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Investigadores/as Institucionales

Melgarejo-Meseguer F-MAutor (correspondencia)Martinez-Mateu LAutor o CoautorMunoz-Romero SAutor o CoautorRojo-Alvarez J-LAutor o Coautor

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8 de noviembre de 2023
Publicaciones
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Conferencia Publicada
No

A Convex Optimized Estimator of the Laplacian Operator for Bioelectric Simulations

Publicado en: 2023 35th General Assembly and Scientific Symposium of the International Union of Radio Science, URSI GASS 2023. - 2023-01-01 (), DOI: 10.23919/URSIGASS57860.2023.10265423

Autores:

Melgarejo-Meseguer F-M; Martinez-Mateu L; Munoz-Romero S; Gimeno-Blanes F-J; Garcia-Alberola A; Rojo-Alvarez J-L
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Afiliaciones

D!lemmaLab Ltd Startup, Madrid, Spain, Universidad Miguel Hernández, Departamento de Ingeniería de Comunicaciones, Elche, Spain - Autor o Coautor
Hospital Clínico Universitario Virgen de la Arrixaca - Imib, Unidad de Arritmias, Murcia, Spain - Autor o Coautor
Universidad Rey Juan Carlos, Departamento de Teoria de la Senal y Comunicaciones y Sistemas Telematicos y Computacion, Madrid, Spain - Autor o Coautor
Universidad Rey Juan Carlos, Departamento de Teoria de la Senal y Comunicaciones y Sistemas Telematicos y Computacion, Madrid, Spain, D!lemmaLab Ltd Startup, Madrid, Spain - Autor o Coautor
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Resumen

Simulations of bioelectric potentials in the direct problem usually require numerical integration in the spatial dimensions to obtain both the transmembrane current diffusion and the extracellular potentials in homogeneous conductivity conditions. Given that the Laplacian of a potential field in said conditions is a spatially linear operator, we propose its implementation with non-uniformly spaced point clouds using a static-matrix formulation which avoids the integration in the spatial domain. We also analyzed the effect of severe irregular sampling in these calculations. Matrix estimators in the 3-dimensional space were built for the Laplacian operator in point clouds defining lines and surfaces. An optimized algorithm was proposed, in which the spatial convolution of the Laplacian impulse response is locally and globally estimated using convex programming techniques, sparse matrix representations, and basic concepts of Graph Theory. We benchmarked the behavior of the estimated synthetic transmembrane and extracellular potentials with simple geometrical substrates. Our proposal paves the way towards simplifying spatial evolution in computer simulations and its use in more clinically realistic environments, such as non-homogeneous conductivity in volume conductor problems and patient-based arrhythmia simulations from point clouds in Electrophysiology Laboratory. © 2023 International Union of Radio Science.
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Palabras clave

Bio-electricsConditionConvex optimizationDirect problemsElectroencephalographyElectrophysiologyExtracellular potentialGraph theoryImpulse responseLaplace equationLaplace transformsLaplacian operatorLaplaciansMathematical operatorsMatrix algebraMedical computingNumerical integrationsPoint-cloudsSpatial dimensionTransmembrane currents

Indicios de calidad

Impacto y visibilidad social

Desde la dimensión de Influencia o adopción social, y tomando como base las métricas asociadas a las menciones e interacciones proporcionadas por agencias especializadas en el cálculo de las denominadas “Métricas Alternativas o Sociales”, podemos destacar a fecha 2026-04-03:

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Análisis de liderazgo de los autores institucionales

Existe un liderazgo significativo ya que algunos de los autores pertenecientes a la institución aparecen como primer o último firmante, se puede apreciar en el detalle: Primer Autor (Melgarejo Meseguer, Francisco Manuel) y Último Autor (Rojo Álvarez, José Luis).

el autor responsable de establecer las labores de correspondencia ha sido Melgarejo Meseguer, Francisco Manuel.

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Objetivos del proyecto

Los objetivos perseguidos en esta aportación se centran en mejorar la simulación de potenciales bioeléctricos mediante métodos numéricos avanzados. Se pretende analizar la implementación del operador Laplaciano en nubes de puntos no uniformemente espaciadas mediante una formulación matricial estática que evite la integración espacial. Evaluar el efecto del muestreo irregular severo en los cálculos del operador Laplaciano. Construir estimadores matriciales tridimensionales para líneas y superficies en nubes de puntos. Proponer un algoritmo optimizado que utilice programación convexa, representaciones dispersas de matrices y teoría de grafos para estimar local y globalmente la convolución espacial de la respuesta impulso del Laplaciano. Finalmente, validar el comportamiento de los potenciales transmembrana y extracelulares sintéticos en sustratos geométricos simples, con vistas a aplicaciones clínicas más realistas.
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Resultados más relevantes

El estudio presenta una nueva implementación del operador Laplaciano para simulaciones bioeléctricas en nubes de puntos no uniformes mediante una formulación matricial estática que evita la integración espacial. Se construyeron estimadores matriciales en 3D para líneas y superficies, evaluando el impacto del muestreo irregular severo. Se propuso un algoritmo optimizado que estima local y globalmente la convolución espacial de la respuesta al impulso del Laplaciano usando programación convexa, representaciones dispersas y teoría de grafos. Se validó el comportamiento de los potenciales transmembrana y extracelulares sintéticos con sustratos geométricos simples, demostrando su aplicabilidad para simulaciones clínicas más realistas, incluyendo conductividad no homogénea y arritmias basadas en datos de laboratorio de electrofisiología.
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