Evaluating and comparing performance of feature combinations of heart rate variability measures for cardiac rhythm classification

Abstract Automatic classification of cardiac arrhythmias using heart rate variability (HRV) analysis has been an important research topic in recent years. Explorations reveal that various HRV feature combinations can provide highly accurate models for some rhythm disorders. However, the proposed feature combinations lack a direct and carefully designed comparison. The goal of this work is to assess the various HRV feature combinations in classification of cardiac arrhythmias. In this setting, a total of 56 known HRV features are grouped in eight feature combinations. We evaluate and compare the combinations on a difficult problem of automatic classification between nine types of cardiac rhythms using three classification algorithms: support vector machines, AdaBoosted C4.5, and random forest. The effect of analyzed segment length on classification accuracy is also examined. The results demonstrate that there are three combinations that stand out the most, with total classification accuracy of roughly 85% on time segments of 20 seconds duration. A simple combination of time domain features is shown to be comparable to the more informed combinations, with only 1-4% worse results on average than the three best ones. Random forest and AdaBoosted C4.5 are shown to be comparably accurate, while support vector machines was less accurate (4-5%) on this problem. We conclude that the nonlinear features exhibit only a minor influence on the overall accuracy in discerning different arrhythmias. The analysis also shows that reasonably accurate arrhythmia classification lies in the range of 10 to 40 seconds, with a peak at 20 seconds, and a significant drop after 40 seconds

Morphological Variability Analysis of Physiologic Waveform for Prediction and Detection of Diseases

For many years it has been known that variability of the morphology of high-resolution (∼30-1000 Hz) physiological time series data provides additional prognostic value over lower resolution (≤ 1Hz) derived averages such as heart rate (HR), breathing rate (BR) and blood pressure (BP). However, the field has remained rather ad hoc, based on hand-crafted features. Using a model-based approach we explore the nature of these features and their sensitivity to variabilities introduced by changes in both the sampling period (HR) and observational reference frame (through breathing). HR and BR are determined as having a statistically significant confounding effect on the morphological variability (MV) evaluated in high-resolution physiological time series data, thus an important gap is identified in previous studies that ignored the effects of HR and BR when measuring MV. We build a best-in-class open-source toolbox for exploring MV that accounts for the confounding factors of HR and BR. We demonstrate the toolbox’s utility in three domains on three different signals: arterial BP in sepsis; photoplethysmogram in coarctation of the aorta; and electrocardiogram (ECG) in post-traumatic stress disorder (PTSD). In each of the three case studies, incorporating features that capture MV while controlling for BR and/or HR improved disease classification performance compared to previously established methods that used features from lower resolution time series data. Using the PTSD example, we then introduce a deep learning approach that significantly improves our ability to identify the effects of PTSD on ECG morphology. In particular, we show that pre-training the algorithm on a database of over 70,000 ECGs containing a set of 25 rhythms, allowed us to boost performance from an area under the receiver operating characteristic curve (AUROC) of 0.61 to 0.85. This novel approach to identifying morphology indicates that there is much more to morphological variability during stressful PTSD-related events than the simple periodic modulation of the T-wave amplitude. This research indicates that future work should focus on identifying the etiology of the dynamic features in the ECG that provided such a large boost in performance, since this may reveal novel underlying mechanisms of the influence of PTSD on the myocardium.Ph.D

Detection of atrial fibrillation episodes in long-term heart rhythm signals using a support vector machine

Atrial fibrillation (AF) is a serious heart arrhythmia leading to a significant increase of the risk for occurrence of ischemic stroke. Clinically, the AF episode is recognized in an electrocardiogram. However, detection of asymptomatic AF, which requires a long-term monitoring, is more efficient when based on irregularity of beat-to-beat intervals estimated by the heart rate (HR) features. Automated classification of heartbeats into AF and non-AF by means of the Lagrangian Support Vector Machine has been proposed. The classifier input vector consisted of sixteen features, including four coefficients very sensitive to beat-to-beat heart changes, taken from the fetal heart rate analysis in perinatal medicine. Effectiveness of the proposed classifier has been verified on the MIT-BIH Atrial Fibrillation Database. Designing of the LSVM classifier using very large number of feature vectors requires extreme computational efforts. Therefore, an original approach has been proposed to determine a training set of the smallest possible size that still would guarantee a high quality of AF detection. It enables to obtain satisfactory results using only 1.39% of all heartbeats as the training data. Post-processing stage based on aggregation of classified heartbeats into AF episodes has been applied to provide more reliable information on patient risk. Results obtained during the testing phase showed the sensitivity of 98.94%, positive predictive value of 98.39%, and classification accuracy of 98.86%.Web of Science203art. no. 76

