Noninvasive Estimation of Epicardial Dominant High-Frequency Regions During Atrial Fibrillation

[EN] Introduction Ablation of high dominant frequency (DF) sources in patients with atrial fibrillation (AF) is an effective treatment option for paroxysmal AF. The aim of this study was to evaluate the accuracy of noninvasive estimation of DF and electrical patterns determination by solving the inverse problem of the electrocardiography. Methods Four representative AF patients with left-to-right and right-to-left atrial DF patterns were included in the study. For each patient, intracardiac electrograms from both atria were recorded simultaneously together with 67-lead body surface recordings. In addition to clinical recordings, realistic mathematical models of atria and torso anatomy with different DF patterns of AF were used. For both mathematical models and clinical recordings, inverse-computed electrograms were compared to intracardiac electrograms in terms of voltage, phase, and frequency spectrum relative errors. Results Comparison between intracardiac and inverse computed electrograms for AF patients showed 8.8 ± 4.4% errors for DF, 32 ± 4% for voltage, and 65 ± 4% for phase determination. These results were corroborated by mathematical simulations showing that the inverse problem solution was able to reconstruct the frequency spectrum and the DF maps with relative errors of 5.5 ± 4.1%, whereas the reconstruction of the electrograms or the instantaneous phase presented larger relative errors (i.e., 38 ± 15% and 48 ± 14 % respectively, P < 0.01). Conclusions Noninvasive reconstruction of atrial frequency maps can be achieved by solving the inverse problem of electrocardiography with a higher accuracy than temporal distribution patterns.Pedrón-Torrecilla, J.; Rodrigo Bort, M.; M. Climent, A.; Liberos, A.; Pérez-David E; Bermejo, J.; Arenal, A.... (2016). Noninvasive Estimation of Epicardial Dominant High-Frequency Regions During Atrial Fibrillation. Journal of Cardiovascular Electrophysiology. 27(4):435-442. doi:https://doi.org/10.1111/jce.12931S43544227

