Arrhythmia Mechanism and Scaling Effect on the Spectral Properties of Electroanatomical Maps with Manifold Harmonics

[EN] Introduction: Spatial and temporal processing of intracardiac electrograms provides relevant information to support the arrhythmia ablation during electrophysio-logical studies. Current cardiac navigation systems (CNS) and electrocardiographic imaging (ECGI) build detailed 3-D electroanatomical maps (EAM), which represent the spatial anatomical distribution of bioelectrical features, such as activation time or voltage. Objective: We present a principled methodology for spectral analysis of both EAM geometry and bioelectrical feature in CNS or ECGI, including their spectral representation, cutoff frequency, or spatial sampling rate (SSR). Methods: Existing manifold harmonic techniques for spectral mesh analysis are adapted to account for a fourth dimension, corresponding to the EAM bioelectrical feature. Appropriate scaling is required to address different magnitudes and units. Results: With our approach, simulated and real EAM showed strong SSR dependence on both the arrhythmia mechanism and the cardiac anatomical shape. For instance, high frequencies increased significantly the SSR because of the "early-meets-late" in flutter EAM, compared with the sinus rhythm. Besides, higher frequency components were obtained for the left atrium (more complex anatomy) than for the right atrium in sinus rhythm. Conclusion: The proposed manifold harmonics methodology opens the field toward new signal processing tools for principled EAM spatiofeature analysis in CNS and ECGI, and to an improved knowledge on arrhythmia mechanisms.This work was partly supported by Spanish Research Projects TEC2013-48439-C4-1-R, TEC2016-75361-R, and TEC2016-75161-C2-1-4.Sanroman-Junquera, M.; Mora-Jimenez, I.; Garcia-Alberola, A.; Caamano, AJ.; Trénor Gomis, BA.; Rojo-Alvarez, JL. (2018). Arrhythmia Mechanism and Scaling Effect on the Spectral Properties of Electroanatomical Maps with Manifold Harmonics. IEEE Transactions on Biomedical Engineering (Online). 65(4):723-732. https://doi.org/10.1109/TBME.2017.2716189S72373265

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

Characterizing Cardiac Electrophysiology during Radiofrequency Ablation : An Integrative Ex vivo, In silico, and In vivo Approach

Catheter ablation is a major treatment for atrial tachycardias. Hereby, the precise monitoring of the lesion formation is an important success factor. This book presents computational, wet-lab, and clinical studies with the aim of evaluating the signal characteristics of the intracardiac electrograms (IEGMs) recorded around ablation lesions from different perspectives. The detailed analysis of the IEGMs can optimize the description of durable and complex lesions during the ablation procedure

Analysis of Atrial Electrograms

This work provides methods to measure and analyze features of atrial electrograms - especially complex fractionated atrial electrograms (CFAEs) - mathematically. Automated classification of CFAEs into clinical meaningful classes is applied and the newly gained electrogram information is visualized on patient specific 3D models of the atria. Clinical applications of the presented methods showed that quantitative measures of CFAEs reveal beneficial information about the underlying arrhythmia

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