Design, Evaluation, and Application of Heart Rate Variability Analysis Software (HRVAS)

The analysis of heart rate variability (HRV) has become an increasingly popular and important tool for studying many disease pathologies in the past twenty years. HRV analyses are methods used to non-invasively quantify variability within heart rate. Purposes of this study were to design, evaluate, and apply an easy to use and open-source HRV analysis software package (HRVAS). HRVAS implements four major categories of HRV techniques: statistical and time-domain analysis, frequency-domain analysis, nonlinear analysis, and time-frequency analysis. Software evaluations were accomplished by performing HRV analysis on simulated and public congestive heart failure (CHF) data. Application of HRVAS included studying the effects of hyperaldosteronism on HRV in rats. Simulation and CHF results demonstrated that HRVAS was a dependable HRV analysis tool. Results from the rat hyperaldosteronism model showed that 5 of 26 HRV measures were statistically significant (p\u3c0.05). HRVAS provides a useful tool for HRV analysis to researchers

Shannon’s Energy Based Algorithm in ECG Signal Processing

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) database is electrocardiograms (ECGs) set from healthy volunteers and patients with different heart diseases. PTB is provided for research and teaching purposes by National Metrology Institute of Germany. The analysis method of complex QRS in ECG signals for diagnosis of heart disease is extremely important. In this article, a method on Shannon energy (SE) in order to detect QRS complex in 12 leads of ECG signal is provided. At first, this algorithm computes the Shannon energy (SE) and then makes an envelope of Shannon energy (SE) by using the defined threshold. Then, the signal peaks are determined. The efficiency of the algorithm is tested on 70 cases. Of all 12 standard leads, ECG signals include 840 leads of the PTB Diagnostic ECG Database (PTBDB). The algorithm shows that the Shannon energy (SE) sensitivity is equal to 99.924%, the detection error rate (DER) is equal to 0.155%, Positive Predictivity (+P) is equal to 99.922%, and Classification Accuracy (Acc) is equal to 99.846%

Activation patterns in atrial fibrillation: contributions of body surface potential mapping

La fibrilación auricular (FA) es una de las arritmias cardiacas más comunes, afectando a alrededor del 10 % de los mayores de 70 años. A pesar de su alta incidencia en la población, los mecanismos que desencadenan y mantienen la FA son inciertos. Aunque existen diversos tratamientos quirúrgicos y farmacológicos, el éxito de los tratamientos contra la FA es muy bajo. La causa de esta baja tasa de éxito de las diferentes terapias es que no existen criterios de selección de pacientes que permitan pronosticar qué terapia puede ser más efectiva para cada paciente. Una de las formas que se han propuesto para determinar el grado de gravedad de la arritmia en cada paciente y, por tanto, poder predecir qué tratamiento es el más apropiado es la medida de la organización auricular. Esta tesis doctoral se enmarca dentro de la determinación no invasiva del grado de organización espacial de la activación del miocardio auricular a partir del estudio de registros multiderivación del electrocardiograma de superficie (ECG). El ECG es una representación simplificada del campo eléctrico del corazón basada en las proyecciones de este campo eléctrico en 8 ejes. Esta simplificación es considerada como aceptable en el caso de ritmos no fibrilantes en los que la activación miocárdica puede ser modelada como un dipolo. Sin embargo, su validez no ha sido demostrada para el caso de ritmos fibrilantes en los cuales la asunción de un modelo dipolar es cuestionable. Uno de los objetivos de esta tesis ha sido la evaluación del electrocardiograma de superficie para la obtención de parámetros espaciales de las ondas de FA. Se compararon las representaciones tridimensionales de las ondas de FA registradas a partir de tres derivaciones ortogonales con las representaciones tridimensionales estimadas a partir del ECG, llegando a la conclusión de que estas representaciones estimadas no son fieles a las representaciones registradas. Los resultados de nuestro estudio ponen de manifiesto que la falta de dGuillem Sanchez, MDLS. (2008). Activation patterns in atrial fibrillation: contributions of body surface potential mapping [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3922Palanci

Study on the non-linear metrics contribution to estimate atrial fibrillation organization from the surface electrocardiogram