Non-invasive identification of atrial fibrillation drivers

Atrial fibrillation (AF) is one of the most common cardiac arrhythmias. Nowadays the fibrillatory process is known to be provoked by the high-frequency reentrant activity of certain atrial regions that propagates the fibrillatory activity to the rest of the atrial tissue, and the electrical isolation of these key regions has demonstrated its effectiveness in terminating the fibrillatory process. The location of the dominant regions represents a major challenge in the diagnosis and treatment of this arrhythmia. With the aim to detect and locate the fibrillatory sources prior to surgical procedure, non-invasive methods have been developed such as body surface electrical mapping (BSPM) which allows to record with high spatial resolution the electrical activity on the torso surface or the electrocardiographic imaging (ECGI) which allows to non-invasively reconstruct the electrical activity in the atrial surface. Given the novelty of these systems, both technologies suffer from a lack of scientific knowledge about the physical and technical mechanisms that support their operation. Therefore, the aim of this thesis is to increase that knowledge, as well as studying the effectiveness of these technologies for the localization of dominant regions in patients with AF. First, it has been shown that BSPM systems are able to noninvasively identify atrial rotors by recognizing surface rotors after band-pass filtering. Furthermore, the position of such surface rotors is related to the atrial rotor location, allowing the distinction between left or right atrial rotors. Moreover, it has been found that the surface electrical maps in AF suffer a spatial smoothing effect by the torso conductor volume, so the surface electrical activity can be studied with a relatively small number of electrodes. Specifically, it has been seen that 12 uniformly distributed electrodes are sufficient for the correct identification of atrial dominant frequencies, while at least 32 leads are needed for non-invasive identification of atrial rotors. Secondly, the effect of narrowband filtering on the effectiveness of the location of reentrant patterns was studied. It has been found that this procedure allows isolating the reentrant electrical activity caused by the rotor, increasing the detection rate for both invasive and surface maps. However, the spatial smoothing caused by the regularization of the ECGI added to the temporal filtering causes a large increase in the spurious reentrant activity, making it difficult to detect real reentrant patterns. However, it has been found that maps provided by the ECGI without temporal filtering allow the correct detection of reentrant activity, so narrowband filtering should be applied for intracavitary or surface signal only. Finally, we studied the stability of the markers used to detect dominant regions in ECGI, such as frequency maps or the rotor presence. It has been found that in the presence of alterations in the conditions of the inverse problem, such as electrical or geometrical noise, these markers are significantly more stable than the ECGI signal morphology from which they are extracted. In addition, a new methodology for error reduction in the atrial spatial location based on the curvature of the curve L has been proposed. The results presented in this thesis showed that BSPM and ECGI systems allows to non-invasively locate the presence of high-frequency rotors, responsible for the maintenance of AF. This detection has been proven to be unambiguous and robust, and the physical and technical mechanisms that support this behavior have been studied. These results indicate that both non-invasive systems provide information of great clinical value in the treatment of AF, so their use can be helpful for selecting and planning atrial ablation procedures.La fibrilación auricular (FA) es una de las arritmias cardiacas más frecuentes. Hoy en día se sabe que el proceso fibrilatorio está provocado por la actividad reentrante a alta frecuencia de ciertas regiones auriculares que propagan la actividad fibrilatoria en el resto del tejido auricular, y se ha demostrado que el aislamiento eléctrico de estas regiones dominantes permite detener el proceso fibrilatorio. La localización de las regiones dominantes supone un gran reto en el diagnóstico y tratamiento de la FA. Con el objetivo de poder localizar las fuentes fibrilatorias con anterioridad al procedimiento quirúrgico, se han desarrollado métodos no invasivos como la cartografía eléctrica de superficie (CES) que registra con gran resolución espacial la actividad eléctrica en la superficie del torso o la electrocardiografía por imagen (ECGI) que permite reconstruir la actividad eléctrica en la superficie auricular. Dada la novedad de estos sistemas, existe una falta de conocimiento científico sobre los mecanismos físicos y técnicos que sustentan su funcionamiento. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis es aumentar dicho conocimiento, así como estudiar la eficacia de ambas tecnologías para la localización de regiones dominantes en pacientes con FA. En primer lugar, ha visto que los sistemas CES permiten identificar rotores auriculares mediante el reconocimiento de rotores superficiales tras el filtrado en banda estrecha. Además, la posición de los rotores superficiales está relacionada con la localización de dichos rotores, permitiendo la distinción entre rotores de aurícula derecha o izquierda. Por otra parte, se ha visto que los mapas eléctricos superficiales durante FA sufren una gran suavizado espacial por el efecto del volumen conductor del torso, lo que permite que la actividad eléctrica superficial pueda ser estudiada con un número relativamente reducido de electrodos. Concretamente, se ha visto que 12 electrodos uniformemente distribuidos son suficientes para una correcta identificación de frecuencias dominantes, mientras que son necesarios al menos 32 para una correcta identificación de rotores auriculares. Por otra parte, también se ha estudiado el efecto del filtrado en banda estrecha sobre la eficacia de la localización de patrones reentrantes. Así, se ha visto que este procedimiento permite aislar la actividad eléctrica reentrante provocada por el rotor, aumentando la tasa de detección tanto para señal obtenida de manera invasiva como para los mapas superficiales. No obstante, este filtrado temporal sobre la señal de ECGI provoca un gran aumento de la actividad reentrante espúrea que dificulta la detección de patrones reentrantes reales. Sin embargo, los mapas ECGI sin filtrado temporal permiten la detección correcta de la actividad reentrante, por lo el filtrado debería ser aplicado únicamente para señal intracavitaria o superficial. Por último, se ha estudiado la estabilidad de los marcadores utilizados en ECGI para detectar regiones dominantes, como son los mapas de frecuencia o la presencia de rotores. Se ha visto que en presencia de alteraciones en las condiciones del problema inverso, como ruido eléctrico o geométrico, estos marcadores son significativamente más estables que la morfología de la propia señal ECGI. Además, se ha propuesto una nueva metodología para la reducción del error en la localización espacial de la aurícula basado en la curvatura de la curva L. Los resultados presentados en esta tesis revelan que los sistemas de CES y ECGI permiten localizar de manera no invasiva la presencia de rotores de alta frecuencia. Esta detección es univoca y robusta, y se han estudiado los mecanismos físicos y técnicos que sustentan dicho comportamiento. Estos resultados indican que ambos sistemas no invasivos proporcionan información de gran valor clínico en el tratamiento de la FA, por lo que su uso puede ser de gran ayuda para la selección y planificaciLa fibril·lació auricular (FA) és una de les arítmies cardíaques més freqüents. Hui en dia es sabut que el procés fibrilatori està provocat per l'activitat reentrant de certes regions auriculars que propaguen l'activitat fibril·latoria a la resta del teixit auricular, i s'ha demostrat que l'aïllament elèctric d'aquestes regions dominants permet aturar el procés fibrilatori. La localització de les regions dominants suposa un gran repte en el diagnòstic i tractament d'aquesta arítmia. Amb l'objectiu de poder localitzar fonts fibril·latories amb anterioritat al procediment quirúrgic s'han desenvolupat mètodes no invasius com la cartografia elèctrica de superfície (CES) que registra amb gran resolució espacial l'activitat elèctrica en la superfície del tors o l'electrocardiografia per imatge (ECGI) que permet obtenir de manera no invasiva l'activitat elèctrica en la superfície auricular. Donada la relativa novetat d'aquests sistemes, existeix una manca de coneixement científic sobre els mecanismes físics i tècnics que sustenten el seu funcionament. Per tant, l'objectiu d'aquesta tesi és augmentar aquest coneixement, així com estudiar l'eficàcia d'aquestes tecnologies per a la localització de regions dominants en pacients amb FA. En primer lloc, s'ha vist que els sistemes CES permeten identificar rotors auriculars mitjançant el reconeixement de rotors superficials després del filtrat en banda estreta. A més, la posició dels rotors superficials està relacionada amb la localització d'aquests rotors, permetent la distinció entre rotors de aurícula dreta o esquerra. També s'ha vist que els mapes elèctrics superficials durant FA pateixen un gran suavitzat espacial per l'efecte del volum conductor del tors, el que permet que l'activitat elèctrica superficial pugui ser estudiada amb un nombre relativament reduït d'elèctrodes. Concretament, s'ha vist que 12 elèctrodes uniformement distribuïts són suficients per a una correcta identificació de freqüències dominants auriculars, mentre que són necessaris almenys 32 per a una correcta identificació de rotors auriculars. D'altra banda, també s'ha estudiat l'efecte del filtrat en banda estreta sobre l'eficàcia de la localització de patrons reentrants. Així, s'ha vist que aquest procediment permet aïllar l'activitat elèctrica reentrant provocada pel rotor, augmentant la taxa de detecció tant pel senyal obtingut de manera invasiva com per als mapes superficials. No obstant això, aquest filtrat temporal sobre el senyal de ECGI provoca un gran augment de l'activitat reentrant espúria que dificulta la detecció de patrons reentrants reals. A més, els mapes proporcionats per la ECGI sense filtrat temporal permeten la detecció correcta de l'activitat reentrant, per la qual cosa el filtrat hauria de ser aplicat únicament per a senyal intracavitària o superficial. Per últim, s'ha estudiat l'estabilitat dels marcadors utilitzats en ECGI per a detectar regions auriculars dominants, com són els mapes de freqüència o la presència de rotors. S'ha vist que en presència d'alteracions en les condicions del problema invers, com soroll elèctric o geomètric, aquests marcadors són significativament més estables que la morfologia del mateix senyal ECGI. A més, s'ha proposat una nova metodologia per a la reducció de l'error en la localització espacial de l'aurícula basat en la curvatura de la corba L. Els resultats presentats en aquesta tesi revelen que els sistemes de CES i ECGI permeten localitzar de manera no invasiva la presència de rotors d'alta freqüència. Aquesta detecció és unívoca i robusta, i s'han estudiat els mecanismes físics i tècnics que sustenten aquest comportament. Aquests resultats indiquen que els dos sistemes no invasius proporcionen informació de gran valor clínic en el tractament de la FA, pel que el seu ús pot ser de gran ajuda per a la selecció i planificació de procediments d'ablació auricular.Rodrigo Bort, M. (2016). Non-invasive identification of atrial fibrillation drivers [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/75346TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

Study on the non-linear metrics contribution to estimate atrial fibrillation organization from the surface electrocardiogram

