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

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

The contact electrogram and its architectural determinants in atrial fibrillation

The electrogram is the sine qua non of excitable tissues, yet classification in atrial fibrillation (AF) remains poorly related to substrate factors. The objective of this thesis was to establish the relationship between electrograms and two commonly implicated substrate factors, connexin 43 and fibrosis in AF. The substrates and methods chosen to achieve this ranged from human acutely induced AF using open chest surgical mapping (Chapter 6), ex vivo whole heart Langendorff (Chapter 7) with in vivo telemetry confirming spontaneous AF in a new species of rat, the Brown Norway and finally isolated atrial preparations from an older cohort of rats using orthogonal pacing and novel co-localisation methods at sub-millimetre resolution and in some atria, optical mapping (Chapter 8). In rodents, electrode size and spacing was varied (Chapters 5, 10) to study its effects on structure function correlations (Chapter 9). Novel indices of AF organisation and automated electrogram morphology were used to quantify function (Chapter 4). Key results include the discoveries that humans without any history of prior AF have sinus rhythm electrograms with high spectral frequency content, that wavefront propagation velocities correlated with fibrosis and connexin phosphorylation ratios, that AF heterogeneity of conduction correlates to fibrosis and that orthogonal pacing in heavily fibrosed atria causes anisotropy in electrogram-fibrosis correlations. Furthermore, fibrosis and connexin 43 have differing and distinct spatial resolutions in their relationship with AF organisational indices. In conclusion a new model of AF has been found, and structure function correlations shown on an unprecedented scale, but with caveats of electrode size and direction dependence. These findings impact structure function methods and prove the effect of substrate on AF organisation.Open Acces

Multichannel Intracardiac Electrogram Analysis to Estimate the Depolarisation Wavefront Propagation: Supporting Diagnostics and Treatment of Atrial Fibrillation

Kardiale Arrhythmien sind Störungen des Herzrhythmus, welche von unregelmäßigem Herzschlag kommen. Vorhofflimmern ist die am weitesten verbreitete Herzrhythmusstörung und ist mit zunehmendem Alter weiter verbreitet. Thromboembolische Ereignisse und Störungen der Hämodynamik können als Begleiterscheinungen von Vorhofflimmern (AFib) auftreten und eine signifikant gesteigerte Morbidität und Mortalität zur Folge haben. Die Be- handlung von AFib erfolgt mit Medikamenten und zudem mit Hilfe der Katheterablation. Im Zuge der Ablation versuchen Ärzte die Bereiche arrhythmogenen Substrats zu lokalisieren. Danach werden kleine Ablationsnarben im Herzgewebe erzeugt, welche die Ausbreitung abnormaler elektrischer Erregungen im Herzen unterdrücken sollen. Die Erfolgsraten dieser Prozedur erreichen bis zu 70% nach zwei oder drei Ablationen. Im Zuge diese Arbeiten wurden die Regionen arrhythmogenen Substrats lokalisiert, und die Details der Erregungsausbreitung über dieses Substrat wurden bestimmt. Im Verlauf dieser Arbeit wurden klinische Daten, experimentelle Daten und Simulationen für die Analyse genutzt. Simulationen wurden genutzt um die lokale Aktivierungszeit (LAT) auf klinischen Anatomien zu bestimmen. Experimentelle Daten wurden mit Hilfe eines Elektrodenpatches von einem Hund herzen erfasst. Klinische Daten wurden mit Hilfe eines elektroanatomischen Mappingsystems im Rahmen klinischer Routineuntersuchungen aufgezeichnet. Die aufgezeichneten Daten wurden einer Vorverarbeitung unterzogen um messtechnische und geometrische Artefakte wie das ventrikuläre Fernfeld (VFF) oder hoch- und niederfrequentes Rauschen zu unterdrücken. Eine Vielzahl von Merkmalen wurden aus den vorbearbeiteten Daten gewonnen. Dies waren die Bestimmung des Stimulationsprokotolls, die Abschätzung der Dauer der fraktionierten Aktivität, die Korrelation der Morphologie, Spitzen-zu-Spitzen Amplitude, Bestimmung der QRS Komplexe, lokale Aktivierungszeit, die Bestimmung einer stabilen Katheterposition und die Markierung der Region des arrhythmogenen Substrats. Die Methode zur Bestimmung von Richtung und Geschwindigkeit der Erregungsausbreitung wurde bestimmt. Ein grafisches Nutzerinterface (GUI) wurde entwickelt zur Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit und darauf basierender regionaler Analyse. Simulierte Daten wurden genutzt um die Leistungsfähigkeit der entwickelten Algorithmen zu beurteilen. Zur Simulation der LAT auf klinischen Anatomien wurde die fast marching Methode (FaMaS) genutzt. In diesen Simulationen war die goldene Wahrheit für eine Beurteilung der Parameterabschätzung bekannt. Ein umsichtiger und erfolgreicher Versuch wurde unternommen, um Muster und Geschwindig- keit der Erregungsausbreitung auf dem Vorhof zu bestimmen. Dies wurde auf Basis der LAT Zeit und stabiler Katheterpositionen durchgeführt. Interessante Regionen wurden zudem als wahrscheinliche Regionen eines arrhythmogenen Substrats im linken Vorhof markiert. Dies wurde auf Grundlage mehr als eines Merkmals und visueller Beurteilung deren Verteilung im Vorhof durchgeführt. Für die stimulierten Daten wurde die Aktivität der S1 und S2 Erregung verglichen um Änderungen in der Erregungsausbreitung abzuschätzen. Die Auswertung der experimentellen Daten wurde in Kooperation mit internationalen Part- nern aus den USA durchgeführt. Für verschiedene Szenarien wurden dabei Richtung und Muster der Erregungsausbreitung abgeschätzt. Die zeitliche und räumliche Informationen der vorgeschlagenen Method war dabei genau kontrolliert. Mit den Auswertemethoden aus dieser Arbeit können die wahrscheinliche Region des arrhythmogenen Substrats und der Verlauf der Erregungsausbreitung auf dem Vorhof für Vorhofflimmern und Vorhofflattern bestimmt werden. Diese können dem behandelnden Arzt bei der Planung der Ablationstherapie und erfolgreicher Durchführung helfen

Multichannel Analysis of Intracardiac Electrograms - Supporting Diagnosis and Treatment of Cardiac Arrhythmias

Cardiologists diagnose and treat atrial tachycardias using electroanatomical mapping systems. These can be combined with multipolar catheters to record intracardiac electrograms. Within this thesis, various signal processing techniques were implemented and benchmarked to analyze electrograms. They support the physician in diagnosis and treatment of atrial flutter and atrial fibrillation. The developed methods were assessed using simulated data and demonstrated on clinical cases