[EN] Atrial fibrillation (AF) is the most frequently diagnosed arrhythmia, characterized by an uncoordinated atrial electrical activation, thus causing the atria to be unable to pump blood effectively. The prevalence of AF is expected to increase significantly in the next decades as the population ages. However, both the knowledge and the treatment of this arrhythmia still have to experiment a significant progress. Previous studies have reported that AF organization, which can be defined as the repetitiveness degree of the atrial activity pattern, correlates with the arrhythmia status as well as with the therapy outcome. Thus, estimating AF organization from surface electrocardiographic (ECG) recordings constitutes a very interesting approach because ECG recordings are easy and cheap to obtain. The objective of this doctoral thesis is to assess the use of a variety of nonlinear indices in the estimation of AF organization from single-lead noninvasive ECG recordings. Apart from the most common noninvasive AF organization estimators, such as Sample Entropy (SampEn) and the dominant atrial frequency (DAF), the following nonlinear indices have been studied: Fuzzy Entropy, Spectral Entropy, Lempel-Ziv Complexity and Hurst Exponents. Moreover, since the presence of noise and ventricular residuals affects the performance of nonlinear methods, the application of a strategy aimed at reducing these nuisances has been evaluated. Therefore, the application of these metrics over the atrial activity fundamental waveform, named the main atrial wave (MAW), has been proposed. In this doctoral thesis, the following scenarios involving AF organization have been considered: the prediction of paroxysmal AF spontaneous termination, the study of the earlier signs anticipating AF termination and the classification between paroxysmal and persistent AF from short ECG recordings. Firstly, the performance of the studied metrics discriminating events related to AF organization was tested making use of a reference database aimed at predicting AF spontaneous termination. In this study, most of the proposed indices provided higher accuracy than traditional AF organization estimators. Accuracy values higher than 90% were obtained with several indices. In particular, the generalized Hurst exponents of order 1 and 2, H(1) and H(2), achieved outstanding results, thus being selected for later studies in this thesis. Furthermore, the computation of H(2) depends on two critical parameters, namely, the analyzed interval length (L) and the maximum search window for self-similarities (tau). Hence, a study with 660 combinations on these two parameters was performed, together with the sampling frequency (fs) of the recording, in order to obtain their optimal combination in computing AF organization. On the other hand, previous works analyzing the spontaneous termination of AF have been only focused on the last 2 minutes preceding the termination. In contrast, a different scenario considering longer recordings to detect the earlier signs anticipating paroxysmal AF termination has been analyzed for the first time in this thesis. H(2) was selected for the study because of its highest accuracy in AF termination prediction. Additionally, the DAF and SampEn were also computed as references. Through this study it has been corroborated that AF organization only varies significantly within the last 3 minutes before spontaneous termination. As a consequence, the early prediction of paroxysmal AF spontaneous termination does not seem feasible through the current signal analysis tools. Finally, H(2) was applied in the classification between paroxysmal and persistent AF from short ECG recordings, achieving a higher diagnostic accuracy than DAF and SampEn. This result suggests that the analysis of ambulatory ECG recordings through H(2) could be a future alternative to the use of Holter ECG recordings in the classification between paroxysmal and persistent AF.[ES] La fibrilación auricular (FA) es la arritmia más frecuente y se caracteriza por una actividad auricular descoordinada, que impide que las aurículas bombeen sangre de manera eficaz. Se espera que la prevalencia de la FA aumente significativamente en las próximas décadas debido al envejecimiento de la población. Sin embargo, tanto el conocimiento relativo a esta arritmia como su tratamiento son todavía mejorables. Estudios previos han relacionado la organización de la FA, que se puede definir como el grado de repetitividad de la actividad auricular, con el estado de la arritmia o su respuesta al tratamiento. Además, la estimación de la organización de la FA a partir de registros electrocardiográficos (ECG) de superficie resulta especialmente interesante porque su obtención es sencilla y barata. El objetivo de esta tesis doctoral es evaluar el uso de distintos índices no lineales para estimar la organización de la FA a partir del ECG. Además de los estimadores no invasivos de organización más comunes, como la entropía muestral (SampEn) y la frecuencia auricular dominante (DAF), se han estudiado los siguientes métodos no lineales: la entropía borrosa, la entropía espectral, la complejidad Lempel-Ziv y los exponentes de Hurst. Además, se ha estudiado el uso de una estrategia destinada a la reducción del ruido y los residuos de actividad ventricular para mejorar el desempeño de métodos no lineales. Así, los índices estudiados también se han aplicado sobre la forma de onda fundamental de la actividad auricular, conocida como la onda auricular principal (MAW). Se han considerado los siguientes escenarios relacionados con la organización de la FA: la predicción de la terminación espontánea de la FA paroxística, el estudio de los primeros indicios de terminación espontánea de la FA y la clasificación entre FA paroxística y FA persistente a partir de registros ECG de corta duración. Primero, se estudió la capacidad de los índices estudiados para distinguir eventos relacionados con la organización