Tesi: "Fibrillation cardiaque – Modèles mathématiques"

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Khaddoumi, Balkine. "Analyse et modélisation d'électrocardiogrammes dans le cas de pathologies ventriculaires". Nice, 2005. http://www.theses.fr/2005NICE4021.

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Abstract (sommario):

This work is situated in the analysis of the arrhythmia rhythm disorders of the heart, and more particularly of those resulting from problems of the ventricles. Two problems were tackled. The first relates to the study of episodes of Ventricular Fibrillation (VF) obtained from human beings with endocardial recordings. Two assumptions were proposed : signal modelled by fundamental and harmonics either stable or time dependant. It is shown that we can highlight using short episodes (5 to 15 seconds) significant fluctuations of the pitch thanks to adaptive or evolutionary algorithms. A practical result, founds for the first time in human subjects, is the correlation between the pitch of the episode of VF and the refractory period. The second problem relates to recordings of the ECG using a system with 64 electrodes (Body Surface Potential Mapping : BSPM). The original idea is to put forward a measure of the spatial dispersion of ECG wave shapes. We show the relevance of this measurement by comparing a group of subjects having had a myocardial infarction with a healthy reference group. For each column of electrodes, the differences in shape between each signal and a signal of reference, obtained by Integral Shape Averaging (ISA) are computed. We can allot to this reference an average position on the thorax allowing to define “an average path”. As a matter of fact, this path is an invariant, i. E. , independent of the subject and the ECG wave. The practical repercussions of this work are in diagnosis assistance and the modelling of cardiac electrophysiology
Le travail s’inscrit dans l’analyse des troubles du rythme cardiaque, et plus particulièrement ceux issus de disfonctionnements des ventricules. Deux problèmes ont été abordés : le premier concerne l’étude d’épisodes de Fibrillation Ventriculaire (VF) obtenus chez l’homme par des enregistrements endocavitaires. Deux hypothèses ont été proposées : signal modélisé par un fondamental et des harmoniques stables ou dépendant du temps. On montre que l’on peut mettre en évidence sur des épisodes courts (5 à 15 secondes) des fluctuations significatives du fondamental grâce à des algorithmes adaptatifs ou évolutifs. Un résultat pratique, établi pour la première fois chez l’homme, est la corrélation entre le fondamental de l’épisode de FV et la période réfractaire. Le second problème concerne des enregistrements de l’ECG à l’aide d’un système à 64 électrodes. L’idée originale est de proposer une mesure de la dispersion spatiale des formes des ondes ECG. La pertinence de la mesure est prouvée en comparant un groupie de sujets ayant eu un infarctus du myocarde avec un groupe témoin sain. Pour chaque colonne d’électrodes les différences de forme sont calculées par rapport à un signal de référence obtenue par l’algorithme : Integral Shape Averaging (ISA). On peut attribuer à cette référence une position moyenne sur le thorax permettant de définir « un chemin moyen ». Ce chemin s’avère être un invariant, indépendant du type d’onde ECG,. Ainsi que du sujet sain ou pathologique. Les retombées pratiques de ce travail se trouvent dans l’aide au diagnostic et la modélisation de l’électrophysiologie cardiaque

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Nati, Poltri Simone. "Modélisation mathématique de la réponse du tissu cardiaque après ablation par champs pulsés". Electronic Thesis or Diss., Bordeaux, 2024. http://www.theses.fr/2024BORD0322.

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Abstract (sommario):

Les arythmies cardiaques sont des irrégularités du rythme cardiaque, causées par des anomalies dans l’activité électrique du myocarde. Parmi les nombreuses stratégies d’ablation utilisées pour isoler ces pathologies, l’ablation par champ électrique pulsé (PFA) s’est imposée comme une nouvelle technique non thermique basée sur des impulsions électriques courtes et de haute tension permettant de tuer les cellules cardiaques de manière précise tout en préservant la structure tissulaire. L’objectif de cette thèse est de proposer un modèle mathématique pour étudier les effets à long terme de la PFA sur le tissu cardiaque pour deux pathologies : la fibrillation auriculaire (AF) - une arythmie des oreillettes commune déclenchée principalement via les veines pulmonaires - et la tachycardie ventriculaire (VT), un rythme rapide et irrégulier provoqué par une forte hétérogénéité tissulaire dans les ventricules. Alors que pour l’AF, la zone ablatée est mince par rapport au domaine de l’oreillette, pour la VT, la région ablatée n’est pas négligeable. Pour décrire l’activité électrique du cœur, nous partons du modèle bidomaine - un modèle parabolique dégénéré semi-linéaire standard qui décrit l’électrophysiologie du cœur - et nous le modifions en fonction de la pathologie concernée. Dans le contexte de l’AF, nous introduisons à l’intérieur de la zone ablatée un petit paramètre ε - proportionnel à l’épaisseur de la région - utilisé aussi pour redimensionner la conductivité intracellulaire. Nous analysons la version statique du système bidomaine modifié dans le contexte semi-linéaire, et nous effectuons une analyse asymptotique formelle pour déterminer les conditions de transmission approximatives à l’interface entre la zone ablatée et la région saine, lorsque ε s’approche de zéro. L’expansion asymptotique à tout ordre est prouvée et validée numériquement. Nous proposons également des simulations numériques (obtenues en utilisant FreeFem++, une bibliothèque d’éléments finis) dans un contexte dynamique. En considérant une géométrie synthétique de l’oreillette gauche, nous simulons l’isolation d’une veine pulmonaire à partir de laquelle l’AF est supposée se déclencher. Des méthodes de Schwarz sans recouvrement sont étudiées et adoptées pour imposer numériquement les conditions de transmission à l’interface. Les résultats sont comparés à une autre technique d’ablation : l’ablation par radiofréquence (RFA), connue pour brûler le tissu cardiaque par transfert de chaleur tout en détruisant la structure tissulaire. Notre objectif est de prédire numériquement le succès ou l’échec de ces deux procédures d’ablation. Nous validons ensuite nos approches sur des données cardiaques réelles obtenues chez des moutons. Nos collaborateurs de l’IHU Liryc ont d’abord induit une VT chez différents moutons en créant deux cicatrices cardiaques séparées par un canal de conduction lente, puis ont effectué une PFA pour traiter la VT induite. Dans le contexte de la VT, notre modèle proposé pour l’AF n’est pas applicable, puisque l’hypothèse concernant la petite taille de la région ablatée n’est plus valable. De plus, la VT est une pathologie plus complexe à modéliser car elle est causée par l’hétérogénéité des tissus. Nous modifions le modèle bidomaine en introduisant un paramètre ε - qui dans ce cas représente le niveau d’ablation - à l’intérieur de la zone ablatée et nous l’utilisons pour redimensionner la conductivité intracellulaire. Des simulations sont effectuées pour reproduire une VT dans une géométrie de ventricule de mouton grâce à un signal de réentrée placé à proximité du canal. Nous proposons également des simulations après PFA ou RFA que nous comparons pour prédire numériquement le succès ou l’échec des deux procédures d’ablation. Les résultats numériques sont également comparés à la carte d’activation de l’endocarde construite avant la PFA.[...]
Cardiac arrhythmias are irregularities in the normal rhythm of the heart, caused by anomalies in the electrical activity of the myocardium. Among the many ablation strategies used to isolate these pathologies, Pulsed electric Field Ablation (PFA) has emerged as a novel non-thermal technique that takes advantage of short and high-voltage electrical pulses to kill cardiac cells, by ensuring the precise targeting of the abnormal tissue and the preservation of the tissue scaffold. The aim of this thesis is to propose a mathematical model to study the long-term effects of PFA on the cardiac tissue, in the context of two different pathologies: Atrial Fibrillation (AF) - a common atrial arrhythmia that mostly starts from pulmonary veins - and Ventricular Tachycardia (VT), a rapid and irregular heartbeat that originates from tissue heterogeneity in the ventricles. While for AF the ablated area is thin compared to the left atrium domain, for VT the ablated region is not negligible. To describe the electrical activity of the heart we start from the bidomain model - a standard parabolic degenerate semilinear model that describes the electrophysiology of the heart - and we modify it depending on the pathology of interest. In the context of AF we introduce inside the ablated area a small parameter ε - proportional to the thickness of the region - that also rescales the intra-cellular conductivity. We analyze the static version of the modified bidomain system in the semilinear context, and we perform a formal asymptotic analysis to determine the approximate transmission conditions at the interface between the ablated area and the healthy region, as ε approaches zero. The asymptotic expansion at any order is proven and numerically validated. We also propose numerical simulations (obtained using FreeFem++, a finite element library) in a dynamic context. By considering a synthetic geometry of a left atrium, we simulate the isolation of a pulmonary vein from which AF is supposed to trigger. Non-overlapping Schwarz methods are studied and adopted to numerically impose well-designed conditions at the interface. The results are compared with another technique, radio-frequency ablation (RFA), known to burn cardiac tissue through heat transfer and then to destroy the tissue scaffold. Our objective is to numerically predict the success or failure of the two ablation procedures. Then, we validate our approaches in a real heart data from sheep. Our collaborators at IHU Liryc first induced VT in different sheep by creating two cardiac scars separated by a slow conduction channel, and then performed a PFA procedure to treat the induced VT. In the context of VT, our model proposed for AF is not applicable, since the hypothesis regarding the small size of the ablated region is no longer valid. Moreover, VT is a more complex pathology to model as it is caused by tissue heterogeneity. We modify the bidomain model by introducing a parameter ε - that in this case stands for the ablation level - inside the ablated area and we use it to rescale the intra-cellular conductivity. Simulations are performed to reproduce VT in a sheep ventricle geometry thanks to a signal reentry placed nearby the channel. We also propose simulations of PFA and we compare them with RFA to numerically predict the success or failure of the two ablation procedures. The numerical results are also compared with the activation endocardium map built before the PFA intervention. To conclude, this work provides a first numerical study of the mathematical descriptions of PFA in both AF and VT context, opening perspectives towards clinical applications

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Khaddoumi, Balkine. "Analyse et modèlisation de l'activité électrique du coeur dans le cas de pathologies ventriculaires". Phd thesis, Université de Nice Sophia-Antipolis, 2005. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00192273.

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Abstract (sommario):

Le travail s'inscrit dans l'analyse des troubles du rythme cardiaque, et plus particulièrement ceux issus de disfonctionnements des ventricules. Deux problèmes ont été abordés qui demandent des méthodes spécifiques en traitement du signal. Le premier concerne l'étude d'épisodes de Fibrillation Ventriculaire (VF) obtenus chez l'homme par des enregistrements endocavitaires indiqués par l'implantation de défibrillateurs (au Service de Cardiologie du CHU de Nice). Le processus générant la FV n'étant pas encore clairement identifié, deux hypothèses ont été proposées : signal modélisé par un fondamental et des harmoniques stables ou dépendant du temps. On montre que l'on peut mettre en évidence sur des épisodes courts (5 à 15 secondes) des fluctuations significatives du fondamental grâce à des algorithmes adaptatifs ou évolutifs. Un résultat pratique, établi pour la première fois chez l'homme, est la corrélation entre le fondamental de l'épisode de FV et la période réfractaire que mesure le médecin pour différentes fréquences de stimulation. Le second problème concerne des enregistrements de l'ECG haute résolution à l'aide d'un système à 64 électrodes, en collaboration avec l'Institut de Biocybernétique de Varsovie. L'idée originale est de proposer une mesure de la dispersion spatiale des formes des ondes ECG. On montre la pertinence de l'information apportée par cette mesure en comparant un groupe de sujets ayant eu un infarctus du myocarde avec un groupe témoin sain. La mesure de la dispersion est calculée, pour chaque colonne d'électrodes, à partir des différences de forme entre chaque signal et un signal de référence. Pour cette référence, nous proposons un signal de forme moyenne obtenu par une technique de moyennage invariante par translation et changement d'échelle : Integral Shape Averaging, (ISA). On peut attribuer à cette référence une position moyenne sur le thorax permettant de définir « un chemin moyen ». Un résultat intéressant observé sur les signaux réels utilisés est que ce chemin est un invariant, indépendant du type d'onde ECG ainsi que du sujet sain ou pathologique. Les retombées pratiques de ce travail se trouvent dans l'aide au diagnostic et la modélisation de l'électrophysiologie cardiaque. On peut citer comme perspectives immédiates : (i) Concernant le premier problème, on prévoit une amélioration de la technique de défibrillation (instant du choc et intensité) ainsi qu'une analyse plus fine de l'évolution des fréquences dans le cas où des épisodes de FV plus longs peuvent être enregistrés (chez l'animal). Les mêmes algorithmes pourraient être appliqués à des épisodes de fibrillation auriculaire et comparés aux résultats de la littérature.(ii) Pour le deuxième problème, l'étude de la dispersion spatiale des formes d'onde devrait être étendue à des populations ayant eu des fibrillations auriculaires. On peut aussi envisager une étude simultanée de la dispersion des formes (QRS ou T) et de la corrélation de la fréquence fondamentale observée dans un épisode de FV avec la période réfractaire.

