Forward Electrophysiological Modeling and Inverse Problem for Uterine Contractions during Pregnancy

Uterine contractile dysfunction during pregnancy is a significant healthcare challenge that imposes heavy medical and financial burdens on both human beings and society. In the U.S., about 12% of babies are born prematurely each year, which is a leading cause of neonatal mortality and increases the possibility of having subsequent health problems. Post-term birth, in which a baby is born after 42 weeks of gestation, can cause risks for both the newborn and the mother. Currently, there is a limited understanding of how the uterus transitions from quiescence to excitation, which hampers our ability to detect labor and treat major obstetric syndromes associated with contractile dysfunction. Therefore, it is critical to develop objective methods to investigate the underlying contractile mechanism using a non-invasive sensing technique. This dissertation focuses on the multiscale forward electromagnetic modeling of uterine contractile activities and the inverse estimation of underlying source currents from abdominal magnetic field measurements. We develop a realistic multiscale forward electromagnetic model of uterine contractions in the pregnant uterus, taking into account current electrophysiological and anatomical knowledge of the uterus. Previous models focused on generating contractile forces at the organ level or on ionic concentration changes at the cellular level. Our approach is to characterize the electromagnetic fields of uterine contractions jointly at the cellular, tissue, and organ levels. At the cellular level, focusing on both plateau-type and bursting-type action potentials, we introduce a generalized version of the FitzHugh-Nagumo equations and analyze its response behavior based on bifurcation theory. To represent the anisotropy of the myometrium, we introduce a random conductivity tensor model for the fiber orientations at the tissue level. Specifically, we divide the uterus into contiguous regions, each of which is assigned a random fiber angle. We also derive analytical expressions for the spiking frequency and propagation velocity of the bursting potential. At the organ level, we propose a realistic four-compartment volume conductor, in which the uterus is modeled based on the magnetic resonance imaging scans of a near-term woman and the abdomen is curved to match the device used to take the magnetomyography measurements. To mimic the effect of the sensing direction, we incorporate a sensor array model on the surface of abdomen. We illustrate our approach using numerical examples and compute the magnetic field using the finite element method. Our results show that fiber orientation and initiation location are the key factors affecting the magnetic field pattern, and that our multiscale forward model flexibly characterizes the limited-propagation local contractions at term. These results are potentially important as a tool for interpreting the non-invasive measurements of uterine contractions. We also consider the inverse problem of uterine contractions during pregnancy. Our aim is to estimate the myometrial source currents that generate the external magnetomyography measurements. Existing works approach this problem using synthetic electromyography data. Our approach instead proceeds in two stages: develop a linear approximation model and conduct the estimation. In the first stage, we derive a linear approximation model of the sensor-oriented magnetic field measurements with respect to source current dipoles in the myometrium, based on a lead-field matrix. In particular, this lead-field matrix is analytically computed from distributed current dipoles in the myometrium according to quasi-static Maxwell\u27s equations, using the finite element method. In the second stage, we solve a constrained least-squares problem to estimate the source currents, from which we predict the intrauterine pressure. We demonstrate our approach through numerical examples with synthetic data that are generated using our multiscale forward model. In the simulations, we assume that the excitation is located at the fundus of the uterus. We also illustrate our approach using real data sets, one of which has simultaneous contractile pressure measurements. The results show that our method well captures the short-distance propagation of uterine contractile activities during pregnancy, the change of excitation area in subsequent contractions or even in a single contraction, and the timing of uterine contractions. These findings are helpful in understanding the physiological and functional properties of the uterus, potentially enabling the diagnosis of labor and the treatment of obstetric syndromes associated with contractile dysfunction such as preterm birth and post-term birth

Etude de la propagation de l‟activité électrique utérine dans une optique clinique : Application a la détection des menaces d‟accouchement prématuré