de la FA mediante el análisis de una base de datos de referencia para la predicción de su terminación espontánea. La mayoría de los índices propuestos consiguieron una mayor precisión que los estimadores tradicionales de organización. Así, varios de los índices obtuvieron una precisión superior al 90% en la predicción de la terminación espontánea de la FA. En particular, los exponentes de Hurst generalizados de orden 1 y 2, H(1) y H(2), lograron los mejores resultados de clasificación. Puesto que el cálculo de H(2) depende de dos parámetros críticos, la longitud del intervalo analizado (L) y el tamaño máximo de la ventana donde buscar similitudes (tau), se llevó a cabo un estudio con 660 combinaciones de esos dos parámetros junto con la frecuencia de muestreo (fs) del registro para determinar el uso óptimo de este índice. Por otra parte, los trabajos previos que han estudiado la terminación espontánea de la FA se han centrado en los últimos 2 minutos antes de la terminación. Por contra, en esta tesis doctoral se han estudiado por primera vez registros de mayor duración para detectar los primeros indicios de la terminación de la FA. Para ello, se eligió el uso de H(2) por su alta precisión en la predicción de la terminación de la FA. Además, la DAF y SampEn se calcularon como referencias. En este estudio se ha comprobado que la organización de la FA solamente presenta variaciones significativas en los últimos 3 minutos antes de su terminación espontánea. Por ello, la predicción temprana de la terminación no parece posible con los medios actuales de análisis de la señal. Por último, se aplicó H(2) para clasificar entre FA paroxística y FA persistente a partir de ECGs de corta duración, obteniendo una mayor precisión diagnóstica que la DAF y SampEn. Este resultado sugiere que el análisis de ECGs ambulatorios por medio de H(2) puede ser en el futuro una alte[CA] La fibril·lació auricular (FA) és l'arítmia més freqüent i es caracteritza per una activitat auricular descoordinada, que impedix que les aurícules bomben sang de manera eficaç. S'espera que la prevalença de la FA augmente significativament en les pròximes dècades a causa de l'envelliment de la població. No obstant això, tant el coneixement relatiu a esta arítmia com el seu tractament són encara millorables. Estudis previs han relacionat l'organització de la FA, que es pot definir com el grau de repetitivitat de l'activitat auricular, amb l'estat de l'arítmia o la seua resposta al tractament. A més, l'estimació de l'organització de la FA a partir de registres electrocardiogràfics (ECG) de superfície resulta especialment interessant perquè la seua obtenció és senzilla i barata. L'objectiu d'esta tesi doctoral és avaluar l'ús de distints índexs no lineals en l'estimació de l'organització de la FA a partir de l'ECG de superfície. A més dels estimadors no invasius d'organització més comuns, com l'entropia mostral (SampEn) i la freqüència auricular dominant (DAF), s'han estudiat els següents mètodes no lineals: l'entropia borrosa, l'entropia espectral, la complexitat Lempel-Ziv i els exponents de Hurst. A més, s'ha estudiat l'ús d'una estratègia destinada a la reducció del soroll i els residus d'activitat ventricular per a millorar la seua capacitat d'estimar l'organització. Així, doncs, els índexs estudiats també s'han aplicat sobre la forma d'onda fonamental de l'activitat auricular, coneguda com l'onda auricular principal (MAW). S'han considerat els següents escenaris relacionats amb l'organització de la FA: la predicció de la terminació espontània de la FA paroxística, l'estudi dels primers indicis de terminació espontània de la FA i la classificació entre FA paroxística i FA persistent a partir de registres ECG de curta duració. Primer, es va estudiar la capacitat dels índexs estudiats per a distingir esdeveniments relacionats amb l'organització de la FA per mitjà de l'anàlisi d'una base de dades de referència per a la predicció de la seua terminació espontània. La majoria dels índexs proposats van aconseguir una major precisió que els estimadors tradicionals d'organització de la FA. Així, alguns dels índexs van obtindre una precisió superior al 90% en la predicció de la terminació espontània de la FA. En particular, els exponents de Hurst generalitzats d'orde 1 i 2, H(1) i H(2), van aconseguir els millors resultats de classificació. Com el càlcul de H(2) depén de dos paràmetres crítics, la longitud de l'interval analitzat (L) i la grandària màxima de la finestra on buscar similituds (tau), es va dur a terme un estudi amb 660 combinacions d'eixos dos paràmetres junt amb la freqüència de mostratge (fs) del registre per a determinar la combinació òptima de valors per a estimar l'organització de la FA. D'altra banda, els treballs previs que han estudiat la terminació espontània de la FA s'han centrat en els últims 2 minuts abans de la terminació. Per contra, en esta tesi doctoral s'han estudiat per primera vegada registres de major duració amb l'objectiu de detectar els primers indicis de la terminació de la FA. Es va triar l'ús de H(2) per a este estudi per la seua alta precisió en la predicció de la terminació de la FA. A més, la DAF i SampEn es van calcular com a referències. En este estudi s'ha comprovat que l'organització de la FA només presenta variacions significatives en els últims 3 minuts abans de la seua terminació espontània. Per això, la predicció primerenca de la terminació no pareix possible amb els mitjans actuals d'anàlisi del senyal. Finalment, es va aplicar H(2) per a classificar entre FA paroxística i FA persistent a partir d'ECGs de curta duració, obtenint una millor precisió diagnòstica que amb la DAF i SampEn. Este resultat suggerix que l'anàlisi d'ECGs ambulatoris per mitjà de H(2) pot ser en eJulián Seguí, M. (2015). Study on the non-linear metrics contribution to estimate atrial fibrillation organization from the surface electrocardiogram [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/56150TESI

