Non-invasive localization of atrial ectopic beats by using simulated body surface P-wave integral maps

Non-invasive localization of continuous atrial ectopic beats remains a cornerstone for the treatment of atrial arrhythmias. The lack of accurate tools to guide electrophysiologists leads to an increase in the recurrence rate of ablation procedures. Existing approaches are based on the analysis of the P-waves main characteristics and the forward body surface potential maps (BSPMs) or on the inverse estimation of the electric activity of the heart from those BSPMs. These methods have not provided an efficient and systematic tool to localize ectopic triggers. In this work, we propose the use of machine learning techniques to spatially cluster and classify ectopic atrial foci into clearly differentiated atrial regions by using the body surface P-wave integral map (BSPiM) as a biomarker. Our simulated results show that ectopic foci with similar BSPiM naturally cluster into differentiated non-intersected atrial regions and that new patterns could be correctly classified with an accuracy of 97% when considering 2 clusters and 96% for 4 clusters. Our results also suggest that an increase in the number of clusters is feasible at the cost of decreasing accuracy.This work was partially supported by The "Programa Prometeu" from Conselleria d'Educacio Formacio I Ocupacio, Generalitat Valenciana (www.edu.gva.es/fio/index_es.asp) Award Number: PROMETEU/2016/088 to JS; The "Plan Estatal de Investigacion Cientifica y Tecnica y de Innovacion 2013-2016" from the Ministerio de Economia, Industria y Competitividad of Spain, Agencia Estatal de Investigacion (www.mineco.gob.es) and the European Commission (European Regional Development Funds - ERDF -FEDER) (ec.europa.eu/regional_policy/es/funding/erdf/) Award Number: DPI2016-75799-R to JS and The "Programa Estatal de Investigacion, Desarrollo e Innovacion Orientado a los Retos de la Sociedad" from the Ministerio de Economia y Competitividad of Spain, Agencia Estatal de Investigacion (www.mineco.gob.es) and the European Commission (European Regional Development Funds - ERDF -FEDER) (ec.europa.eu/regional_policy/es/funding/erdf/) Award Number: TIN2014-59932-JIN to AFA and RS. The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.Ferrer Albero, A.; Godoy, EJ.; Lozano, M.; Martínez Mateu, L.; Alonso Atienza, F.; Saiz Rodríguez, FJ.; Sebastián Aguilar, R. (2017). Non-invasive localization of atrial ectopic beats by using simulated body surface P-wave integral maps. PLoS ONE. 12(7):1-23. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0181263S12312

Three-dimensional Multiscale Modelling and Simulation of Atria and Torso Electrophysiology

