Mechanisms of Atrial Arrhythmia: Investigations of the Neuro-Myogenic Interface in the Mouse

Arrhythmia mechanisms rely on multiple factors including structural (myogenic), nervous (neurogenic), and interrelated (the neuro-myogenic interface) factors. I hypothesized that due to this neuro-myogenic interface, the intrinsic cardiac autonomic nervous system (ICANS) is involved in most atrial arrhythmias. This thesis also provides a Threshold Model as a tool to assess the role of different physiological factors influencing arrhythmia. This model allows relative comparison and interpretation of the role of various factors influencing arrhythmogenesis. The mouse allows relatively simple manipulation of genes to determine their role in arrhythmia. This thesis determined what atrial arrhythmias are inducible in the mouse (in vivo) and how to systematically study those arrhythmias. I found that atrial tachycardia/fibrillation (AT/F) and junctional tachycardia (JT) are inducible in the mouse. AF and JT pose significant clinical challenges as many patients do not respond well to current interventions. Neurogenic AF relies on acetylcholine, while myogenic AF relies, in part on gap junctions formed by connexins (Cxs). The atria has muscarinic M2 and M3 receptors. The duration of M2R/M3R G protein signalling is regulated by GTP hydrolysis, a process accelerated by the regulators of G protein signalling (RGS). RGS2 deficient (RGS2-/-) mice had reduced refractory periods that were normalized with a selective M3R blocker (Darifenacin) and increased susceptibility to AT/F induction compared to littermates. For the first time, this showed a role of M3 and RGS in atrial arrhythmia. Cx40 deficient (Cx40-/-) mice were protected from carbachol induced AT/F, while Cx43 G60S mutant (Cx43G60S/+) mice, with an 80% reduction in phospho-Cx43 in the atria were highly susceptible to AT/F that was terminated by darifenacin. This shows a novel neurogenic component to what was previously described as myogenic arrhythmia. Another novel finding was that JT has a neurogenic component, resulting from inappropriate AV nodal pacemaker activation initiated by autonomics. Ivabradine hydrochloride, a selective pacemaker channel blocker, prevented JT and may be useful in patients with JT. In conclusion, this thesis has provided novel findings of the vital role of the neuro-myogenic interface in atrial arrhythmias and has provided the basis for future investigations of potential therapeutic options for patients

Regional Dominant Frequency: A New Tool for Wave Break Identification During Atrial Fibrillation

Cardiac mapping systems are based on the time/frequency feature analyses of intracardiac electrograms recorded from individual bipolar/unipolar electrodes. Signals from each electrode are processed independently. Such approaches fail to investigate the interrelationship between simultaneously recorded channels of any given mapping catheter during atrial fibrillation (AF). We introduce a novel signal processing technique that reflects regional dominant frequency (RDF) components. We show that RDF can be used to identify and characterize variation and disorganization in wavefront propagation- wave breaks. The intracardiac electrograms from the left atrium of 15 patients were exported to MATLAB and custom software employed to estimate RDF and wave break rate (WBR). We observed a heterogeneous distribution of both RDF and WBR; the two measures were weakly correlated (0.3; p < 0.001). We identified locations of AF or atrial tachycardia (ATach) termination and later compared offline with RDF and WBR maps. We inspected our novel metrics for associations with AF termination sites. Areas associated with AF termination demonstrated high RDF and low WBR (↑RDF,↓WBR). These sites were present in 14 of 15 patients (mean 2.6 ± 1.2 sites per patient; range, 1–4 sites), 43% situated within the pulmonary veins. In nine patients where AF terminated to sinus rhythm (6) or ATach (3), post-hoc analysis demonstrated all ↑RDF,↓WBR sites were ablated and correlated with AF termination sites. The proposed RDF signal processing tools can be used to identify and quantify wave break, and the combined use of these two novel metrics can aid characterization of AF. Further prospective studies are warranted