Noninvasive autonomic nervous system assessment in respiratory disorders and sport sciences applications

La presente tesis está centrada en el análisis no invasivo de señales cardíacas y respiratorias, con el objetivo de evaluar la actividad del sistema nervioso autónomo (ANS) en diferentes escenarios, tanto clínicos como no clínicos. El documento está estructurado en tres partes principales. La primera parte consiste en una introducción a los aspectos fisiológicos y metodológicos que serán cubiertos en el resto de la tesis. En la segunda parte, se analiza la variabilidad del ritmo cardiaco (HRV) en el contexto de enfermedades respiratorias, concretamente asma (tanto en niños como en adultos) y apnea del sueño. En la tercera parte, se estudian algunas aplicaciones novedosas del análisis de señales cardiorespiratorias en el campo de las ciencias del deporte. La primera parte está compuesta por los capítulos 1 y 2. El capítulo 1 consiste en una extensa introducción al funcionamiento del sistema nervioso autónomo y las características de las bioseñales analizadas a lo largo de la tesis. Por otro lado, se aborda la patofisiología del asma y la apnea del sueño, su relación con el funcionamiento del ANS y las estrategias de diagnóstico y tratamiento de lasmismas. El capítulo concluye con una introducción a la fisiología del ejercicio, así como al interés en la estimación del volumen tidal y del umbral anaeróbico en el campo de las ciencias del deporte.En cuanto al capítulo 2, se presenta un marco de trabajo para el análisis contextualizado de la HRV. Después de una descripción de las técnicas de evaluación y acondicionamiento de la señal de HRV, el capítulo se centra en el efecto de los latidos ectópicos, la arritmia sinusal respiratoria y la frecuencia respiratoria en el análisis de la HRV.Además, se discute el uso de un índice para la evaluación de la distribución de la potencia en los espectros de HRV, así como diferentes medidas de acoplo cardiorespiratorio.La segunda parte está compuesta por los capítulos 3, 4 y 5, todos ellos relacionados con el análisis de la HRV en enfermedades respiratorias. Mientras que los capítulos 3 y 4 están centrados en asma infantil y en adultos respectivamente, el capítulo 5 aborda la apnea del sueño. El asma es una enfermedad respiratoria crónica que aparece habitualmente acompañada por una inflamación de las vías respiratorias. Aunque afecta a personas detodas las edades, normalmente se inicia en edades tempranas, y ha llegado a constituir una de las enfermedades crónicasmás comunes durante la infancia. Sin embargo, todavía no existe un método adecuado para el diagnóstico de asma en niños pequeños. Por otro lado, el rol fundamental que desempeña el sistema nervioso parasimpático en el control del tono bronco-motor y la bronco-dilatación sugiere que la rama parasimpática del ANS podría estar implicada en la patogénesis del asma. De estemodo, en el capítulo 3 se evalúa el ANS mediante el análisis de la HRV en dos bases de datos diferentes, compuestas por niños en edad pre-escolar clasificados en función de su riesgo de desarrollar asma, o de su condición asmática actual. Los resultados del análisis revelaron un balance simpáticovagal reducido y una componente espectral de alta frecuencia más picuda en aquellos niños con un mayor riesgo de desarrollar asma. Además, la actividad parasimpática y el acoplo cardiorespiratorio se redujeron en un grupo de niños con bajo riesgo de asma al finalizar un tratamiento para bronquitis obstructiva, mientras que estos permanecieron inalterados en aquellos niños con una peor prógnosis.A diferencia de los niños pequeños, en el caso de adultos el diagnóstico de asma se realiza a través de una rutina clínica bien definida. Sin embargo, la estratificación de los pacientes en función de su grado de control de los síntomas se basa generalmente en el uso de cuestionarios auto-aplicados, que pueden tener un carácter subjetivo. Por otro lado, la evaluación de la severidad