A better understanding of the electrical activity of the heart under physiological and pathological conditions has always been key for clinicians and researchers. Over the last years, the information in the P-wave signals has been extensively analysed to un-cover the mechanisms underlying atrial arrhythmias by localizing ectopic foci or high-frequency rotors. However, the relationship between the activation of the different areas of the atria and the characteristics of the P-wave signals or body surface poten-tial maps are still far from being completely understood. Multiscale anatomical and functional models of the heart are a new technological framework that can enable the investigation of the heart as a complex system. This thesis is centred in the construction of a multiscale framework that allows the realistic simulation of atrial and torso electrophysiology and integrates all the anatom-ical and functional descriptions described in the literature. The construction of such model involves the development of heterogeneous cellular and tissue electrophysiolo-gy models fitted to empirical data. It also requires an accurate 3D representation of the atrial anatomy, including tissue fibre arrangement, and preferential conduction axes. This multiscale model aims to reproduce faithfully the activation of the atria under physiological and pathological conditions. We use the model for two main applica-tions. First, to study the relationship between atrial activation and surface signals in sinus rhythm. This study should reveal the best places for recording P-waves signals in the torso, and which are the regions of the atria that make the most significant contri-bution to the body surface potential maps and determine the main P-wave characteris-tics. Second, to spatially cluster and classify ectopic atrial foci into clearly differenti-ated atrial regions by using the body surface P-wave integral map (BSPiM) as a bi-omarker. We develop a machine-learning pipeline trained from simulations obtained from the atria-torso model aiming to validate whether ectopic foci with similar BSPiM naturally cluster into differentiated non-intersected atrial regions, and whether new BSPiM could be correctly classified with high accuracy.En la actualidad, una mejor compresión de la actividad eléctrica del corazón en condi-ciones fisiológicas y patológicas es clave para médicos e investigadores. A lo largo de los últimos años, la información derivada de la onda P se ha utilizado para intentar descubrir los mecanismos subyacentes a las arritmias auriculares mediante la localiza-ción de focos ectópicos y rotores de alta frecuencia. Sin embargo, la relación entre la activación de distintas regiones auriculares y las características tanto de las ondas P como de la distribución de potencial en la superficie del torso está lejos de entenderse completamente. Los modelos cardíacos funcionales y anatómicos son una nueva he-rramienta que puede facilitar la investigación relativa al corazón entendido como sis-tema complejo. La presente tesis se centra en la construcción de un modelo multiescala para la simula-ción realista de la electrofisiología cardíaca tanto a nivel auricular como de torso, integrando toda la información anatómica y funcional disponible en la literatura. La construcción de este modelo implica el desarrollo, en base a datos experimentales, de modelos electrofisiológicos heterogéneos tanto celulares como tisulares. Así mismo, es imprescindible una representación tridimensional precisa de la anatomía auricular, incluyendo la dirección de fibras y los haces de conducción preferentes. Este modelo multiescala busca reproducir fielmente la activación auricular en condiciones fisiológi-cas y patológicas. Su uso se ha centrado fundamentalmente en dos aplicaciones. En primer lugar, estudiar la relación entre la activación auricular en ritmo sinusal y las señales en la superficie del torso. Este estudio busca definir la mejor ubicación para el registro de las ondas P en el torso así como determinar aquellas regiones auriculares que contribuyen fundamentalmente a la formación y distribución de potenciales super-ficiales así como a las características de las ondas P. En segundo lugar, agrupar y cla-sificar espacialmente los focos ectópicos en regiones auriculares claramente diferen-ciables empleando como biomarcador los mapas superficiales de integral de la onda P (BSPiM). Se ha desarrollado para ello una metodología de aprendizaje automático en la que las simulaciones obtenidas con el modelo multiescala aurícula-torso sirven de entrenamiento, permitiendo validar si los focos ectópicos cuyos BSPiMs son similares se agrupan de forma natural en regiones auriculares no intersectadas y si BSPiMs nue-vos podrían ser clasificados prospectivamente con gran precisión.Avui en dia, una millor comprenssió de l'activitat elèctrica del cor en condicions fisio-lògiques i patològiques és clau per a metges i investigadors. Al llarg dels últims anys, la informació derivada de l'ona P s'ha utilitzat per intentar descobrir els mecanismes subjacents a les arítmies auriculars mitjançant la localització de focus ectòpics i rotors d'alta freqüència. No obstant això, la relació entre l'activació de diferents regions auri-culars i les característiques tant de les ones P com de la distribució de potencial en la superfície del tors està lluny d'entendre's completament. Els models cardíacs funcionals i anatòmics són una nova eina que pot facilitar la recerca relativa al cor entès com a sistema complex. La present tesi es centra en la construcció d'un model multiescala per a la simulació realista de la electrofisiologia cardíaca tant a nivell auricular com de tors, integrant tota la informació anatòmica i funcional disponible en la literatura. La construcció d'aquest model implica el desenvolupament, sobre la base de dades experimentals, de models electrofisiològics heterogenis, tant cel·lulars com tissulars. Així mateix, és imprescindible una representació tridimensional precisa de l'anatomia auricular, in-cloent la direcció de fibres i els feixos de conducció preferents. Aquest model multies-cala busca reproduir fidelment l'activació auricular en condicions fisiològiques i pa-tològiques. El seu ús s'ha centrat fonamentalment en dues aplicacions. En primer lloc, estudiar la relació entre l'activació auricular en ritme sinusal i els senyals en la superfí-cie del tors. A més a més, amb aquest estudi també es busca definir la millor ubicació per al registre de les ones P en el tors, així com, determinar aquelles regions auriculars que contribueixen fonamentalment a la formació i distribució de potencials superfi-cials a l'hora que es caracteritzen les ones P. En segon lloc, agrupar i classificar espa-cialment els focus ectòpics en regions auriculars clarament diferenciables emprant com a biomarcador els mapes superficials d'integral de l'ona P (BSPiM). És per això que s'ha desenvolupat una metodologia d'aprenentatge automàtic en la qual les simulacions obtingudes amb el model multiescala aurícula-tors serveixen d'entrenament, la qual cosa permet validar si els focus ectòpics, llurs BSPiMs són similars, s'agrupen de for-ma natural en regions auriculars no intersectades i si BSPiMs nous podrien ser classifi-cats de manera prospectiva amb precisió.Ferrer Albero, A. (2017). Three-dimensional Multiscale Modelling and Simulation of Atria and Torso Electrophysiology [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/88402TESI