Uterine contractions are essentially controlled by two physiological phenomena: cell excitability and propagation of uterine electrical activity probably related to high and low frequencies of uterine electromyogram, called electrohysterogram -EHG-, respectively. All previous studies have been focused on extracting parameters from the high frequency part and did not show a satisfied potential for clinical application. The objective of this thesis is the analysis of the propagation EHG signals of during pregnancy and labor in the view of extracting tool for clinical application. A novelty of our thesis is the multichannel recordings by using 4x4 electrodes matrix posed on the woman abdomen. Monovariate analysis was aimed to investigate the nonlinear characteristics of EHG signals. Bivariate and multivariate analyses have been done to analyze the propagation of the EHG signals by detecting the connectivity between the signals. An increase of the nonlinearity associated by amplitude synchronization and phase desynchronization were detected. Results indicate a highest EHG propagation during labor than pregnancy and an increase of this propagation with the week of gestations. The results show the high potential of propagation‟s parameters in clinical point of view such as labor detection and then preterm labor prediction. We proposed novel combination of Blind Source Separation and empirical mode decomposition to denoise monopolar EHG as a possible way to increase the classification rate of pregnancy and labor.Les contractions utérines sont contrôlées par deux phénomènes physiologiques: l'excitabilité cellulaire et la propagation de l'activité électrique utérine probablement liées aux hautes et basses fréquences de l‟electrohysterograme (EHG) respectivement. Toutes les études précédentes ont porté sur l'extraction de paramètres de la partie haute fréquence et n'ont pas montré un potentiel satisfait pour l'application clinique. L'objectif de cette thèse est l'analyse de propagation de l'EHG pendant la grossesse et le travail dans la vue de l'extraction des outils pour une application clinique. Une des nouveautés de la thèse est l‟enregistrement multicanaux à l'aide d‟une matrice d'électrodes 4x4 posée sur l'abdomen de la femme. Analyse monovariés visait à étudier les caractéristiques non linéaires des signaux EHG, analyses bivariées et multivariées ont été effectuées pour analyser la propagation des signaux EHG par la détection de la connectivité entre les signaux. Une augmentation de la non- linéarité associée par une synchronisation en amplitude et de désynchronisation en phase a été détectée. Les résultats indiquent plus de propagation au cours du travail que la grossesse et une augmentation de cette propagation avec les semaines de gestations. Les résultats montrent le potentiel élevé de paramètres de propagation dans le point de vue clinique tel que la détection du travail et de prédiction du travail prématuré. Finalement, nous avons proposé une nouvelle combinaison entre Séparation Aveugles de Sources et la Décomposition en Modes Empiriques pour débruiter les signaux EHG monopolaires comme un moyen possible d'augmenter le taux de classification de signaux grossesse et l'accouchement

Analysis of the propagation of uterine electrical activity applied to predict preterm labor

There are many open questions concerning the functioning of the human uterus. One of these open questions concerns exactly how the uterus operates as an organ to perform the very organized act of contracting in a synchronized fashion to expulse a new human into this world. If we don‟t understand how it works when it is working normally, it is obvious that we will not be as capable of intervening or preventing when, sometimes with tragic consequences, it does not do its job properly and a child is born before it is ready. The aim of our research is to be able to understand what the electrical activity of the uterus can tell us about the risk of premature birth, to understand better how the uterus works and to benefit from these understanding to find tool that can be used for labor detection and prediction of preterm labor. This idea of using the externally detected electrical activity of the uterus (electrohysterogram or EHG) to predict preterm labor is not new and lot of work has already been put into it. The novel approach in this work is not to use the signal collected from one or two isolated places on the expectant mother‟s abdomen but to map the propagation of the signals and to investigate the auto organization of the contractions. We therefore use a matrix of electrodes to give us a much more complete picture of the organization and operation of the uterus as pregnancy reaches its conclusion. Labor is the physiologic process by which a fetus is expelled from the uterus to the outside world and is defined as regular uterine contractions accompanied by cervical effacement and dilatation. In the normal labor, the uterine contractions and cervix dilatation are preceded by biochemical changes in the cervical connective tissue.Il reste beaucoup de questions ouvertes concernant le fonctionnement de l'utérus humain. L'une de ces questions est comment l'utérus fonctionne en tant qu‟organe organisé pour générer une contraction synchrone et expulser un nouvel être humain dans ce monde ? Si nous ne comprenons pas comment l‟utérus fonctionne, quand il fonctionne normalement, il est évident que nous ne serons pas en mesure d'intervenir ou de prévoir quand, avec parfois des conséquences tragiques, il ne fait pas son travail correctement et qu‟un enfant nait avant d‟être prêt ! Le but de notre recherche est de comprendre ce que l'activité électrique de l'utérus peut nous apporter sur la prévention du risque de naissance prématurée, de mieux comprendre comment fonctionne l'utérus et de bénéficier de ces connaissances pour développer un outil qui peut être utilisé pour la détection de l‟accouchement et la prédiction du travail prématuré. Cette idée d'utiliser l'activité électrique détectée à la surface de l‟abdomen (ou électrohystérogramme EHG) pour prédire un accouchement prématuré n'est pas nouvelle et beaucoup de travaux ont déjà été mis en oeuvre. La nouvelle approche dans ce travail n‟est pas d‟utiliser le signal recueilli par un ou deux endroits isolés sur l'abdomen de la future mère, mais de cartographier la propagation des signaux et d‟explorer l'auto organisation des contractions. Nous utilisons donc une matrice d'électrodes pour nous donner une image beaucoup plus complète de l'organisation et du fonctionnement de l'utérus. L‟accouchement est le processus physiologique par lequel le foetus est expulsé de l'utérus vers le monde extérieur. Il est défini comme la survenue de contractions utérines régulières accompagnées de l'effacement du col et de la dilatation cervicale. Dans le travail normal, les contractions de l'utérus et la dilatation du col sont précédées par des changements biochimiques du tissu conjonctif du col utérin