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Gerard, Antoine. "Modèles numériques personnalisés de la fibrillation auriculaire". Thesis, Bordeaux, 2019. http://www.theses.fr/2019BORD0120/document.

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Abstract (sommario):

Les arythmies auriculaires constituent une pathologie majeure en cardiologie, et leur étude constitue un vaste sujet de recherche. Pour les étudier, de nombreux modèles mathématiques de la propagation du potentiel d'action dans les oreillettes ont été développés. La plupart de ces modèles génériques permettent de reproduire des séquences d'activations typiques des oreillettes. De tels modèles peuvent avoir un intérêt expérimental, voir clinique, par exemple dans l'aide à la localisation des foyers arythmiques ou encore dans l'analyse des échecs du traitement de ces arythmies. Néanmoins, pour atteindre ce but, il faut être capable de recaler au mieux le modèle, dans ses dimensions géométriques ou fonctionnelles, sur des données individuelles. L'assimilation de données, discipline mathématique dans laquelle nous cherchons à combiner de manière optimale théorie et observations, est alors un bon candidat à la personnalisation des modèles de la propagation du potentiel d'action. Dans cette thèse, nous proposons d'étudier différentes méthodes d'assimilation de données -- séquentielles et variationnelles -- dans le but de combiner les modèles de propagation avec des données électroanatomiques. Plus précisément, nous nous intéressons à deux applications possible de l'assimilation de données que sont l'estimation d'état et l'estimation de paramètres. Dans un premier temps, nous étudions un observateur d'état permettant de corriger la position du front de propagation simulé en se basant sur la position du front observé. Cet observateur est alors utilisé afin de compléter une carte d'activation obtenue lors d'une procédure clinique. Ensuite, ce même observateur est combiné à un filtre de Kalman d'ordre réduit afin d'estimer les paramètres de conductivités du modèle mathématique de propagation du potentiel d'action. Une étude de la stratégie d'estimation liée état-paramètre est ensuite réalisée pour voir comment la méthode se comporte face aux erreurs de modélisation. La méthode est ensuite testée sur un jeu de données acquis cliniquement. Puis, nous regardons du côté des méthodes d'assimilation de données variationnelles qui permettent l'estimation de paramètres spatialement distribués. Plusieurs problèmes de minimisation, permettant d'estimer un paramètre de conductivité distribué dans l'espace, sont alors introduits et analysés. Nous montrons alors que la discrétisation de ces problèmes de minimisation, dans le but d'obtenir des méthodes numériques de résolution, peut s'avérer complexe. Une méthode numérique est ensuite mise en place pour un des problèmes de minimisation étudié, et trois cas tests unidimensionnels sont analysés.Enfin, nous démontrons l'existence d'un minimum pour une des fonctions objectif étudiées en nous basant sur des résultats d'analyse fonctionnelle de la littérature
Atrial arrhythmias are a major pathology in cardiology, and their study is alarge research topic. To study them, many mathematical models of the actionpotential propagation in atria have been developed. Most of those generic models can be used to reproduce typical activation sequences of the atria. Such models may have an experimental or even clinical interest, for example in helping the location of arrhythmic foci or in the analysis of treatment failures for these arrhythmias. Nevertheless, to achieve this goal, it isnecessary to be able to adjust the model at best, based on experimental orclinical data. Data assimilation, a mathematical discipline in which we seek to optimally combine theory and observations, is then a good candidate for the customization of action potential propagation models.In this thesis, we propose to study different data assimilation methods-- sequential and variational -- in order to adjust action potential propagation model on electroanatomical data. More precisely, we are interested in two possible applications of data assimilation: state estimation and parameter estimation.First, we study a state observer which is able to correct the simulatedpropagation front localization based on the observed front localization. Thisobserver is then used to complete an activation map obtained during a clinical procedure.Then, this observer is combined with a reduced order Kalman filterin order to estimate the conductivity parameters of the action potentialpropagation model. A study of the joint state-parameter estimationstrategy is then realized to see how the method behaves faced with modelingerrors. The method is then tested on a clinically acquired dataset.Then, we look at variational data assimilation methods that allow the estimation of spatially distributed parameters. Several minimization problems, allowing to estimate a conductivity parameter distributed in space, are then introduced and analyzed. We then show that the discretization of these minimization problems, in order to obtain numerical methods of resolution, can be complex. A numerical method is then implemented for one of the studied minimization problems, and three 1D test cases are analyzed.Finally, we demonstrate the existence of a minimum for one of the studiedobjective function based on functional analysis results from theliterature

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Kourdourli-Cherif, Ouafiya. "Arythmies auriculaires et ventriculaires du rat : rôle du système nerveux autonome, rôle de la pathologie". Montpellier 1, 2004. http://www.theses.fr/2004MON1T019.

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Abstract (sommario):

Des incertitudes persistent dans les mecanismes en cause et les choix therapeutiques des arythmies de l'insuffisance cardiaque et la fibrillation auriculaire ; dans ce contexte les modeles animaux gardent tout leur interet aux deux etages cardiaques. 1) au niveau ventriculaire, notre travail a demontre sur un modele de rat insuffisant cardiaque chronique apres ligature coronaire, que les arythmies etaient relativement reproductibles, elles etaient correlees en severite et en densite a deux parametres majeurs du remodelage ventriculaire gauche : la taille et l'age de l'infarctus. Elles etaient inversement correlees a la frequence cardiaque, phenomene demontre en periode d'activite spontanee du rat ou lors d'une epreuve de nage standardisee. Paradoxalement, le propranolol, tout en ralentissant la frequence cardiaque, a abaisse la densite des arythmies malgre leur bradycardie-dependance. Une association fosinopril-spironolactone a diminue chez le rat l'importance des arythmies ventriculaires apres 4 mois de traitement. 2) a l'etage auriculaire, notre travail a demontre que le rat (wistar et sprag-dawley) anesthesie, intube, ventile et thoracotomise etait facilement inductible en fibrillation auriculaire soutenue et de maniere reproductible. L'ancienne theorie de la masse critique peut donc etre discutee. L'analyse des variations des parametres electrophysiologiques et les variations d'inductibilite selon les anesthesiques et les mediateurs du systeme nerveux autonome font discuter du role preponderant du tonus vagal dans l'induction de la fibrillation auriculaire. L'effet de la pathologie (insuffisance cardiaque ischemique) et de la souche (rat wistar ou rat sprag-dawley) etait patent, apres l'analyse electrophysiologique et histologique (connexines atriales) les mecanismes restent mal connus.

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Roux, Sébastien. "Modèles dynamiques en tomographie - Application à l'imagerie cardiaque". Phd thesis, Grenoble 1, 2004. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00007803.

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Abstract (sommario):

Les techniques mathématiques de reconstruction d'image jouent un rôle important dans le domaine médical. Elles permettent d'exploiter, par résolution d'un problème inverse, les mesures issues d'appareils médicaux comme le scanner pour obtenir une image volumique représentant la répartition spatiale d'une propriété, comme la densité des tissus. Les progrès des scanners rendent désormais possible l'étude dynamique de certains organes, comme le coeur. Cependant, les techniques de reconstruction classiques doivent être améliorées pour prendre en compte les évolutions des organes durant l'acquisition des mesures, qui provoquent une perte de qualité et donc d'information dans les images reconstruites. L'objectif de ce travail de thèse est d'investiguer l'usage de modèles additionnels permettant de régulariser le problème de reconstruction tomographique. Dans une première étude, nous approfondissons les méthodes couramment utilisées en tomographie cardiaque basées sur l'utilisation d'un modèle de périodicité de l'évolution. Nous étudions les problèmes de synchronisation dans les géométries parallèles et divergentes et leur lien avec l'échantillonnage des mesures. Nous proposons par ailleurs un schéma de reconstruction amélioré dans le cas des géométries divergentes. La seconde étude concerne les méthodes dites de compensation du mouvement, qui utilisent dans l'algorithme de reconstruction un modèle de déformation de la scène connu a priori. Nous proposons des méthodes analytiques de reconstruction qui compensent les déformations affines dépendant du temps, en établissant des conditions d'admissibilité et des formules d'inversion exactes.

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Le, Quang Khai. "Troubles du rythme cardiaque dans les modèles murins transgéniques". Thèse, Nantes, 2010. https://archive.bu.univ-nantes.fr/pollux/show/show?id=77640043-d85a-4ffa-b817-17b1b0c76068.

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Abstract (sommario):

Les maladies cardio-vasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde. L'hypertrophie cardiaque est un processus de remodelage provoqué par une surcharge de travail du muscle cardiaque afin de mieux répondre à la demande de l'organisme. Bien que bénéfique à court terme, une hypertrophie trop accentuée conduira à long terme, à une insuffisance cardiaque. L'hypertrophie est associée à un remodelage électrique qui conduit généralement à un allongement du potentiel d'action, une des causes des arythmies ventriculaires et de la mort subite. Généralement, le mécanisme causal est la fibrillation ventriculaire, un trouble du rythme irréversible dont les mécanismes sont complexes et méconnus. Si les conséquences fonctionnelles in vitro des mutations génétiques ou du remodelage ionique sont relativement simples à étudier ou à prévoir, leur rôle dans les mécanismes des troubles du rythme in vivo sont plus difficiles à appréhender. Parmi les nombreux modèles animaux développés pour la recherche sur les troubles du rythme, la souris est de plus en plus utilisée en raison de notre capacité à muter, invalider ou sur-exprimer les gènes d'intérêt chez ces animaux. L'objectif de mon travail de thèse était de mieux comprendre le rôle des canaux ioniques en physiopathologie cardiaque, en particulier dans la survenue des troubles du rythme in vivo. Ces travaux ont permis d'améliorer notre connaissance du rôle des anomalies génétiques impliquant des canaux ioniques et du remodelage ionique dans la physiopathologie des troubles du rythme et pourrait ainsi ouvrir de nouvelles perspectives thérapeutiques dans le traitement anti-remodelage cardiaque et la prévention de la mort subite
Cardiovascular disease is the leading cause of death in the world each year. If no action is taken to improve cardiovascular health and current trends continue, WHO estimates that 25% more healthy life years will be lost to cardiovascular disease globally by 2020. Cardiac hypertrophy is the consequence of an excessive workload of the heart muscle leading to cardiac remodeling process. As the workload increases, the ventricular walls grow thicker, lose elasticity and eventually may fail to pump with as much force as a healthy heart. Furthermore, hypertrophied myocardium is not physiologically normal and may confer a predisposition to potentially fatal arrhythmias. Generally, the causal mechanism is ventricular fibrillation, a cardiac rhythm disorder which is irreversible but the pathophysiological mechanisms are complex and poorly understood. The functional consequences of mutations or ionic remodeling are relatively simple to study in vitro, but their role in the pathophysiology of arrhythmias in vivo is more difficult to grasp. Among the different animal models developed in cardiac arrhythmias research, the mouse is increasingly used because of our ability to mutate, knock-out or over-express genes of interest. The objective of my thesis was to study the role of ion channels in physiology as well as cardiac pathophysiology, particularly in the involvement of the occurrence of cardiac arrhythmias in vivo. This thesis will improve our understanding of the role of genetic abnormalities involving ionic remodeling in the pathogenesis of the heart and may also open new therapeutic perspectives in the treatment of cardiac remodeling as well as sudden cardiac death

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Le, Quang Khai. "Troubles du rythme cardiaque dans les modèles murins transgéniques". Thèse, Nantes, 2010. http://hdl.handle.net/1866/4903.