[EN] Atrial fibrillation (AF) is the most frequently diagnosed arrhythmia, characterized by an uncoordinated atrial electrical activation, thus causing the atria to be unable to pump blood effectively. The prevalence of AF is expected to increase significantly in the next decades as the population ages. However, both the knowledge and the treatment of this arrhythmia still have to experiment a significant progress. Previous studies have reported that AF organization, which can be defined as the repetitiveness degree of the atrial activity pattern, correlates with the arrhythmia status as well as with the therapy outcome. Thus, estimating AF organization from surface electrocardiographic (ECG) recordings constitutes a very interesting approach because ECG recordings are easy and cheap to obtain. The objective of this doctoral thesis is to assess the use of a variety of nonlinear indices in the estimation of AF organization from single-lead noninvasive ECG recordings. Apart from the most common noninvasive AF organization estimators, such as Sample Entropy (SampEn) and the dominant atrial frequency (DAF), the following nonlinear indices have been studied: Fuzzy Entropy, Spectral Entropy, Lempel-Ziv Complexity and Hurst Exponents. Moreover, since the presence of noise and ventricular residuals affects the performance of nonlinear methods, the application of a strategy aimed at reducing these nuisances has been evaluated. Therefore, the application of these metrics over the atrial activity fundamental waveform, named the main atrial wave (MAW), has been proposed. In this doctoral thesis, the following scenarios involving AF organization have been considered: the prediction of paroxysmal AF spontaneous termination, the study of the earlier signs anticipating AF termination and the classification between paroxysmal and persistent AF from short ECG recordings. Firstly, the performance of the studied metrics discriminating events related to AF organization was tested making use of a reference database aimed at predicting AF spontaneous termination. In this study, most of the proposed indices provided higher accuracy than traditional AF organization estimators. Accuracy values higher than 90% were obtained with several indices. In particular, the generalized Hurst exponents of order 1 and 2, H(1) and H(2), achieved outstanding results, thus being selected for later studies in this thesis. Furthermore, the computation of H(2) depends on two critical parameters, namely, the analyzed interval length (L) and the maximum search window for self-similarities (tau). Hence, a study with 660 combinations on these two parameters was performed, together with the sampling frequency (fs) of the recording, in order to obtain their optimal combination in computing AF organization. On the other hand, previous works analyzing the spontaneous termination of AF have been only focused on the last 2 minutes preceding the termination. In contrast, a different scenario considering longer recordings to detect the earlier signs anticipating paroxysmal AF termination has been analyzed for the first time in this thesis. H(2) was selected for the study because of its highest accuracy in AF termination prediction. Additionally, the DAF and SampEn were also computed as references. Through this study it has been corroborated that AF organization only varies significantly within the last 3 minutes before spontaneous termination. As a consequence, the early prediction of paroxysmal AF spontaneous termination does not seem feasible through the current signal analysis tools. Finally, H(2) was applied in the classification between paroxysmal and persistent AF from short ECG recordings, achieving a higher diagnostic accuracy than DAF and SampEn. This result suggests that the analysis of ambulatory ECG recordings through H(2) could be a future alternative to the use of Holter ECG recordings in the classification between paroxysmal and persistent AF.[ES] La fibrilación auricular (FA) es la arritmia más frecuente y se caracteriza por una actividad auricular descoordinada, que impide que las aurículas bombeen sangre de manera eficaz. Se espera que la prevalencia de la FA aumente significativamente en las próximas décadas debido al envejecimiento de la población. Sin embargo, tanto el conocimiento relativo a esta arritmia como su tratamiento son todavía mejorables. Estudios previos han relacionado la organización de la FA, que se puede definir como el grado de repetitividad de la actividad auricular, con el estado de la arritmia o su respuesta al tratamiento. Además, la estimación de la organización de la FA a partir de registros electrocardiográficos (ECG) de superficie resulta especialmente interesante porque su obtención es sencilla y barata. El objetivo de esta tesis doctoral es evaluar el uso de distintos índices no lineales para estimar la organización de la FA a partir del ECG. Además de los estimadores no invasivos de organización más comunes, como la entropía muestral (SampEn) y la frecuencia auricular dominante (DAF), se han estudiado los siguientes métodos no lineales: la entropía borrosa, la entropía espectral, la complejidad Lempel-Ziv y los exponentes de Hurst. Además, se ha estudiado el uso de una estrategia destinada a la reducción del ruido y los residuos de actividad ventricular para mejorar el desempeño de métodos no lineales. Así, los índices estudiados también se han aplicado sobre la forma de onda fundamental de la actividad auricular, conocida como la onda auricular principal (MAW). Se han considerado los siguientes escenarios relacionados con la organización de la FA: la predicción de la terminación espontánea de la FA paroxística, el estudio de los primeros indicios de terminación espontánea de la FA y la clasificación entre FA paroxística y FA persistente a partir de registros ECG de corta duración. Primero, se estudió la capacidad de los índices estudiados para distinguir eventos relacionados con la organización de la FA mediante el análisis de una base de datos de referencia para la predicción de su terminación espontánea. La mayoría de los índices propuestos consiguieron una mayor precisión que los estimadores tradicionales de organización. Así, varios de los índices obtuvieron una precisión superior al 90% en la predicción de la terminación espontánea de la FA. En particular, los exponentes de Hurst generalizados de orden 1 y 2, H(1) y H(2), lograron los mejores resultados de clasificación. Puesto que el cálculo de H(2) depende de dos parámetros críticos, la longitud del intervalo analizado (L) y el tamaño máximo de la ventana donde buscar similitudes (tau), se llevó a cabo un estudio con 660 combinaciones de esos dos parámetros junto con la frecuencia de muestreo (fs) del registro para determinar el uso óptimo de este índice. Por otra parte, los trabajos previos que han estudiado la terminación espontánea de la FA se han centrado en los últimos 2 minutos antes de la terminación. Por contra, en esta tesis doctoral se han estudiado por primera vez registros de mayor duración para detectar los primeros indicios de la terminación de la FA. Para ello, se eligió el uso de H(2) por su alta precisión en la predicción de la terminación de la FA. Además, la DAF y SampEn se calcularon como referencias. En este estudio se ha comprobado que la organización de la FA solamente presenta variaciones significativas en los últimos 3 minutos antes de su terminación espontánea. Por ello, la predicción temprana de la terminación no parece posible con los medios actuales de análisis de la señal. Por último, se aplicó H(2) para clasificar entre FA paroxística y FA persistente a partir de ECGs de corta duración, obteniendo una mayor precisión diagnóstica que la DAF y SampEn. Este resultado sugiere que el análisis de ECGs ambulatorios por medio de H(2) puede ser en el futuro una alte[CA] La fibril·lació auricular (FA) és l'arítmia més freqüent i es caracteritza per una activitat auricular descoordinada, que impedix que les aurícules bomben sang de manera eficaç. S'espera que la prevalença de la FA augmente significativament en les pròximes dècades a causa de l'envelliment de la població. No obstant això, tant el coneixement relatiu a esta arítmia com el seu tractament són encara millorables. Estudis previs han relacionat l'organització de la FA, que es pot definir com el grau de repetitivitat de l'activitat auricular, amb l'estat de l'arítmia o la seua resposta al tractament. A més, l'estimació de l'organització de la FA a partir de registres electrocardiogràfics (ECG) de superfície resulta especialment interessant perquè la seua obtenció és senzilla i barata. L'objectiu d'esta tesi doctoral és avaluar l'ús de distints índexs no lineals en l'estimació de l'organització de la FA a partir de l'ECG de superfície. A més dels estimadors no invasius d'organització més comuns, com l'entropia mostral (SampEn) i la freqüència auricular dominant (DAF), s'han estudiat els següents mètodes no lineals: l'entropia borrosa, l'entropia espectral, la complexitat Lempel-Ziv i els exponents de Hurst. A més, s'ha estudiat l'ús d'una estratègia destinada a la reducció del soroll i els residus d'activitat ventricular per a millorar la seua capacitat d'estimar l'organització. Així, doncs, els índexs estudiats també s'han aplicat sobre la forma d'onda fonamental de l'activitat auricular, coneguda com l'onda auricular principal (MAW). S'han considerat els següents escenaris relacionats amb l'organització de la FA: la predicció de la terminació espontània de la FA paroxística, l'estudi dels primers indicis de terminació espontània de la FA i la classificació entre FA paroxística i FA persistent a partir de registres ECG de curta duració. Primer, es va estudiar la capacitat dels índexs estudiats per a distingir esdeveniments relacionats amb l'organització de la FA per mitjà de l'anàlisi d'una base de dades de referència per a la predicció de la seua terminació espontània. La majoria dels índexs proposats van aconseguir una major precisió que els estimadors tradicionals d'organització de la FA. Així, alguns dels índexs van obtindre una precisió superior al 90% en la predicció de la terminació espontània de la FA. En particular, els exponents de Hurst generalitzats d'orde 1 i 2, H(1) i H(2), van aconseguir els millors resultats de classificació. Com el càlcul de H(2) depén de dos paràmetres crítics, la longitud de l'interval analitzat (L) i la grandària màxima de la finestra on buscar similituds (tau), es va dur a terme un estudi amb 660 combinacions d'eixos dos paràmetres junt amb la freqüència de mostratge (fs) del registre per a determinar la combinació òptima de valors per a estimar l'organització de la FA. D'altra banda, els treballs previs que han estudiat la terminació espontània de la FA s'han centrat en els últims 2 minuts abans de la terminació. Per contra, en esta tesi doctoral s'han estudiat per primera vegada registres de major duració amb l'objectiu de detectar els primers indicis de la terminació de la FA. Es va triar l'ús de H(2) per a este estudi per la seua alta precisió en la predicció de la terminació de la FA. A més, la DAF i SampEn es van calcular com a referències. En este estudi s'ha comprovat que l'organització de la FA només presenta variacions significatives en els últims 3 minuts abans de la seua terminació espontània. Per això, la predicció primerenca de la terminació no pareix possible amb els mitjans actuals d'anàlisi del senyal. Finalment, es va aplicar H(2) per a classificar entre FA paroxística i FA persistent a partir d'ECGs de curta duració, obtenint una millor precisió diagnòstica que amb la DAF i SampEn. Este resultat suggerix que l'anàlisi d'ECGs ambulatoris per mitjà de H(2) pot ser en eJulián Seguí, M. (2015). Study on the non-linear metrics contribution to estimate atrial fibrillation organization from the surface electrocardiogram [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/56150TESI