Etude de la propagation de l’activité électrique utérine dans une optique clinique: Application à la détection des menaces d’accouchement prématuré.

Uterine contractions are essentially controlled by two physiological phenomena: cell excitability and propagation of uterine electrical activity probably related to high and low frequencies of uterine electromyogram, called electrohysterogram -EHG-, respectively. All previous studies have been focused on extracting parameters from the high frequency part and did not show a satisfied potential for clinical application. The objective of this thesis is the analysis of the propagation EHG signals of during pregnancy and labor in the view of extracting tool for clinical application. A novelty of our thesis is the multichannel recordings by using 4x4 electrodes matrix posed on the woman abdomen. Monovariate analysis was aimed to investigate the nonlinear characteristics of EHG signals. Bivariate and multivariate analyses have been done to analyze the propagation of the EHG signals by detecting the connectivity between the signals. An increase of the nonlinearity associated by amplitude synchronization and phase desynchronization were detected. Results indicate a highest EHG propagation during labor than pregnancy and an increase of this propagation with the week of gestations. The results show the high potential of propagation’s parameters in clinical point of view such as labor detection and then preterm labor prediction. We proposed novel combination of Blind Source Separation and empirical mode decomposition to denoise monopolar EHG as a possible way to increase the classification rate of pregnancy and labor.Les contractions utérines sont contrôlées par deux phénomènes physiologiques: l'excitabilité cellulaire et la propagation de l'activité électrique utérine probablement liées aux hautes et basses fréquences de l’electrohysterograme (EHG) respectivement. Toutes les études précédentes ont porté sur l'extraction de paramètres de la partie haute fréquence et n'ont pas montré un potentiel satisfait pour l'application clinique. L'objectif de cette thèse est l'analyse de propagation de l'EHG pendant la grossesse et le travail dans la vue de l'extraction des outils pour une application clinique. Une des nouveautés de la thèse est l’enregistrement multicanaux à l'aide d’une matrice d'électrodes 4x4 posée sur l'abdomen de la femme. Analyse monovariés visait à étudier les caractéristiques non linéaires des signaux EHG, analyses bivariées et multivariées ont été effectuées pour analyser la propagation des signaux EHG par la détection de la connectivité entre les signaux. Une augmentation de la non-linéarité associée par une synchronisation en amplitude et de désynchronisation en phase a été détectée. Les résultats indiquent plus de propagation au cours du travail que la grossesse et une augmentation de cette propagation avec les semaines de gestations. Les résultats montrent le potentiel élevé de paramètres de propagation dans le point de vue clinique tel que la détection du travail et de prédiction du travail prématuré. Finalement, nous avons proposé une nouvelle combinaison entre Séparation Aveugles de Sources et la Décomposition en Modes Empiriques pour débruiter les signaux EHG monopolaires comme un moyen possible d'augmenter le taux de classification de signaux grossesse et l'accouchement