Optimal Multi-Stage Arrhythmia Classification Approach

Arrhythmia constitutes a problem with the rate or rhythm of the heartbeat, and an early diagnosis is essential for the timely inception of successful treatment. We have jointly optimized the entire multi-stage arrhythmia classification scheme based on 12-lead surface ECGs that attains the accuracy performance level of professional cardiologists. The new approach is comprised of a three-step noise reduction stage, a novel feature extraction method and an optimal classification model with finely tuned hyperparameters. We carried out an exhaustive study comparing thousands of competing classification algorithms that were trained on our proprietary, large and expertly labeled dataset consisting of 12-lead ECGs from 40,258 patients with four arrhythmia classes: atrial fibrillation, general supraventricular tachycardia, sinus bradycardia and sinus rhythm including sinus irregularity rhythm. Our results show that the optimal approach consisted of Low Band Pass filter, Robust LOESS, Non Local Means smoothing, a proprietary feature extraction method based on percentiles of the empirical distribution of ratios of interval lengths and magnitudes of peaks and valleys, and Extreme Gradient Boosting Tree classifier, achieved an F1-Score of 0.988 on patients without additional cardiac conditions. The same noise reduction and feature extraction methods combined with Gradient Boosting Tree classifier achieved an F1-Score of 0.97 on patients with additional cardiac conditions. Our method achieved the highest classification accuracy (average 10-fold cross-validation F1-Score of 0.992) using an external validation data, MIT-BIH arrhythmia database. The proposed optimal multi-stage arrhythmia classification approach can dramatically benefit automatic ECG data analysis by providing cardiologist level accuracy and robust compatibility with various ECG data sources

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

Quantification and classification of potassium and calcium disorders with the electrocardiogram: What do clinical studies, modeling, and reconstruction tell us?

Diseases caused by alterations of ionic concentrations are frequently observed challenges and play an important role in clinical practice. The clinically established method for the diagnosis of electrolyte concentration imbalance is blood tests. A rapid and non-invasive point-of-care method is yet needed. The electrocardiogram (ECG) could meet this need and becomes an established diagnostic tool allowing home monitoring of the electrolyte concentration also by wearable devices. In this review, we present the current state of potassium and calcium concentration monitoring using the ECG and summarize results from previous work. Selected clinical studies are presented, supporting or questioning the use of the ECG for the monitoring of electrolyte concentration imbalances. Differences in the findings from automatic monitoring studies are discussed, and current studies utilizing machine learning are presented demonstrating the potential of the deep learning approach. Furthermore, we demonstrate the potential of computational modeling approaches to gain insight into the mechanisms of relevant clinical findings and as a tool to obtain synthetic data for methodical improvements in monitoring approaches

Electrocardiogram pattern recognition and analysis based on artificial neural networks and support vector machines: a review.

Computer systems for Electrocardiogram (ECG) analysis support the clinician in tedious tasks (e.g., Holter ECG monitored in Intensive Care Units) or in prompt detection of dangerous events (e.g., ventricular fibrillation). Together with clinical applications (arrhythmia detection and heart rate variability analysis), ECG is currently being investigated in biometrics (human identification), an emerging area receiving increasing attention. Methodologies for clinical applications can have both differences and similarities with respect to biometrics. This paper reviews methods of ECG processing from a pattern recognition perspective. In particular, we focus on features commonly used for heartbeat classification. Considering the vast literature in the field and the limited space of this review, we dedicated a detailed discussion only to a few classifiers (Artificial Neural Networks and Support Vector Machines) because of their popularity; however, other techniques such as Hidden Markov Models and Kalman Filtering will be also mentioned