How often should we monitor for reliable detection of atrial fibrillation recurrence? Efficiency considerations and implications for study design

OBJECTIVE: Although atrial fibrillation (AF) recurrence is unpredictable in terms of onset and duration, current intermittent rhythm monitoring (IRM) diagnostic modalities are short-termed and discontinuous. The aim of the present study was to investigate the necessary IRM frequency required to reliably detect recurrence of various AF recurrence patterns. METHODS: The rhythm histories of 647 patients (mean AF burden: 12±22% of monitored time; 687 patient-years) with implantable continuous monitoring devices were reconstructed and analyzed. With the use of computationally intensive simulation, we evaluated the necessary IRM frequency to reliably detect AF recurrence of various AF phenotypes using IRM of various durations. RESULTS: The IRM frequency required for reliable AF detection depends on the amount and temporal aggregation of the AF recurrence (p<0.0001) as well as the duration of the IRM (p<0.001). Reliable detection (>95% sensitivity) of AF recurrence required higher IRM frequencies (>12 24-hour; >6 7-day; >4 14-day; >3 30-day IRM per year; p<0.0001) than currently recommended. Lower IRM frequencies will under-detect AF recurrence and introduce significant bias in the evaluation of therapeutic interventions. More frequent but of shorter duration, IRMs (24-hour) are significantly more time effective (sensitivity per monitored time) than a fewer number of longer IRM durations (p<0.0001). CONCLUSIONS: Reliable AF recurrence detection requires higher IRM frequencies than currently recommended. Current IRM frequency recommendations will fail to diagnose a significant proportion of patients. Shorter duration but more frequent IRM strategies are significantly more efficient than longer IRM durations. CLINICAL TRIAL REGISTRATION URL: Unique identifier: NCT00806689

Minimal configuration of body surface potential mapping for discrimination of left versus right dominant frequencies during atrial fibrillation

