt wurde mit Hilfe eines Modells der linken Herzkammer untersucht, wie sich das Rotationsmuster der Kammer unter Modifikation der lokalen elektromechanischen Eigenschaften verändert.
Hierzu wurden in vivo Daten elektromechanischer Parameter von 30 Patienten mit Herzversagen und Linksschenkelblock in das Modell integriert, simuliert und ausgewertet.
Die Ergebnisse konnten die klinisch aufgestellte Hypothese nicht bestätigen und es zeigte sich keine Korrelation zwischen den elektromechanischen Parametern und dem Rotationsverhalten.
Die Auswirkungen von standardisierten Ablationsstrategien zur Behandlung von Vorhofflimmern in Bezug auf die kardiovaskuläre Leistung wurde in einem Modell des ganzen Herzens untersucht.
Aufgrund der Narben im linken Vorhof wurde die elektrische Aktivierung und die Steifigkeit des Herzmuskels verändert.
Dies führte zu einem reduzierten Auswurfvolumen, welches in direktem Zusammenhang mit dem inaktiven Gewebe steht.
Abhängig von der Steifigkeit der Narben hat sich zusätzlich der Druck im linken Vorhof erhöht.
Die linke Herzkammer war nur wenig beeinflusst.
Zu guter Letzt wurden schrittweise pathologische Mechanismen in das Herzmodell integriert, welche in Zusammenhang mit Herzversagen stehen und in Patienten mit dilatativer Kardiomyopathie zu beobachten sind.
Die Simulationen zeigten, dass vor allem zelluläre Veränderungen bezüglich der elektrophysiologischen Eigenschaften für die schlechte mechanische Aktivtät des Herzens verantwortlich sind.
Weiterhin zeigte sich, dass strukturelle Veränderungen der Anatomie und die erhöhte Steifigkeit des Herzmuskels und die damit einhergehenden Anpassungen des Herz-Kreislauf-Systems nötig sind, um in vivo Messungen zu reproduzieren.
In dieser Arbeit wurde eine Simulationsumgebung vorgestellt, welche die Berechnung der elektromechanischen Aktivität des Herzens und des Herz-Kreislauf-Systems ermöglicht.
Die Simulationsumgebung wurde mit Hilfe von einfachen Beispielen verifiziert und unter Einbeziehung von Daten aus der Magnetresonanztomographie validiert.
Zu guter Letzt wurde die Simulationsumgebung genutzt, um klinische Fragen zu beantworten, welche andernfalls im Dunkeln blieben
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