Quantitative analysis of smartphone PPG data for heart monitoring

The field of app-based PPG monitoring of cardiac activity is promising, yet classification of heart rhythms in normal sinus rhythm (NSR) or atrial fibrillation (Afib) is difficult in the case of noisy measurements. In this work, we aim at characterizing a dataset of 1572 subjects, whose signals have been crowdsourced by collecting measurements via a dedicated smartphone app, using the embedded camera. We evaluate the distributions of three features of our signals: the peak area, amplitude and the time interval between two successive pulses. We evaluate if some factors affected the distributions, discovering that the strongest effects are for age and BMI groupings. We evaluate the results agreement between the R G B channels of acquisition, finding good agreement between the first two. After finding signal quality indexes in literature, we use a subset of them in a classification task, combined with dynamic time warping distance, a technique that matches a signal to a template. We achieve an accuracy of 89% on the test set, for binary quality classification. On the chaotic temporal series we evaluate the appearance of different types of rhythms on Poincaré plots and we quantify the results by a measure of their 3D spread. We perform this on a set of 20 subjects, 10 NSR and 10 Afib, finding significant differences between their 3D morphologies. We extend our analysis to the larger dataset, obtaining some significant results

A Deep Learning Classifier for Detecting Atrial Fibrillation in Hospital Settings Applicable to Various Sensing Modalities

Cardiac signals provide variety of information related to the patient\u27s health. One of the most important is for medical experts to diagnose the functionality of a patient’s heart. This information helps the medical experts monitor heart disease such as atrial fibrillation and heart failure. Atrial fibrillation (AF) is one of the most major diseases that are threatening patients’ health. Medical experts measure cardiac signals usng the Electrocardiogram (ECG or EKG), the Photoplethysmogram (PPG), and more recently the Videoplethysmogram (VPG). Then they can use these measurements to analyze the heart functionality to detect heart diseases. In this study, these three major cardiac signals were used with different classification methodologies such as Basic Thresholding Classifiers (BTC), Machine Learning (SVM) classifiers, and deep learning classifiers based on Convolutional Neural Networks (CNN) to detect AF. To support the work, cardiac signals were acquired from forty-six AF subjects scheduled for cardioversion who were enrolled in a clinical study that was approved by the Internal Review Committees to protect human subjects at the University of Rochester Medical Center (URMC, Rochester, NY), and the Rochester Institute of Technology (RIT, Rochester, NY). The study included synchronized measurements of 5 minutes and 30 seconds of ECG, PPG, VPG 180Hz (High-quality camera), VPG 30 Hz (low quality webcam), taken before and after cardioversion of AF subjects receiving treatment at the AF Clinic of URMC. These data are subjected to BTC, SVM, and CNN classifiers to detect AF and compare the result for each classifier depending on the signal type. We propose a deep learning approach that is applicable to different kinds of cardiac signals to detect AF in a similar manner. By building this technique for different sensors we aim to provide a framework to implement a technique that can be used for most devices, such as, phones, tablets, PCs, ECG devices, and wearable PPG sensors. This conversion of the different sensing platforms provides a single AF detection classifier that can support a complete monitoring cycle that is referring to screen the patient whether at a hospital or home. By using that, the risk factor of heart attack, stroke, or other kind of heart complications can be reduced to a low level to prevent major dangers, since increasing monitoring AF patients helps to predict the disease at an early stage as well as track its progress. We show that the proposed approach provides around 99% accuracy for each type of classifier on the test dataset, thereby helping generalize AF detection by simplifying implementation using a sensor-agnostic deep learning model

Analysis of the cardiovascular response to autonomic nervous system modulation in Brugada syndrome patients

Brugada syndrome (BS) is a genetic arrhythmogenic disease characterized by a distinctive electrocardiographic pattern, associated with a high risk for sudden cardiac death (SCD) due to ventricular fibrillation (VF) in absence of structural cardiopathies. Its complex and multifactorial nature turns risk stratification into a major challenge. Although variations in autonomic modulation are commonly related to arrhythmic events in this population, novel markers with higher predictive values are still needed so as to identify those patients at high risk. The autonomic function can be better characterized through the application of standardized maneuvers stimulating the autonomic nervous system (ANS), such as exercise testing or the head-up tilt (HUT) test. Therefore, in this PhD thesis a thorough evaluation of the cardiovascular response to ANS modulations overnight is proposed, as well as in response to exercise and HUT testing, on a clinical database composed of BS patients with different levels of risk (symptomatic and asymptomatic subjects). In this context, the autonomic function was assessed by three main approaches. First, through the characterization and comparison of previously described methods capturing heart rate complexity, baroreflex sensitivity, and non-stationary heart rate variability, never before studied in the context of BS patients; in order to identify new markers capable of distinguishing between symptomatic and asymptomatic patients. According to the results, a lower variability and complexity overnight, as well as a higher vagal tone and a lower sympathetic activity both during exercise and HUT testing, was observed in the symptomatic group. In a second analysis, in order to address the multifactorial nature of the disease, a multivariate approach based on a step-based machine learning method was introduced. By employing features extracted at signal-processing analysis, robust classifiers capable of identifying patients at high risk were proposed. The classifier based on autonomic features extracted during nighttime analysis presented the best performance (AUC=95%), improving previously reported predictive models of risk in BS based on non-invasive parameters. Finally, the third part of this work was focused on the implementation of novel mathematical models and the associated model analysis methods, so as to study the autonomic mechanisms regulating the mechanical and circulatory functions of the cardiovascular system in this population. First, by the integration and evaluation of a computational model capturing the cardiovascular system's dynamics and its autonomic regulation in response to HUT testing. Likewise, a second model-based approach based on a recursive identification of the sympathetic and parasympathetic contributions to ANS regulation was proposed in order to estimate the time-varying autonomic response to exertion and subsequent recovery. The results showed a reduced contractility function, as well as a significantly greater parasympathetic activity during exercise, in symptomatic patients. Finally, in order to combine characteristics extracted from model-based approaches, a prospective study introduced a multivariate classifier based on estimated model parameters. Overall, the obtained results indicate important trends of clinical relevance that provide new insights into the underlying autonomic mechanisms regulating the cardiovascular system in BS, improving physiopathology and prognosis interpretation, with a potential future impact on therapeutic strategies. The proposed approach is presented as a potential instrument for the identification of those asymptomatic patients at high risk who may benefit from a cardioverter defibrillator implantation.El síndrome de Brugada (SB) es una enfermedad genética asociada a un patrón electrocardiográfico característico y a un elevado riesgo de muerte súbita cardíaca (MSC), causada por fibrilación ventricular (FV) en ausencia de cardiopatías estructurales. Debido a su naturaleza compleja y multifactorial, la estratificación del riesgo supone, en la actualidad, uno de los aspectos más controvertidos. Ciertas alteraciones en la modulación del sistema nervioso autónomo (SNA) se han relacionado con eventos arrítmicos en esta población; no obstante, nuevos marcadores con valores predictivos más elevados que permitan identificar a aquellos pacientes con un alto riesgo de sufrir MSC son todavía necesarios. El uso de maniobras estandarizadas con el objetivo de estimular el SNA permiten mejorar la caracterización de la función autonómica. Por ello, en esta tesis doctoral se propone una evaluación exhaustiva de la respuesta cardiovascular a la modulación del SNA durante la noche, así como en respuesta al ejercicio y a la prueba de mesa inclinada, en una base de datos clínicos compuesta por sujetos con diferentes niveles de riesgo (pacientes sintomáticos y asintomáticos). En este contexto, la evaluación de la función autonómica se llevó a cabo mediante tres estrategias principales. En primer lugar, se caracterizaron y compararon la variabilidad y complejidad del ritmo cardíaco, así como la sensibilidad barorrefleja, en pacientes sintomáticos y asintomáticos, con el objetivo de identificar nuevos marcadores capaces de distinguir entre grupos de pacientes. Los resultados mostraron, en el grupo sintomático, una menor variabilidad y complejidad durante la noche, así como un mayor tono vagal y una menor actividad simpática tanto durante el ejercicio como en respuesta a la prueba de mesa inclinada. En un segundo análisis, se abordó la etiología multifactorial del síndrome mediante un enfoque multivariado basado en un método de aprendizaje automático por etapas. A partir de marcadores extraídos en la etapa anterior, se propusieron modelos predictivos capaces de clasificar pacientes diagnosticados con SB en función de su nivel de riesgo. El mejor clasificador (AUC = 95%) fue diseñado a partir de marcadores autonómicos obtenidos durante la noche, superando modelos predictivos previamente descritos para la estratificación del riesgo en el SB a partir de la combinación de parámetros no invasivos. Finalmente, se analizaron las interacciones entre las funciones mecánica, circulatoria y autonómica de estos pacientes a partir de modelos fisiológicos. En primer lugar, mediante la implementación y evaluación de un modelo computacional integrando la dinámica del sistema cardiovascular y su respuesta autonómica a la prueba de mesa inclinada. Asimismo, se propuso la identificación recursiva de un modelo implementado para el análisis de la evolución temporal de las contribuciones simpática y parasimpática del SNA durante una prueba de esfuerzo. Los resultados mostraron una menor contractilidad, así como una actividad parasimpática significativamente mayor durante el ejercicio, en pacientes sintomáticos. Con el objetivo de combinar características extraídas del modelado fisiológico, un último estudio prospectivo propuso el diseño de un clasificador multivariado integrando los parámetros estimados en esta última etapa. Los resultados obtenidos indican importantes tendencias de relevancia clínica que aportan nuevos conocimientos sobre los mecanismos autonómicos encargados de regular el sistema cardiovascular en el SB. Su interpretación permite mejorar la estratificación del riesgo en estos pacientes y, por tanto, optimizar las estrategias terapéuticas aplicadas. La metodología propuesta se presenta como un instrumento para la identificación de aquellos pacientes con alto riesgo de MSC que podrían beneficiarse de la implantación de desfibriladores automáticos.Le syndrome de Brugada (BS) est une maladie cardiaque caractérisée par la survenue d’une syncope ou mort subite, provoquées par une arythmie cardiaque, chez les patients avec un coeur structurellement normal, mais présentant des altérations électrocardiographiques spécifiques. Cependant, ces modifications sont intermittentes et varient avec la température ou les traitements appliqués, ce qui rend particulièrement difficile le diagnostic chez un patient donné. En outre, elles sont fortement modulées par le système nerveux autonome (SNA), partie du système nerveux périphérique responsable de la régulation des organes internes. Les défibrillateurs implantables (DI) sont le traitement principal pour les patients symptomatiques, c’est-à-dire les patients documentés d’arythmie ventriculaire, syncope ou ayant survécu à un épisode de mort subite. Cependant, la décision d’implanter un DI peut être très difficile pour des patients asymptomatiques sans antécédents familiaux de morte subite. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse était d’améliorer la compréhension de l’influence du SNA chez les patients souffrant du BS. Une méthodologie globale fusionnant traitement du signal, machine learning et modélisation a été proposée durant la thèse. Cette chaine de traitement originale a pu être mise en oeuvre sur trois bases de données de patients BS symptomatiques et asymptomatiques. Les bases de données cliniques utilisées dans ce travail sont le résultat d’une étude prospective, multicentrique dont l’objectif était de provoquer des modifications de l’activité du SNA chez les patients BS. L’acquisition des données s’est déroulée entre 2009 et 2013 dans le service de cardiologie du CHU de Rennes et les participants provenaient de 8 hôpitaux français situés à La Rochelle, Angers, Bordeaux, Brest, Nantes, Rennes, Poitiers et Tours. Afin de caractériser les patients présentant différents niveaux de risque, les participants ont été classés en patients symptomatiques et asymptomatiques, selon leurs historiques cliniques. Les patients symptomatiques devaient présenter les symptômes documentés suivants : arrêt cardiaque dû à une fibrillation ventriculaire, syncopes, vertiges, palpitations et convulsions nocturnes. La base de données est constituée des ECG (12 dérivations) de 87 patients, collectés pendant 24 heures, incluant un test d’orthostatisme (tilt-test) et une épreuve d’effort. L’acquisition était réalisée à l’aide d’un moniteur Holter (ELA medical, Sorin Group, Le Plessis Robinsson, France) à une fréquence d’échantillonnage de 1000 Hz. Par ailleurs, des tilt-tests ont été réalisés sur 32 patients en mesurant de manière non-invasive la pression artérielle et l’ECG avec le moniteur Task Force (CN Systems, Graz, Autriche) à une fréquence d’échantillonnage de 100 Hz et 1000 Hz, respectivement. Des signaux ECG à 12 dérivations échantillonnés à 1000 Hz ont été acquis chez 36 autres patients BS lors d’un test d’exercice avec le moniteur ECG (Cardionics, Webster, Texas). Par conséquent, l’analyse de l’activité du système nerveux autonome est basée sur 3 périodes différentes : 1) une épreuve d’effort, 2) un test d’orthostatisme (tilt-test) et 3) un recueil de données pendant la nuit. La réponse du système nerveux autonome, à ces trois tests, a tout d’abord été évaluée avec des méthodes d’estimation du gain du baroréflexe, de variabilité et de complexité cardiaque. L’une des difficultés du traitement des signaux associés à l’épreuve d’effort et au test d’orthostatisme réside dans leurs natures non-stationnaires. L’analyse spectrale de ces signaux nécessite la mise en oeuvre d’outils spécifiques permettant de décrire une évolution temporelle des caractéristiques fréquentielles. Des analyses temps-fréquence, basées sur la transformée de Wigner-Ville, ont ainsi été utilisées afin d’étudier conjointement, le contenu spectral des signaux, et leurs évolutions temporelles. Cependant, ces méthodes classiques d’analyse de la variabilité cardiaque ne permettent pas de capturer la non-linéarité de la dynamique cardiovasculaire. Ainsi, des méthodes spécifiques d’analyse de la complexité des séries cardiaques ont pu être utilisées. La sensibilité du baroréflexe de ces patients a été évaluée à partir de différentes méthodes proposées dans la littérature. Une série d’indices a ainsi été déduite des signaux avant d’être analysée pour trouver des différences significatives entre les patients symptomatiques et asymptomatiques. Les résultats ont mis en évidence que les indices calculés chez les patients symptomatiques sont associés à une baisse de la variabilité et de la complexité cardiaque pendant la nuit. Par ailleurs, pendant le test d’exercice, les patients symptomatiques ont montré une activité vagale augmentée et un tonus sympathique réduit. Lors de la réponse au tilt-test, les patients symptomatiques ont présenté une augmentation du tonus parasympathique et une réduction de l’équilibre sympatho-vagal par rapport aux patients asymptomatiques. L’étiologie multifactorielle du BS nécessite l’utilisation d’approches complexes capables de capturer les multiples mécanismes sous-jacents à la maladie. Ainsi, une analyse multivariée a été réalisée à partir de la série d’indices calculés précédemment. L’approche globale, basée sur des méthodes de machine learning, permet de combiner de manière optimale les indices autonomiques extraits précédemment, afin de concevoir des classificateurs capables de différencier les patients BS, en fonction de leur symptomatologie. La sélection de ces indicateurs autonomiques, permettant une meilleure caractérisation du BS, peut être difficile surtout lorsque le nombre de sources dépasse la quantité d’observations et que les variabilités entre patients sont significatives. Ainsi, une approche robuste basée sur un processus de sélection de paramètres en deux étapes a été mise en oeuvre. La méthodologie proposée a été optimisée, évaluée et comparée sur les données extraites lors de différents tests autonomiques. Les résultats montrent que le meilleur classificateur (AUC = 95%) a été conçu à partir de marqueurs autonomiques obtenus pendant la nuit, améliorant des modèles prédictifs décrits précédemment pour la stratification du risque dans le BS à partir de la combinaison de paramètres non invasifs. Bien que l’analyse multivariée proposée montre une amélioration des performances de classification