Mathematical modeling approaches for the diagnosis and treatment of reentrant atrial tachyarrhythmias

[EN] Atrial tachyarrhythmias present a high prevalence in the developed world, and several studies predict that in the coming decades it will be increased. Micro or macro-reentrant mechanisms of the electrical wavefronts that govern the mechanical behavior of the heart are one of the main responsibles for the maintenance of these arrhythmias. Atrial flutter is maintained by a macro-reentry around an anatomical or functional obstacle located in the atria. In the case of atrial fibrillation, the hypothesis which describes high frequency rotors as dominant sources of the fibrillation and responsible for the maintenance of the arrhythmia, has been gaining relevance in the last years. However, the therapies that target high frequency sources have a limited efficacy with current techniques. Radiofrequency ablation allows the destruction of parts of the cardiac tissue resulting in the interruption of the reentrant circuit in case of macro-reentries or the isolation of micro-reentrant circuits. The non-invasive location of reentrant circuits would increment the efficacy of these therapies and would shorten surgery interventions. In parallel, pharmacological therapies modify ionic expressions associated to the excitability and electrical refractoriness of the cardiac tissue with the objective of hindering the maintenance of reentrant behaviors. These therapies require a deep knowledge of the ionic mechanisms underlying the reentrant behavior and its properties in order to be effective. The research in these mechanisms allows the evaluation of new targets for the treatment and thus may improve the efficacy in atrial fibrillation termination. In this thesis, mathematical modeling is used to go forward in the minimization of the limitations associated to these treatments. Body surface potential mapping has been evaluated, both clinically and by means of mathematical simulations for the diagnosis and location of macro-reentrant circuits. The analysis of phase maps obtained from multiple lead electrocardiographic recordings distributed in the whole torso allowed the discrimination between different reentrant circuits. It is the reason why this technique is presented as a tool for the non-invasive location of macro and micro-reentrant circuits. A population of mathematical models designed in this thesis based on the action potentials recordings of atrial cardiomyocites from 149 patients, allowed the evaluation of the ionic mechanisms defining the properties of reentrant behaviors. This study has allowed us defining the blockade of ICaL as a target for the pharmacological treatment. The blockade of this current is associated with the increase of the movement in the core of the rotor which easies the collision of the rotor with other wavefronts or anatomical obstacles promoting the extinction of the reentry. The variability observed between patients modeled in our population has allowed showing and explaining the mechanisms promoting divergent results of a single treatment. This is why the introduction of populations of models will allow the prevention of side effects associated to inter-subject variability and to go forward in the development of individualized therapies. These works are built through a simulation platform of cardiac electrophysiology based in Graphic Processing Units (GPUs) and developed in this thesis. The platform allows the simulation of cellular models, tissues and organs with a realistic geometry and shows features comparable to that of the platforms used by the most relevant electrophysiology research groups at the moment.[ES] Las taquiarritmias auriculares tienen una alta prevalencia en el mundo desarrollado, además diversos estudios poblacionales indican que en las próximas décadas ésta se verá incrementada. Los mecanismos de micro o macro-reentrada de los frentes de onda eléctricos que rigen el comportamiento mecánico del corazón, se presentan como una de las principales causas del mantenimiento de estas arritmias. El flutter auricular es mantenido por un macro-reentrada alrededor de un obstáculo anatómico o funcional en las aurículas, mientras que en el caso de la fibrilación auricular la hipótesis que define a los rotores de alta frecuencia como elementos dominantes y responsables del mantenimiento de la arritmia se ha ido imponiendo al resto en los últimos años. Sin embargo, las terapias que tienen como objetivo finalizar o aislar estas reentradas tienen todavía una eficacia limitada. La ablación por radiofrecuencia permite eliminar zonas del tejido cardiaco resultando en la interrupción del circuito de reentrada en el caso de macro-reentradas o el aislamiento de comportamientos micro-reentrantes. La localización no invasiva de los circuitos reentrantes incrementaría la eficacia de estas terapias y reduciría la duración de las intervenciones quirúrgicas. Por otro lado, las terapias farmacológicas alteran las expresiones iónicas asociadas a la excitabilidad y la refractoriedad del tejido con el fin de dificultar el mantenimiento de comportamientos reentrantes. Este tipo de terapias exigen incrementar el conocimiento de los mecanismos subyacentes que explican el proceso de reentrada y sus propiedades, la investigación de estos mecanismos permite definir las dianas terapéuticas que mejoran la eficacia en la extinción de estos comportamientos. En esta tesis el modelado matemático se utiliza para dar un paso importante en la minimización de las limitaciones asociadas a estos tratamientos. La cartografía eléctrica de superficie ha sido