Mapping of Atrial Fibrillation: Back to the Drawing Board

New high-resolution mapping approach for mapping of atrial fibrillation in patients during cardiac surgery and the discovery of asynchronous activation of the endocardial and epicardial layers of the atria during atrial fibrillation

Comparison of epicardial mapping and noncontact endocardial mapping in dog experiments and computer simulations

La fibrillation auriculaire, l'arythmie la plus fréquente en clinique, affecte 2.3 millions de patients en Amérique du Nord. Pour en étudier les mécanismes et les thérapies potentielles, des modèles animaux de fibrillation auriculaire ont été développés. La cartographie électrique épicardique à haute densité est une technique expérimentale bien établie pour suivre in vivo l'activité des oreillettes en réponse à une stimulation électrique, à du remodelage, à des arythmies ou à une modulation du système nerveux autonome. Dans les régions qui ne sont pas accessibles par cartographie épicardique, la cartographie endocardique sans contact réalisée à l'aide d'un cathéter en forme de ballon pourrait apporter une description plus complète de l'activité auriculaire. Dans cette étude, une expérience chez le chien a été conçue et analysée. Une reconstruction électro-anatomique, une cartographie épicardique (103 électrodes), une cartographie endocardique sans contact (2048 électrodes virtuelles calculées à partir un cathéter en forme de ballon avec 64 canaux) et des enregistrements endocardiques avec contact direct ont été réalisés simultanément. Les systèmes d'enregistrement ont été également simulés dans un modèle mathématique d'une oreillette droite de chien. Dans les simulations et les expériences (après la suppression du nœud atrio-ventriculaire), des cartes d'activation ont été calculées pendant le rythme sinusal. La repolarisation a été évaluée en mesurant l'aire sous l'onde T auriculaire (ATa) qui est un marqueur de gradient de repolarisation. Les résultats montrent un coefficient de corrélation épicardique-endocardique de 0.8 (expérience) and 0.96 (simulation) entre les cartes d'activation, et un coefficient de corrélation de 0.57 (expérience) and 0.92 (simulation) entre les valeurs de ATa. La cartographie endocardique sans contact apparait comme un instrument expérimental utile pour extraire de l'information en dehors des régions couvertes par les plaques d'enregistrement épicardique.Atrial fibrillation is the most common clinical arrhythmia currently affecting 2.3 million patients in North America. To study its mechanisms and potential therapies, animal models of atrial fibrillation have been developed. Epicardial high-density electrical mapping is a well-established experimental instrument to monitor in vivo the activity of the atria in response to pacing, remodeling, arrhythmias and modulation of the autonomic nervous system. In regions that are not accessible by epicardial mapping, noncontact endocardial mapping performed through a balloon catheter may provide a more comprehensive description of atrial activity. In this study, a dog experiment was designed and analyzed in which electroanatomical reconstruction, epicardial mapping (103 electrodes), noncontact endocardial mapping (2048 virtual electrodes computed from a 64-channel balloon catheter), and direct-contact endocardial catheter recordings were simultaneously performed. The recording system was also simulated in a computer model of the canine right atrium. For simulations and experiments (after atrio-ventricular node suppression), activation maps were computed during sinus rhythm. Repolarization was assessed by measuring the area under the atrial T wave (ATa), a marker of repolarization gradients. Results showed an epicardial endocardial correlation coefficient of 0.8 (experiment) and 0.96 (simulation) between activation times, and a correlation coefficient of 0.57 (experiment) and 0.92 (simulation) between ATa values. Noncontact mapping appears to be a valuable experimental device to retrieve information outside the regions covered by epicardial recording plaques