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Abstract (sommario):

Les maladies cardio-vasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde. L’hypertrophie cardiaque est un processus de remodelage provoqué par une surcharge de travail du muscle cardiaque afin de mieux répondre à la demande de l’organisme. Bien que bénéfique à court terme, une hypertrophie trop accentuée conduira à long terme, à une insuffisance cardiaque. L’hypertrophie est associée à un remodelage électrique qui conduit généralement à un allongement du potentiel d’action, une des causes des arythmies ventriculaires et de la mort subite. Généralement, le mécanisme causal est la fibrillation ventriculaire, un trouble du rythme irréversible dont les mécanismes sont complexes et méconnus. Si les conséquences fonctionnelles in vitro des mutations génétiques ou du remodelage ionique sont relativement simples à étudier ou à prévoir, leur rôle dans les mécanismes des troubles du rythme in vivo sont plus difficiles à appréhender. Parmi les nombreux modèles animaux développés pour la recherche sur les troubles du rythme, la souris est de plus en plus utilisée en raison de notre capacité à muter, invalider ou sur-exprimer les gènes d'intérêt chez ces animaux. L'objectif de mon travail de thèse était de mieux comprendre le rôle des canaux ioniques en physiopathologie cardiaque, en particulier dans la survenue des troubles du rythme in vivo. Ces travaux ont permis d'améliorer notre connaissance du rôle des anomalies génétiques impliquant des canaux ioniques et du remodelage ionique dans la physiopathologie des troubles du rythme et pourrait ainsi ouvrir de nouvelles perspectives thérapeutiques dans le traitement anti-remodelage cardiaque et la prévention de la mort subite.
Cardiovascular disease is the leading cause of death in the world each year. If no action is taken to improve cardiovascular health and current trends continue, WHO estimates that 25% more healthy life years will be lost to cardiovascular disease globally by 2020. Cardiac hypertrophy is the consequence of an excessive workload of the heart muscle leading to cardiac remodeling process. As the workload increases, the ventricular walls grow thicker, lose elasticity and eventually may fail to pump with as much force as a healthy heart. Furthermore, hypertrophied myocardium is not physiologically normal and may confer a predisposition to potentially fatal arrhythmias. Generally, the causal mechanism is ventricular fibrillation, a cardiac rhythm disorder which is irreversible but the pathophysiological mechanisms are complex and poorly understood. The functional consequences of mutations or ionic remodeling are relatively simple to study in vitro, but their role in the pathophysiology of arrhythmias in vivo is more difficult to grasp. Among the different animal models developed in cardiac arrhythmias research, the mouse is increasingly used because of our ability to mutate, knock-out or over-express genes of interest. The objective of my thesis was to study the role of ion channels in physiology as well as cardiac pathophysiology, particularly in the involvement of the occurrence of cardiac arrhythmias in vivo. This thesis will improve our understanding of the role of genetic abnormalities involving ionic remodeling in the pathogenesis of the heart and may also open new therapeutic perspectives in the treatment of cardiac remodeling as well as sudden cardiac death.
Thèse en cotutelle avec Université de Nantes - Pays de La Loire - France (2005-2010)

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Marchesseau, Stéphanie. "Simulation de modèles personnalisés du coeur pour la prédiction de thérapies cardiaques". Phd thesis, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2013. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00820082.

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Abstract (sommario):

La compréhension clinique et le traitement des maladies cardiovasculaires est extrêmement complexe. Pour chaque patient, les cardiologues sont confrontés à des difficultés pour déterminer la pathologie, choisir une thérapie ou encore sélectionner les patients susceptibles de bien répondre à un traitement donné. Afin de fournir une aide additionnelle aux cardiologues, de nombreuses équipes de recherche étudient la possibilité de planifier de telles thérapies grâce à des modèles biophysiques du cœur. Ils formulent l'hypothèse que l'on peut combiner les données fonctionnelles et anatomiques afin de créer des modèles cardiaques personnalisés à chaque patient qui auraient le potentiel de prédire les bénéfices des différentes thérapies. Les simulations électromécaniques du cœur sont basées sur des modèles informatiques qui peuvent représenter la géométrie, le mouvement et la propagation d'ondes électriques pendant un cycle cardiaque avec suffisamment de précision. L'intégration d'information anatomique, mécanique et électrophysiologique pour un patient donné est essentielle pour construire ce type de modèle.Dans cette thèse, nous présentons tout d'abord les méthodes de personnalisations géométriques, cinématiques et électrophysiologiques nécessaires à toutes modélisations mécaniques. Nous utilisons ensuite le modèle électromécanique de Bestel-Clément-Sorine qui a déjà prouvé avoir un bon réalisme sans être trop complexe au vu des données disponibles. Nous commençons par détailler la nouvelle implémentation de ce modèle dans une plateforme efficace de simulation médicale ayant l'avantage d'être libre et interactive, puis nous analysons les résultats de la simulation par une étude de sensibilité complète.Dans un deuxième temps, nous étudions la possibilité de personnaliser les paramètres mécaniques de ce modèle à partir d'images médicales (IRM). Pour cela, nous proposons en premier lieu une méthode automatique de calibration qui estime les paramètres mécaniques globaux à partir de courbes de pressions et volumes. Cette technique testée sur 6 volontaires et 2 cas pathologiques nous a permis de faire une étude de spécificité qui consiste à déterminer les paramètres pertinents capables de différencier les cas pathologiques des cas sains.Une fois initialisés à ces valeurs calibrées, les paramètres sont personnalisés localement avec un algorithme d'optimisation plus complexe. Le " Reduced Order Unscented Kalman Filtering " est utilisé pour estimer les contractilités de toutes les zones AHA du ventricule gauche à partir des volumes régionaux extraits des séquences d'images IRM. Cette stratégie de personnalisation a été validée et testée sur plusieurs cas pathologiques et volontaires. Ces différentes contributions ont montré des résultats prometteurs tout au long de cette thèse et certains sont déjà utilisés pour quelques études de recherche.

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Moreau-Villéger, Valérie. "Méthodes variationnelles et séquentielles pour l'étude de la contraction cardiaque". Phd thesis, Université de Nice Sophia-Antipolis, 2005. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00634169.

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Abstract (sommario):

L'utilisation de l'imagerie médicale et de mesures électrophysiologiques pour l'étude du cœur permet de mieux comprendre son fonctionnement et les pathologies cardiaques, de fournir des outils d'aide au diagnostic et à la planification de thérapies. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'exploitation de ces données sous deux angles différents. La première partie du travail concerne l'estimation de mouvements dans des séquences d'images échocardiographiques à l'aide de l'imagerie par Doppler tissulaire (TDI). La deuxième partie de ce travail concerne l'analyse de mesures de l'activité électrique du cœur en estimant des paramètres d'un modèle électrophysiologique du cœur. La modalité TDI fournit une information quantitative sur la vitesse des tissus dans la direction de la sonde échographique. Le but de ce travail est d'étudier la déformation du muscle cardiaque en utilisant conjointement le TDI et l'échographie classique. Notre approche combine des calculs de flot optique par la méthode de Horn et Schunck sur la séquence classique d'images échographiques, la mesure partielle de vitesse issue de l'imagerie par Doppler tissulaire (TDI) et une régularisation spatio-temporelle pour estimer les champs de vitesse dans un cadre variationnel. Nous validons cette méthode sur des données synthétiques puis nous l'utilisons sur des séquences réelles. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous intéressons à l'estimation de paramètres du modèle d'Aliev et Panfilov de propagation du potentiel d'action dans les ventricules en utilisant des mesures électrophysiologiques. Grâce à une collaboration avec le ''National Institutes of Health'', nous disposons des temps de dépolarisation mesurés sur l'épicarde de plusieurs cœurs de chiens. Les méthodes classiques ne permettent pas de minimiser l'écart entre le modèle et les données dans ce cas spécifique. Après une étape d'ajustement global, nous proposons de minimiser l'écart quadratique entre les données et le modèle en fonction d'un des paramètres que nous faisons varier localement. Le paramètre choisi est le coefficient de diffusion que nous appelons conductivité apparente car ses variations reflètent à la fois les variations de conductivité et les variations des paramètres de réaction. En utilisant la causalité de la propagation modélisée, nous ramenons le problème à des minimisations unidimensionnelles successives par la méthode de Brent. Nous appliquons cette approche à des données réelles dans des cas normaux et aussi dans des cas de cœurs infarcis. Dans ce dernier cas, nous trouvons une forte corrélation entre les zones de faibles conductivités apparentes et l'infarctus. A l'issue de ce travail, nous envisageons l'utilisation de ces méthodes avec des mesures moins invasives telles que celles obtenues par des systèmes intracavitaires sans contact ou même des électrocardiogrammes. Une autre perspective pour ce travail est l'estimation de paramètres d'un modèle du fonctionnement électromécanique du cœur à partir d'images de déplacement comme celles obtenues grâce à l'IRM marquée.

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Impériale, Alexandre. "Méthode d'assimilation de données de la donnée image pour la personnalisation de modèles mécaniques : application à la mécanique cardiaque et aux images de marquage tissulaire". Paris 6, 2013. http://www.theses.fr/2013PA066622.

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Abstract (sommario):

Cette thèse est dédiée à l’intégration de données complexes issues de l’imagerie dans une stratégie d’assimilation de données pour des modèles mécaniques. Notre stratégie s’appuie sur des travaux récents proposant une méthode séquentielle d’assimilation de données qui se décompose en un filtre de Luenberger pour l’espace d’état et un filtre optimal réduit à l’espace des paramètres. Nous l’appliquons à l’identification de paramètres pour un modèle biomécanique du cœur et, dans ce cadre, nous formalisons la construction de comparateurs de formes évolués pour deux types de données : d’une part des données extraites d’un traitement de l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) de marquage tissulaire et, d’autre part, des données plus classiques de type contours de l’objet. D’abord fondés sur des simples distances nous enrichissons ces comparateurs grâce au formalisme des courants permettant d’inscrire le contour de l’objet dans le dual d’un espace de fonctions-test appropriées. Pour chacun des comparateurs nous analysons son impact sur l’observabilité du système et, pour le cas de l’imagerie de marquage tissulaire, nous prouvons qu’ils sont équivalents à une mesure directe du déplacement. D’un point de vue numérique, la prise en compte de ces mesures complexes présente d’importantes difficultées nous poussant à mettre en place des schémas numériques originaux permettant une manipulation plus flexible des différents opérateurs d’observation. Nous profitons de ces nouveaux moyens d’extraction de l’information contenue dans les données d’imagerie pour permettre, dans des cas réalistes, l’identification de la position et de l’intensité d’un infarctus du myocarde
This thesis aims at incorporating complex data derived from images into a data assimilation strategy available for mechanical systems. Our work relies on some recent developments that propose a sequential data assimilation method made of a Luenberger filter for the state space and an optimal filter reduced to the remaining parameter space. We aim at performing parameter identification for a biomechanical model of the heart and, within the scope of this application, we formalize the construction of shape discrepancy measurements for two types of data sets: first, the data expected of a processing step of tagged Magnetic Resonance Imaging (tagged-MRI) and, second, more standard data composed by the contours of the object. Initially based on simple distance measurements we enrich these discrepancy measures by incorporating the formalism of currents which enables to embed the contours of the object within the dual of an appropriate space of test functions. For each discrepancy operators we analyze its impact on the observability of the system and, in the case of tagged-MRI, we prove that they are equivalent to a direct measurement of the displacement. From a numerical standpoint, taking into account these complex data sets is a great challenge that motivates the creation of new numerical schemes that provide a more flexible management of the various observation operators. We assess these new means of extracting the rich information contained in the image by identifying in realistic cases the position and the intensity of an infarct in the heart tissue

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Le, Rolle Virginie. "Modélisation multiformalisme du système cardiovasculaire associant Bond Graph, équations différentielles et modèles discrets". Rennes 1, 2006. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00285883.

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Abstract (sommario):

Une méthode d’aide à l’interprétation de données physiologiques, à base de modèles, est proposée. Un modèle du Système Cardiovasculaire (SCV) et du Système Nerveux Autonome (SNA) a été développé en considérant les particularités de ces deux systèmes caractérisés par la grande diversité : i) des échelles spatiales (cellule, tissu ou organe…), ii) des échelles temporelles (échange au niveau des portes ioniques, fréquence cardiaque…), iii) des domaines énergétiques (électrique, mécanique, hydraulique …). Pour prendre en compte cette complexité, différents formalismes continus et discrets sont utilisés : Bond Graph, Equations Différentielles et Automates Cellulaires. Cette méthode est appliquée à deux problèmes cliniques : analyse de l’influence du SNA sur le SCV et étude de l’activité ventriculaire. Après l’acquisition des données expérimentales, les paramètres du modèle sont adaptés à chaque patient pour reproduire en simulation les signaux réels et proposer une interprétation physiologique personnalisée à chaque cas.

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Defontaine, Antoine. "Modélisation multirésolution et multiformalisme de l'activité électrique cardiaque". Phd thesis, Université Rennes 1, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00121024.