testada, clínicamente y con simulaciones matemática,s como técnica de diagnóstico y localización de circuitos macro-reentrantes. El análisis de mapas de fase obtenidos a partir de los registros multicanal de derivaciones electrocardiográficas distribuidas en la superficie del torso permite diferenciar distintos circuitos de reentrada. Es por ello que esta técnica de registro y análisis se presenta como una herramienta para la localización no invasiva de circuitos macro y micro-reentrantes. Una población de modelos matemáticos, diseñada en esta tesis a partir de los registros de los potenciales de acción de 149 pacientes, ha permitido evaluar los mecanismos iónicos que definen las propiedades asociadas a los procesos de reentrada. Esto ha permitido apuntar al bloqueo de la corriente ICaL como diana terapéutica. Ésta se asocia al incremento del movimiento del núcleo que facilita el impacto del rotor con otros frentes de onda u obstáculos extinguiéndose así el comportamiento reentrante. La variabilidad entre pacientes reflejada en la población de modelos ha permitido además mostrar los mecanismos por los cuales un mismo tratamiento puede mostrar efectos divergentes, así el uso de poblaciones de modelos matemáticos permitirá prevenir efectos secundarios asociados a la variabilidad entre pacientes y profundizar en el desarrollo de terapias individualizadas. Estos trabajos se cimientan sobre una plataforma de simulación de electrofisiología cardiaca de basado en Unidades de Procesado Gráfico (GPUs) y desarrollada en esta tesis. La plataforma permite la simulación de modelos celulares cardiacos así como de tejidos u órganos con geometría realista, mostrando unas prestaciones comparables con las de las utilizadas por los grupos de investigación más potentes en el campo de la electrofisiología.[CA] Les taquiarítmies auriculars tenen una alta prevalença en el món desenvolupat, a més diversos estudis poblacionals indiquen que en les pròximes dècades aquesta es veurà incrementada. Els mecanismes de micro o macro-reentrada dels fronts d'ona elèctrics que regeixen el comportament mecànic del cor, es presenten com una de les principals causes del manteniment d'aquestes arítmies. El flutter auricular és mantingut per una macro-reentrada al voltant d'un obstacle anatòmic o funcional en les aurícules, mentre que en el cas de la fibril·lació auricular la hipòtesi que defineix als rotors d'alta freqüència com a elements dominants i responsables del manteniment de l'arítmia s'ha anat imposant a la resta en els últims anys. No obstant això, les teràpies que tenen com a objectiu finalitzar o aïllar aquestes reentrades tenen encara una eficàcia limitada. L'ablació per radiofreqüència permet eliminar zones del teixit cardíac resultant en la interrupció del circuit de reentrada en el cas de macro-reentrades o l'aïllament de comportaments micro-reentrants. La localització no invasiva dels circuits reentrants incrementaria l'eficàcia d'aquestes teràpies i reduiria la durada de les intervencions quirúrgiques. D'altra banda, les teràpies farmacològiques alteren les expressions iòniques associades a la excitabilitat i la refractaritat del teixit amb la finalitat de dificultar el manteniment de comportaments reentrants. Aquest tipus de teràpies exigeixen incrementar el coneixement dels mecanismes subjacents que expliquen el procés de reentrada i les seues propietats, la recerca d'aquests mecanismes permet definir les dianes terapèutiques que milloren l'eficàcia en l'extinció d'aquests comportaments. En aquesta tesi el modelatge matemàtic s'utilitza per a fer un pas important en la minimització de les limitacions associades a aquests tractaments. La cartografia elèctrica de superfície ha sigut testada, clínicament i amb simulacions matemàtiques com a tècnica de diagnòstic i localització de circuits macro-reentrants. L'anàlisi de mapes de fase obtinguts a partir dels registres multicanal de derivacions electrocardiogràfiques distribuïdes en la superfície del tors permet diferenciar diferents circuits de reentrada. És per açò que aquesta tècnica de registre i anàlisi es presenta com una eina per a la localització no invasiva de circuits macro i micro-reentrants. Una població de models matemàtics, dissenyada en aquesta tesi a partir dels registres dels potencials d'acció de 149 pacients, ha permès avaluar els mecanismes iònics que defineixen les propietats associades als processos de reentrada. Açò ha permès apuntar al bloqueig del corrent ICaL com a diana terapèutica. Aquesta s'associa a l'increment del moviment del nucli que facilita l'impacte del rotor amb altres fronts d'ona o obstacles extingint-se així el comportament reentrant. La variabilitat entre pacients reflectida en la població de models ha permès a més mostrar els mecanismes pels quals un mateix tractament pot mostrar efectes divergents, així l'ús de poblacions de models matemàtics permetrà prevenir efectes secundaris associats a la variabilitat entre pacients i aprofundir en el desenvolupament de teràpies individualitzades. Aquests treballs es fonamenten sobre una plataforma de simulació de electrofisiologia cardíaca basat en Unitats de Processament Gràfic (GPUs) i desenvolupada en aquesta tesi. La plataforma permet la simulació de models cel·lulars cardíacs així com de teixits o òrgans amb geometria realista, mostrant unes prestacions comparables amb les de les utilitzades per els grups de recerca més importants en aquesta área.Liberos Mascarell, A. (2016). Mathematical modeling approaches for the diagnosis and treatment of reentrant atrial tachyarrhythmias [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62166TESI

