Formation of Intracardiac Electrograms under Physiological and Pathological Conditions

This work presents methods to advance electrophysiological simulations of intracardiac electrograms (IEGM). An experimental setup is introduced, which combines electrical measurements of extracellular potentials with a method for optical acquisition of the transmembrane voltage in-vitro. Thereby, intracardiac electrograms can be recorded under defined conditions. Using experimental and clinical signals, detailed simulations of IEGMs are parametrized, which can support clinical diagnosis

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

Apprentissage statistique pour la personnalisation de modèles cardiaques à partir de données d’imagerie

This thesis focuses on the calibration of an electromechanical model of the heart from patient-specific, image-based data; and on the related task of extracting the cardiac motion from 4D images. Long-term perspectives for personalized computer simulation of the cardiac function include aid to the diagnosis, aid to the planning of therapy and prevention of risks. To this end, we explore tools and possibilities offered by statistical learning. To personalize cardiac mechanics, we introduce an efficient framework coupling machine learning and an original statistical representation of shape & motion based on 3D+t currents. The method relies on a reduced mapping between the space of mechanical parameters and the space of cardiac motion. The second focus of the thesis is on cardiac motion tracking, a key processing step in the calibration pipeline, with an emphasis on quantification of uncertainty. We develop a generic sparse Bayesian model of image registration with three main contributions: an extended image similarity term, the automated tuning of registration parameters and uncertainty quantification. We propose an approximate inference scheme that is tractable on 4D clinical data. Finally, we wish to evaluate the quality of uncertainty estimates returned by the approximate inference scheme. We compare the predictions of the approximate scheme with those of an inference scheme developed on the grounds of reversible jump MCMC. We provide more insight into the theoretical properties of the sparse structured Bayesian model and into the empirical behaviour of both inference schemesCette thèse porte sur un problème de calibration d'un modèle électromécanique de cœur, personnalisé à partir de données d'imagerie médicale 3D+t ; et sur celui - en amont - de suivi du mouvement cardiaque. A cette fin, nous adoptons une méthodologie fondée sur l'apprentissage statistique. Pour la calibration du modèle mécanique, nous introduisons une méthode efficace mêlant apprentissage automatique et une description statistique originale du mouvement cardiaque utilisant la représentation des courants 3D+t. Notre approche repose sur la construction d'un modèle statistique réduit reliant l'espace des paramètres mécaniques à celui du mouvement cardiaque. L'extraction du mouvement à partir d'images médicales avec quantification d'incertitude apparaît essentielle pour cette calibration, et constitue l'objet de la seconde partie de cette thèse. Plus généralement, nous développons un modèle bayésien parcimonieux pour le problème de recalage d'images médicales. Notre contribution est triple et porte sur un modèle étendu de similarité entre images, sur l'ajustement automatique des paramètres du recalage et sur la quantification de l'incertitude. Nous proposons une technique rapide d'inférence gloutonne, applicable à des données cliniques 4D. Enfin, nous nous intéressons de plus près à la qualité des estimations d'incertitude fournies par le modèle. Nous comparons les prédictions du schéma d'inférence gloutonne avec celles données par une procédure d'inférence fidèle au modèle, que nous développons sur la base de techniques MCMC. Nous approfondissons les propriétés théoriques et empiriques du modèle bayésien parcimonieux et des deux schémas d'inférenc

Finite element simulations: computations and applications to aerodynamics and biomedicine.