Statistical and Graph-Based Signal Processing: Fundamental Results and Application to Cardiac Electrophysiology

The goal of cardiac electrophysiology is to obtain information about the mechanism, function, and performance of the electrical activities of the heart, the identification of deviation from normal pattern and the design of treatments. Offering a better insight into cardiac arrhythmias comprehension and management, signal processing can help the physician to enhance the treatment strategies, in particular in case of atrial fibrillation (AF), a very common atrial arrhythmia which is associated to significant morbidities, such as increased risk of mortality, heart failure, and thromboembolic events. Catheter ablation of AF is a therapeutic technique which uses radiofrequency energy to destroy atrial tissue involved in the arrhythmia sustenance, typically aiming at the electrical disconnection of the of the pulmonary veins triggers. However, recurrence rate is still very high, showing that the very complex and heterogeneous nature of AF still represents a challenging problem. Leveraging the tools of non-stationary and statistical signal processing, the first part of our work has a twofold focus: firstly, we compare the performance of two different ablation technologies, based on contact force sensing or remote magnetic controlled, using signal-based criteria as surrogates for lesion assessment. Furthermore, we investigate the role of ablation parameters in lesion formation using the late-gadolinium enhanced magnetic resonance imaging. Secondly, we hypothesized that in human atria the frequency content of the bipolar signal is directly related to the local conduction velocity (CV), a key parameter characterizing the substrate abnormality and influencing atrial arrhythmias. Comparing the degree of spectral compression among signals recorded at different points of the endocardial surface in response to decreasing pacing rate, our experimental data demonstrate a significant correlation between CV and the corresponding spectral centroids. However, complex spatio-temporal propagation pattern characterizing AF spurred the need for new signals acquisition and processing methods. Multi-electrode catheters allow whole-chamber panoramic mapping of electrical activity but produce an amount of data which need to be preprocessed and analyzed to provide clinically relevant support to the physician. Graph signal processing has shown its potential on a variety of applications involving high-dimensional data on irregular domains and complex network. Nevertheless, though state-of-the-art graph-based methods have been successful for many tasks, so far they predominantly ignore the time-dimension of data. To address this shortcoming, in the second part of this dissertation, we put forth a Time-Vertex Signal Processing Framework, as a particular case of the multi-dimensional graph signal processing. Linking together the time-domain signal processing techniques with the tools of GSP, the Time-Vertex Signal Processing facilitates the analysis of graph structured data which also evolve in time. We motivate our framework leveraging the notion of partial differential equations on graphs. We introduce joint operators, such as time-vertex localization and we present a novel approach to significantly improve the accuracy of fast joint filtering. We also illustrate how to build time-vertex dictionaries, providing conditions for efficient invertibility and examples of constructions. The experimental results on a variety of datasets suggest that the proposed tools can bring significant benefits in various signal processing and learning tasks involving time-series on graphs. We close the gap between the two parts illustrating the application of graph and time-vertex signal processing to the challenging case of multi-channels intracardiac signals

Characterizing Atrial Fibrillation Substrate by Electrogram and Restitution Analysis