Personalized Multi-Scale Modeling of the Atria: Heterogeneities, Fiber Architecture, Hemodialysis and Ablation Therapy

This book targets three fields of computational multi-scale cardiac modeling. First, advanced models of the cellular atrial electrophysiology and fiber orientation are introduced. Second, novel methods to create patient-specific models of the atria are described. Third, applications of personalized models in basic research and clinical practice are presented. The results mark an important step towards the patient-specific model-based atrial fibrillation diagnosis, understanding and treatment

Modeling Human Atrial Patho-Electrophysiology from Ion Channels to ECG - Substrates, Pharmacology, Vulnerability, and P-Waves

Half of the patients suffering from atrial fibrillation (AF) cannot be treated adequately, today. This thesis presents multi-scale computational methods to advance our understanding of patho-mechanisms, to improve the diagnosis of patients harboring an arrhythmogenic substrate, and to tailor therapy. The modeling pipeline ranges from ion channels on the subcellular level up to the ECG on the body surface. The tailored therapeutic approaches carry the potential to reduce the burden of AF

Modeling Human Atrial Patho-Electrophysiology from Ion Channels to ECG - Substrates, Pharmacology, Vulnerability, and P-Waves

Half of the patients suffering from atrial fibrillation (AF) cannot be treated adequately, today. This book presents multi-scale computational methods to advance our understanding of patho-mechanisms, to improve the diagnosis of patients harboring an arrhythmogenic substrate, and to tailor therapy. The modeling pipeline ranges from ion channels on the subcellular level up to the ECG on the body surface. The tailored therapeutic approaches carry the potential to reduce the burden of AF

Modeling Human Atrial Patho-Electrophysiology from Ion Channels to ECG - Substrates, Pharmacology, Vulnerability, and P-Waves

Half of the patients suffering from atrial fibrillation (AF) cannot be treated adequately, today. This book presents multi-scale computational methods to advance our understanding of patho-mechanisms, to improve the diagnosis of patients harboring an arrhythmogenic substrate, and to tailor therapy. The modeling pipeline ranges from ion channels on the subcellular level up to the ECG on the body surface. The tailored therapeutic approaches carry the potential to reduce the burden of AF