[EN] Background: Ablation of drivers maintaining atrial fibrillation (AF) has been demonstrated as an effective therapy. Drivers in the form of rapidly activated atrial regions can be noninvasively localized to either left or right atria (LA, RA) with body surface potential mapping (BSPM) systems. This study quantifies the accuracy of dominant frequency (DF) measurements from reduced-leads BSPM systems and assesses the minimal configuration required for ablation guidance. Methods: Nine uniformly distributed lead sets of eight to 66 electrodes were evaluated. BSPM signals were registered simultaneously with intracardiac electrocardiograms (EGMs) in 16 AF patients. DF activity was analyzed on the surface potentials for the nine leads configurations, and the noninvasive measures were compared with the EGM recordings. Results: Surface DF measurements presented similar values than panoramic invasive EGM recordings, showing the highest DF regions in corresponding locations. The noninvasive DFs measures had a high correlation with the invasive discrete recordings; they presented a deviation of 0.8 for leads configurations with 12 or more electrodes. Conclusions: Reduced-leads BSPM systems enable noninvasive discrimination between LA versus RA DFs with similar results as higher-resolution 66-leads system. Our findings demonstrate the possible incorporation of simplified BSPM systems into clinical planning procedures for AF ablation.This work was supported in part by Generalitat-Valenciana Grants [ACIF/2013/021]; Instituto de SaludCarlos III, Ministerio de Ciencia e Innovacion [PI13/00903, PI13-01882, PI14/00857, PI16/01123, TEC2013-46067-R, DTS16/0160 and IJCI-2014-22178] cofound by FEDER.; Spanish Society of Cardiology [Clinical research Grants 2015]; Ministerio de Ciencia e Innovacion [Red RICRD12.0042.0001]; and the National Heart, Lung, and Blood Institute [P01-HL039707, P01-HL087226 and R01-HL118304].Rodrigo Bort, M.; Climent Martínez, BA.; Liberos Mascarell, A.; Fernández-Avilés, F.; Atienza, F.; Guillem Sánchez, MS.; Berenfeld, O. (2017). Minimal configuration of body surface potential mapping for discrimination of left versus right dominant frequencies during atrial fibrillation. Pacing and Clinical Electrophysiology. 40(8):940-946. https://doi.org/10.1111/pace.13133S940946408Atienza, F., Almendral, J., Ormaetxe, J. M., Moya, Á., Martínez-Alday, J. D., Hernández-Madrid, A., … Jalife, J. (2014). Comparison of Radiofrequency Catheter Ablation of Drivers and Circumferential Pulmonary Vein Isolation in Atrial Fibrillation. Journal of the American College of Cardiology, 64(23), 2455-2467. doi:10.1016/j.jacc.2014.09.053Narayan, S. M., Krummen, D. E., Clopton, P., Shivkumar, K., & Miller, J. M. (2013). Direct or Coincidental Elimination of Stable Rotors or Focal Sources May Explain Successful Atrial Fibrillation Ablation. Journal of the American College of Cardiology, 62(2), 138-147. doi:10.1016/j.jacc.2013.03.021Haissaguerre, M., Hocini, M., Denis, A., Shah, A. J., Komatsu, Y., Yamashita, S., … Dubois, R. (2014). Driver Domains in Persistent Atrial Fibrillation. Circulation, 130(7), 530-538. doi:10.1161/circulationaha.113.005421Atienza, F., Almendral, J., Jalife, J., Zlochiver, S., Ploutz-Snyder, R., Torrecilla, E. G., … Berenfeld, O. (2009). Real-time dominant frequency mapping and ablation of dominant frequency sites in atrial fibrillation with left-to-right frequency gradients predicts long-term maintenance of sinus rhythm. Heart Rhythm, 6(1), 33-40. doi:10.1016/j.hrthm.2008.10.024Lim, H. S., Zellerhoff, S., Derval, N., Denis, A., Yamashita, S., Berte, B., … Haissaguerre, M. (2015). Noninvasive Mapping to Guide Atrial Fibrillation Ablation. Cardiac Electrophysiology Clinics, 7(1), 89-98. doi:10.1016/j.ccep.2014.11.004Rodrigo, M., Guillem, M. S., Climent, A. M., Pedrón-Torrecilla, J., Liberos, A., Millet, J., … Berenfeld, O. (2014). Body surface localization of left and right atrial high-frequency rotors in atrial fibrillation patients: A clinical-computational study. Heart Rhythm, 11(9), 1584-1591. doi:10.1016/j.hrthm.2014.05.013Guillem, M. S., Climent, A. M., Millet, J., Arenal, Á., Fernández-Avilés, F., Jalife, J., … Berenfeld, O. (2013). Noninvasive Localization of Maximal Frequency Sites of Atrial Fibrillation by Body Surface Potential Mapping. Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology, 6(2), 294-301. doi:10.1161/circep.112.000167Lux, R. L., Smith, C. R., Wyatt, R. F., & Abildskov, J. A. (1978). Limited Lead Selection for Estimation of Body Surface Potential Maps in Electrocardiography. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, BME-25(3), 270-276. doi:10.1109/tbme.1978.326332Finlay, D. D., Nugent, C. D., Donnelly, M. P., & Black, N. D. (2008). Selection of optimal recording sites for limited lead body surface potential mapping in myocardial infarction and left ventricular hypertrophy. Journal of Electrocardiology, 41(3), 264-271. doi:10.1016/j.jelectrocard.2008.02.009Guillem, M. S., Castells, F., Climent, A. M., Bodí, V., Chorro, F. J., & Millet, J. (2008). Evaluation of lead selection methods for optimal reconstruction of body surface potentials. Journal of Electrocardiology, 41(1), 26-34. doi:10.1016/j.jelectrocard.2007.07.001De la Salud Guillem, M., Bollmann, A., Climent, A. M., Husser, D., Millet-Roig, J., & Castells, F. (2009). How Many Leads Are Necessary for a Reliable Reconstruction of Surface Potentials During Atrial Fibrillation? IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, 13(3), 330-340. doi:10.1109/titb.2008.2011894Castells, F., Mora, C., Rieta, J. J., Moratal-Pérez, D., & Millet, J. (2005). Estimation of atrial fibrillatory wave from single-lead atrial fibrillation electrocardiograms using principal component analysis concepts. Medical & Biological Engineering & Computing, 43(5), 557-560. doi:10.1007/bf02351028Narayan, S. M., & Jalife, J. (2014). CrossTalk proposal: Rotors have been demonstrated to drive human atrial fibrillation. The Journal of Physiology, 592(15), 3163-3166. doi:10.1113/jphysiol.2014.271031Allessie, M., & de Groot, N. (2014). CrossTalk opposing view: Rotors have not been demonstrated to be the drivers of atrial fibrillation. The Journal of Physiology, 592(15), 3167-3170. doi:10.1113/jphysiol.2014.271809Berenfeld, O., & Oral, H. (2012). The quest for rotors in atrial fibrillation: Different nets catch different fishes. Heart Rhythm, 9(9), 1440-1441. doi:10.1016/j.hrthm.2012.04.029PEDRÓN-TORRECILLA, J., RODRIGO, M., CLIMENT, A. M., LIBEROS, A., PÉREZ-DAVID, E., BERMEJO, J., … GUILLEM, M. S. (2016). Noninvasive Estimation of Epicardial Dominant High-Frequency Regions During Atrial Fibrillation. Journal of Cardiovascular Electrophysiology, 27(4), 435-442. doi:10.1111/jce.12931Uijen, G., van Oosterom, A., & Hoekema, R. (1999). The Number of Independent Signals in Body Surface Maps. Methods of Information in Medicine, 38(02), 119-124. doi:10.1055/s-0038-1634176Ihara, Z., van Oosterom, A., Jacquemet, V., & Hoekema, R. (2007). Adaptation of the standard 12-lead electrocardiogram system dedicated to the analysis of atrial fibrillation. Journal of Electrocardiology, 40(1), 68.e1-68.e8. doi:10.1016/j.jelectrocard.2006.04.006Gerstenfeld, E. P., SippensGroenewegen, A., Lux, R. L., & Lesh, M. D. (2000). Derivation of an optimal lead set for measuring ectopic atrial activation from the pulmonary veins by using body surface mapping. Journal of Electrocardiology, 33, 179-185. doi:10.1054/jelc.2000.20307SippensGroenewegen, A., Peeters, H. A. P., Jessurun, E. R., Linnenbank, A. C., Robles de Medina, E. O., Lesh, M. D., & van Hemel, N. M. (1998). Body Surface Mapping During Pacing at Multiple Sites in the Human Atrium. Circulation, 97(4), 369-380. doi:10.1161/01.cir.97.4.369SALINET, J. L., TUAN, J. H., SANDILANDS, A. J., STAFFORD, P. J., SCHLINDWEIN, F. S., & NG, G. A. (2013). Distinctive Patterns of Dominant Frequency Trajectory Behavior in Drug-Refractory Persistent Atrial Fibrillation: Preliminary Characterization of Spatiotemporal Instability. Journal of Cardiovascular Electrophysiology, 25(4), 371-379. doi:10.1111/jce.12331Sanders, P., Berenfeld, O., Hocini, M., Jaïs, P., Vaidyanathan, R., Hsu, L.-F., … Haïssaguerre, M. (2005). Spectral Analysis Identifies Sites of High-Frequency Activity Maintaining Atrial Fibrillation in Humans. Circulation, 112(6), 789-797. doi:10.1161/circulationaha.104.517011Atienza, F., Almendral, J., Moreno, J., Vaidyanathan, R., Talkachou, A., Kalifa, J., … Berenfeld, O. (2006). Activation of Inward Rectifier Potassium Channels Accelerates Atrial Fibrillation in Humans. Circulation, 114(23), 2434-2442. doi:10.1161/circulationaha.106.63373

Estimation of Atrial Electrical Complexity during Atrial Fibrillation by Solving the Inverse Problem of Electrocardiography

Tesis por compendio[ES] La fibrilación auricular (FA) es la arritmia más prevalente en el mundo y está asociada con una elevada morbilidad, mortalidad y costes sanitarios. A pesar de los avances en opciones de tratamiento farmacológico y terapia de ablación, el manejo de la FA todavía tiene margen de mejora. La imagen electrocardiográfica (ECGI) se ha destacado como un prometedor método no invasivo para evaluar la electrofisiología cardíaca y guiar las decisiones terapéuticas en casos de fibrilación auricular. No obstante, el ECGI se enfrenta a desafíos como la necesidad de resolver de manera precisa el denominado problema inverso de la electrocardiografía y de optimizar la calidad de las reconstrucciones de ECGI. Además, la integración del ECGI en los procesos clínicos rutinarios sigue siendo un reto, en gran medida debido a los costos que supone la necesidad de imágenes cardíacas. Por ello, los objetivos principales de esta tesis doctoral son impulsar la tecnología ECGI mediante la determinación de sus requisitos técnicos mínimos y la mejora de las metodologías existentes para obtener señales de ECGI precisas. Asimismo, buscamos evaluar la capacidad de ECGI para cuantificar de forma no invasiva la complejidad de la FA. Para lograr estos objetivos, se han llevado a cabo diversos estudios a lo largo de la tesis, desde el perfeccionamiento del ECGI hasta la evaluación de la FA utilizando esta tecnología. En primer lugar, se han estudiado los requisitos geométricos y de señal del problema inverso mediante el estudio de los efectos de la densidad de la malla del torso y la distribución de electrodos en la precisión del ECGI, lo que ha conducido a la identificación del número mínimo de nodos y su distribución en la malla del torso. Además, hemos identificado que para obtener señales de ECGI de alta calidad, es crucial la correcta disposición de los electrodos en la malla del torso reconstruido. Asimismo, se ha definido y evaluado una nueva metodología de ECGI sin necesidad de usar técnicas de imagen cardiaca. Para ello, hemos comparado métricas derivadas del ECGI calculadas con la geometría original del corazón de los pacientes con las métricas medidas en diferentes geometrías cardíacas. Nuestros resultados han mostrado que el ECGI sin necesidad de imágenes cardíacas es efectivo para la correcta cuantificación y localización de los patrones y zonas que mantienen la FA. En paralelo, hemos optimizado la regularización de Tikhonov de orden cero actual y la optimización de la curva L para el cálculo de las señales ECGI, investigando cómo el ruido eléctrico y las incertidumbres geométricas influyen en la regularización. A partir de ello, propusimos un nuevo criterio que realza la precisión de las soluciones de ECGI en escenarios con incertidumbre debido a condiciones de señal no ideales. En segundo lugar, en esta tesis doctoral, se han llevado a cabo múltiples análisis relativos a diferentes metodologías de procesado de señales y obtención métricas derivadas del ECGI con el fin de caracterizar mejor el sustrato cardíaco y la actividad reentrante en las señales de ECGI de pacientes con FA. Con el objetivo de obtener una comprensión más profunda de los mecanismos electrofisiológicos subyacentes a la FA, hemos establecido la estrategia de filtrado óptima para extraer patrones reentrantes específicos del paciente y métricas derivadas de señales ECGI. Además, hemos investigado la reproducibilidad de los mapas de reentradas derivados de las señales de ECGI y hemos encontrado su relación con el éxito de la ablación de venas pulmonares (PVI). Nuestros resultados han mostrado que una mayor reproducibilidad en los patrones reentrantes de FA detectados con ECGI está relacionada con el éxito de la PVI, creando una metodología para estratificar a los pacientes con FA antes de los procedimientos de ablación.[CA] La fibril·lació auricular (FA) és l'arrítmia més prevalent al món i està associada amb una elevada morbiditat, mortalitat i costos sanitaris. Malgrat els avanços en opcions de tractament farmacològic i teràpies d'ablació, el maneig de la FA encara té marge de millora. La imatge electrocardiogràfica (ECGI) s'ha destacat com un prometedor mètode no invasiu per a avaluar l'electrofisiologia cardíaca i guiar les decisions terapèutiques en casos de fibril·lació auricular. No obstant això, l'ECGI s'enfronta a desafiaments com la necessitat de resoldre de manera precisa el denominat problema invers de la electrocardiografia i d'optimitzar la qualitat de les reconstruccions de ECGI. A més, la integració del ECGI en els processos clínics rutinaris continua sent un repte, en gran manera a causa dels costos que suposa la necessitat d'imatges cardíaques. Per això, els objectius principals d'aquesta tesi doctoral són impulsar la tecnologia de l'ECGI mitjançant la determinació dels seus requisits tècnics mínims i la millora de les metodologies existents per obtenir senyals d'ECGI precises. A més, busquem avaluar la capacitat de l'ECGI per quantificar de forma no invasiva la complexitat de la FA. Per a aconseguir aquests objectius, s'han dut a terme diversos estudis al llarg de la tesi, des del perfeccionament de l'ECGI fins a l'avaluació de la FA utilitzant aquesta tecnologia. En primer lloc, hem estudiat els requisits geomètrics i de senyal del problema invers mitjançant l'estudi dels efectes de la densitat de la malla del tors i la distribució d'elèctrodes en la precisió de l'ECGI, el que ha conduït a la identificació del nombre mínim de nodes i la seva distribució en la malla del tors. A més, hem identificat que per obtindre senyals d'ECGI d'alta qualitat, és crucial la correcta disposició dels elèctrodes en la malla del tors reconstruïda. També s'ha definit i avaluat una nova metodologia d'ECGI sense necessitat d'utilitzar tècniques d'imatge cardíaca. Per a això, hem comparat mètriques derivades de l'ECGI calculades amb la geometria original del cor dels pacients amb les mètriques mesurades en diferents geometries cardíaques. Els nostres resultats han mostrat que l'ECGI sense necessitat d'imatges cardíaques és efectiu per a la correcta quantificació i localització dels patrons i zones que mantenen la FA. Paral·lelament, hem optimitzat la regularització de Tikhonov d'ordre zero actual i l'optimització de la corba L per al càlcul de les senyals d'ECGI, investigant com el soroll elèctric i les incerteses geomètriques influeixen en la regularització. Addicionalment, vam proposar un nou criteri que reforça la precisió de les solucions d'ECGI en escenaris amb incertesa degut a condicions de senyal no ideals. En segon lloc, en aquesta tesi doctoral, s'han dut a terme múltiples anàlisis relatius a diferents metodologies de processament de senyals i obtenció de mètriques derivades de l'ECGI amb l'objectiu de caracteritzar millor el substrat cardíac i l'activitat reentrant en les senyals d'ECGI de pacients amb FA. Amb l'objectiu d'obtindre una comprensió més profunda dels mecanismes electrofisiològics subjacents a la FA, hem establert l'estratègia de filtrat òptima per extreure patrons reentrants específics del pacient i mètriques derivades de senyals ECGI. A més, hem investigat la reproductibilitat dels mapes de reentrades derivats de les senyals d'ECGI i hem trobat la seva relació amb l'èxit de l'ablació de venes pulmonars (PVI). Els nostres resultats han mostrat que una major reproductibilitat en els patrons reentrants de FA detectats amb ECGI està relacionada amb l'èxit de la PVI, creant una metodologia per estratificar els pacients amb FA abans dels procediments d'ablació.[EN] Atrial fibrillation (AF) is the most prevalent arrhythmia in the world and is associated with significant morbidity, mortality, and healthcare costs. Despite advancements in pharmaceutical treatment alternatives and ablation therapy, AF management remains suboptimal. Electrocardiographic Imaging (ECGI) has emerged as a promising non-invasive method for assessing cardiac electrophysiology and guiding therapeutic decisions in atrial fibrillation. However, ECGI faces challenges in dealing with accurately resolving the ill-posed inverse problem of electrocardiography and optimizing the quality of ECGI reconstructions. Additionally, the integration of ECGI into clinical workflows is still a challenge that is hindered by the associated costs arising from the need for cardiac imaging. For this purpose, the main objectives of this PhD thesis are to advance ECGI technology by determining the minimal technical requirements and refining existing methodologies for acquiring accurate ECGI signals. In addition, we aim to assess the capacity of ECGI for noninvasively quantifying AF complexity. To fulfill these objectives, several studies were developed throughout the thesis, advancing from ECGI enhancement to AF evaluation using ECGI. Firstly, geometric and signal requirements of the inverse problem were addressed by studying the effects of torso mesh density and electrode distribution on ECGI accuracy, leading to the identification of the minimal number of nodes and their distribution on the torso mesh. Besides, we identified that the correct location of the electrodes on the reconstructed torso mesh is critical for the accurate ECGI signal obtention. Additionally, a new methodology of imageless ECGI was defined and assessed by comparing ECGI-derived drivers computed with the original heart geometry of the patients to the drivers measured in different heart geometries. Our results showed the ability of imageless ECGI to the correct quantification and location of atrial fibrillation drivers, validating the use of ECGI without the need for cardiac imaging. Also, the current state of-the-art zero-order Tikhonov regularization and L-curve optimization for computing ECGI signals were improved by investigating the impact of electrical noise and geometrical uncertainties on the regularization. We proposed a new criterion that enhances the accuracy and reliability of ECGI solutions in situations with uncertainty from unfavorable signal conditions. Secondly, in this PhD thesis, several analyses, signal processing methodologies, and ECGIderived metrics were investigated to better characterize the cardiac substrate and reentrant activity in ECGI signals from AF patients. With the objective of obtaining a deeper understanding of the electrophysiological mechanisms underlying AF, we established the optimal filtering strategy to extract patient-specific reentrant patterns and derived metrics in ECGI signals. Furthermore, we investigated the reproducibility of the obtained ECGI-reentrant maps and linked them to the success of PVI ablation. Our results showed that higher reproducibility on AF drivers detected with ECGI is linked with the success of PVI, creating a proof-of-concept mechanism for stratifying AF patients prior to ablation procedures.This work was supported by: Instituto de Salud Carlos III, and Ministerio de Ciencia e Innovación (supported by FEDER Fondo Europeo de Desarrollo Regional DIDIMO PLEC2021- 007614, ESSENCE PID2020-119364RB-I00, and RYC2018- 024346B-750), EIT Health (Activity code SAVE-COR 220385, EIT Health is supported by EIT, a body of the European Union) and Generalitat Valenciana Conselleria d’Educació, Investigació, Cultura i Esport (ACIF/2020/265 and BEFPI/2021/062).Molero Alabau, R. (2023). Estimation of Atrial Electrical Complexity during Atrial Fibrillation by Solving the Inverse Problem of Electrocardiography [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/199029Compendi