Doctor of Philosophy

dissertationAtrial fibrillation (AF) is the leading cause of ischemic stroke and is the most commonly observed arrhythmia in clinical cardiology. Catheter ablation of AF, in which specific regions of cardiac anatomy associated with AF are intenionally injured to create scar tissue, has been honed over the last 15 years to become a relatively common and safe treatment option. However, the success of these anatomically driven ablation strategies, particularly in hearts that have been exposed to AF for extended periods, remains poor. AF induces changes in the electrical and structural properties of the cardiac tissue that further promotes the permanence of AF. In a process known as electroanatomical (EAM) mapping, clinicians record time signals known as electrograms (EGMs) from the heart and the locations of the recording sites to create geometric representations, or maps, of the electrophysiological properties of the heart. Analysis of the maps and the individual EGM morphologies can indicate regions of abnormal tissue, or substrates that facilitate arrhythmogenesis and AF perpetuation. Despite this progress, limitations in the control of devices currently used for EAM acquisition and reliance on suboptimal metrics of tissue viability appear to be hindering the potential of treatment guided by substrate mapping. In this research, we used computational models of cardiac excitation to evaluate param- eters of EAM that affect the performance of substrate mapping. These models, which have been validated with experimental and clinical studies, have yielded new insights into the limitations of current mapping systems, but more importantly, they guided us to develop new systems and metrics for robust substrate mapping. We report here on the progress in these simulation studies and on novel measurement approaches that have the potential to improve the robustness and precision of EAM in patients with arrhythmias. Appropriate detection of proarrhythmic substrates promises to improve ablation of AF beyond rudimentary destruction of anatomical targets to directed targeting of complicit tissues. Targeted treatment of AF sustaining tissues, based on the substrate mapping approaches described in this dissertation, has the potential to improve upon the efficacy of current AF treatment options