Vorhofflimmern ist die häufigste supraventrikuläre Arrhythmie in der klinischen Praxis. Es gibt Hinweise darauf, dass pathologisches Vorhofsubstrat (Fibrose) eine zentrale mechanistische Rolle bei der Aufrechterhaltung von Vorhofflimmern spielt. Die Behandlung von Vorhofflimmern erfolgt durch Ablation des fibrotischen Substrats. Der Nachweis eines solchen Substrats ist jedoch eine ungelöste Herausforderung, was durch die mangelnden positiven klinischen Ablationsergebnisse ersichtlich wird. Daher ist das Hauptthema dieser Arbeit die Charakterisierung des atrialen Substrats. Die Bestimmung von Signalmerkmalen an Stellen mit fibrotischem Substrat erleichtert die Erkennung und anschließende Ablation solcher Areale in Zukunft. Darüber hinaus kann das Verständnis der Art und Weise, wie diese Areale das Vorhofflimmern aufrechterhalten, die positiven Ergebnisse von Ablationseingriffen verbessern. Schließlich kann Restitutionsinformation ein weiteres Instrument zur Substratcharakterisierung sein, das bei der Unterscheidung zwischen pathologischen und nicht-pathologischen Arealen helfen und somit das Ablationsergebnis weiter verbessert. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze zur Substratcharakterisierung vorgestellt: Zunächst wurde eine Charakterisierung des Substrats mit Hilfe des intraatrialen Elektrogramms vorgenommen. Dazu wurde eine Auswahl spezifischer Merkmale des Elektrogramms an Positionen evaluiert, die eine Terminierung von Vorhofflimmern nach Ablation zur Folge hatten. Die Studie beinhaltete 21 Patienten, bei denen eine Ablation nach Pulmonalvenenisolation das klinisch persistierende Vorhofflimmern beendete. Der klinisch vorgeschlagene Grenzwert der Spannungsamplitude von <0:5 mV wurde genutzt, um die Positionen der Ablation zu definieren. Die Bereiche, in denen das Vorhofflimmern erfolgreich terminiert wurde, wiesen ausgeprägte Elektrogramm-Muster auf. Diese waren gekennzeichnet durch kurze lokale Zykluslängen, die fraktionierte Potentiale und Niederspannungspotentiale enthielten. Gleichzeitig zeigten sie eine lokale Konsistenz und deckten einen Großteil der lokalen Vorhofflimmer-Zykluslänge ab. Die meisten dieser Bereiche wiesen auch im Sinusrhythmus pathologisch verzögerte atriale Spätpotentiale und fraktionierte Elektrogramme auf. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Restitutionsdaten der lokalen Amplitude und der lokalen Leitungsgeschwindigkeit (CV) erfasst und genutzt, um daraus Informationen über das zugrunde liegende Substrat abzuleiten. Die Daten zur Restitution wurden von 22 Patienten mit Vorhofflimmern aus zwei Kliniken unter Verwendung eines S1S2-Protokolls mit Stimulationsintervallen von 180 ms bis 500 ms gewonnen. Um Restitutionsdaten der Patientengruppe zu erhalten, musste ein automatisierter Algorithmus entwickelt werden, der in der Lage ist, große Mengen an Stimulationsprotokolldaten zu lesen, zu segmentieren und auszuwerten. Dieser Algorithmus wurde in der vorliegenden Arbeit entwickelt und CVAR-Seg genannt. Der CVAR-Seg Algorithmus bietet eine rauschresistente Signalsegmentierung, die mit extremen Rauschpegeln getestet wurde, die weit über dem erwarteten klinischen Pegel lagen. CVAR-Seg wurde unter einer Open-Source-Lizenz für die Allgemeinheit bereitgestellt. Es ermöglicht aufgrund seines modularen Aufbaus den einfachen Austausch einzelner Verfahrensschritte durch alternative Methoden entsprechend den Bedürfnissen des Anwenders. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Studie eine neuartige Methode, die sogenannte inverse Doppelellipsenmethode, zur Bestimmung der lokalen CV etabliert. Diese Methode schätzt die CV, die Faserorientierung und den Anisotropiefaktor bei beliebiger Elektrodenanordnung. In Simulationen reproduzierte die Doppelellipsenmethode die vorherrschende CV, Faserorientierung und Anisotropie genauer und robuster als die aktuell gängigste Methode. Zusätzlich erwies sich diese Methode als echtzeittauglich und könnte daher in klinischen Elektrophysiologiesystemen eingesetzt werden. Die Doppelellipsenmethode würde durch die lokalisierte Vermessung des Vorhofsubstrats ermöglichen während eines Kartierungsverfahrens gleichzeitig eine CV-Karte, eine Anisotropieverhältniskarte und eine Faserkarte zu erstellen. Die Restitutionsinformationen der Patientenkohorte wurden mit der CVARSeg-Pipeline und der inversen Doppelellipsenmethode ausgewertet, um Amplituden- und CV-Restitutionskurven zu erhalten. Zur Anpassung der Restitutionskurven wurde eine