del asma requiere de una visita hospitalaria y de incómodas pruebas, que no pueden aplicarse de una forma continua en el tiempo. De este modo, en el capítulo 4 se estudia el valor de la evaluación del ANS para la estratificación de adultos asmáticos. Para ello, se emplearon diferentes características extraídas de la HRV y la respiración, junto con varios parámetros clínicos, para entrenar un conjunto de algoritmos de clasificación. La inclusión de características relacionadas con el ANS para clasificar los sujetos atendiendo a la severidad del asma derivó en resultados similares al caso de utilizar únicamente parámetros clínicos, superando el desempeño de estos últimos en algunos casos. Por lo tanto, la evaluación del ANS podría representar un potencial complemento para la mejora de la monitorización de sujetos asmáticos.En el capítulo 5, se analiza la HRV en sujetos que padecen el síndrome de apnea del sueño (SAS) y comorbididades cardíacas asociadas. El SAS se ha relacionado con un incremento de 5 veces en el riesgo de desarrollar enfermedades cardiovasculares (CVD), que podría aumentar hasta 11 veces si no se trata convenientemente. Por otro lado, una HRV alterada se ha relacionado independientemente con el SAS y con numerosos factores de riesgo para el desarrollo de CVD. De este modo, este capítulo se centra en evaluar si una actividad autónoma desbalanceada podría estar relacionada con el desarrollo de CVD en pacientes de SAS. Los resultados del análisis revelaron una dominancia simpática reducida en aquellos sujetos que padecían SAS y CVD, en comparación con aquellos sin CVD. Además, un análisis retrospectivo en una base de datos de sujetos con SAS que desarollarán CVD en el futuro también reveló una actividad simpática reducida, sugiriendo que un ANS desbalanceado podría constituir un factor de riesgo adicional para el desarrollo de CVD en pacientes de SAS.La tercera parte está formada por los capítulos 6 y 7, y está centrada en diferentes aplicaciones del análisis de señales cardiorespiratorias en el campo de las ciencias del deporte. El capítulo 6 aborda la estimación del volumen tidal (TV) a partir del electrocardiograma (ECG). A pesar de que una correcta monitorización de la actividad respiratoria es de gran interés en ciertas enfermedades respiratorias y en ciencias del deporte, la mayor parte de la actividad investigadora se ha centrado en la estimación de la frecuencia respiratoria, con sólo unos pocos estudios centrados en el TV, la mayoría de los cuales se basan en técnicas no relacionadas con el ECG. En este capítulo se propone un marco de trabajo para la estimación del TV en reposo y durante una prueba de esfuerzo en tapiz rodante utilizando únicamente parámetros derivados del ECG. Errores de estimación del 14% en la mayoría de los casos y del 6% en algunos sugieren que el TV puede estimarse a partir del ECG, incluso en condiciones no estacionarias.Por último, en el capítulo 7 se propone una metodología novedosa para la estimación del umbral anaeróbico (AT) a partir del análisis de las dinámicas de repolarización ventricular. El AT representa la frontera a partir de la cual el sistema cardiovascular limita la actividad física de resistencia, y aunque fue inicialmente concebido para la evaluación de la capacidad física de pacientes con CVD, también resulta de gran interés en el campo de las ciencias del deporte, permitiendo diseñar mejores rutinas de entrenamiento o para prevenir el sobre-entrenamiento. Sin embargo, la evaluación del AT requiere de técnicas invasivas o de dispositivos incómodos. En este capítulo, el AT fue estimado a partir del análisis de las variaciones de las dinámicas de repolarización ventricular durante una prueba de esfuerzo en cicloergómetro. Errores de estimación de 25 W, correspondientesa 1 minuto en este estudio, en un 63% de los sujetos (y menores que 50 W en un 74% de ellos) sugieren que el AT puede estimarse de manera no invasiva, utilizando únicamente registros de ECG.<br /