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Abstract (sommario):

Une méthode originale de modélisation de l'organe coeur complet basée sur une considération multirésolution et multiformalisme de l'activité électrique cardiaque est proposée.
Les notions de cardiologie et d'électrophysiologie ainsi qu'une synthèse de modèles du système cardiovasculaire sont présentées dans la partie 1.
La partie 2 reprend les contributions du travail qui concernent:
– la proposition d'un cadre formel à la modélisation prenant en compte les exigences de la multirésolution et une volonté de structuration des outils utilisés pour une meilleure portabilité;
– la proposition d'une librairie générique de modélisation et simulation multiformalisme développée sous forme objet et permettant une définition standardisée des modèles et simulateurs;
– l'intérêt de la librairie est illustré sur des applications physiologiques et cliniques.
Un chapitre prospectif et présentant une réflexion pour une considération multirésolution clôt ce mémoire et ouvre des perspectives intéressantes.

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Kerfourn, Adrien. "Modélisation du système cardio-respiratoire : remodelage cardiaque et interactions patient-ventilateur". Rouen, 2015. http://www.theses.fr/2015ROUES051.

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Abstract (sommario):

L’insuffisance respiratoire, définie comme l’incapacité du système respiratoire à assurer l’oxygénation de l’organisme, peut être la conséquence de diverses pathologies et nécessite la mise en place d’une assistance ventilatoire. Dans le cadre de la ventilation non invasive, cette assistance s’effectue la plupart du temps via un mode dit de “ventilation spontanée avec aide inspiratoire”. Cette modalité nécessite une bonne synchronisation entre les efforts inspiratoires du patient et les cycles de pression du ventilateur, un des objectifs étant de réduire le travail ventilatoire du patient. Il apparaît en outre que la ventilation non invasive peut avoir des effets sur le système cardio-vasculaire, bien que les mécanismes restent mal compris. Dans une première partie, nous nous attachons à la modélisation de la dynamique du système cardiovasculaire afin de comprendre les mécanismes conduisant au remodelage cardiaque. Le modèle présenté permet de reproduire et d’expliquer l’origine des deux phases caractéristiques de l’hypertension artérielle pulmonaire. Dans une seconde partie, nous nous somme intéressés aux interactions patient-ventilateur afin de comprendre l’origine des asynchronismes observés en clinique. Nous avons alors construit un modèle dynamique capable de reproduire le comportement global de quelques uns des ventilateurs présents sur le marché. Ce travail constitue ainsi une première approche théorique permettant d’améliorer la compréhension de diverses interactions liées au système cardio-respiratoire
Respiratory failure is defined as the inability of the respiratory system to ensure the organism’s needs in oxygen. This condition may be the consequence of various diseases and implies a treatment by ventilatory support. In noninvasive ventilation, “pressure support” mode is a ventilatory mode that is commonly used. This mode necessitates a good synchronization between the patient’s inspiratory efforts and the ventilator pressure cycles, one of the objectives being to reduce the patient’s work of breathing. Furthermore, noninvasive ventilation is known to have effects on the cardiovascular system, even if the underlying mechanisms remain poorly understood. First, we will focus on the modeling of the cardiovascular dynamics to assess the mechanisms leading to cardiac remodeling. This model allows to reproduce and explain the origin of the two phases of pulmonary arterial hypertension. A second part was devoted to patient-ventilator interactions in order to understand the emergence of the asynchrony events that can be observed in clinics. We built a dynamical model able to reproduce the global behavior of some ventilators available on the market. This work therefore represents a first theoretical approach allowing to improve the understanding of various interactions related to the cardiorespiratory system

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Billet, Florence. "Assimilation de données images pour la personnalisation d'un modèle électromécanique du coeur". Phd thesis, Université de Nice Sophia-Antipolis, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00639921.

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Abstract (sommario):

Les données cliniques disponibles pour le diagnostic et la planification de thérapies sont de plus en plus variées et complexes, ce qui apporte des informations plus riches, mais rend la tâche du médecin difficile. Les modèles informatiques de cœur peuvent intégrer et analyser ces données en s'adaptant à chaque patient de manière à proposer au médecin une vue intégrée ainsi que des paramètres intrinsèques. Cependant, il faut pour cela mettre en place des méthodes d'ajustement automatique de ces modèles mathématiques aux données du patient. Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie pour personnaliser un modèle électromécanique à partir de séquences temporelles d'images volumiques telles que des séquences ciné-IRM ou scanner. Cette personnalisation consiste en l'estimation de l'état (position/vitesse) et des paramètres électriques et mécaniques du modèle électromécanique. Nous nous intéressons ici à l'estimation du mouvement cardiaque et des paramètres de contractilité du modèle électromécanique. Dans un premier temps, la modélisation des différentes phases cardiaques a été améliorée et une étude de sensibilité a été effectuée. Puis, les approches de segmentation et de suivi du mouvement par modèles déformables ont été généralisées en couplant un modèle déformable proactif avec des séquences d'images 3D. Cette méthode est évaluée sur des données synthétiques et appliquée à des séquences ciné-IRM ou scanner. Enfin, une méthode d'estimation automatique des paramètres de contractilité à partir de séquences d'images 3D est proposée, la principale difficulté provenant des non-linéarités liées aux changements de phases. La méthode proposée est fondée sur l'assimilation de données variationnelle et le gradient du critère d'erreur est calculé à l'aide de la méthode de l'état adjoint. Cette méthode est évaluée sur des données synthétiques avant d'être appliquée à des ciné-IRM cliniques. Cette thèse pose des bases de la personnalisation du modèle électromécanique du cœur et ouvre des perspectives pour l'optimisation des traitements selon le patient considéré.

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Gariah, Asven. "Réduction de modèles complexes pour la simulation et l'estimation : application à la modélisation cardiaque". Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00824615.

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Abstract (sommario):

Ce mémoire analyse et valide des applications possibles de méthodes de réduction de modèle pour la simulation directe, et la résolution de problèmes inverses d'estimation de paramètres sur des modèles complexes. Il se concentre sur la réduction par proper orthogonal decomposition (POD), et ses extensions. On démontre d'abord de nouvelles estimations a priori pour l'erreur de réduction sur des problèmes abstraits types (paraboliques et hyperboliques, linéaires ou avec non-linéarités lipschitziennes), validées dans de nombreux cas non linéaires. On évite notamment le problème de contrôle des termes d'ordre élevé par l'exploitation d'une suite spécifique de normes de projecteurs. Puis, pour couvrir les systèmes dépendant de paramètres, et par des résultats d'interpolation, on adapte la méthode précédente en réduction par multi-POD. On étend aussi, au prix d'un terme additif, les estimations a priori précédentes pour l'erreur maximum de réduction sur une plage paramétrique donnée. On illustre la puissance de la méthode sur le système électrophysiologique de FitzHugh-Nagumo, fortement sensible aux variations paramétriques. On valide enfin numériquement les versions réduites, toujours avec la réduction par multi-POD, de problèmes d'estimation de paramètres : de type variationnel avec le système de FitzHugh-Nagumo, et de type séquentiel (filtrage " kalmanien ") avec un modèle mécanique de coeur (multiéchelles, 3D, grandes déformations). En particulier, la méthode présente une efficacité et une robustesse similaires à celles obtenues pour les problèmes directs.

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Farah, Ahcène. "Contribution à la modélisation mathématique de la biomécanique de la pompe cardiaque : application à l'analyse des déformations pathologiques du ventricule gauche". Vandoeuvre-les-Nancy, INPL, 1989. http://www.theses.fr/1989NAN10405.

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Abstract (sommario):

A partir d'images du ventricule gauche (VG), deux modèles mathématiques ont été développés pour l'étude des troubles de la contractilité ; l'un géométrique modélise le comportement du VG en cas d'akinésie et de dyskinésie, l'autre à éléments finis traite de la dyskinésie. Une autre méthode d'analyse, à l'aide de ces modèles, est proposée pour: 1) l'étude de la fraction d'éjection (FE) du VG en fonction de la surface atteinte et de son élasticité effective ; ceci donne une FE <0. 30 pour un rapport d’atteinte totale supérieur à 21%. 2) l'étude des variations des paramètres de l'extension paradoxale en phase d'éjection par rapport à la phase de contraction isovolumique ; les résultats obtenus montrent que la poche créée par l'extension est entrainée lors de l'éjection, et que dans cette dernière phase la variation de ses dimensions est quasiment négligeable. 3) la détermination du module de Young pour une région du myocarde à contractilité anormale ; ce module peut être employé comme paramètre de diagnostic. La comparaison des résultats des deux modélisations (géométrique et numérique), montre que le modèle géométrique donne des résultats légèrement supérieurs à ceux du modèle à éléments finis (différence voisine de 4%). Ces modèles laissent apercevoir des perspectives d'optimisation en vue d'une utilisation directe en routine clinique

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Decoin, Raphaël. "Impact de la stéatohépatite non alcoolique sur le remodelage myocardique et sur les complications cardiovasculaires". Electronic Thesis or Diss., Université de Lille (2022-....), 2023. https://pepite-depot.univ-lille.fr/ToutIDP/EDBSL/2023/2023ULILS066.pdf.

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Abstract (sommario):

Le remodelage cardiaque est un phénomène physiopathologique au cours duquel le muscle cardiaque est altéré au niveau structurel, i.e. tissulaire et cellulaire, et fonctionnel. Les implications cliniques sont diverses, notamment avec le développement de fibrillation atriale ou d'insuffisance cardiaque. Parmi les nombreux facteurs de risque identifiés, les Non-Alcoholic Fatty Liver Diseases (NAFLD) ont un rôle émergeant. Ces maladies hépatiques, caractérisée par une stéatose, une inflammation et une fibrose, est associée au développement de pathologies du myocarde.Dans ce travail, nous posons l’hypothèse que ces NAFLD provoquent spécifiquement un remodelage cardiaque caractéristique au niveau histologique et fonctionnel. Afin d’explorer cette hypothèse, nous utilisons une approche translationnelle grâce à diverses cohortes issues du Centre Hospitalier Universitaire de Lille, ainsi qu’un modèle murin de NAFLD. Trois objectifs distincts ont été définis : caractériser le remodelage atrial chez les patients NAFLD ; proposer une méthode diagnostic précoce du remodelage cardiaque ; proposer des hypothèses mécanistiques du lien foie-coeur grâce à une méthodologie translationnelle. D'abord, nous avons caractérisé le remodelage cardiaque atrial dans une cohorte de patients indiqués à l’ablation de fibrillation atriale. Chez ces patients, nous avons observé une association positive entre l'avancement de la pathologie hépatique (évaluée grâce à des scores clinico-biologiques) et d’une part, une dilatation et une dégradation de la contractibilité de l'atrium gauche estimée par échocardiographie, et d’autre part, la présence de zones de faibles voltages extravasculaires. Ce profil de remodelage était également associé à un mauvais pronostic de l'ablation. Dans une seconde cohorte de patients indiqués pour une chirurgie cardiaque (POMI-AF), nous avons mis en évidence la présence de fibrose dans le myocarde atrial chez les patients souffrant de NAFLD avancée.Ensuite, en utilisant la même cohorte POMI-AF, nous avons démontré que la quantification de la graisse myocardique (gouttelettes lipidiques intracardiomyocytaires) en IRM cardiaque grâce à une séquence VARPRO est une analyse robuste, fiable et réalisable chez des patients atteints de NAFLD.Enfin, dans un modèle murin de NAFLD développé au laboratoire (régime riche en lipides, sucrose et cholestérol pendant 24 semaines), nous décrivons la présence d’un remodelage cardiaque. Les souris sous régime provoquant une NAFLD développent une dysfonction contractile diastolique avec fraction d'éjection préservée, mesurée par échographie, en comparaison au groupe sous régime contrôle. Cette perte de fonction est associée à une hypertrophie ventriculaire gauche concentrique. Histologiquement, cette hypertrophie s'explique par une augmentation du diamètre cross-sectionnel des cardiomyocytes, associée par ailleurs à une fibrose diffuse interstitielle à point de départ vasculaire. Ces observations sont d'autant plus accentuées que l'atteinte hépatique est forte, renforçant l'hypothèse initiale. Un séquençage de l'ARNm total ventriculaire révèle un profil transcriptionnel fortement altéré chez les souris souffrant de NAFLD, en faveur d’un rendement énergétique altéré et d’une signature immunitaire profonde. Par la suite, l'étude des populations immunes en cytométrie en flux indique une infiltration myéloïde dans le myocarde, semblable à ce qui est observé dans un foie NAFLD. À partir de biopsies humaines, cette infiltration de macrophages est également mise en évidence chez les patients souffrant d'une NAFLD avancée [...]
Cardiac remodeling is a pathophysiological phenomenon during which the cardiac muscle undergoes structural alterations at both tissue and cellular levels, leading to functional changes. The clinical implications are diverse, including the development of atrial fibrillation and heart failure. Among the numerous risk factors identified, Non-Alcoholic Fatty Liver Diseases (NAFLD) have an emerging role. This liver disease, characterized by steatosis, inflammation, and fibrosis, is associated with the development of myocardial pathologies.In this study, we hypothesize that NAFLD specifically triggers characteristic cardiac remodeling at both histological and functional levels. To explore this hypothesis, we employ a translational approach using various cohorts from the Lille University Hospital, as well as a murine model of NAFLD. Three distinct objectives have been defined: 1) demonstrate an association between atrial remodeling and NAFLD in patients; 2) propose an early diagnostic method for cardiac remodeling; 3) propose mechanistic hypotheses for the liver-heart connection through a translational methodology. Firstly, we characterized atrial cardiac remodeling in a cohort of patients indicated for atrial fibrillation ablation. Among these patients, we observed a positive association between the progression of hepatic pathology (assessed through clinical-biological scores) and, on one hand, dilation and impaired contractility of the left atrium as estimated by echocardiography, and on the other hand, the presence of areas with low extracellular voltages. This remodeling profile was also linked to a poor prognosis of ablation. In a second cohort of patients scheduled for cardiac surgery (POMI-AF), we demonstrated greater fibrosis in the atrial myocardium of patients with a high-risk NAFLD-related fibrosis compared to those without NAFLD. Next, using the same POMI-AF cohort, we showed that quantifying myocardial fat (intracardiomyocytic lipid droplets) using VARPRO MRI sequence is a robust, reliable, and feasible analysis in NAFLD-affected patients. Lastly, in a murine model of NAFLD developed in the laboratory (high-fat, sucrose, and cholesterol diet for 24 weeks), we described the presence of cardiac remodeling. Mice subjected to the NAFLD-inducing diet developed diastolic dysfunction with preserved ejection fraction, assessed by echocardiography, in comparison to the control diet group. This loss of function was associated with concentric left ventricular hypertrophy. Histologically, this hypertrophy was explained by an increase in the cross-sectional diameter of cardiomyocytes, which was also associated with diffuse interstitial fibrosisstarting from a vascular point. These observations were more pronounced with higher hepatic involvement, reinforcing the initial hypothesis. Total ventricular mRNA sequencing revealed a significantly altered transcriptional profile in NAFLD-affected mice, indicating impaired energy metabolism and a profound immune signature. Subsequently, flow cytometry analysis of immune populations revealed macrophage and dendritic cell infiltration in the myocardium, similar to what is observed in NAFLD liver. This macrophage infiltration was also evident in human biopsies from patients with advanced NAFLD.In conclusion, we demonstrate that NAFLD-associated cardiac remodeling affects both the left atrium and the left ventricle. Additionally, we have shown that quantifying cardiac lipid droplet accumulation is feasible using MRI. Finally, the myeloid infiltration observed in the myocardium of NAFLD patients and in our murine model suggests a potential link between hepatic dysimmunity and cardiac remodeling