Personalized Multi-Scale Modeling of the Atria: Heterogeneities, Fiber Architecture, Hemodialysis and Ablation Therapy

This book targets three fields of computational multi-scale cardiac modeling. First, advanced models of the cellular atrial electrophysiology and fiber orientation are introduced. Second, novel methods to create patient-specific models of the atria are described. Third, applications of personalized models in basic research and clinical practice are presented. The results mark an important step towards the patient-specific model-based atrial fibrillation diagnosis, understanding and treatment

A Computational Based Approach for Non-invasive Localization of Atrial ectopic foci

Las arritmias auriculares son las arritmias cardı́acas más comunes, afectan a seis millones de personas en Europa e imponen una enorme carga sanitaria en la sociedad. Las nuevas tecnologı́as médicas están ayudando a los electrofisiólogos a adaptar el tratamiento a cada paciente de diferentes maneras. Por ejemplo, la resonancia magnética (MRI) permite evaluar la distribución espacial de la fibrosis auricular; los mapas electroanatómicos (EAM) permiten obtener una caracterización eléctrica de los tejidos en tiempo real; Las imágenes electrocardiográficas (ECGI) permiten estudiar la actividad eléctrica cardı́aca de forma no invasiva; y la ablación por radiofrecuencia (RFA), permite eliminar el tejido patológico en el corazón que desencadena o mantiene una arritmia. A pesar del acceso a tecnologı́as avanzadas y de la existencia de guı́as clı́nicas bien desarrolladas para el tratamiento de las arritmias auriculares, las tasas de éxito del tratamiento a largo plazo siguen siendo bajas, debido a la complejidad de la enfermedad. Por lo tanto, existe una necesidad imperiosa de mejorar los resultados clı́nicos en beneficio de los pacientes y el sistema de salud. Se podrı́an emplear modelos biofı́sicos detallados de las aurı́culas y el torso para integrar todos los datos del paciente en un solo modelo 3D de referencia capaz de reproducir los complejos patrones de activación eléctrica observados en experimentos y la clı́nica. Sin embargo, existen algunas limitaciones relacionadas con la dificultad de construir tales modelos para cada paciente o realizar un número considerable de simulaciones para planificar la terapia óptima de RFA. Teniendo en cuenta todas esas limitaciones, proponemos utilizar modelos biofı́sicos detallados y simulaciones como una herramienta para entrenar sistemas de aprendizaje automático, para lo cual dispondrı́amos de todos los datos y variables del problema, que serı́an imposibles de obtener en un entorno clı́nico real. Por lo tanto, podemos realizar cientos de simulaciones electrofisiológicas, considerando una variedad de escenarios y patologı́as comunes, y entrenar un sistema que deberı́a ser capaz de reconocerlos a partir de un conjunto limitado de datos no invasivos del paciente, como un electrocardiograma (ECG), o mapa de potencial de superficie corporal (BSPM).Abstract Atrial arrhythmias are the most common cardiac arrhythmia, affecting six million people in Europe and imposing a huge healthcare bur- den on society. New technologies are helping electrophysiologists to tailor the treatment to each patient in different ways. For instance, magnetic resonance imaging (MRI) allows to assess the spatial distribution of atrial fibrosis; electro-anatomical maps (EAM) permit to obtain an electrical char- acterization of tissue in real-time; electrocardiographic imaging (ECGI) al- lows to study cardiac electrical activity non-invasively; and radiofrequency ablation (RFA), allows to eliminate pathological tissue in the heart that is triggering or sustaining an arrhythmia. Despite the access to advanced technologies and well-developed clinical guidelines for the management of atrial arrhythmia, long-term treatment success rates remain low, due to the complexity of the disease. Therefore, there is a compelling need to improve clinical outcomes for the benefit of patients and the healthcare system. Detailed biophysical models of the atria and torso could be employed to integrate all the patient data into a single reference 3D model able to re- produce the complex electrical activation patterns observed in experiments and clinics. However, there are some limitations related to the difficulty of building such models for each patient, or performing a substantial number of simulations to plan the optimal RFA therapy. Considering all those lim- itations, we propose to use detailed biophysical models and simulations as a tool to train machine learning systems, for which we have all the ground- truth data which would be impossible to obtain in a real clinical setting. Therefore, we can perform hundreds of electrophysiology simulations, con- sidering a variety of common scenarios and pathologies, and train a system that should be able to recognize them from a limited set of non-invasive pa- tient data, such as an electrocardiogram (ECG), or a body surface potential map (BSPM)