monoexponentielle Funktion verwendet. Die Parameter der angepassten Funktion, die die Restitutionskurven abbilden, wurden verwendet, um Unterschiede in den Restitutionseigenschaften zwischen pathologischem und nicht-pathologischem Substrat zu erkennen. Das Ergebnis zeigte, dass klinisch definierte pathologische Bereiche durch eine reduzierte Amplitudenasymptote und einen steilen Kurvenabfall bei erhöhter Stimulationsrate gekennzeichnet waren. CV-Kurven zeigten eine reduzierte Asymptote und eine große Variation im Parameter der den Kurvenabfall beschreibt. Darüber hinaus wurden die Restitutionsunterschiede innerhalb des Vorhofs an der posterioren und anterioren Wand verglichen, da die Literatur keine eindeutigen Ergebnisse lieferte. In dieser Arbeit wurde nachgewiesen, dass die posteriore Vorhofwand Amplituden- und CV-Restitutionskurven mit höherer Asymptote und moderaterer Krümmung verglichen mit der anterioren Vorhofwand aufweist. Um über den empirisch beschriebenen manuellen Schwellenwert hinauszugehen, wurde der Parameterraum, der von den Anpassungsparametern der Amplituden- und CV-Restitutionskurven aufgespannt wird, nach natürlich vorkommenden Clustern durchsucht. Obgleich Cluster vorhanden waren, deutete ihre unzureichende Trennung auf einen kontinuierlichen, sich mit dem Schweregrad der Substratpathologie verändernden Verlauf der Amplituden- und CV-Kurven hin. Schließlich wurde eine einfachere und schnellere Methode zur Erfassung von Restitutionsdaten vorgestellt, die einen vergleichbaren Informationsgehalt auf der Grundlage der maximalen Steigung anstelle einer vollständigen Restitutionskurve liefert. In dieser Arbeit werden zwei neue Methoden vorgestellt, der CVAR-Seg-Algorithmus und die inverse Doppelellipsenmethode, die eine Auswertung von S1S2 Stimulationsprotokollen und die Bestimmung der lokalen Leitungsgeschwindigkeit beschleunigen und verbessern. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit Merkmale von pathologischem Gewebe definiert, die zur Identifizierung von Arrhythmiequellen beitragen. Somit trägt diese Arbeit dazu bei, die Therapie von Vorhofflimmern in Zukunft zu verbessern

Characterization of the Substrate Modification in Patients Undergoing Catheter Ablation of Atrial Fibrillation

Tesis por compendio[ES] La fibrilación auricular (FA) es la arritmia cardíaca más común. A pesar de la gran popularidad de la ablación con catéter (AC) como tratamiento principal, todavía hay margen de mejora. Aunque las venas pulmonares (VPs) son los principales focos de FA, muchos sitios pueden contribuir a su propagación, formando el sustrato de la FA (SFA). El mapeo preciso del SFA y el registro de la modificación del SFA, como marcador positivo después de AC, son fundamentales. Los electrocardiogramas (ECG) y los electrogramas (EGM) se reclutan para este propósito. Los EGM se utilizan para detectar candidatos de AC como áreas que provocan o perpetúan la FA. Por lo tanto, el análisis de EGM es una parte indispensable de AC. Con la capacidad de observar las aurículas globalmente, la principal aplicación de los ECG es evaluar la modificación del SFA analizando las ondas f o P. A pesar del extenso análisis de cualquiera de los tipos de registro, existen algunas brechas. La AC no-VP aumenta el tiempo en quirófano, provocando mayores riesgos y costos. En cuanto al análisis de la modificación del SFA, se utilizan varios umbrales para definir una onda P prolongada. El principal objetivo de la presente Tesis es contribuir al esfuerzo de análisis de SFA y de modificación de SFA. Para ello, la presente Tesis se desarrolló bajo dos hipótesis principales. Que la calidad de la información extraída durante el SFA y el análisis de modificación del SFA se puede mejorar mediante la introducción de pasos innovadores. Además, la combinación de análisis de ECG y EGM puede aumentar la resolución del mapeo y revelar nueva información sobre los mecanismos de FA. Para cumplir con el objetivo principal, el análisis se divide en 4 partes, conformando los 4 capítulos del Compendio de articulos. En primer lugar, se reclutó la dimensión de correlación de grano grueso (DCGG). DCGG localizó de manera confiable EGM complejos y la clasificación por tipos de FA arrojó una precisión del 84 %. Luego, se adoptó un análisis alternativo de la onda P, estudiando por separado su primera y su segunda parte, correspondientes a la aurícula derecha (AD) e izquierda (AI). Los resultados indicaron LA como la principal fuente de modificación del SFA y subrayaron la importancia de estudiar partes integrales de ECG. Los hallazgos de este estudio también sugieren la implementación de partes integrales de ondas P como un posible alivio de las discrepancias en los umbrales de ondas P para definir el tejido fibrótico. Posteriormente, se estudió el efecto diferente del aislamiento de la VP izquierda (AVPI) y derecha (AVPD) sobre la modificación del SFA. AVPI fue la parte crítica, siendo la fuente exclusiva de acortamiento de onda P. El análisis de los registros durante la AC también permitió una observación más cercana de las fluctuaciones de la variabilidad de la frecuencia cardíaca (VFC) a lo largo del procedimiento de CA, lo que reveló información sobre el efecto de la energía de radiofrecuencia (RF) en el tejido auricular. La última parte se centró en el seno coronario (SC), una estructura fundamental en el mapeo de FA para aumentar la resolución de la información. Se definieron los canales más y menos robustos durante el ritmo sinusal (RS) y se investigó la utilidad de SC en la evaluación de la modificación del SFA. Aunque CS no proporcionó una imagen global de la alteración del SFA, pudo registrar con mayor sensibilidad las fluctuaciones en la respuesta auricular durante la AC. Los hallazgos presentados en esta Tesis Doctoral ofrecen una perspectiva alternativa sobre la modificación del SFA y contribuyen al esfuerzo general sobre el mapeo de FA y la evaluación del sustrato posterior a la CAAC, abriendo futuras líneas de investigación hacia una resolución más alta y un mapeo más eficiente de los mecanismos desencadenantes de la FA.[CA] La fibril·lació auricular (FA) és l'arítmia cardíaca més comú. Tot i la gran popularitat de l'ablació amb catèter (AC) com a tractament principal, encara hi ha marge de millora. Tot i que les venes pulmonars (VPs) són els principals focus de FA, molts llocs poden contribuir a la seva propagació, formant el substrat de la FA (SFA). El mapatge precís de l'SFA i el registre de la modificació de l'SFA, com a marcador positiu després d'AC, són fonamentals. Els electrocardiogrames (ECG) i els electrogrames (EGM) es recluten per a aquest propòsit. Els EGM es fan servir per detectar candidats d'AC com a àrees que provoquen o perpetuen la FA. Per tant, lanàlisi dEGM és una part indispensable dAC. Amb la capacitat d'observar les aurícules globalment, la principal aplicació dels ECG és avaluar la modificació de l'SFA analitzant les ones f o P. Tot i l'extensa anàlisi de qualsevol dels tipus de registre, hi ha algunes bretxes. L'AC no-VP augmenta el temps a quiròfan, provocant majors riscos i costos. Pel que fa a l'anàlisi de la modificació de l'SFA, s'utilitzen diversos llindars per definir una ona P perllongada. L'objectiu principal d'aquesta Tesi és contribuir a l'esforç d'anàlisi de SFA i de modificació de SFA. Per això, aquesta Tesi es va desenvolupar sota dues hipòtesis principals. Que la qualitat de la informació extreta durant el SFA i lanàlisi de modificació de lSFA es pot millorar mitjançant la introducció de passos innovadors. A més, la combinació d'anàlisi d'ECG i EGM pot augmentar la resolució del mapatge i revelar informació nova sobre els mecanismes de FA. Per complir amb l'objectiu principal, l'anàlisi es divideix en 4 parts i es conforma els 4 capítols del Compendi d'articles. En primer lloc, es va reclutar la dimensió de correlació de gra gruixut (DCGG). DCGG va localitzar de manera fiable EGM complexos i la classificació per tipus de FA va donar una precisió del 84%. Després, es va adoptar una anàlisi alternativa de l'ona P, estudiant per separat la primera i la segona part corresponents a l'aurícula dreta (AD) i esquerra (AI). Els resultats van indicar LA com la font principal de modificació de l'SFA i van subratllar la importància d'estudiar parts integrals d'ECG. Les troballes d'aquest estudi també suggereixen la implementació de parts integrals d'ones P com a possible alleugeriment de les discrepàncies als llindars d'ones P per definir el teixit fibròtic. Posteriorment, es va estudiar l'efecte diferent de l'aïllament de la VP esquerra (AVPI) i la dreta (AVPD) sobre la modificació de l'SFA. AVPI va ser la part crítica, sent la font exclusiva d'escurçament d'ona P. L'anàlisi dels registres durant l'AC també va permetre una observació més propera de les fluctuacions de la variabilitat de la freqüència cardíaca (VFC) al llarg del procediment de CA , cosa que va revelar informació sobre l'efecte de l'energia de radiofreqüència (RF) en el teixit auricular. L'última part es va centrar al si coronari (SC), una estructura fonamental al mapeig de FA per augmentar la resolució de la informació. Es van definir els canals més i menys robustos durant el ritme sinusal (RS) i es va investigar la utilitat de SC a l'avaluació de la modificació de l'SFA. Tot i que CS no va proporcionar una imatge global de l'alteració de l'SFA, va poder registrar amb més sensibilitat les fluctuacions a la resposta auricular durant l'AC. Les troballes presentades en aquesta Tesi Doctoral ofereixen una perspectiva alternativa sobre la modificació de l'SFA i contribueixen a l'esforç general sobre el mapeig de FA i l'avaluació del substrat posterior a la CAAC, obrint futures línies de recerca cap a una resolució més alta i un mapeig més eficient dels mecanismes desencadenants de la FA.[EN] Atrial fibrillation (AF) is the commonest cardiac arrhythmia. Despite the high popularity of catheter ablation (CA) as the main treatment, there is still room for improvement. Time spent in AF affects the AF confrontation and evolution, with 1,15% of paroxysmal AF patients progressing to persistent annually. Therefore, from diagnosis to follow-up, every aspect that contributes to the AF confrontation is of utmost importance. Although pulmonary veins (PVs) are the main AF foci, many sites may contribute to the AF propagation, by triggering or sustaining the AF, forming the AF substrate. Precise AF substrate mapping and recording of the AF substrate modification, as a positive marker after CA sessions, are critical. Electrocardiograms (ECGs) and electrograms (EGMs) are vastly recruited for this purpose. EGMs are used to detect candidate CA targets as areas that provoke or perpetuate AF. Hence, EGMs analysis is an indispensable part of the CA procedure. With the ability to observe the atria globally, ECGs' main application is to assess the AF substrate modification by analyzing f- or P-waves from recordings before and after CA. Despite the extensive analysis on either recording types, some gaps exist. Non-PV CA increases the time in operation room, provoking higher risks and costs. Furthermore, whether non-PV CA is beneficial is under dispute. As for the AF substrate modification analysis, various thresholds are used to define a prolonged P-wave, related with poor CA prognostics. The main objective of the present Thesis is to contribute to the effort of AF substrate and AF substrate modification analysis. For this purpose, the present Thesis was developed under two main hypotheses. That the information quality extracted during AF substrate and AF substrate modification analysis can be improved by introducing innovative steps. Also, that combining ECG and EGM analysis can augment the mapping resolution and reveal new information regarding AF mechanisms. To accomplish the main objective, the analysis is split in 4 parts, forming the 4 chapters of the Compendium of publications. Firstly, coarse-grained correlation dimension (CGCD) was recruited. CGCD reliably localized highly complex EGMs and classification by AF types yielded 84% accuracy. Then, an alternative P-wave analysis was suggested, studying separately the first and second P-wave parts, corresponding to the right (RA) and left (LA) atrium. The findings indicated LA as the main AF substrate modification source and underlined the importance of studying integral ECG parts. The findings of this study additionally suggest the implementation of integral P-wave parts as a possible alleviation for the discrepancies in P-wave thresholds to define fibrotic tissue. Afterwards, the different effect of left (LPVI) and right pulmonary vein isolation (RPVI) on the AF substrate modification was studied. LPVI was the critical part, being the exclusive source of