Rotor detection in atrial fibrillation

Atrial fibrillation (AF) is one of the most common arrhythmias in the clinical practice. Catheter ablation method was developed more than 20 years ago as an approach to terminate this rhythm disorder. Since its outbreak, this technique obtained international acceptance among the clinicians, and technological advances in this field increased its safety while reducing the procedure duration. However, there is no perfect AF treatment procedure described yet, since the understanding of the driving and sustaining AF mechanisms remains poor, with pulmonary vein isolation being the most common ablation strategy. Several theories try to explain the initiating and maintenance mechanisms of the AF, ranging from multiple wavelets propagating at random in the atria to ectopic focus fired from the pulmonary veins. Alternatively, spatiotemporal stable sources (rotors) have been proposed as the maintenance mechanism of AF. The most representative characteristic of a rotor is the re-entry spiral-like propagation pattern that the electrical wavefront exhibits as it propagates. The assessment of its presence and posterior ablation of the sites where rotors anchor might improve the success of AF ablation. Technical solutions emerged focusing on the rotor assessment problem. They base their methods on the reconstruction of the atrial activity using multi-electrode catheters and phase maps, in which they detect singularity points, the sites where rotors spin. The ablation of these sites showed promising results, but the difficulty to reproduce the results by other authors increased the controversy on this technique. In this Thesis we address the rotor detection problem in the time domain as opposed to current methods based on the phase domain of the signals. We develop a new method to identify local activation times (LATs) in unipolar electrograms (EGMs) recorded with multi-electrode catheters. We propose a new filtering scheme to enhance the activation component of the EGM while considerably reducing the presence of noise in the signal. This signal processing method reects the real activity of the tissue in contact with the electrode. It opposes the Hilbert transform (HT) used to extract the phase component of the signal, that do not correlate well with the temporal activations. With the EGM LATs we perform a spatial interpolation translating the electrode positions of the catheter into a regular 2D grid. This way we generate isochronal maps revealing the electrical wavefronts in the atrium. What is more, this step guarantees compatibility with multi-electrode catheters, not restricting the method to specific models. With the isochronal maps, we develop a new rotor detection algorithm based on the optical flow of the wavefront dynamics, and a rotation pattern match. Additionally, we develop a new method based on Granger's causality to estimate the directionality of the wavefronts, that provides an additional indicator for rotational patterns. We validate the methods using in silico and real AF signals. We implement these methods into a system that can assess the presence of rotational activation sites in the atrium. Our system is able to operate in realtime with multi-electrode catheters of different topologies in contact with the atrial wall. We integrate signal acquisition and processing in our system, allowing direct acquisition of the signals without requiring signal exportation from a recording device, which delays the clinical procedure. We address the computational time handicap by designing parallelizable signal processing steps. We employ multi-core processors and GPU based code to distribute the computations and minimize the processing times, achieving near real-time results. The results presented in this Thesis provide a new technical solution to detect the presence of rotational activity (rotors) in AF patients in real-time. Although the presence of rotational activity is itself controversial, we individually validate each of the steps of the procedure and obtain evidence of the presence of rotational activity in AF patients. The system has been also found useful to characterize the atrial sites where rotational activity was found in terms of spatial and voltage distribution. The results of this Thesis provide a new alternative to existing methods based on phase analysis and open a new research line in the detection of the mechanisms sustaining AF.La fibrilación auricular (FA) es una de las arritmias más comunes en la práctica clínica. Para tratar de terminar esta fibrilación en pacientes se desarrollo el método de ablación con catéter hace ya más de 20 años. Desde su puesta en marchar esta técnica ha ido ganando aceptación internacional por parte de la comunidad médica, y los avances tecnológicos desarrollados en esta línea han aumentado la seguridad y disminuido la duración del procedimiento. Sin embargo todavía no existe un tratamiento perfecto para