171 p.Las ecuaciones en derivadas parciales describen muchos fenómenos de interés práctico y sus solucionessuelen necesitar correr simulaciones muy costosas en clústers de cálculo.En el ámbito de los flujos turbulentos, en particular, el coste de las simulaciones es demasiado grande sise utilizan métodos básicos, por eso es necesario modelizar el sistema.Esta tesis doctoral trata principalmente de dos temas en Cálculo Científico.Por un lado, estudiamos nuevos desarrollos en la modelización y simulación de flujos turbulentos;utilizamos un Método de Elementos Finitos adaptativo y un modelo de ¿número de Reynolds infinito¿para reducir el coste computacional de simulaciones que, sin estas modificaciones, serían demasiadocostosas.De esta manera conseguimos lograr simulaciones evolutivas de flujos turbulentos con número deReynolds muy grande, lo cual se considera uno de los mayores retos en aerodinámica.El otro pilar de esta tesis es una aplicación biomédica.Desarrollamos un modelo computacional de Ablación (Cardiaca) por Radiofrecuencia, una terapiacomún para tratar varias enfermedades, por ejemplo algunas arritmias.Nuestro modelo mejora los modelos existentes en varias maneras, y en particular en tratar de obteneruna aproximación fiel de la geometría del sistema, lo cual se descubre ser crítico para simularcorrectamente la física del fenómeno

Analyse des ondes P et T des signaux ECG à l'aide de méthodes Bayésienne

Cette thèse a pour objet l étude de méthodes Bayésiennes pour l analyse des ondes P et T des signaux ECG. Différents modèles statistiques et des méthodes Bayésiennes associées sont proposés afin de réaliser la détection des ondes P et T et leur caractérisation (détermination du sommet et des limites des ondes ainsi que l estimation des formes d onde). Ces modèles prennent en compte des lois a priori pour les paramètres inconnus (les positions des ondes, les amplitudes et les coefficients de ces formes d'onde) associés aux signaux ECG. Ces lois a priori sont ensuite combinées avec la vraisemblance des données observées pour fournir les lois a posteriori des paramètres inconnus. En raison de la complexité des lois a posteriori obtenues, des méthodes de Monte Carlo par Chaînes de Markov sont proposées pour générer des échantillons distribués asymptotiquement suivant les lois d intérêt. Ces échantillons sont ensuite utilisés pour approcher les estimateurs Bayésiens classiques (MAP ou MMSE). D'autre part, pour profiter de la nature séquentielle du signal ECG, un modèle dynamique est proposé. Une méthode d'inférence Bayésienne similaire à celle développée précédemment et des méthodes de Monte Carlo séquentielles (SMC) sont ensuite étudiées pour ce modèle dynamique. Dans la dernière partie de ce travail, deux modèles Bayésiens introduits dans cette thèse sont adaptés pour répondre à un sujet de recherche clinique spécifique appelé détection de l'alternance des ondes T. Une des approches proposées a servi comme outil d'analyse dans un projet en collaboration avec St. Jude Medical, Inc et l'hôpital de Rangueil à Toulouse, qui vise à évaluer prospectivement la faisabilité de la détection des alternances des ondes T dans les signaux intracardiaques.This thesis studies Bayesian estimation/detection algorithms for P and T wave analysis in ECG signals. In this work, different statistical models and associated Bayesian methods are proposed to solve simultaneously the P and T wave delineation task (determination of the positions of the peaks and boundaries of the individual waves) and the waveform-estimation problem. These models take into account appropriate prior distributions for the unknown parameters (wave locations and amplitudes, and waveform coefficients). These prior distributions are combined with the likelihood of the observed data to provide the posterior distribution of the unknown parameters. Due to the complexity of the resulting posterior distributions, Markov chain Monte Carlo algorithms are proposed for (sample-based) detection/estimation. On the other hand, to take full advantage of the sequential nature of the ECG, a dynamic model is proposed under a similar Bayesian framework. Sequential Monte Carlo methods (SMC) are also considered for delineation and waveform estimation. In the last part of the thesis, two Bayesian models introduced in this thesis are adapted to address a specific clinical research problem referred to as T wave alternans (TWA) detection. One of the proposed approaches has served as an efficient analysis tool in the Endocardial T wave Alternans Study (ETWAS) project in collaboration with St. Jude Medical, Inc and Toulouse Rangueil Hospital. This project was devoted to prospectively assess the feasibility of TWA detection in repolarisation on EGM stored in ICD memories.TOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF