Advances in Digital Processing of Low-Amplitude Components of Electrocardiosignals

This manual has been published within the framework of the BME-ENA project under the responsibility of National Technical University of Ukraine. The BME-ENA “Biomedical Engineering Education Tempus Initiative in Eastern Neighbouring Area”, Project Number: 543904-TEMPUS-1-2013-1-GR-TEMPUS-JPCR is a Joint Project within the TEMPUS IV program. This project has been funded with support from the European Commission.Навчальний посібник присвячено розробці методів та засобів для неінвазивного виявлення та дослідження тонких проявів електричної активності серця. Особлива увага приділяється вдосконаленню інформаційного та алгоритмічного забезпечення систем електрокардіографії високого розрізнення для ранньої діагностики електричної нестабільності міокарда, а також для оцінки функціонального стану плоду під час вагітності. Теоретичні основи супроводжуються прикладами реалізації алгоритмів за допомогою системи MATLAB. Навчальний посібник призначений для студентів, аспірантів, а також фахівців у галузі біомедичної електроніки та медичних працівників.The teaching book is devoted to development and research of methods and tools for non-invasive detection of subtle manifistations of heart electrical activity. Particular attention is paid to the improvement of information and algorithmic support of high resolution electrocardiography for early diagnosis of myocardial electrical instability, as well as for the evaluation of the functional state of the fetus during pregnancy examination. The theoretical basis accompanied by the examples of implementation of the discussed algorithms with the help of MATLAB. The teaching book is intended for students, graduate students, as well as specialists in the field of biomedical electronics and medical professionals

Computational modelling of the human heart and multiscale simulation of its electrophysiological activity aimed at the treatment of cardiac arrhythmias related to ischaemia and Infarction

[ES] Las enfermedades cardiovasculares constituyen la principal causa de morbilidad y mortalidad a nivel mundial, causando en torno a 18 millones de muertes cada año. De entre ellas, la más común es la enfermedad isquémica cardíaca, habitualmente denominada como infarto de miocardio (IM). Tras superar un IM, un considerable número de pacientes desarrollan taquicardias ventriculares (TV) potencialmente mortales durante la fase crónica del IM, es decir, semanas, meses o incluso años después la fase aguda inicial. Este tipo concreto de TV normalmente se origina por una reentrada a través de canales de conducción (CC), filamentos de miocardio superviviente que atraviesan la cicatriz del infarto fibrosa y no conductora. Cuando los fármacos anti-arrítmicos resultan incapaces de evitar episodios recurrentes de TV, la ablación por radiofrecuencia (ARF), un procedimiento mínimamente invasivo realizado mediante cateterismo en el laboratorio de electrofisiología (EF), se usa habitualmente para interrumpir de manera permanente la propagación eléctrica a través de los CCs responsables de la TV. Sin embargo, además de ser invasivo, arriesgado y requerir mucho tiempo, en casos de TVs relacionadas con IM crónico, hasta un 50% de los pacientes continúa padeciendo episodios recurrentes de TV tras el procedimiento de ARF. Por tanto, existe la necesidad de desarrollar nuevas estrategias pre-procedimiento para mejorar la planificación de la ARF y, de ese modo, aumentar esta tasa de éxito relativamente baja. En primer lugar, realizamos una revisión exhaustiva de la literatura referente a los modelos cardiacos 3D existentes, con el fin de obtener un profundo conocimiento de sus principales características y los métodos usados en su construcción, con especial atención sobre los modelos orientados a simulación de EF cardíaca. Luego, usando datos clínicos de un paciente con historial de TV relacionada con infarto, diseñamos e implementamos una serie de estrategias y metodologías para (1) generar modelos computacionales 3D específicos de paciente de ventrículos infartados que puedan usarse para realizar simulaciones de EF cardíaca a nivel de órgano, incluyendo la cicatriz del infarto y la región circundante conocida como zona de borde (ZB); (2) construir modelos 3D de torso que permitan la obtención del ECG simulado; y (3) llevar a cabo estudios in-silico de EF personalizados y pre-procedimiento, tratando de replicar los verdaderos estudios de EF realizados en el laboratorio de EF antes de la ablación. La finalidad de estas metodologías es la de localizar los CCs en el modelo ventricular 3D para ayudar a definir los objetivos de ablación óptimos para el procedimiento de ARF. Por último, realizamos el estudio retrospectivo por simulación de un caso, en el que logramos inducir la TV reentrante relacionada con el infarto usando diferentes configuraciones de modelado para la ZB. Validamos nuestros resultados mediante la reproducción, con una precisión razonable, del ECG del paciente en TV, así como en ritmo sinusal a partir de los mapas de activación endocárdica obtenidos invasivamente mediante sistemas de mapeado electroanatómico en este último caso. Esto permitió encontrar la ubicación y analizar las características del CC responsable de la TV clínica. Cabe destacar que dicho estudio in-silico de EF podría haberse efectuado antes del procedimiento de ARF, puesto que nuestro planteamiento está completamente basado en datos clínicos no invasivos adquiridos antes de la intervención real. Estos resultados confirman la viabilidad de la realización de estudios in-silico de EF personalizados y pre-procedimiento de utilidad, así como el potencial del abordaje propuesto para llegar a ser en un futuro una herramienta de apoyo para la planificación de la ARF en casos de TVs reentrantes relacionadas con infarto. No obstante, la metodología propuesta requiere de notables mejoras y validación por medio de es[CA] Les malalties cardiovasculars constitueixen la principal causa de morbiditat i mortalitat a nivell mundial, causant entorn a 18 milions de morts cada any. De elles, la més comuna és la malaltia isquèmica cardíaca, habitualment denominada infart de miocardi (IM). Després de superar un IM, un considerable nombre de pacients desenvolupen taquicàrdies ventriculars (TV) potencialment mortals durant la fase crònica de l'IM, és a dir, setmanes, mesos i fins i tot anys després de la fase aguda inicial. Aquest tipus concret de TV normalment s'origina per una reentrada a través dels canals de conducció (CC), filaments de miocardi supervivent que travessen la cicatriu de l'infart fibrosa i no conductora. Quan els fàrmacs anti-arítmics resulten incapaços d'evitar episodis recurrents de TV, l'ablació per radiofreqüència (ARF), un procediment mínimament invasiu realitzat mitjançant cateterisme en el laboratori de electrofisiologia (EF), s'usa habitualment per a interrompre de manera permanent la propagació elèctrica a través dels CCs responsables de la TV. No obstant això, a més de ser invasiu, arriscat i requerir molt de temps, en casos de TVs relacionades amb IM crònic fins a un 50% dels pacients continua patint episodis recurrents de TV després del procediment d'ARF. Per tant, existeix la necessitat de desenvolupar noves estratègies pre-procediment per a millorar la planificació de l'ARF i, d'aquesta manera, augmentar la taxa d'èxit, que es relativament baixa. En primer lloc, realitzem una revisió exhaustiva de la literatura referent als models cardíacs 3D existents, amb la finalitat d'obtindre un profund coneixement de les seues principals característiques i els mètodes usats en la seua construcció, amb especial atenció sobre els models orientats a simulació de EF cardíaca. Posteriorment, usant dades clíniques d'un pacient amb historial de TV relacionada amb infart, dissenyem i implementem una sèrie d'estratègies i metodologies per a (1) generar models computacionals 3D específics de pacient de ventricles infartats capaços de realitzar simulacions de EF cardíaca a nivell d'òrgan, incloent la cicatriu de l'infart i la regió circumdant coneguda com a zona de vora (ZV); (2) construir models 3D de tors que permeten l'obtenció del ECG simulat; i (3) dur a terme estudis in-silico de EF personalitzats i pre-procediment, tractant de replicar els vertaders estudis de EF realitzats en el laboratori de EF abans de l'ablació. La finalitat d'aquestes metodologies és la de localitzar els CCs en el model ventricular 3D per a ajudar a definir els objectius d'ablació òptims per al procediment d'ARF. Finalment, a manera de prova de concepte, realitzem l'estudi retrospectiu per simulació d'un cas, en el qual aconseguim induir la TV reentrant relacionada amb l'infart usant diferents configuracions de modelatge per a la ZV. Validem els nostres resultats mitjançant la reproducció, amb una precisió raonable, del ECG del pacient en TV, així com en ritme sinusal a partir dels mapes d'activació endocardíac obtinguts invasivament mitjançant sistemes de mapatge electro-anatòmic en aquest últim cas. Això va permetre trobar la ubicació i analitzar les característiques del CC responsable de la TV clínica. Cal destacar que aquest estudi in-silico de EF podria haver-se efectuat abans del procediment d'ARF, ja que el nostre plantejament està completament basat en dades clíniques no invasius adquirits abans de la intervenció real. Aquests resultats confirmen la viabilitat de la realització d'estudis in-silico de EF personalitzats i pre-procediment d'utilitat, així com el potencial de l'abordatge proposat per a arribar a ser en un futur una eina de suport per a la planificació de l'ARF en casos de TVs reentrants relacionades amb infart. No obstant això, la metodologia proposada requereix de notables millores i validació per mitjà d'estudis de simulació amb grans cohorts de pacients.[EN] Cardiovascular diseases represent the main cause of morbidity and mortality worldwide, causing around 18 million deaths every year. Among these diseases, the most common one is the ischaemic heart disease, usually referred to as myocardial infarction (MI). After surviving to a MI, a considerable number of patients develop life-threatening ventricular tachycardias (VT) during the chronic stage of the MI, that is, weeks, months or even years after the initial acute phase. This particular type of VT is typically sustained by reentry through slow conducting channels (CC), which are filaments of surviving myocardium that cross the non-conducting fibrotic infarct scar. When anti-arrhythmic drugs are unable to prevent recurrent VT episodes, radiofrequency ablation (RFA), a minimally invasive procedure performed by catheterization in the electrophysiology (EP) laboratory, is commonly used to interrupt the electrical conduction through the CCs responsible for the VT permanently. However, besides being invasive, risky and time-consuming, in the cases of VTs related to chronic MI, up to 50% of patients continue suffering from recurrent VT episodes after the RFA procedure. Therefore, there exists a need to develop novel pre-procedural strategies to improve RFA planning and, thereby, increase this relatively low success rate. First, we conducted an exhaustive review of the literature associated with the existing 3D cardiac models in order to gain a deep knowledge about their main features and the methods used for their construction, with special focus on those models oriented to simulation of cardiac EP. Later, using a clinical dataset of a chronically infarcted patient with a history of infarct-related VT, we designed and implemented a number of strategies and methodologies to (1) build patient-specific 3D computational models of infarcted ventricles that can be used to perform simulations of cardiac EP at the organ level, including the infarct scar and the surrounding region known as border zone (BZ); (2) construct 3D torso models that enable to compute the simulated ECG; and (3) carry out pre-procedural personalized in-silico EP studies, trying to replicate the actual EP studies conducted in the EP laboratory prior to the ablation. The goal of these methodologies is to allow locating the CCs into the 3D ventricular model in order to help in defining the optimal ablation targets for the RFA procedure. Lastly, as a proof-of-concept, we performed a retrospective simulation case study, in which we were able to induce an infarct-related reentrant VT using different modelling configurations for the BZ. We validated our results by reproducing with a reasonable accuracy the patient's ECG during VT, as well as in sinus rhythm from the endocardial activation maps invasively recorded via electroanatomical mapping systems in this latter case. This allowed us to find the location and analyse the features of the CC responsible for the clinical VT. Importantly, such in-silico EP study might have been conducted prior to the RFA procedure, since our approach is completely based on non-invasive clinical data acquired before the real intervention. These results confirm the feasibility of performing useful pre-procedural personalized in-silico EP studies, as well as the potential of the proposed approach to become a helpful tool for RFA planning in cases of infarct-related reentrant VTs in the future. Nevertheless, the developed methodology requires further improvements and validation by means of simulation studies including large cohorts of patients.During the carrying out of this doctoral thesis, the author Alejandro Daniel López Pérez was financially supported by the Ministerio de Economía, Industria y Competitividad of Spain through the program Ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores, with the grant number BES-2013-064089.López Pérez, AD. (2019). Computational modelling of the human heart and multiscale simulation of its electrophysiological activity aimed at the treatment of cardiac arrhythmias related to ischaemia and Infarction [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/124973TESI

Cardiac Arrhythmias

The most intimate mechanisms of cardiac arrhythmias are still quite unknown to scientists. Genetic studies on ionic alterations, the electrocardiographic features of cardiac rhythm and an arsenal of diagnostic tests have done more in the last five years than in all the history of cardiology. Similarly, therapy to prevent or cure such diseases is growing rapidly day by day. In this book the reader will be able to see with brighter light some of these intimate mechanisms of production, as well as cutting-edge therapies to date. Genetic studies, electrophysiological and electrocardiographyc features, ion channel alterations, heart diseases still unknown , and even the relationship between the psychic sphere and the heart have been exposed in this book. It deserves to be read

New perspectives in catheter ablation for atrial fibrillation Towards a better treatment to reach better outcomes

The overall aim of the studies presented in this thesis is to elucidate whether there is still room for improvement in the field of catheter ablation for AF either paroxysmal and persistent, and the following chapters will guide the reader in a virtual path that addresses this issue

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

Characterization of the Substrate Modification in Patients Undergoing Catheter Ablation of Atrial Fibrillation

Tesis por compendio[ES] La fibrilación auricular (FA) es la arritmia cardíaca más común. A pesar de la gran popularidad de la ablación con catéter (AC) como tratamiento principal, todavía hay margen de mejora. Aunque las venas pulmonares (VPs) son los principales focos de FA, muchos sitios pueden contribuir a su propagación, formando el sustrato de la FA (SFA). El mapeo preciso del SFA y el registro de la modificación del SFA, como marcador positivo después de AC, son fundamentales. Los electrocardiogramas (ECG) y los electrogramas (EGM) se reclutan para este propósito. Los EGM se utilizan para detectar candidatos de AC como áreas que provocan o perpetúan la FA. Por lo tanto, el análisis de EGM es una parte indispensable de AC. Con la capacidad de observar las aurículas globalmente, la principal aplicación de los ECG es evaluar la modificación del SFA analizando las ondas f o P. A pesar del extenso análisis de cualquiera de los tipos de registro, existen algunas brechas. La AC no-VP aumenta el tiempo en quirófano, provocando mayores riesgos y costos. En cuanto al análisis de la modificación del SFA, se utilizan varios umbrales para definir una onda P prolongada. El principal objetivo de la presente Tesis es contribuir al esfuerzo de análisis de SFA y de modificación de SFA. Para ello, la presente Tesis se desarrolló bajo dos hipótesis principales. Que la calidad de la información extraída durante el SFA y el análisis de modificación del SFA se puede mejorar mediante la introducción de pasos innovadores. Además, la combinación de análisis de ECG y EGM puede aumentar la resolución del mapeo y revelar nueva información sobre los mecanismos de FA. Para cumplir con el objetivo principal, el análisis se divide en 4 partes, conformando los 4 capítulos del Compendio de articulos. En primer lugar, se reclutó la dimensión de correlación de grano grueso (DCGG). DCGG localizó de manera confiable EGM complejos y la clasificación por tipos de FA arrojó una precisión del 84 %. Luego, se adoptó un análisis alternativo de la onda P, estudiando por separado su primera y su segunda parte, correspondientes a la aurícula derecha (AD) e izquierda (AI). Los resultados indicaron LA como la principal fuente de modificación del SFA y subrayaron la importancia de estudiar partes integrales de ECG. Los hallazgos de este estudio también sugieren la implementación de partes integrales de ondas P como un posible alivio de las discrepancias en los umbrales de ondas P para definir el tejido fibrótico. Posteriormente, se estudió el efecto diferente del aislamiento de la VP izquierda (AVPI) y derecha (AVPD) sobre la modificación del SFA. AVPI fue la parte crítica, siendo la fuente exclusiva de acortamiento de onda P. El análisis de los registros durante la AC también permitió una observación más cercana de las fluctuaciones de la variabilidad de la frecuencia cardíaca (VFC) a lo largo del procedimiento de CA, lo que reveló información sobre el efecto de la energía de radiofrecuencia (RF) en el tejido auricular. La última parte se centró en el seno coronario (SC), una estructura fundamental en el mapeo de FA para aumentar la resolución de la información. Se definieron los canales más y menos robustos durante el ritmo sinusal (RS) y se investigó la utilidad de SC en la evaluación de la modificación del SFA. Aunque CS no proporcionó una imagen global de la alteración del SFA, pudo registrar con mayor sensibilidad las fluctuaciones en la respuesta auricular durante la AC. Los hallazgos presentados en esta Tesis Doctoral ofrecen una perspectiva alternativa sobre la modificación del SFA y contribuyen al esfuerzo general sobre el mapeo de FA y la evaluación del sustrato posterior a la CAAC, abriendo futuras líneas de investigación hacia una resolución más alta y un mapeo más eficiente de los mecanismos desencadenantes de la FA.[CA] La fibril·lació auricular (FA) és l'arítmia cardíaca més comú. Tot i la gran popularitat de l'ablació amb catèter (AC) com a tractament principal, encara hi ha marge de millora. Tot i que les venes pulmonars (VPs) són els principals focus de FA, molts llocs poden contribuir a la seva propagació, formant el substrat de la FA (SFA). El mapatge precís de l'SFA i el registre de la modificació de l'SFA, com a marcador positiu després d'AC, són fonamentals. Els electrocardiogrames (ECG) i els electrogrames (EGM) es recluten per a aquest propòsit. Els EGM es fan servir per detectar candidats d'AC com a àrees que provoquen o perpetuen la FA. Per tant, lanàlisi dEGM és una part indispensable dAC. Amb la capacitat d'observar les aurícules globalment, la principal aplicació dels ECG és avaluar la modificació de l'SFA analitzant les ones f o P. Tot i l'extensa anàlisi de qualsevol dels tipus de registre, hi ha algunes bretxes. L'AC no-VP augmenta el temps a quiròfan, provocant majors riscos i costos. Pel que fa a l'anàlisi de la modificació de l'SFA, s'utilitzen diversos llindars per definir una ona P perllongada. L'objectiu principal d'aquesta Tesi és contribuir a l'esforç d'anàlisi de SFA i de modificació de SFA. Per això, aquesta Tesi es va desenvolupar sota dues hipòtesis principals. Que la qualitat de la informació extreta durant el SFA i lanàlisi de modificació de lSFA es pot millorar mitjançant la introducció de passos innovadors. A més, la combinació d'anàlisi d'ECG i EGM pot augmentar la resolució del mapatge i revelar informació nova sobre els mecanismes de FA. Per complir amb l'objectiu principal, l'anàlisi es divideix en 4 parts i es conforma els 4 capítols del Compendi d'articles. En primer lloc, es va reclutar la dimensió de correlació de gra gruixut (DCGG). DCGG va localitzar de manera fiable EGM complexos i la classificació per tipus de FA va donar una precisió del 84%. Després, es va adoptar una anàlisi alternativa de l'ona P, estudiant per separat la primera i la segona part corresponents a l'aurícula dreta (AD) i esquerra (AI). Els resultats van indicar LA com la font principal de modificació de l'SFA i van subratllar la importància d'estudiar parts integrals d'ECG. Les troballes d'aquest estudi també suggereixen la implementació de parts integrals d'ones P com a possible alleugeriment de les discrepàncies als llindars d'ones P per definir el teixit fibròtic. Posteriorment, es va estudiar l'efecte diferent de l'aïllament de la VP esquerra (AVPI) i la dreta (AVPD) sobre la modificació de l'SFA. AVPI va ser la part crítica, sent la font exclusiva d'escurçament d'ona P. L'anàlisi dels registres durant l'AC també va permetre una observació més propera de les fluctuacions de la variabilitat de la freqüència cardíaca (VFC) al llarg del procediment de CA , cosa que va revelar informació sobre l'efecte de l'energia de radiofreqüència (RF) en el teixit auricular. L'última part es va centrar al si coronari (SC), una estructura fonamental al mapeig de FA per augmentar la resolució de la informació. Es van definir els canals més i menys robustos durant el ritme sinusal (RS) i es va investigar la utilitat de SC a l'avaluació de la modificació de l'SFA. Tot i que CS no va proporcionar una imatge global de l'alteració de l'SFA, va poder registrar amb més sensibilitat les fluctuacions a la resposta auricular durant l'AC. Les troballes presentades en aquesta Tesi Doctoral ofereixen una perspectiva alternativa sobre la modificació de l'SFA i contribueixen a l'esforç general sobre el mapeig de FA i l'avaluació del substrat posterior a la CAAC, obrint futures línies de recerca cap a una resolució més alta i un mapeig més eficient dels mecanismes desencadenants de la FA.[EN] Atrial fibrillation (AF) is the commonest cardiac arrhythmia. Despite the high popularity of catheter ablation (CA) as the main treatment, there is still room for improvement. Time spent in AF affects the AF confrontation and evolution, with 1,15% of paroxysmal AF patients progressing to persistent annually. Therefore, from diagnosis to follow-up, every aspect that contributes to the AF confrontation is of utmost importance. Although pulmonary veins (PVs) are the main AF foci, many sites may contribute to the AF propagation, by triggering or sustaining the AF, forming the AF substrate. Precise AF substrate mapping and recording of the AF substrate modification, as a positive marker after CA sessions, are critical. Electrocardiograms (ECGs) and electrograms (EGMs) are vastly recruited for this purpose. EGMs are used to detect candidate CA targets as areas that provoke or perpetuate AF. Hence, EGMs analysis is an indispensable part of the CA procedure. With the ability to observe the atria globally, ECGs' main application is to assess the AF substrate modification by analyzing f- or P-waves from recordings before and after CA. Despite the extensive analysis on either recording types, some gaps exist. Non-PV CA increases the time in operation room, provoking higher risks and costs. Furthermore, whether non-PV CA is beneficial is under dispute. As for the AF substrate modification analysis, various thresholds are used to define a prolonged P-wave, related with poor CA prognostics. The main objective of the present Thesis is to contribute to the effort of AF substrate and AF substrate modification analysis. For this purpose, the present Thesis was developed under two main hypotheses. That the information quality extracted during AF substrate and AF substrate modification analysis can be improved by introducing innovative steps. Also, that combining ECG and EGM analysis can augment the mapping resolution and reveal new information regarding AF mechanisms. To accomplish the main objective, the analysis is split in 4 parts, forming the 4 chapters of the Compendium of publications. Firstly, coarse-grained correlation dimension (CGCD) was recruited. CGCD reliably localized highly complex EGMs and classification by AF types yielded 84% accuracy. Then, an alternative P-wave analysis was suggested, studying separately the first and second P-wave parts, corresponding to the right (RA) and left (LA) atrium. The findings indicated LA as the main AF substrate modification source and underlined the importance of studying integral ECG parts. The findings of this study additionally suggest the implementation of integral P-wave parts as a possible alleviation for the discrepancies in P-wave thresholds to define fibrotic tissue. Afterwards, the different effect of left (LPVI) and right pulmonary vein isolation (RPVI) on the AF substrate modification was studied. LPVI was the critical part, being the exclusive source of P-wave shortening. Analysis of recordings during CA also allowed a closer observation of the heart rate variability (HRV) fluctuations throughout the CA procedure, revealing information on the effect of radiofrequency (RF) energy on the atrial tissue. The last part was focused on coronary sinus (CS), a fundamental structure in AF mapping to increase the information resolution. The most and least robust channels during sinus rhythm (SR) were defined and the utility of CS in AF substrate modification evaluation was investigated. Although CS did not provide a global picture of the AF substrate alteration, it was able to record with higher sensitivity the fluctuations in the atrial response during the application of RF energy. The findings presented in this Doctoral Thesis offer an alternative perspective on the AF substrate modification and contribute to the overall effort on AF mapping and post-CA substrate evaluation, opening future lines of research towards a higher resolution and more efficient mapping of the AF drivers.Vraka, A. (2022). Characterization of the Substrate Modification in Patients Undergoing Catheter Ablation of Atrial Fibrillation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191410Compendi

Biomedical Signal and Image Processing

Written for senior-level and first year graduate students in biomedical signal and image processing, this book describes fundamental signal and image processing techniques that are used to process biomedical information. The book also discusses application of these techniques in the processing of some of the main biomedical signals and images, such as EEG, ECG, MRI, and CT. New features of this edition include the technical updating of each chapter along with the addition of many more examples, the majority of which are MATLAB based

Characterizing Nav1.5 expression, organization, and electrical behavior in cardiomyocyte domains

Proper function of the heart depends on the function of voltage-gated ion channels. These channels open and close in a tightly regulated way. The resulting ion currents change the membrane potential and shape the action potential, which initiates cardiac muscle contraction. The sodium channel Nav1.5 is especially important as it generates the initial upstroke of the action potential. In cardiomyocytes, it is expressed in different membrane domains, including the intercalated disc, where two cardiomyocytes are mechanically and electrically coupled; the lateral membrane; and possibly at the T-tubules, which are invaginations of the lateral membrane. Many different proteins and molecules bind Nav1.5, together forming a macromolecular complex, and modulate Nav1.5 expression and/or function. Mutations in the Nav1.5-encoding gene SCN5A can confer a loss or gain of channel function, and are associated with several heart rhythm disorders, including Brugada syndrome, long-QT syndrome type 3 (LQTS3), and sick-sinus syndrome. The mechanisms that lead to this phenotypic variability remain unknown. Since Nav1.5 occurs at different cardiomyocyte membrane domains and several interacting proteins are specific to a domain, we hypothesize that the effects of a mutation depend on the subcellular location of Nav1.5 and the composition of the macromolecular complex. This thesis aims to (1) determine Nav1.5 cluster organization in cardiomyocyte membrane domains from mice with different genetic backgrounds using single-molecule localization techniques; (2) contribute to the fundamental understanding of cardiomyocyte excitability by assessing voltage-gated ion channel expression with next-generation RNA sequencing; and (3) assess passive electrical properties of T-tubules and the effects of a large T-tubular sodium current with an in silico model. In addition, this thesis contains two thorough literature reviews on the cardiac intercalated disc and T-tubules. Firstly, we show that Nav1.5 is expressed in T-tubules of wild-type cells using single-molecule localization microscopy and computational modeling techniques. We observed that Nav1.5 cluster organization and density partly depend on the presence of the large scaffolding protein dystrophin and on the three C-terminal amino acids of Nav1.5, Ser-Ile-Val. Cardiomyocytes expressing C-terminally truncated Nav1.5 (ΔSIV) display a loss of Nav1.5 expression at the lateral membrane and particularly at the lateral membrane groove compared to wild-type cells. Dystrophin-deficient cardiomyocytes also display a reduction of Nav1.5 expression at the lateral membrane, but no groove-specific reduction, and most notably an increase of T-tubular Nav1.5 expression. Nav1.5 cluster shapes are less complex in dystrophin-deficient cells at the lateral membrane and inside the cell compared to wild type. ΔSIV cells show this effect only inside the cells, not at the lateral membrane. Secondly, we show in murine cardiomyocytes of Black/6J mice that of the voltage-gated sodium channels, mRNAs are expressed encoding mainly Nav1.5 and Nav1.4, and a small amount of Nav2.1-encoding mRNA. No other isoforms were detected. Of the β-subunits, only β1- and β4-encoding mRNA are found. Thirdly, we assessed electrical properties of T-tubules. We compared the depolarization delay of a deep T-tubular segment to the mouth of a T-tubule upon a large depolarizing voltage step reminiscent of the upstroke of the cardiac action potential. We chose to compare the time to reach the activation threshold of voltage-gated calcium channels as these channels are highly expressed in T-tubules and crucial for initiating cardiomyocyte contraction. Deep inside the T-tubule, the activation threshold of voltage-gated calcium channels was reached only 10 microseconds later than at the mouth of the T-tubule. This delay increased 10-20 times when we introduced constrictions. Then, we introduced a large sodium current to the model. We show that the sodium current is smaller deep inside the T-tubule than at the mouth due to the positive extracellular potential, which decreases the driving force of the channels. In the constricted tubules, we observed a stronger sodium current self-attenuation, but an increase of peak sodium current in the first constriction due to an increase in open probability and driving force. In conclusion, these studies contribute to the fundamental understanding of voltage-gated sodium channel composition, organization, and function in cardiomyocytes, with a focus on Nav1.5. Exciting subjects of further study include the functional implications of the changes in Nav1.5 cluster organization in ΔSIV and dystrophin-deficient mice, the functional contributions of Nav1.4, and β1- and β4-subunits to murine cardiomyocyte function, and the composition of voltage-gated ion channels in human cardiomyocytes

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