tratar la FA, debido en parte a que el conocimiento de los mecanismos que inician y sostienen la fibrilación son limitados. Como método de ablación el aislamiento de las venas pulmonares prevalece como el más empleado en la práctica, pero se hace necesario el desarrollo de nuevos métodos para hacer frente al problema de la FA. Distintas teorías tratan de explicar los mecanismos de inicio y mantenimiento de la FA, desde unas basadas en la propagación de múltiples frentes de onda aleatorios en las aurículas, hasta las que basan su hipótesis en focos ectópicos disparados principalmente desde las venas pulmonares, entre otras teorías. Recientemente, una de estas teorías basada en fuentes espacio-temporalmente estables (rotores) se propuso como mecanismo de mantenimiento de la FA. La característica más representativa de un rotor es su patrón de reentrada en forma de espiral que realiza el frente de onda eléctrico en el tejido auricular. La evaluación de la presencia de rotores y la posterior de los sitios en los que se encuentren puede mejorar el éxito de la ablación en pacientes con FA. En vista de esta tendencia por la búsqueda de rotores se desarrollaron soluciones técnicas para la evaluación de zonas que alberguen actividad rotacional. Sus técnicas se basan en la reconstrucción de la actividad auricular empleando catéteres multi-electrodo y detectando puntos de singularidad en mapas de phase, esto es la posición en la aurícula en la que el rotor gira. La ablación de estos puntos mostró resultados prometedores, pero la dificultad por replicar los resultados por parte de otros autores incremento la controversia con respecto a esta técnica. En esta Tesis abordamos el problema de la detección de rotores en el dominio del tiempo, oponiéndonos a las técnicas actuales basadas en el dominio de la fase de las señales. Para ello hemos desarrollado un nuevo para identificar tiempos de activación local en electrogramas unipolares registrados con catéteres multi-electrodo. Para ello proponemos un nuevo método de filtrado para realzar la activación del electrograma reduciendo considerablemente la presencia de ruido en la señal. Con este procesado de la señal extraemos y reflejamos la actividad real del tejido en contacto con el electrodo. Al mismo tiempo nos oponemos a la transformada de Hilbert empleada para calcular la componente de fase de la señal, que es sabido no tiene una buena correlación con las activaciones temporales. Con los electrogramas y los tiempos de activación locales aplicamos una interpolación espacial logrando trasladar la posición de los electrodos en el catéter a una rejilla regular en 2D. Mediante este paso generamos mapas isócronos que reconstruyen los frentes de onda eléctricos que se propagan en la aurícula. Además, la interpolación nos permite garantizar una compatibilidad con otros catéteres multi-electrodos, no restringiendo el uso de nuestro método a modelos específicos. Con los mapas isócronos hemos desarrollado un nuevo algoritmo de detección de rotores basado en el flujo óptico de la dinámica del frente de onda que hacemos coincidir con un patrón de rotación. Adicionalmente hemos desarrollado un nuevo método basad en la causalidad propuesta por Granger para estimar la dirección de los frentes de propagación, que sirve como indicador adicional para encontrar patrones de activación rotacional. Hemos validado todos y cada uno de los métodos empleando señales in silico así como señales reales de pacientes con FA. En la parte de aplicación, hemos implementado los métodos en un sistema que evalúa la presencia de actividad rotacional en la aurícula. Nuestro sistema opera en tiempo real siendo compatible con catéteres multi-electrodo de diferentes topologías asegurando contacto con la pared auricular. Para evitar sobreextender el procedimiento clínico, hemos integrado las partes de adquisición y procesado de señal conjuntamente, lo que nos permite un registro de las señales directo sin viii necesidad de requerir un exportado adicional desde un sistema de registro. Para hacer frente al objetivo de presentar los resultados en tiempo real hemos diseñado todos los pasos de procesado de señal para que sean paralelizables. Para ello empleamos procesadores multinúcleo y código para ejecutar en tarjetas gráficas (GPUs) para distribuir las computaciones y minimizar el tiempo de procesado, logrando resultados en quasi tiempo real. Hemos empleado el sistema de detección de rotores para estudiar la distribución espacial y de voltaje de los sitios que muestran actividad rotacional en la aurícula. Aunque la presencia de actividad rotacional es en sí misma controvertida, hemos validad individualmente todos y cada uno de los pasos descritos obteniendo evidencia de la presencia de actividad rotacional en pacientes con FA.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y ComunicacionesPresidente: Pablo Laguna Lasaosa.- Secretario: Pablo Martínez Olmos.- Vocal: Batiste Andreu Martínez Climen