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Djabella, Karima. "Modélisation de l’activité électrique du coeur et de sa régulation par le système nerveux autonome". Paris 11, 2008. http://www.theses.fr/2008PA112083.

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Abstract (sommario):

Nous avons développé un modèle de l'activité électrique cardiaque cellulaire dont la structure est moins complexe, sans pour autant affecter les caractéristiques essentielles (potentiel d’action, principaux courants ioniques, courbe de restitution). En outre, nous avons utilisé la même structure de modèle pour représenter l'activité électrique des divers types de cellules cardiaques. Cela permettra de déterminer des régions cardiaques de façon paramétrique et simplifiera l'identification des paramètres dans les modèles numériques de cœur. Par ailleurs, l'analyse de bifurcation nous a permis de retrouver l’origine du régime oscillatoire dans le cas pacemaker, et d’introduire un courant de fuite de calcium qui joue le rôle d'une entrée de commande pour le système nerveux autonome qui lui permet de modifier la fréquence cardiaque. D’autre part, il n’est plus possible de simplifier plus le modèle à l'aide de la méthode des perturbations singulières car ce n’est plus un système de Tikhonov. Le modèle permet une mise en œuvre en boucle fermée tenant compte du contrôle du système cardiovasculaire par l'arc baroréflexe et un couplage excitation-contraction tenant compte de l’effet de la fréquence sur la contractilité. Après avoir démontré la non-existence de solutions périodiques dans le modèle réduit à deux courants ioniques de Mitchell-Schaeffer, nous avons introduit une variante de ce dernier et ainsi étendu ses propriétés d'excitabilité. Le régime oscillatoire est obtenu, soit à travers une bifurcation de Hopf sous ou super critique, soit à travers une bifurcation nœud-col sur cercle invariant. Ce modèle réduit est utilisable dans des applications de traitement du signal ECG
We developed a cellular cardiac electrical activity model which is less complex, without affecting the essential characteristics (action potential, principal ionic currents, restitution curve). Besides, we used the same model’s structure in order to represent the electrical activity of various types of cardiac cells. This will allow the determining of cardiac regions in a parametric manner and will make easier the parametric identification in the numerical models of heart. Otherwise, the bifurcation analysis allowed us to determine the origin of oscillator regime in the pacemaker case, and to introduce a background calcium current that plays the role of a control input of the autonomic nervous system that allows him to modify the heart rate. On the other hand, it is not possible any more to simplify the model using singular perturbations method because it is not any more a Tikhonov's system. The model allows the implementation of the closed loop taking into account the control of the cardiovascular system by the baroreflex and the excitation-contraction coupling taking into account the effect of the frequency on the contractility. After having shown the non-existence of periodic solutions in the reduced two ionic currents model of Mitchell-Schaeffer, we introduced a variant of this last and thus we have extended its excitability properties. The oscillator regime is obtained, either through a sub or super critical Hopf bifurcation, or through a saddle-node bifurcation on invariant circle. This reduced model is usable in ECG signal processing applications

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Laouini, Ghailen. "Analyse et modélisation du rythme cardio-respiratoire au repos et à l'effort". Nice, 2012. http://www.theses.fr/2012NICE4043.

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Abstract (sommario):

Dans ces travaux, nous nous intéressons à la modélisation de la variabilité du rythme cardiaque (HRV) à l’exercice. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la HRV à l’exercice en prenant en compte la respiration. Le modèle IPFM a été utilisé pour expliquer le mécanisme utilisé par le système nerveux autonome pour contrôler le rythme cardiaque. A l’aide des pics générés par ce modèle, nous étudions la relation entre la période cardiaque, qui est la différence entre deux pics successifs, et le signal de modulation. Nous proposons le modèle TVIPFM avec trois approches différentes (A, B, C) comme alternative au modèle IPFM pour estimer la modulation du système nerveux autonome, adaptée à l’exercice. Le modèle TVIMPFM permet alors de corriger la variabilité cardiaque. Cette variabilité sera filtrée dans la bande de la fréquence respiratoire et dans le domaine temps-fréquence, en utilisant différentes méthodes de représentations temps-fréquence. Ceci s’explique par le caractère non stationnaire du signal observé. Nous présentons différentes représentations temps-fréquence linéaires et quadratiques permettant ce filtrage et justifiant leur utilisation. L’EMD est abordée également pour sa propriété de décomposition en signaux « monocomposantes ». Des simulations nous ayant permis de sélectionner la meilleure correction IPFM et la meilleure représentation temps-fréquence pour le filtrage, une application réelle étendue est proposée. Dans celle-ci, on montre qu’à l’aide de cette chaîne de traitement la corrélation avec l’âge de la transplantation et la variabilité du rythme cardiaque existe bien
In this thesis, we focus on the modelling of heart rate variability (HRV) during exercise. The objective of this thesis is to study HRV during exercise, while taking respiration into account. The IPFM model helps to explain the mechanism used by the automatic nervous system to control the heartbeat. With peaks generated by this model, we study the relationship between the heart period, which is the difference between two successive RR peaks, and the modulation signal. We suggest the TVIPFM model with three different approaches (A, B, C), as an alternative of the IPFM model to estimate the modulation of the autonomic nervous system, adapted to the exercise. The TVIPFM model then allows for correction of the heart rate variability. This variability will be filtered around the frequency band of respiration in the time-frequency domain, using different methods of time-frequency-representations. This is explained by the fact that the signal being observed is not stationary. We present different time-frequency representations for the linear and quadratic filtering and justify their use. The EMD is also addressed because of its decomposition property in “monocomponent” signals. A simulation allowing us to select the best IPFM correction and the best time-frequency representation for filtering, a real application range is proposed. In it, we show that using this process, correlation between age of transplantation and heart rate variability indeed exists

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Seigneuric, Renaud. "Étude d'hétérogénéités simulées et in vitro du tissu cardiaque et de leurs rôles dans les tachycardies ventriculaires par réentrée". Grenoble 1, 2000. http://www.theses.fr/2000GRE19003.

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Imperiale, Alexandre. "Méthodes d'assimilation de la donnée image pour la personnalisation de modèles mécaniques - Application à la mécanique cardiaque et aux images de marquage tissulaire". Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00936027.

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Abstract (sommario):

Cette thèse est dédiée à l'intégration de données complexes issues de l'imagerie dans une stratégie d'assimilation de données pour des modèles mécaniques. Notre stratégie s'appuie sur des travaux récents proposant une méthode séquentielle d'assimilation de données qui se décompose en un filtre de Luenberger pour l'espace d'état et un filtre optimal réduit à l'espace des paramètres. Nous l'appliquons à l'identification de paramètres pour un modèle biomécanique du cœur et, dans ce cadre, nous formalisons la construction de comparateurs de formes évolués pour deux types de données : d'une part des données extraites d'un traitement de l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) de marquage tissulaire et, d'autre part, des données plus classiques de type contours de l'objet. D'abord fondés sur des simples distances nous enrichissons ces comparateurs grâce au formalisme des courants permettant d'inscrire le contour de l'objet dans le dual d'un espace de fonctions-test appropriées. Pour chacun des comparateurs nous analysons son impact sur l'observabilité du système et, pour le cas de l'imagerie de marquage tissulaire, nous prouvons qu'ils sont équivalents à une mesure directe du déplacement. D'un point de vue numérique, la prise en compte de ces mesures complexes présente d'importantes difficultées nous poussant à mettre en place des schémas numériques originaux permettant une manipulation plus flexible des différents opérateurs d'observation. Nous profitons de ces nouveaux moyens d'extraction de l'information contenue dans les données d'imagerie pour permettre, dans des cas réalistes, l'identification de la position et de l'intensité d'un infarctus du myocarde.

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Becue, Pierre-Elliott. "Modélisation et simulation de l'électrophysiologie cardiaque à l'échelle microscopique". Thesis, Bordeaux, 2018. http://www.theses.fr/2018BORD0352/document.