par rapport à la littérature, les méthodes utilisées n’intègrent pas de connaissance physiologique dans le traitement des données. Or le BS étant une pathologie complexe et multifactorielle, l’utilisation de modèles mathématiques de connaissance peut s’avérer pertinente car cela permet l’intégration d’information physiologique dans le traitement des données et l’analyse de mécanismes sous-jacents qui sont difficiles ou impossibles à observer en clinique avec des méthodes non-invasives, comme le tonus vagal ou sympathique. Une analyse à base de modèle a été proposée durant la thèse afin : 1) d’étudier la réponse autonomique et hémodynamique au test d’orthostatisme chez des sujets sains et des patients BS, 2) de simuler les réponses vagales et sympathiques durant l’épreuve d’effort chez les patients BS symptomatiques et asymptomatiques. Concernant l’étude de la réponse au test d’orthostatisme, un modèle a été proposé de manière à intégrer les représentations : i) de l’activité électrique cardiaque, ii) de la mécanique des ventricules et des oreillettes, iii) des circulations systémique et pulmonaire et iv) du baroréflexe incluant les voies vagale et sympathique. Le modèle complet permet de simuler les réponses hémodynamiques et autonomiques au test d’orthostatisme. Des analyses de sensibilité, basées sur des méthodes globales et de criblage, ont mis en évidence l’importance de certains paramètres du baroréflexe et en lien avec la description des propriétés diastoliques des ventricules. Ces paramètres ont pu être identifiés, à l’aide d’algorithmes évolutionnaires, afin de créer des modèles spécifiques-patients de 8 sujets sains et 12 patients BS. Les résultats ont montré des différences significatives concernant la réponse sympathique au tilt-test entre sujets sains et BS. Par ailleurs, les patients symptomatiques et asymptomatiques sont associés des modifications significatives des paramètres diastoliques ventriculaires. Concernant les simulations de la réponse autonomique durant l’épreuve d’effort, un algorithme d’identification récursif a pu être mis en oeuvre sur un modèle composé des cavités cardiaques, des circulations systémique et pulmonaire, couplées au baroréflexe. L’identification récursive réalisée sur le modèle a permis une estimation des activités vagale et sympathique durant l’effort chez 13 patients BS symptomatiques et 31 asymptomatiques. Les patients symptomatiques ont montré une élévation significative de l’activité vagale, spécialement à la fin de l’échauffement. Les analyses réalisées sur les modèles proposés, concernant le test d’orthostatisme et l’épreuve d’effort, ont permis une exploration de variables physiologiques, difficilement observables. Les résultats obtenus avec les modèles mettent en évidence des modifications de la réponse hémodynamique cardiaque et confirment des modifications de la balance sympatho-vagale entre les patients symptomatiques et asymptomatiques. En résumé, les résultats obtenus mettent en évidence un déséquilibre de la balance sympathovagale entre les patients symptomatiques et asymptomatiques et montrent l’utilité des indices de variabilité cardiaque pour la classification des patients en fonction de la symptomatologie. Les résultats obtenus sont cohérents avec la littérature, rapportant un tonus vagal plus élevé, ainsi qu’une activité sympathique, variabilité et complexité cardiaques plus faibles, chez les patients symptomatiques. Des études précédentes ont rapporté que la plupart des événements cardiaques majeurs se produisent au repos et pendant le sommeil, ainsi que l’apparition des altérations électrocardiographiques caractéristiques du BS augmente avec la stimulation vagale. Les résultats obtenus pendant la nuit, lorsque l’activité parasympathique est prédominante, ont montré des résultats particulièrement pertinents pour la différentiation des populations de patients. De plus, étant donnée qu’il existe une activité parasympathique significativement plus élevée chez les patients symptomatiques pendant les tests d’exercice et d’orthostatisme par rapport aux sujets asymptomatiques, les résultats soulignent le rôle de l’analyse du tonus vagal pour la stratification du risque dans cette population. Enfin, l’analyse basée sur un modèle du système cardiovasculaire a permis de mettre en évidence des différences concernant les propriétés diastoliques cardiaques et la réponse du baroréflexe pendant le test d’orthostatisme. L’ensemble des résultats de la thèse permet une meilleure caractérisation des profils autonomiques des patients atteints du syndrome de Brugada et laisse envisager une amélioration de la sélection des patients pour implantation d’un DI