Multiscale Cohort Modeling of Atrial Electrophysiology : Risk Stratification for Atrial Fibrillation through Machine Learning on Electrocardiograms

Patienten mit Vorhofflimmern sind einem fünffach erhöhten Risiko für einen ischämischen Schlaganfall ausgesetzt. Eine frühzeitige Erkennung und Diagnose der Arrhythmie würde ein rechtzeitiges Eingreifen ermöglichen, um möglicherweise auftretende Begleiterkrankungen zu verhindern. Eine Vergrößerung des linken Vorhofs sowie fibrotisches Vorhofgewebe sind Risikomarker für Vorhofflimmern, da sie die notwendigen Voraussetzungen für die Aufrechterhaltung der chaotischen elektrischen Depolarisation im Vorhof erfüllen. Mithilfe von Techniken des maschinellen Lernens könnten Fibrose und eine Vergrößerung des linken Vorhofs basierend auf P Wellen des 12-Kanal Elektrokardiogramms im Sinusrhythmus automatisiert identifiziert werden. Dies könnte die Basis für eine nicht-invasive Risikostrat- ifizierung neu auftretender Vorhofflimmerepisoden bilden, um anfällige Patienten für ein präventives Screening auszuwählen. Zu diesem Zweck wurde untersucht, ob simulierte Vorhof-Elektrokardiogrammdaten, die dem klinischen Trainingssatz eines maschinellen Lernmodells hinzugefügt wurden, zu einer verbesserten Klassifizierung der oben genannten Krankheiten bei klinischen Daten beitra- gen könnten. Zwei virtuelle Kohorten, die durch anatomische und funktionelle Variabilität gekennzeichnet sind, wurden generiert und dienten als Grundlage für die Simulation großer P Wellen-Datensätze mit genau bestimmbaren Annotationen der zugrunde liegenden Patholo- gie. Auf diese Weise erfüllen die simulierten Daten die notwendigen Voraussetzungen für die Entwicklung eines Algorithmus für maschinelles Lernen, was sie von klinischen Daten unterscheidet, die normalerweise nicht in großer Zahl und in gleichmäßig verteilten Klassen vorliegen und deren Annotationen möglicherweise durch unzureichende Expertenannotierung beeinträchtigt sind. Für die Schätzung des Volumenanteils von linksatrialem fibrotischen Gewebe wurde ein merkmalsbasiertes neuronales Netz entwickelt. Im Vergleich zum Training des Modells mit nur klinischen Daten, führte das Training mit einem hybriden Datensatz zu einer Reduzierung des Fehlers von durchschnittlich 17,5 % fibrotischem Volumen auf 16,5 %, ausgewertet auf einem rein klinischen Testsatz. Ein Long Short-Term Memory Netzwerk, das für die Unterscheidung zwischen gesunden und P Wellen von vergrößerten linken Vorhöfen entwickelt wurde, lieferte eine Genauigkeit von 0,95 wenn es auf einem hybriden Datensatz trainiert wurde, von 0,91 wenn es nur auf klinischen Daten trainiert wurde, die alle mit 100 % Sicherheit annotiert wurden, und von 0,83 wenn es auf einem klinischen Datensatz trainiert wurde, der alle Signale unabhängig von der Sicherheit der Expertenannotation enthielt. In Anbetracht der Ergebnisse dieser Arbeit können Elektrokardiogrammdaten, die aus elektrophysiologischer Modellierung und Simulationen an virtuellen Patientenkohorten resul- tieren und relevante Variabilitätsaspekte abdecken, die mit realen Beobachtungen übereinstim- men, eine wertvolle Datenquelle zur Verbesserung der automatisierten Risikostratifizierung von Vorhofflimmern sein. Auf diese Weise kann den Nachteilen klinischer Datensätze für die Entwicklung von Modellen des maschinellen Lernens entgegengewirkt werden. Dies trägt letztendlich zu einer frühzeitigen Erkennung der Arrhythmie bei, was eine rechtzeitige Auswahl geeigneter Behandlungsstrategien ermöglicht und somit das Schlaganfallrisiko der betroffenen Patienten verringert