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Abstract (sommario):

Dans les dernières décennies, l'impact dû à l'altération de la microstructure du tissu cardiaque dans la survenue de troubles arythmiques (syndrome de Brugada, fibrillation auriculaire, syndromes de repolarisation précoce…) est de plus en plus étudié. Les données expérimentales relatives au fonctionnement et aux régulations intervenant aux échelles cellulaires et subcellulaires (jonctions communiquantes, rôle de certains canaux ioniques) sont de plus en plus nombreuses, et fournissent un cadre adapté aux numériciens pour développer ou affiner des modèles et en valider les comportements. Dans cette thèse, nous proposons le développement et l'étude d'un modèle « microscopique » prenant en compte la géométrie individuelle des cellules et les jonctions communiquantes entre elles. Le modèle vise à comprendre la propagation du potentiel d'action au sein d'un réseau de cellules. Nous établissons ce modèle via une étude du comportement des ions dans les cellules. Ce comportement, décrit par diverses équations de la physique microscopique (électrostatique...), fournit un cadre à partir duquel, en effectuant quelques analyses dimensionnelles et une étude asymptotique, nous dérivons le modèle susmentionné. Puis, nous démontrons l'existence d'une solution à ce modèle à l'aide d'un processus de discrétisation en temps « semi-implicite » et de théorèmes de compacité. Nous proposons ensuite un ensemble de simulations dont l'objet est de comprendre la propagation des potentiels d'action entres cellules au sein d'un réseau, et en particulier le rôle des jonctions communiquantes. Nous étudions différents modèles de jonctions communiquantes, dont un non-linéaire et dépendant du temps. Cette thèse ouvre de nombreuses perspectives, à courte échéance des comparaisons à des observations expérimentales chez la souris, et à plus long terme de recherche sur les mécanismes de propagation à l'échelle cellulaire et leurs impact sur les troubles du rythme cardiaque
During the last decades, studies regarding the prospective impact of the alterations at the microscopic scale of the heart tissue in the appearance of arrhythmias (Brugada's syndrome, atrial fibrillation, early repolarization syndrome...) have been more numerous. The amount of experimental data regarding the behaviors and regulations that occur at a cellular and a subcellular (gap junctions, role of specific ionic channels) is increasing and these data provide an adapted frame for the computational mathematicians to develop or improve models and confirm their behaviour. In this thesis, we developed and studied a ``microscopic'' model taking into account the individual geometry of the cells and the gap junctions between them. This model is designed to enhance our understanding of the action potential propagation in a network of cells. We extracted this model using a study of the ions movements in the cells. These movements, described by various microscopic physics equations (electrostatic...), and some dimensional analysis, including an asymptotic study, allow us to derive the model. We then show that the problem described by such a model has a solution, via a semi-implicit time discretization process and compacity arguments. Afterwards, we offer numerous simulations in order to enhance our understanding of the action potential propagation between the cells of various networks. We specifically customize the gap junction models we use (a geometric one, a linear one and a non-linear one) to enhance our comprehension. This thesis introduces many questions. On the short-term, on the comparison between experimental data observed on mice cells and our results. On the long-term regarding the mechanisms regulating the action potential propagation, and their impact on the alterations of the cardiac rhythm

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Xu, Binbin. "Étude de la Dynamique des Ondes Spirales à l'Échelle Cellulaire par Modèles Expérimental et Numérique". Phd thesis, Université de Bourgogne, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00955873.

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Abstract (sommario):

Parmi les causes de décès d'origine cardiaque, les troubles du rythme occupent une place majeure, particulièrement les troubles auriculaires. Cette situation alarmante a motivé une recherche intense, mais qui est limitée par la disponibilité de modèles expérimentaux permettant de reproduire les mécanismes cellulaires de déclenchement et d'extensions de ces anomalies. Qu'ils surviennent sur un cœur sain ou pathologique, qu'ils soient bénins ou potentiellement dangereux (risque de mort subite), les troubles du rythme constituent un chapitre important de la cardiologie. Ils posent d'importants problèmes d'ordre diagnostique, pronostique, et thérapeutique. Ils peuvent se produire au niveau atrial (nœud auriculo-ventriculaire, plus tronc du faisceau de HIS avant sa division) ou ventriculaire (après la division du faisceau de HIS en ses deux branches droite et gauche), et ils obéissent à différents mécanismes, au premier rang desquels les réentrées et les hyperautomatismes. Cette thèse s'intéresse à l'étude et la modélisation des troubles du rythme cardiaque à l'échelle cellulaire. Ainsi la problématique de la thèse peut être résumée succinctement par ces quelques mots clés : système non-linéaire, modèles cardiaques, ondes spirales, défibrillation.... Une des questions qui a été soulevée est : comment optimiser le processus de défibrillation pour qu'il soit le moins contraignant pour le patient ? Nous avons commencé par nous intéresser à la défibrillation par stimulation électrique. La stimulation externe peut terminer la fibrillation mais peut aussi éventuellement générer de nouvelles ondes dans le tissu cardiaque. Ce dernier effet de stimulation semble inévitable, si l'énergie de stimulation dépasse certains seuils. Nous nous sommes posé alors une question: comment peut-on terminer la fibrillation en appliquant une stimulation sous le seuil pour éviter d'engendrer d'autres problèmes. Après quelques pistes de réflexion, nous nous sommes orientés vers une stratégie hybride de stimulation qui permet d'atteindre cet objectif. En parallèle de ces travaux, nous avons travaillé aussi sur un système expérimental à base de MEA (Multi Electrodes Array). Ce système nous permet d'acquérir des signaux de cellules cardiaques de rats nouveau-nés en culture in vitro. Etant donné que les données recueillies peuvent être bruitées et erronées, nous avons utilisé des ondelettes pour le débruitage et la méthode de décomposition par les valeurs singulières pour éliminer les mauvais signaux. Comme mentionné précédemment, la stimulation peut provoquer de nouvelles ondes dans le tissu, ceci a été observé expérimentalement sous forme d'ondes spirales. Les prochains travaux serviront à approfondir " la stimulation hybride " au niveau théorique. Ensuite en profitant de notre plateforme MEA, nous allons tester la stratégie de défibrillation par stimulation hybride au niveau expérimental.

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Chabiniok, Radomir. "Modélisation biomécanique personnalisée du cœur et applications cliniques". Phd thesis, Paris 6, 2011. http://www.theses.fr/2011PA066014.

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Abstract (sommario):

L’objectif de cette thèse porte sur la validation d’un modèle biomécanique du cœur à base de mesures expérimentales, et sur des investigations concernant des applications cliniques en modélisation personnalisée. Dans le cadre 1D, nous avons reproduit des expériences physiologiques de contraction d’une ﬁbre cardiaque. Concernant la validation 3D, nous avons effectué dans une collaboration clinique une expérience avec des animaux (cochons), aﬁn d’obtenir des données saines et après création d’infarctus. Nous avons démontré que notre modèle est capable de représenter le cœur sain, et que l’infarctus peut-être correctement modèlisé en modiﬁant uniquement les paramètres de contractilité. Dans la première application clinique nous avons démontré que le modèle est prédictif sur l’effet immédiat d’une “Cardiac Resynchronization Therapy” (CRT), sur le critére du “max LV dp/dt”. La personnalisation du modèle a été réalisée au moyen des données d’IRM et de pressions avant la CRT. Puis, tous les paramètres du modèle étant ﬁgés, nous avons appliqué les schémas d’activation électrique correspondant aux modes de CRT. Nous avons obtenu une prédiction très proche des indicateurs mesurés sur 3 patients avec plusieurs schémas d’activation. Cette étude montre que la modélisation de CRT est très prometteuse comme assistance à la planiﬁcation thérapeutique. Dans une deuxième application nous avons adapté des méthodes d’assimilation de données developpées dans le Projet MACS à l’INRIA. Nous avons ainsi réalisé une estimation conjointe état-paramètres en utilisant des données réelles (IRM). Nous avons réussi à personaliser automatiquement les paramètres de contractilité du myocard
The objective of this thesis is the assessment of a biomechanical heart model using experimental data, and the investigation of clinical applications with patient-speciﬁc modeling. At the 1D level we aimed at reproducing physiological experiments with myocardial fiber contraction. For the 3D validation we performed in co-operation with a clinical partner an experiment with animals (pigs) in order to obtain data in the healthy stage and after creating a myocardial infarct. We showed that our model can reproduce the pressures and motion of a healthy heart and that the infarct can be represented by changing only the parameters directly related to the pathology. The objective of the ﬁrst clinical application was to predict the short-term effect of the Cardiac Resynchronization Therapy (CRT) by means of an increase of ‘max LV dp/dt’. The model personalization was performed using patients MRI and pressure data in the baseline condition – prior to CRT. Then we ﬁxed the values of all parameters and applied electrical activation patterns according to the pacing modes considered. We obtained a very good prediction of max LV dp/dt using various pacing patterns in 3 clinical cases. This preliminary clinical validation shows that the modeling of CRT is a very promising approach as an assistance to therapy planning. The second application is based on the adaptation of data assimilation methods developed in the MACS team at INRIA. We performed joint state-parameter estimation with real image data. We showed the effectiveness of these algorithms in automatic model personalization and that the estimated contractility values can serve as an indicator of the local heart function

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Milpied, Paola. "Discrimination des rythmes cardiaques dans un défibrillateur implantable de type simple chambre par des méthodes d'apprentissage statistique". Phd thesis, Paris 6, 2011. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00565844.

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Ravon, Gwladys. "Problèmes inverses pour la cartographie optique cardiaque". Thesis, Bordeaux, 2015. http://www.theses.fr/2015BORD0118/document.

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Abstract (sommario):

Depuis les années 80 la cartographie optique est devenu un outil important pour l'étude et la compréhension des arythmies cardiaques. Cette expérience permet la visualisation de flux de fluorescence à la surface du tissu ; fluorescence qui est directement liée au potentiel transmembranaire. Dans les observations en surface se cachent des informations sur la distribution en trois dimensions de ce potentiel. Nous souhaitons exploiter ces informations surfaciques afin de reconstruire le front de dépolarisation dans l'épaisseur. Pour cela nous avons développé une méthode basée sur la résolution d'un problème inverse. Le modèle direct est composée de deux équations de diffusion et d'une paramétrisation du front de dépolarisation. La résolution du problème inverse permet l'identification des caractéristiques du front. La méthode a été testée sur des données in silico avec différentes manières de caractériser le front (sphère qui croît au cours du temps, équation eikonale). Les résultats obtenus sont très satisfaisants et comparés à une méthode développée par Khait et al. [1]. Le passage à l'étude sur données expérimentales a mis en évidence un problème au niveau du modèle. Nous détaillons ici les pistes explorées pour améliorer le modèle : illumination constante, paramètres optiques, précision de l'approximation de diffusion. Plusieurs problèmes inverses sont considérés dans ce manuscrit, ce qui implique plusieurs fonctionnelles à minimiser et plusieurs gradients associés. Pour chaque cas, le calcul du gradient est explicité, le plus souvent par la méthode de l'adjoint. La méthode développée a aussi été appliquée à des données autres que la cartographie optique cardiaque
Since the 80's optical mapping has become an important tool for the study and the understanding of cardiac arythmias. This experiment allows the visualization of fluorescence fluxes through tissue surface. The fluorescence is directly related to the transmembrane potential. Information about its three-dimension distribution is hidden in the data on the surfaces. Our aim is to exploit this surface measurements to reconstruct the depolarization front in the thickness. For that purpose we developed a method based on the resolution of an inverse problem. The forward problem is made of two diffusion equations and the parametrization of the wavefront. The inverse problem resolution enables the identification of the front characteristics. The method has been tested on in silico data with different ways to parameter the front (expanding sphere, eikonal equation). The obtained results are very satisfying, and compared to a method derived by Khait et al. [1]. Moving to experimental data put in light an incoherence in the model. We detail the possible causes we explored to improve the model : constant illumination, optical parameters, accuracy of the diffusion approximation. Several inverse problems are considered in this manuscript, that involves several cost functions and associated gradients. For each case, the calculation of the gradient is explicit, often with the gradient method. The presented method was also applied on data other than cardiac optical mapping

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Grosgeorge, Damien. "Segmentation par coupes de graphe avec a priori de forme Application à l'IRM cardiaque". Phd thesis, Université de Rouen, 2014. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01006467.

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Abstract (sommario):

Le contourage des ventricules cardiaques sur IRM est nécessaire à la détermination de la fonction contractile du cœur. Cette tâche est difficile, en particulier pour le ventricule droit (VD), due au flou aux frontières des cavités, aux irrégularités des intensités et à sa forme complexe et variable. Peu de travaux ont cependant été réalisés afin de résoudre cette problématique de segmentation. Dans ce but, nous avons proposé et développé deux méthodes de segmentation basées sur la méthode des coupes de graphe (GC), à laquelle nous avons incorporé des a priori de forme. La première méthode, semi-automatique, repose sur une carte d'a priori statistique créée à base d'Analyses en Composantes Principales et intégrée à la méthode des GC binaires. La seconde, automatique, permet la segmentation d'un ensemble d'objets par GC multi-labels à partir d'un modèle de forme probabiliste basé sur le recalage et la fusion d'atlas. Ces méthodes ont été évaluées sur une base importante d'IRM cardiaques, composée de 48 patients. Une comparaison aux méthodes de l'état de l'art pour cette application à travers le challenge de segmentation du VD MICCAI'12, que nous avons organisé, montre l'efficacité de nos méthodes.

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Molléro, Roch. "Personnalisation robuste de modèles 3D électromécaniques du cœur. Application à des bases de données cliniques hétérogènes et longitudinales". Thesis, Côte d'Azur, 2017. http://www.theses.fr/2017AZUR4106/document.