P-wave shortening. Analysis of recordings during CA also allowed a closer observation of the heart rate variability (HRV) fluctuations throughout the CA procedure, revealing information on the effect of radiofrequency (RF) energy on the atrial tissue. The last part was focused on coronary sinus (CS), a fundamental structure in AF mapping to increase the information resolution. The most and least robust channels during sinus rhythm (SR) were defined and the utility of CS in AF substrate modification evaluation was investigated. Although CS did not provide a global picture of the AF substrate alteration, it was able to record with higher sensitivity the fluctuations in the atrial response during the application of RF energy. The findings presented in this Doctoral Thesis offer an alternative perspective on the AF substrate modification and contribute to the overall effort on AF mapping and post-CA substrate evaluation, opening future lines of research towards a higher resolution and more efficient mapping of the AF drivers.Vraka, A. (2022). Characterization of the Substrate Modification in Patients Undergoing Catheter Ablation of Atrial Fibrillation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191410Compendi

Signal Processing Methods for the Analysis of the Electrocardiogram

Das Elektrokardiogramm (EKG) zeichnet die elektrische Aktivität des Herzens auf der Brust- oberfläche auf. Dieses Signal kann einfach und kostengünstig aufgenommen werden und wird daher in einer Vielzahl von mobilen und stationären Anwendungen genutzt. Es ist über die letzten 100 Jahre zum Goldstandard bei der Diagnose vieler kardiologischer Krankheiten geworden. Herzerkrankungen bleiben ein relevantes Thema in unserer Gesellschaft, da sie zu 30 % aller Todesfälle weltweit führen. Allein die koronare Herzkrankheit ist die häufigste Todesursache überhaupt. Weiterhin sind 2 bis 3 % der Europäer von Herzrhythmusstörungen wie Vorhofflimmern und Vorhofflattern betroffen. Die damit verbundenen geschätzten Kosten in der Europäischen Union belaufen sich auf 26 Milliarden Euro pro Jahr. In allen diesen Fällen ist die Aufzeichnung des EKGs der erste unumgängliche Schritt für eine verlässliche Diagnose und erfolgreiche Therapie. Im Rahmen dieser Dissertation wurden eine Reihe von Algorithmen zur Signalver- arbeitung des EKG entwickelt, die automatisch die rhythmischen und morphologischen Eigenschaften aus dem EKG extrahieren und dadurch den diagnostischen Prozess und die Entscheidungsfindung des Arztes unterstützen. In einem ersten Projekt wurde das Phänomen der postextrasystolischen T-Wellen-Änderung (PEST) untersucht. Die aus der PEST ex- trahierten Biomarker haben wir als Prädiktoren für Herzversagen postuliert. Ein zweites Projekt handelte vom Entwurf eines akkuraten Algorithmus zur Detektion und Annotation der P-Welle im EKG. Als Referenz während der Entwicklung wurden intrakardial gemessene Signale verwendet. Eine dritte Untersuchg hatte das Ziel, das physiologische Phänomen der respiratorischen Sinusarrhythmie (RSA) besser zu verstehen. In diesem Projekt wurde ein Algorithmus zur Trennung der Herzratenvariabilität (HRV) in ihre atmungsabhängige und ihre atmungsunabhn ̈gige Komponente untersucht. Letzterer Anteil der HRV könnte neue Erkenntnisse über die Regulationsmechanismen des kardiovaskulären Systems liefern. In der vierten und letzten Studie wurde der Einfluss mentaler Belastung auf das EKG während der Autofahrt untersucht. Eine Vielzahl von Deskriptoren wurden gefunden, die eine gefährliche mentale Beanspruchung detektieren und somit den Fahrer vor einem möglichen Unfall schützen können. Wir schließen aus diesen Untersuchungen, dass gut entwickelte Methoden der Signalver- arbeitung des EKG das Potential haben, die Belastung der Patienten, die an Herzerkrankungen leiden, und die Anzahl der Verkehrsunfälle zu reduzieren

Therapeutic Strategies for the Treatment of Atrial Fibrillation:New Insights from Biophysical Modeling and Signal Processing

