High-Density Mapping Analysis of Electrical Spatiotemporal Behaviour in Atrial Fibrillation

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Sinais e Imagens Médicas), 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasDoenças cardiovasculares, tais como arritmias, são a principal causa de morte no mundo, especialmente no Sul e no Este da Ásia, e nos Estados Unidos da América [1]. As arritmas são caracterizadas pela alteração no ritmo sinusal normal do coração. Em particular, a fibrilhação auricular (FA) é a arritmia cardíaca mais comum na prática clínica, contribuindo para mais de 200 mil mortes globalmente em 2017 [2]. Caracteriza-se pela contração rápida e dessincronizada das aurículas, e está associada ao aumento da mortalidade e afecta de forma negativa a qualidade de vida dos pacientes. A FA é geralmente tratada através de medicação, porém quando esta falha, a ablação por cateter é indicada, sendo um tratamento de referência para combater esta patologia. A ablação apresenta uma taxa de sucesso de aproximadamente 50% no primeiro procedimento, sendo necessário efectuar vários procedimentos para aumentar a eficácia do tratamento [3]. A detecção desta patologia envolve, numa primeira fase, a realização de um electrocardiograma (ECG) e, posteriormente um estudo electrofisiológico para saber com precisão onde se localiza e o mecanismo subjacente à mesma. Este último implica o registo da actividade eléctrica através de electrogramas (EGM) locais em diferentes pontos das aurículas e dos ventrículos, com o auxílio de sistemas de mapeamento tridimensionais (3D) electroanatómicos, sendo um procedimento invasivo. Existem diversos métodos lineares e não lineares que permitem a análise dos EGMs nos domínios do tempo, frequência, fase, entre outros, com a finalidade de melhor compreender os mecanismos subjacentes à FA e, consequentemente aumentar a taxa de sucesso do processo de ablação e melhorar a sua eficiência. Esta área de estudo progrediu significativamente, tanto a nível de hardware, como de software. Apesar disso, os métodos desenvolvidos não têm nem acrescentado benefícios adicionais, nem melhorado significativamente a taxa de sucesso do processo de ablação. Existem várias razões para tal, e grande parte deve-se ao facto destes métodos de análise estarem incorporados nos sistemas de mapeamento e o seu software ser exclusivo. Isto leva a que não consigamos perceber como é que os algoritmos funcionam nos diferentes sistemas de mapeamento para comparar as suas diferenças e semelhanças. Devido a estes constrangimentos, os investigadores são compelidos a desenvolver os seus próprios métodos de análise e técnicas de mapeamento, o que leva à existência de uma multitude de métodos e técnicas de mapeamento que parecem ser diferentes entre si, resultando em informação ambígua e conflituosa no que diz respeito aos mecanismos da FA, e a conclusões distintas entre estudos. O sucesso do tratamento poderia aumentar se tivéssemos uma melhor compreensão dos métodos de análise e da sua aplicação no contexto da FA; perceber se os métodos apontam para o mesmo fenómeno de fibrilhação, se existe alguma correlação entre os métodos, e se a informação fornecida pelos mesmos é complementar ou redundante. Assim, o objectivo deste trabalho consistiu em implementar diferentes métodos para analisar os EGMs e a estrutura 3D da aurícula esquerda (AE) de doentes com FA, numa tentativa de responder às questões que motivaram a realização deste projecto. Em última análise, ao observar os mapas 3D da AE tendo uma melhor compreensão dos métodos, poderemos identificar com precisão as regiões na AE responsáveis por iniciar a FA, e ter mais conhecimento sobre os mecanismos responsáveis pela mesma. Desta forma, o processo de ablação poderá alcançar o seu potencial. Para este projecto, foram incluídos os mapas 3D electroanatómicos da AE de dez doentes com FA paroxística ou persistente do hospital de Santa Marta, recolhidos com o sistema de mapeamento CARTO 3. Cada ponto electroanatómico dos mapas inclui as 12 derivações do ECG, e os EGMs unipolares e bipolares registados com o cateter de mapeamento Pentaray de 20 pólos. Porém, apenas os EGMs bipolares foram incluídos na análise. Processaram-se os sinais bipolares e, devido a algumas limitações, foi possível apenas a implementação de dois métodos diferentes para os analisar: um no domínio da frequência – Frequência Dominante (FD) –, e outro no domínio da Teoria da Informação – a entropia de Shannon. De seguida, criaram-se três tipos de mapas 3D electroanatómicos da AE para cada doente: um de voltagem, cuja informação foi adquirida com o sistema de mapeamento, um de FD, e outro de entropia. A informação de cada mapa estava organizada segundo um padrão de cores. Observando os diferentes tipos de mapas da AE paralelamente, foi possível comparar os métodos, e perceber que tipo de informação cada um deles fornecia, numa tentativa de melhor compreender os mecanismos da FA. Foi possível observar em algumas regiões da AE, principalmente nos mapas de voltagem e de FD, a presença de “centros de activação” ou “centros de fibrilhação”, que poderão ser os gatilhos responsáveis por desencadear ou manter o mecanismo de fibrilhação. Para confirmar se de facto aquelas regiões eram os gatilhos de fibrilhação, seria necessário submeter os doentes ao processo de ablação e queimar essas zonas; e posteriormente acompanhar os doentes para observar os efeitos do procedimento e confirmar a hipótese. Contudo, dadas as limitações do trabalho e o facto desta área de investigação ser pouco explorada, é fulcral obter um maior número de estudo comparativos entre mais métodos de diferentes domínios e confirmar se apontam ou não para o mesmo fenómeno de fibrilhação. Apesar de terem sido implementados apenas dois métodos de análise dos EGMs, o projecto permitiu a comparação entre os mesmos, uma área de estudo por onde ainda há muito para investigar. Com mais conhecimento sobre os diferentes métodos, a sua aplicação, inter-relação e adequação no estudo dos mecanismos da FA e das propriedades electrofisiológicas desta patologia, é possível desenvolver procedimentos de ablação mais eficientes e selectivos, de forma a diminuir os riscos e aumentar a taxa de sucesso do tratamento.Atrial fibrillation (AF) is the most frequent cardiac arrhythmia in clinical practice and is described by rapid and irregular contractions of the atria. Despite catheter ablation (CA) being a well-established treatment for AF, it is sub-optimal, with a success rate of approximately 50 % after a single procedure, with some patients requiring multiple procedures to achieve long-term freedom from this pathology. This prompted the proposal and development of various quantitative electrogram (EGM)-based methods along with different mapping systems with their respective mapping techniques, to better understand the mechanisms responsible for initiating and maintaining AF, thus improving ablation outcomes. However, this diversification of methods and tools resulted in disperse and inconsistent data regarding the mechanisms of AF. This work consisted of employing two different methods to analyse the electrograms (EGM): dominant frequency (DF) and Shannon entropy (ShEn). From these EGMs, metrics were then extracted and displayed in colour-coded fashion on a 3D mesh of the left atrium (LA) from patients with paroxysmal or persistent AF. The two methods were compared to understand whether or not these indicated different phenomena/mechanisms, and if these could locate sites suspected of triggering and maintaining AF. The results, while not fully conforming to the literature, allowed the comparison between different EGM analysis methods, a field of study that requires further research. Overall, this project highlighted the limited data available within the topic, hindering our understanding of AF mechanisms and development of more effective and selective ablation procedures to avoid unnecessary complications, and ultimately improve the effects of the treatment's outcomes