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Abstract (sommario):

La modélisation cardiaque personnalisée consiste à créer des simulations 3D virtuelles de cas cliniques réels pour aider les cliniciens à prédire le comportement du cœur ou à mieux comprendre certaines pathologies. Dans cette thèse nous illustrons d'abord la nécessité d'une approche robuste d'estimation des paramètres, dans un cas ou l'incertitude dans l'orientation des fibres myocardiques entraîne une incertitude dans les paramètres estimés qui est très large par rapport à leur variabilité physiologique. Nous présentons ensuite une approche originale multi-échelle 0D/3D pour réduire le temps de calcul, basée sur un couplage multi-échelle entre les simulations du modèle 3D et d'une version "0D" réduite de ce modèle. Ensuite, nous dérivons un algorithme rapide de personnalisation multi-échelle pour le modèle 3D. Dans un deuxième temps, nous construisons plus de 140 simulations 3D personnalisées, dans le cadre de deux études impliquant l'analyse longitudinale de la fonction cardiaque : d'une part, l'analyse de l'évolution de cardiomyopathies à long terme, d'autre part la modélisation des changements cardiovasculaires pendant la digestion. Enfin, nous présentons un algorithme pour sélectionner automatiquement des directions observables dans l'espace des paramètres à partir d'un ensemble de mesures, et calculer des probabilités "a priori" cohérentes dans ces directions à partir des valeurs de paramètres dans la population. Cela permet en particulier de contraindre l'estimation de paramètres dans les cas où des mesures sont manquantes. Au final nous présentons des estimations cohérentes de paramètres dans une base de données de 811 cas avec le modèle 0D et 137 cas du modèle 3D
Personalised cardiac modeling consists in creating virtual 3D simulations of real clinical cases to help clinicians predict the behaviour of the heart, or better understand some pathologies from the estimated values of biophysical parameters. In this work we first motivate the need for a consistent parameter estimation framework, from a case study were uncertainty in myocardial fibre orientation leads to an uncertainty in estimated parameters which is extremely large compared to their physiological variability. To build a consistent approach to parameter estimation, we then tackle the computational complexity of 3D models. We introduce an original multiscale 0D/3D approach for cardiac models, based on a multiscale coupling to approximate outputs of a 3D model with a reduced "0D" version of the same model. Then we derive from this coupling an efficient multifidelity optimisation algorithm for the 3D model. In a second step, we build more than 140 personalised 3D simulations, in the context of two studies involving the longitudinal analysis of the cardiac function: on one hand the analysis of long-term evolution of cardiomyopathies under therapy, on the other hand the modeling of short-term cardiovascular changes during digestion. Finally we present an algorithm to automatically detect and select observable directions in the parameter space from a set of measurements, and compute consistent population-based priors probabilities in these directions, which can be used to constrain parameter estimation for cases where measurements are missing. This enables consistent parameter estimations in a large databases of 811 cases with the 0D model, and 137 cases of the 3D model

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Collin, Annabelle. "Analyse asymptotique en électrophysiologie cardiaque : applications à la modélisation et à l'assimilation de données". Thesis, Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066198/document.

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Abstract (sommario):

Cette thèse est dédiée au développement d'outils mathématiques innovants améliorant la modélisation en électrophysiologie cardiaque.Une présentation du modèle bidomaine - un système réaction-diffusion - à domaine fixé est proposée en s'appuyant sur la littérature et une justification mathématique du processus d'homogénéisation (convergence «2-scale») est donnée. Enfin, une étude de l'impact des déformations mécaniques dans les lois de conservation avec la théorie des mélanges est faite.Comme les techniques d'imagerie ne fournissent globalement que des surfaces pour les oreillettes cardiaques dont l'épaisseur est très faible, une réduction dimensionnelle du modèle bidomaine dans une couche mince à une formulation posée sur la surface associée est étudiée. À l'aide de techniques développées pour les modèles de coques, une analyse asymptotique des termes de diffusion est faite sous des hypothèses de gradient d'anisotropie fort à travers l'épaisseur. Puis, une modélisation couplée du cœur - asymptotique pour les oreillettes et volumique pour les ventricules - permet la simulation d'électrocardiogramme complet. De plus, les méthodes asymptotiques sont utilisées pour obtenir des résultats de convergence forte pour les modèles de coque-3D.Enfin, afin de «personnaliser» les modèles, une méthode d'estimation est proposée. Les données médicales intégrées dans notre modèle - au moyen d'un filtre d'état de type Luenberger spécialement conçu - sont les cartes d'activation électrique. Ces problématiques apparaissent dans d'autres domaines où les modèles (réaction-diffusion) et les données (position du front) sont similaires, comme la propagation de feux ou la croissance tumorale
This thesis aims at developing innovative mathematical tools to improve cardiac electrophysiological modeling. A detailed presentation of the bidomain model - a system of reaction-diffusion equations - with a fixed domain is given based on the literature and we mathematically justify the homogenization process using the 2-scale convergence. Then, a study of the impact of the mechanical deformations in the conservation laws is performed using the mixture theory.As the atria walls are very thin and generally appear as thick surfaces in medical imaging, a dimensional reduction of the bidomain model in a thin domain to a surface-based formulation is studied. The challenge is crucial in terms of computational efficiency. Following similar strategies used in shell mechanical modeling, an asymptotic analysis of the diffusion terms is done with assumptions of strong anisotropy through the thickness, as in the atria. Simulations in 2D and 3D illustrate these results. Then, a complete modeling of the heart - with the asymptotic model for the atria and the volume model for the ventricles - allow the simulation of full electrocardiogram cycles. Furthermore, the asymptotic methods are used to obtain strong convergence results for the 3D-shell models.Finally, a specific data assimilation method is proposed in order to «personalize» the electrophysiological models. The medical data assimilated in the model - using a Luenberger-like state filter specially designed - are the maps of electrical activation. The proposed methods can be used in other application fields where models (reaction-diffusion) and data (front position) are very similar, as for fire propagation or tumor growth

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Chabiniok, Radomir. "Modélisation biomécanique personnalisée du cœur et applications cliniques". Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00839929.

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Abstract (sommario):

L'objectif de cette thèse porte sur la validation d'un modèle biomécanique du cœur à base de mesures expérimentales, et sur des investigations concernant des applications cliniques en modélisation personnalisée. Dans le cadre 1D, nous avons reproduit des expériences physiologiques de contraction d'une fibre cardiaque. Concernant la validation 3D, nous avons effectué dans une collaboration clinique une expérience avec des animaux (cochons), afin d'obtenir des données saines et après création d'infarctus. Nous avons démontré que notre modèle est capable de représenter le cœur sain, et que l'infarctus peut être correctement modélisé en modifiant uniquement les paramètres directement concernés par la pathologie. Dans la première application clinique nous avons démontré que le modèle est prédictif sur l'effet immédiat d'une "Cardiac Resynchronization Therapy" (CRT), sur le critère du "max LV dp/dt". La personnalisation du modèle a été réalisée au moyen des données d'IRM et de pressions au stade 'baseline' (avant la CRT). Puis, tous les paramètres du modèle étant figés, nous avons appliqué les schémas d'activation électrique correspondant aux modes de CRT. Nous avons obtenu une prédiction très proche des indicateurs mesurés sur 3 patients avec plusieurs schémas d'activation. Cette étude clinique préliminaire montre que la modélisation de CRT est très prometteuse comme assistance à la planification thérapeutique. Dans une deuxième application nous avons adapté des méthodes d'assimilation de données développées dans l'Equipe-Projet MACS à l'INRIA, à des fins d'aide au diagnostic. Nous avons ainsi réalisé une estimation conjointe état-paramètres en utilisant des données réelles (IRM). Nous avons démontré l'efficacité de ces méthodes, et l'intérêt des paramètres de contractilité estimés comme indicateurs de la fonction du myocarde.

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Thurieau, Nicolas. "Sur la modélisation du tissu cardiaque comme un milieu à microdilatation : une investigation numérique". Thesis, Université de Lorraine, 2014. http://www.theses.fr/2014LORR0018/document.

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Abstract (sommario):

Contexte : Le tissu biologique mou présente une organisation structurelle extrêmement complexe et est le siège de nombreux phénomènes d'échanges. De nombreuses applications s'étendant du diagnostic clinique à l'ingénierie tissulaire nécessitent la connaissance du comportement mécanique du tissu. A cette fin, de nombreuses approches plus ou moins satisfaisantes sont développées. Elles s'efforcent toutes de tenir compte de manière plus ou moins systématique de la microstructure du milieu. La considération du tissu biologique comme un milieu micromorphe donne des résultats probants dans sa particularisation au milieu micropolaire appliquée au tissu osseux. Il est donc fort probable que des résultats du genre soient obtenus pour d'autres tissus. Notre travail était orienté vers le tissu cardiaque et la problématique de l'infarctus ischémique. Dans ce contexte, il nous a semblé que la particularisation de comportement la mieux adaptée est celle d'un milieu à microdilatation. Travail réalisé : Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse est essentiellement numérique. Il a pour objectif de mettre en lumière les particularités de la réponse à une sollicitation extérieure d'un échantillon de milieu à microdilatation. Cette étape est essentielle pour l'analyse future des résultats d'expériences qui seront menées. Il a également pour objectif d'étudier les potentialités du modèle vis-à-vis du tissu cardiaque en considérant l'infarctus ischémique et la perte associée de la capacité d'éjection de volume sanguin. Les outils numériques d'analyse de tels milieux sont en plein développement. Il nous a fallu développer notre propre outil basé sur la LPI-BEM (Local Point Interpolation - Boundary Element Method). Du fait de la similitude des équations de champs associées, la validité de la stratégie numérique mise en oeuvre est testée sur le cas d'un matériau piézoélectrique. Ce choix n'est pas innocent car, dans l'avenir la considération du milieu piézoélectrique à microdilatation permettra d'analyser le cas d'une sollicitation électrique du tissu. Les détails de cette stratégie numérique originale sont consignés dans le chapitre 2 du mémoire. Le chapitre 3 est consacré à l'analyse de la robustesse de la méthode et aux particularités de la réponse d'un milieu à microdilatation. Le quatrième chapitre est consacré à l'application au tissu cardiaque. En se limitant au cas de petites déformations, on montre que le modèle est bien adapté à la représentation du comportement du tissu cardiaque. En effet, assimilant le ventricule gauche à une structure tubulaire, la fraction d'éjection du ventricule gauche (critère clinique d'insuffisance cardiaque) est fortement diminuée en présence d'une zone infarcie. Cette dernière est modélisée comme une région à frontière diffuse où les points matériels ont perdu leur capacité de « respirer ». Ces résultats sont prometteurs. Ils encouragent à poursuivre dans cette voie en prenant en compte le caractère anisotrope du tissu et en se plaçant dans le cadre des grandes déformations
Background: A soft biological tissue is subjected to numerous exchange phenomena and has an extremely complex structural organization. The knowledge of its mechanical behavior is required in many applications ranging from clinical diagnostic to tissue engineering. To achieve this goal, more or less satisfactory approaches are developed. They all seek to take into account in a more or less systematic manner the microstructure of the medium. Assuming that the biological tissue is a particular micromorphic medium (micropolar medium) leads to good results in the case bone tissue. It is therefore likely that the results of this kind will be obtained for other tissues. Our interest is on the heart tissue and the problem of ischemic heart attack. In this context, it seemed that the most appropriate behavior particularization is that of a microdilatation medium. Work done: The work presented in this thesis is essentially numerical. It aims to highlight the features of the response of microdilatation medium to an external mechanical load. This step is essential for the analysis of the experimental results to be conducted in the future. The work also aims to investigate the potentialities of the model with respect to the heart tissue regarding heart attack and the associated loss of the ability to eject sufficient blood volume. The numerical tools for the analysis of such media are in increasing development. We had to develop our own tool based on the LPI-BEM (Local Point Interpolation - Boundary Element Method). Because of the similarity of the associated field equations, the validity of the numerical strategy is assessed in the case of a piezoelectric material. This choice is not innocent because the piezoelectric medium with microdilatation will allow analyzing the case of an electrical solicitation of the tissue. The details of this original numerical approach are given in Chapter 2 of the thesis. Chapter 3 is devoted to the analysis of the robustness of the method and to the peculiarities of the response of a microdilatation medium. The fourth chapter is devoted to the application to the cardiac tissue. By limiting the study to the case of small strains, it is shown that the model is well suited to the representation of the behavior of cardiac tissue. Indeed, considering the left ventricle as a tubular structure, the left ventricle ejection fraction (clinical criterion of the heart failure) is greatly reduced in the presence of an infarcted area. The latter is modeled as a zone with diffuse boundary where the material points have lost their ability to "breath". These results are promising and encourage further investigations in this direction by taking into account the anisotropic nature of the tissue in a geometrically nonlinear context

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Davidović, Andjela. "Modélisation mathématique multi-échelle des hétérogénéités structurelles en électrophysiologie cardiaque". Thesis, Bordeaux, 2016. http://www.theses.fr/2016BORD0448/document.