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

Mapping of the electrical activity of human atria. Multiscale modelling and simulations

La fibrilación auricular es una de las arritmias cardíacas más comunes observadas en la práctica clínica. Por lo tanto, es de vital importancia desarrollar nuevas tecnologías destinadas a diagnosticar y acabar con este tipo de arritmia, para mejorar la calidad de vida de los pacientes y reducir los costes de los sistemas nacionales de salud. En los últimos años ha aumentado el uso de las nuevas técnicas de mapeo auricular, basadas en sistemas multi-electrodo para mapear la actividad eléctrica en humanos. Dichas técnicas permiten localizar y ablacionar los impulsores de la fibrilación auricular, como son las fuentes focales o los rotores. Sin embargo, todavía existe incertidumbre sobre su precisión y los procedimientos experimentales para su análisis están limitados debido a su carácter invasivo. Por lo tanto, las simulaciones computacionales son una herramienta muy útil para superar estas limitaciones, al permitir reproducir con fidelidad las observaciones experimentales, dividir el problema bajo estudio en sub-estudios más simples, y realizar investigaciones preliminares imposibles de llevar a cabo en el práctica clínica. Esta tesis doctoral se centra en el análisis de la precisión de los sistemas de mapeo multi-electrodo a través de modelos y simulaciones computacionales. Para ello, desarrollamos modelos realistas multi-escala con el objetivo de simular actividad eléctrica auricular reentrante, en primer lugar en una lámina de tejido auricular, y en segundo lugar en las aurículas completas. Posteriormente, analizamos los efectos de las configuraciones geométricas multi-electrodo en la precisión de la localización de los rotores, mediante el uso de agrupaciones multi-electrodo con distancias inter-electrodo equidistantes, así como a través de catéteres de tipo basket con distancias inter-electrodo no equidistantes. Después de calcular los electrogramas unipolares intracavitarios, realizamos mapas de fase, detecciones de singularidad de fase para rastrear los rotores, y mapas de frecuencia dominantes. Finalmente, descubrimos que la precisión de los sistemas de mapeo multi-electrodo depende de su posición dentro de la cavidad auricular, de la distancia entre los electrodos y el tejido, de la distancia inter-electrodo, y de la contribución de las fuentes de campo lejano. Además, como consecuencia de estos factores que pueden afectar a la precisión de los sistemas de mapeo multi-electrodo, observamos la aparición de rotores falsos que podrían contribuir al fracaso de los procesos de ablación de la fibrilación auricular.Atrial fibrillation is one of the most common cardiac arrhythmias seen in clinical practice. Therefore, it is of vital importance to develop new technologies aimed at diagnosing and terminating this kind of arrhythmia, to improve the quality of life of patients and to reduce costs to national health systems. In the last years, new atrial mapping techniques based on multi-electrode systems are increasingly being used to map the atrial electrical activity in humans and localise and target atrial fibrillation drivers in the form of focal sources or rotors. However, significant concerns remain about their accuracy and experimental approaches to analyse them are limited due to their invasive character. Therefore, computer simulations are a helpful tool to overcome these limitations since they can reproduce with fidelity experimental observations, permit to split the problem to treat into more simple substudies, and allow the possibility of performing preliminary investigations impossible to carry out in the clinical practice. This PhD thesis is focused on the analysis for accuracy of the multielectrode mapping systems through computational models and simulations. For this purpose, we developed realistic multiscale models in order to simulate atrial electrical reentrant activity, first in a sheet of atrial tissue and, then, in the whole atria. Then, we analysed the effects of the multi-electrode geometrical configurations on the accuracy of localizing rotors, by using multi-electrode arrays with equidistant inter-electrode distances, as well as multi-electrode basket catheters with non-equidistant inter-electrode distances. After computing the intracavitary unipolar electrograms, we performed phase maps, phase singularity detections to track rotors, and dominant frequency maps. We finally found out that the accuracy of multi-electrode mapping systems depends on their position inside the atrial cavity, the electrode-to-tissue distance, the inter-electrode distance, and the contribution of far field sources. Furthermore, as a consequence of these factors, false rotors might appear and could contribute to failure of atrial fibrillation ablation procedures.La fibril·lació auricular és una de les arítmies cardíaques més comuns observades en la pràctica clínica. Per tant, és de vital importància desenvolupar noves tecnologies destinades a diagnosticar i acabar amb aquest tipus d'arítmia, per tal de millorar la qualitat de vida dels pacients i reduir els costos dels sistemes nacionals de salut. En els últims anys, ha augmentat l'ús de les noves tècniques de mapeig auricular, basades en sistemes multielèctrode per a mapejar l'activitat elèctrica auricular en humans. Aquestes tècniques permeten localitzar i ablacionar els impulsors de la fibril·lació auricular, com són les fonts focals o els rotors. No obstant això, encara hi ha incertesa sobre la seua precisió i els procediments experimentals per al seu anàlisi estan limitats a causa del seu caràcter invasiu. Per tant, les simulacions computacionals són una eina molt útil per a superar aquestes limitacions, en permetre reproduir amb fidelitat les observacions experimentals, dividir el problema sota estudi en subestudis més simples, i realitzar investigacions preliminars impossibles de dur a terme en el pràctica clínica. Aquesta tesi doctoral es centra en l'anàlisi de la precisió del sistemes de mapeig multielèctrode mitjançant els models i les simulacions computacionals. Per a això, desenvolupàrem models realistes multiescala per tal de simular activitat elèctrica auricular reentrant, en primer lloc en una làmina de teixit auricular, i en segon lloc a les aurícules completes. Posteriorment, analitzàrem els efectes de les configuracions geomètriques multielèctrode en la precisió de la localització dels rotors, mitjançant l'ús d'agrupacions multielèctrode amb distàncies interelèctrode equidistants, així com catèters de tipus basket amb distàncies interelèctrode no equidistants. Després de calcular els electrogrames unipolars intracavitaris, vam realitzar mapes de fase, deteccions de singularitat de fase per a rastrejar els rotors, i mapes de freqüència dominants. Finalment, vam descobrir que la precisió dels sistemes de mapeig multielèctrode depèn de la seua posició dins de la cavitat auricular, de la distància entre els elèctrodes i el teixit, de la distància interelèctrode, i de la contribució de les fonts de camp llunyà. A més, com a conseqüència d'aquests factors, es va observar l'aparició de rotors falsos que podrien contribuir al fracàs de l'ablació de la fibril·lació auricular.Martínez Mateu, L. (2018). Mapping of the electrical activity of human atria. Multiscale modelling and simulations [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/104604TESI