A robust wavelet-based approach for dominant frequency analysis of atrial fibrillation in body surface signals

This is an author-created, un-copyedited versíon of an article published in Physiological Measurement. IOP Publishing Ltd is not responsíble for any errors or omissíons in this versíon of the manuscript or any versíon derived from it. The Versíon of Record is available online at https://doi.org/10.1088/1361-6579/ab97c1.[EN] Objective: Atrial dominant frequency (DF) maps undergoing atrial fibrillation (AF) presented good spatial correlation with those obtained with the non-invasive body surface potential mapping (BSPM). In this study, a robust BSPM-DF calculation method based on wavelet analysis is proposed. Approach: Continuous wavelet transform along 40 scales in the pseudo-frequency range of 3¿30 Hz is performed in each BSPM signal using a Gaussian mother wavelet. DFs are estimated from the intervals between the peaks, representing the activation times, in the maximum energy scale. The results are compared with the traditionally widely applied Welch periodogram and the robustness was tested on different protocols: increasing levels of white Gaussian noise, artificial DF harmonics presence and reduction in the number of leads. A total of 11 AF simulations and 12 AF patients are considered in the analysis. For each patient, intracardiac electrograms were acquired in 15 locations from both atria. The accuracy of both methods was assessed by calculating the absolute errors of the highest DFBSPM (HDFBSPM) with respect to the atrial HDF, either simulated or intracardially measured, and assumed correct if ¿1 Hz. The spatial distribution of the errors between torso DFs and atrial HDFs were compared with atria driving mechanism locations. Torso HDF regions, defined as portions of the maps with |DF ¿ HDFBSPM| ¿ 0.5 Hz were identified and the percentage of the torso occuping these regions was compared between methods. The robustness of both methods to white Gaussian noise, ventricular influence and harmonics, and to lower spatial resolution BSPM lead layouts was analyzed: computer AF models (567 leads vs 256 leads down to 16 leads) and patient data (67 leads vs 32 and 16 leads). Main results: The proposed method allowed an improvement in non-invasive estimation of the atria HDF. For the models the median relative errors were 7.14% for the wavelet-based algorithm vs 60.00% for the Welch method; in patients, the errors were 10.03% vs 12.66%, respectively. The wavelet method outperformed the Welch approach in correct estimations of atrial HDFs in models (81.82% vs 45.45%, respectively) and patients (66.67% vs 41.67%). A low positive BSPM-DF map correlation was seen between the techniques (0.47 for models and 0.63 for patients), highlighting the overall differences in DF distributions. The wavelet-based algorithm was more robust to white Gaussian noise, residual ventricular activity and harmonics, and presented more consistent results in lead layouts with low spatial resolution. Significance: Estimation of atrial HDFs using BSPM is improved by the proposed wavelet-based algorithm, helping to increase the non-invasive diagnostic ability in AF.This study was supported in part by grants from Sao Paulo Research Foundation (2017/19775-3), Instituto de Salud Carlos III FEDER (Fondo Europeo de Desarrollo Regional PI17/01106) and Generalitat Valenciana Grants (AICO/2018/267).Marques, V.; Rodrigo Bort, M.; Guillem Sánchez, MS.; Salinet, J. (2020). A robust wavelet-based approach for dominant frequency analysis of atrial fibrillation in body surface signals. Physiological Measurement. 41(7):1-14. https://doi.org/10.1088/1361-6579/ab97c1S11441