Statistical and Graph-Based Signal Processing: Fundamental Results and Application to Cardiac Electrophysiology

The goal of cardiac electrophysiology is to obtain information about the mechanism, function, and performance of the electrical activities of the heart, the identification of deviation from normal pattern and the design of treatments. Offering a better insight into cardiac arrhythmias comprehension and management, signal processing can help the physician to enhance the treatment strategies, in particular in case of atrial fibrillation (AF), a very common atrial arrhythmia which is associated to significant morbidities, such as increased risk of mortality, heart failure, and thromboembolic events. Catheter ablation of AF is a therapeutic technique which uses radiofrequency energy to destroy atrial tissue involved in the arrhythmia sustenance, typically aiming at the electrical disconnection of the of the pulmonary veins triggers. However, recurrence rate is still very high, showing that the very complex and heterogeneous nature of AF still represents a challenging problem. Leveraging the tools of non-stationary and statistical signal processing, the first part of our work has a twofold focus: firstly, we compare the performance of two different ablation technologies, based on contact force sensing or remote magnetic controlled, using signal-based criteria as surrogates for lesion assessment. Furthermore, we investigate the role of ablation parameters in lesion formation using the late-gadolinium enhanced magnetic resonance imaging. Secondly, we hypothesized that in human atria the frequency content of the bipolar signal is directly related to the local conduction velocity (CV), a key parameter characterizing the substrate abnormality and influencing atrial arrhythmias. Comparing the degree of spectral compression among signals recorded at different points of the endocardial surface in response to decreasing pacing rate, our experimental data demonstrate a significant correlation between CV and the corresponding spectral centroids. However, complex spatio-temporal propagation pattern characterizing AF spurred the need for new signals acquisition and processing methods. Multi-electrode catheters allow whole-chamber panoramic mapping of electrical activity but produce an amount of data which need to be preprocessed and analyzed to provide clinically relevant support to the physician. Graph signal processing has shown its potential on a variety of applications involving high-dimensional data on irregular domains and complex network. Nevertheless, though state-of-the-art graph-based methods have been successful for many tasks, so far they predominantly ignore the time-dimension of data. To address this shortcoming, in the second part of this dissertation, we put forth a Time-Vertex Signal Processing Framework, as a particular case of the multi-dimensional graph signal processing. Linking together the time-domain signal processing techniques with the tools of GSP, the Time-Vertex Signal Processing facilitates the analysis of graph structured data which also evolve in time. We motivate our framework leveraging the notion of partial differential equations on graphs. We introduce joint operators, such as time-vertex localization and we present a novel approach to significantly improve the accuracy of fast joint filtering. We also illustrate how to build time-vertex dictionaries, providing conditions for efficient invertibility and examples of constructions. The experimental results on a variety of datasets suggest that the proposed tools can bring significant benefits in various signal processing and learning tasks involving time-series on graphs. We close the gap between the two parts illustrating the application of graph and time-vertex signal processing to the challenging case of multi-channels intracardiac signals

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