Atrial fibrillation is the most common cardiac rhythm disorder encountered in clinical practice, often leading to severe complications such as heart failure and stroke. This arrhythmia, increasing in prevalence with age, already affects several millions of people in the United States, with a rising occurrence of the disease during the past two decades. In spite of these warning signals, atrial fibrillation is still difficult to treat, because basic mechanisms of the arrhythmia remain poorly understood and current treatments are therefore based on empirical considerations. The future of therapeutic solutions for the treatment of complex diseases such as atrial fibrillation relies on a strong collaboration between medicine, biology and engineering. Only through such synergies will efficient monitoring, diagnostic and therapeutic devices be created. The goal of the present thesis was to adopt this multidisciplinary approach, and develop new strategies for atrial fibrillation therapy using both computer modeling and advanced signal processing methods. Biophysical modeling is a practical and ethically interesting approach to develop innovative therapies, since physiological phenomena of interest are reproduced numerically and the resulting framework is then used with full repeatability to explore mechanisms and test treatments. A model of the human atria, that was developed in our group, was used to simulate atrial fibrillation and perform mechanistic and therapeutic investigations. In a first study, computer simulations were used to observe spontaneous terminations of two models of atrial fibrillation corresponding to different developmental stages of the arrhythmia. Dynamical parameters were observed during several seconds prior to termination in order to describe the underlying mechanisms of this natural phenomenon, showing that different levels of fibrillation complexity led to different termination patterns. The mechanisms highlighted by the study were successfully compared to those described in the existing literature and could suggest interesting guidelines to better investigate spontaneous terminations of atrial fibrillation in experimental and clinical settings. Moreover, a more precise understanding of the natural extinction of atrial fibrillation will certainly be crucial for future therapy developments. The potential of rapid low-energy pacing for artificially terminating atrial fibrillation was also thoroughly investigated. First, the possibility to entrain and thereby control fibrillating atrial activity by rapid pacing was studied in a systematic manner. Results showed that optimized pacing parameters provided sustained entrainment of electrical activity, although total extinction of atrial fibrillation was never observed. The ability to control atrial activity by pacing was also shown to depend on specific properties of the atrial tissue, showing that patients with atrial fibrillation may not all respond in the same way to pacing treatments. Finally, this study suggested different guidelines for the development of pace-termination algorithms for atrial fibrillation. Based on these results, a new pacing sequence for the automatic termination of atrial fibrillation was designed, implemented and tested in the biophysical model. The pacing protocol comprised two distinct phases involving a succession of rapid and slow pacing stimulations. The results of the tests suggest that this pacing scheme could represent an alternative to current treatments of atrial fibrillation, and could easily be implemented in patients who already have an indication for pacing. Advanced signal processing techniques were also used in this thesis to analyze real cardiac signals and develop new diagnosis tools. Multivariate spectral analysis and complexity measures were combined to develop an automatic method able to describe subtle changes in atrial fibrillation organization as measured by non-invasive ECG recordings. Accurate discrimination between persistent and permanent AF was shown possible, and potential applications in clinical settings to optimize patient management were demonstrated. Collectively, the results of this thesis show that major public health issues such as atrial fibrillation can strongly benefit from the contribution of biomedical engineering. The modeling and signal processing approaches used in the present dissertation proved effective and promising, and synergies between clinicians and scientists will definitely be at the basis of future therapies