Highest dominant frequency and rotor positions are robust markers of driver location during noninvasive mapping of atrial fibrillation: A computational study

[EN] BACKGROUND Dominant frequency (DF) and rotor mapping have been proposed as noninvasive techniques to guide localization of drivers maintaining atrial fibrillation (AF). OBJECTIVE The purpose of this study was to evaluate the robustness of both techniques in identifying atrial drivers noninvasively under the effect of electrical noise or model uncertainties. METHODS Inverse-computed DFs and phase maps were obtained from 30 different mathematical AF simulations. Epicardial highest dominant frequency (HDF) regions and rotor location were compared with the same inverse-computed measurements after addition of noise to the ECG, size variations of the atria, and linear or angular deviations in the atrial location inside the thorax. RESULTS Inverse-computed electrograms (EGMs) individually correlated poorly with the original EGMs in the absence of induced uncertainties (0.45 +/- 0.12) and were worse with 10-dB noise (0.22 +/- 0.11), 3-cm displacement (0.01 +/- 0.02), or 36 degrees rotation (0.02 +/- 0.03). However, inverse-computed HDF regions showed robustness against induced uncertainties: from 82% +/- 18% match for the best conditions, down to 73% +/- 23% for 10-dB noise, 77% +/- 21% for 5-cm displacement, and 60% +/- 22% for 36 degrees rotation. The distance from the inverse-computed rotor to the original rotor was also affected by uncertainties: 0.8 +/- 1.61 cm for the best conditions, 2.4 +/- 3.6 cm for 10-dB noise, 4.3 +/- 3.2 cm for 4-cm displacement, and 4.0 +/- 2.1 cm for 36 degrees rotation. Restriction of rotor detections to the HDF area increased rotor detection accuracy from 4.5 +/- 4.5 cm to 3.2 +/- 3.1 cm (P < .05) with 0-dB noise. CONCLUSION The combination of frequency and phase-derived measurements increases the accuracy of noninvasive localization of atrial rotors driving AF in the presence of noise and uncertainties in atrial location or size.This work was supported in part by grants from Generalitat Valenciana (ACIF/2013/021); Instituto de Salud Carlos III-FEDER (Fondo Europeo de Desarrollo Regional) and Ministerio de Ciencia e Innovacion (PI13-01882, PI13-00903, PI14/00857, PI16/01123, IJCI-2014-22178, DTS16/00160 and Red RIC RD12.0042.0001); Spanish Society of Cardiology (Clinical Research Grant 2015); and the National Heart, Lung, and Blood Institute (P01-HL039707, P01-HL087226, and Q1 R01-HL118304). Dr. Atienza served on the advisory board of Medtronic and Sorin. Dr. Berenfeld received research support from Medtronic and St. Jude Medical; and is a cofounder and Scientific Officer of Rhythm Solutions, Inc., Research and Development Director for S.A.S. Volta Medical, and consultant to Acutus Medical. All other authors have reported that they have no relationships relevant to the contents of this paper to disclose.Rodrigo Bort, M.; Climent, AM.; Liberos Mascarell, A.; Fernandez-Aviles, F.; Berenfeld, O.; Atienza, F.; Guillem Sánchez, MS. (2017). Highest dominant frequency and rotor positions are robust markers of driver location during noninvasive mapping of atrial fibrillation: A computational study. Heart Rhythm. 14(8):1224-1233. https://doi.org/10.1016/j.hrthm.2017.04.017S1224123314

Non-invasive Spatial Mapping of Frequencies in Atrial Fibrillation: Correlation With Contact Mapping

Introduction: Regional differences in activation rates may contribute to the electrical substrates that maintain atrial fibrillation (AF), and estimating them non-invasively may help guide ablation or select anti-arrhythmic medications. We tested whether non-invasive assessment of regional AF rate accurately represents intracardiac recordings. Methods: In 47 patients with AF (27 persistent, age 63 ± 13 years) we performed 57-lead non-invasive Electrocardiographic Imaging (ECGI) in AF, simultaneously with 64-pole intracardiac signals of both atria. ECGI was reconstructed by Tikhonov regularization. We constructed personalized 3D AF rate distribution maps by Dominant Frequency (DF) analysis from intracardiac and non-invasive recordings. Results: Raw intracardiac and non-invasive DF differed substantially, by 0.54 Hz [0.13 - 1.37] across bi-atrial regions (R2 = 0.11). Filtering by high spectral organization reduced this difference to 0.10 Hz (cycle length difference of 1 - 11 ms) [0.03 - 0.42] for patient-level comparisons (R2 = 0.62), and 0.19 Hz [0.03 - 0.59] and 0.20 Hz [0.04 - 0.61] for median and highest DF, respectively. Non-invasive and highest DF predicted acute ablation success (p = 0.04). Conclusion: Non-invasive estimation of atrial activation rates is feasible and, when filtered by high spectral organization, provide a moderate estimate of intracardiac recording rates in AF. Non-invasive technology could be an effective tool to identify patients who may respond to AF ablation for personalized therapy

Identification of atrial fibrillation drivers by means of concentric ring electrodes

The prevalence of atrial fibrillation (AF) has tripled in the last 50 years due to population aging. High-frequency (DFdriver) activated atrial regions lead the activation of the rest of the atria, disrupting the propagation wavefront. Fourier based spectral analysis of body surface potential maps have been proposed for DFdriver identification, although these approaches present serious drawbacks due to their limited spectral resolution for short AF epochs and the blurring effect of the volume conductor. Laplacian signals (BC-ECG) from bipolar concentric ring electrodes (CRE) have been shown to outperform the spatial resolution achieved with conventional unipolar recordings. Our aimed was to determine the best DFdriver estimator in endocardial electrograms and to assess the BC-ECG capacity of CRE to quantify AF activity non-invasively