Cardiac anisotropy in boundary-element models for the electrocardiogram

The boundary-element method (BEM) is widely used for electrocardiogram (ECG) simulation. Its major disadvantage is its perceived inability to deal with the anisotropic electric conductivity of the myocardial interstitium, which led researchers to represent only intracellular anisotropy or neglect anisotropy altogether. We computed ECGs with a BEM model based on dipole sources that accounted for a “compound” anisotropy ratio. The ECGs were compared with those computed by a finite-difference model, in which intracellular and interstitial anisotropy could be represented without compromise. For a given set of conductivities, we always found a compound anisotropy value that led to acceptable differences between BEM and finite-difference results. In contrast, a fully isotropic model produced unacceptably large differences. A model that accounted only for intracellular anisotropy showed intermediate performance. We conclude that using a compound anisotropy ratio allows BEM-based ECG models to more accurately represent both anisotropies

Numerical simulation of electrocardiograms for full cardiac cycles in healthy and pathological conditions

This work is dedicated to the simulation of full cycles of the electrical activity of the heart and the corresponding body surface potential. The model is based on a realistic torso and heart anatomy, including ventricles and atria. One of the specificities of our approach is to model the atria as a surface, which is the kind of data typically provided by medical imaging for thin volumes. The bidomain equations are considered in their usual formulation in the ventricles, and in a surface formulation on the atria. Two ionic models are used: the Courtemanche-Ramirez-Nattel model on the atria, and the "Minimal model for human Ventricular action potentials" (MV) by Bueno-Orovio, Cherry and Fenton in the ventricles. The heart is weakly coupled to the torso by a Robin boundary condition based on a resistor- capacitor transmission condition. Various ECGs are simulated in healthy and pathological conditions (left and right bundle branch blocks, Bachmann's bundle block, Wolff-Parkinson-White syndrome). To assess the numerical ECGs, we use several qualitative and quantitative criteria found in the medical literature. Our simulator can also be used to generate the signals measured by a vest of electrodes. This capability is illustrated at the end of the article

Assessment of the equivalent dipole layer source model in the reconstruction of cardiac activation times on the basis of BSPMs produced by an anisotropic model of the heart

Contains fulltext : 191955.pdf (Publisher’s version ) (Open Access

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

Comparison of Propagation Models and Forward Calculation Methods on Cellular, Tissue and Organ Scale Atrial Electrophysiology

The bidomain model and the finite element method are an established standard to mathematically describe cardiac electrophysiology, but are both suboptimal choices for fast and large-scale simulations due to high computational costs. We investigate to what extent simplified approaches for propagation models (monodomain, reaction-Eikonal and Eikonal) and forward calculation (boundary element and infinite volume conductor) deliver markedly accelerated, yet physiologically accurate simulation results in atrial electrophysiology. Methods: We compared action potential durations, local activation times (LATs), and electrocardiograms (ECGs) for sinus rhythm simulations on healthy and fibrotically infiltrated atrial models. Results: All simplified model solutions yielded LATs and P waves in accurate accordance with the bidomain results. Only for the Eikonal model with pre-computed action potential templates shifted in time to derive transmembrane voltages, repolarization behavior notably deviated from the bidomain results. ECGs calculated with the boundary element method were characterized by correlation coefficients >0.9 compared to the finite element method. The infinite volume conductor method led to lower correlation coefficients caused predominantly by systematic overestimations of P wave amplitudes in the precordial leads. Conclusion: Our results demonstrate that the Eikonal model yields accurate LATs and combined with the boundary element method precise ECGs compared to markedly more expensive full bidomain simulations. However, for an accurate representation of atrial repolarization dynamics, diffusion terms must be accounted for in simplified models. Significance: Simulations of atrial LATs and ECGs can be notably accelerated to clinically feasible time frames at high accuracy by resorting to the Eikonal and boundary element methods