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Abstract (sommario):

Dans cette thèse, nous avons abordé deux problèmes de modélisation mathématique pour la propagation des signaux électriques cardiaques : la propagation à l’échelle tissulaire en présence d’hétérogénéités et la propagation à l’échelle cellulaire avec des jonctions communicantes non linéaires. Inclusions diffusives. Le modèle standard utilisé en électrocardiologie est le modèle bidomaine. Il est déduit par homogénéisation des propriétés microscopiques du tissu. Pour cela, on suppose que les myocytes électriquement actifs sont uniformément répartis dans le coeur. Bien que ce soit une hypothèse raisonnable pour des coeurs sains, ce n’est plus vrai dans certains cas pathologiques où des changements importants dans la structure tissulaire se produisent. C’est le cas, par exemple des maladies cardiaques ischémiques, rhumatismales et inflammatoires, de l’hypertrophie ou de l’infarctus. Ces hétérogénéités tissulaires sont souvent prises en compte à l’aide d’un ajustement ad hoc des paramètres du modèle. Le premier objectif de cette thèse consistait à généraliser les équations du modèle bidomaine au cas des pathologies cardiaques structurelles.Nous avons supposé une alternance périodique d’éléments de tissus sains (modèle bidomaine) et modifiées (inclusions diffusives). La simulation numérique directe d’un tel modèle nécessite une discrétisation très fine, et entraîne un coût de calcul élevé. Pour éviter cela, nous avons construit un modèle homogénéisé à l’échelle macroscopique en utilisant une analyse à deux échelles. Nous avons retrouvé un modèle de type bidomaine avec des coefficients de conductivité modifiés, dits effectifs. En complément, nous avons effectué une vérification numérique de la convergence du modèle microscopique vers celui homogénéisé, dans une situation bidimensionnelle.Dans la deuxième partie, nous avons quantifié les effets de différentes formes d’inclusions diffusives sur les coefficients de conductivité effectifs et leur anisotropie en 2D et 3D. De plus, nous avons effectué des simulations sur des domaines représentant des morceaux de tissu 2D avec ces coefficients de conductivité modifiés. Nous avons observé des changements de la vitesse de propagation et de la forme du front de l’onde de dépolarisation. Dans la troisième partie, nous avons simulé le modèle homogénéisé en 3D, à partir d’images par résonance magnétique (IRM) à haute résolution d’un coeur de rat. Nous avons évalué les propriétés structurelles du tissu en utilisant des outils d’analyse d’image.Nous avons ensuite utilisés ces évaluations pour construire les paramètres dans le modèle homogénéisé. Jonctions communicantes non linéaires. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons étudié les effets du comportement non linéaires des jonctions communicantes sur la propagation du signal à l’échelle cellulaire. Dans les modèles existants, les jonctions communicantes sont supposées avoir un comportement linéaire, lorsqu’elles sont modélisées.Cependant les données provenant des expériences montrent que ceux-ci ont un comportement non linéaire dépendant du temps et de la différence de potentiel entre cellules voisines. D’abord, nous avons présenté un modèle non linéaire 0D du courant dans les jonctions communicantes. Ensuite, nous avons recalé le modèle sur les données expérimentales.Enfin, nous avons proposé un modèle mathématique 2D qui décrit l’interaction électrique des myocytes cardiaques à l’échelle cellulaire. Ce modèle utilise le courant dans les jonctions communicantes comme une liaison directe entre des cellules adjacentes
In this thesis we addressed two problems in mathematical modelling of propagation of electrical signals in the heart: tissue scale propagation with presence of tissue heterogeneities and cell scale propagation with non-linear gap junctions. Diffusive inclusions. The standard model used in cardiac electrophysiology is the bidomain model. It is an averaged model derived from the microscopic properties of the tissue.The bidomain model assumes that the electrically active myocytes are present uniformly everywhere in the heart. While this is a reasonable assumption for healthy hearts, it fails insome pathological cases where significant changes in the tissue structure occur, for examplein ischaemic and rheumatic heart disease, inflammation, hypertrophy, or infarction. These tissue heterogeneities are often taken into account through an ad-hoc tuning of model parameters. The first aim of this thesis consisted in generalizing the bidomain equations to the case of structural heart diseases.We assumed a periodic alternation of healthy (bidomain model) and altered (diffusive inclusion) tissue patches. Such a model may be simulated directly, at the high computational cost of a very fine discretisation. Instead we derived a homogenized model at the macroscopic scale, using a rigorous two-scale analysis. We recovered a bidomain-type model with modified conductivity coefficients, and performed a 2D numerical verificationof the convergence of the microscopic model towards the homogenized one.In the second part we quantified the effects of different shapes and sizes of diffusive inclusions on the effective conductivity coefficients and their anisotropy ratios in 2D and3D. Additionally, we ran simulations on 2D patches of tissue with modified conductivity coefficients. We observed changes in the propagation velocity as well as in the shape of the depolarization wave-front.In the third part, based on high-resolution MR images of a rat heart we simulated 3D propagations with the homogenized model. Using image analysis software tools we assessed the structural properties of the tissue, that we used afterwards as parameters inthe homogenized model. Non-linear gap junctions. In the last part of this thesis, we studied the effects of nonlineargap junction channels on the signal propagation at the cell scale. In existing models, the gap junction channels, if modelled, are assumed to have a linear behaviour, while from experimental data we know that they have a time- and voltage-dependent non-linear behaviour. Firstly, we stated a non-linear 0D model for the gap junctional current, and secondly fitted the model to available experimental data. Finally, we proposed a 2D mathematical model that describes the electrical interaction of cardiac myocytes on the cell scale. It accounts for the gap junctional current as "the direct link" between the adjacent cells

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Abdulhay, Enas. "Une nouvelle méthode non-invasive d'estimation cycle à cycle du volume d'éjection cardiaque dans le signal de plethysmographie respiratoire par inductance : algorithme de "double décomposition empirique"". Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015), 2009. http://www.theses.fr/2009GRE10220.

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Abstract (sommario):

L'objectif principal qui guide les développements en traitement du signal de cette thèse est la mise au point d'un outil qui s'inscrit dans une démarche de physiologie intégrative où, à chaque échelle, le modèle des signaux peut être différent On cherche ici à restreindre le jeu d'hypothèses a priori à un ensemble de règles physiologiques qui régissent les interactions entre functions physiologiques en l'absence d'hypothèses fonnelles et: mathématiques sur les signaux. Nous avons appliqué cette démarche au problème de la détection des ondes cardiaques et: de l' estimation cycle à cycle du volume d'éjection dans le signal RIP (Respiratoty Inductive Plethysmography). L'approche par décomposition empirique se prête particulièrement à notre logique. Nous proposons ici la première version d'un algorithme basé sur une double décomposition empirique du signal RIP. La méthode choisie et: les outils correspondants ont été testés sur deux types de données, d'une part des signaux simulés, d'autre part des signaux enregistrés sur volontaires sains. Notre objectif est donc aussi de mettre au point un modèle cardiorespiratoire pouvant servir d'outil de simulation des signaux ventilatoires, cardiaques et: de RIP avec la simulation de l'effet de chaque système sur l'autre. Les résultats montrent que la méthode proposée est adaptée à l'analyse du signal RIP et: à l' estimation du volume d'éjection
The main objective that guides the signal processing approaches ofthis thesis is the development of a tool that oould be part of an integrative physiology approach where, at each scale, the model of signais may be different We seek here the restriction of asstnnptions a priori to a set: of rules goveming the physiological interactions between physiological functions in the absence of fannal and mathematical assumptions. We applied this approach to the problem of cardiac waves detection and estimation of cycle-to-cycle stroke volume in the RIP signal (Respiratory Inductive Plethysmography). The empirical decomposition approach seems to be particularly adapted to our logic. We propose here the first version of an algorithm based on RIP double decomposition. The method and its COITeSpül1ding tools have been tested on two types of data, simulated signais and real signais recorded at healthy volunteers. Our aim is also therefore to develop a cardio-respiratory model that can serve as a tool for ventilatory, cardiac and RIP signals simulation along with the simulation of the effect of each system on the other. The results show that the proposed method is suitable for RIP signal analysis and for stroke volume estimation

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Benferhat, Djamel. "Conception d'un système de communication tolérant la connectivité intermittente pour capteurs mobiles biométriques - Application à la supervision médicale de l'activité cardiaque de marathoniens". Phd thesis, Université de Bretagne Sud, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00904627.

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Abstract (sommario):

La technologie des objets mobiles communicants (capteurs, smartphones, PDA, netbooks, etc.) est en plein essor. On peut exploiter l'utilisation de ces objets mobiles communicants dans plusieurs domaines, en particulier dans le domaine médical, pour collecter des informations de santé. Actuellement, la plupart des applications médicales basent leur collecte d'information sur deux approches. La première approche s'appuie sur l'hypothèse d'une connectivité permanente. La collecte de données physiologiques au niveau du centre d'analyse s'effectue en continu et elle permet un traitement en temps réel des informations. Dans la deuxième approche, les données sont stockées sur un dispositif porté par le patient et le traitement des données est donc différé. Dans le cas où les patients sont mobiles, l'hypothèse de connectivité permanente est difficile à réaliser, compte tenu de la portée des dispositifs radio et de leur consommation en énergie. Pour faire face à d'éventuelles ruptures de connectivité, on peut utiliser un mécanisme de communications opportunistes avec des réseaux tolérants les ruptures (DTN). Nous défendons dans cette thèse l'idée qu'il n'est pas indispensable de disposer de moyens de transmission en continu pour assurer le suivi médical d'individus mobiles dans le domaine de la télé-santé, mais qu'au contraire, une approche opportuniste est possible et intéressante : elle peut offrir de bons résultats à faible coût. À l'appui de cette idée, nous avons choisi un scénario de référence, la supervision médicale de l'activité cardiaque de marathoniens, comportant des contraintes de réalisation difficiles. Il s'agissait de réaliser le suivi des électrocardiogrammes des coureurs à partir de capteurs ECG et en faisant appel à plusieurs stations de collecte par transmission sans fil déployées sur le chemin de la course. La première variante de ce système proposait une solution à moindres coûts basée sur le protocole de communication ZigBee. Une deuxième variante, faisait appel à la technologie Wi-Fi ou à des réseaux cellulaires très répandus de nos jours. Un système de collecte et de supervision a été développé, déployé et testé lors d'épreuves sportives. Les résultats de ces expérimentations confirment l'intérêt que peut apporter ce schéma de communication dans la supervision médicale d'individus mobiles, en s'appuyant sur les technologies disponibles. À partir du premier scénario réalisé, plusieurs variantes peuvent être déclinées pour réaliser des applications médicales moins contraignants et plus générales. Ainsi, nous avons pu montrer qu'en exploitant des infrastructures Wi-Fi communautaires il est possible d'effectuer une supervision quotidienne des paramètres cardiaques de patients mobiles. Les différents scénarios explorés ont permis de mieux cerner l'intérêt des communications opportunistes pour des applications liées au suivi médical.

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Michoux, Nicolas. "Applications de la théorie des systèmes dynamiques non linéaires à la caractérisation de signaux biomédicaux et à leur modélisation". Rouen, 2000. http://www.theses.fr/2000ROUES009.

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Abstract (sommario):

La théorie des systèmes dynamiques non linéaires traite du comportement de systèmes déterministes, dont la sensibilité aux conditions initiales rend impossible toute prédiction à long terme. Les outils de cette théorie, pouvant expliquer les propriétés d'adaptabilité de l'organisme, sont appliqués aux signaux cardiaques, du grêle et vasculaires. La reconstruction de l'espace des états et les applications de 1 e r retour autorisent la caractérisation géométrique de rythmes atypiques et la décomposition des fluctuations du rythme en variabilité multi-temporelles, permettant de distinguer des rythmes fœtaux faiblement variables chez des fœtus en sommeil et en état de souffrance. La quantification des variabilités de la pression dans l'intestin grêle conduit à une distinction entre témoins et sujets dyspeptiques. Les processus de développement de l'organisme engendrent souvent des structures fractales. L'indice d'autosimilarités d'un signal RR donnant une mesure de la variabilité cardiaque, augmente chez des sujets atteints d'une fibrillation. La modélisation par un système d'équations différentielles ordinaires des signaux physiologiques est à envisager dès que des couplages apparaissent entre les variables d'état du système. Il devient possible d'obtenir une modélisation phénoménologique de la variable mesurée. La modélisation de l'ECG mène à la conclusion que le système cardiaque tend à se comporter comme un système dynamique de dimension voisine de cinq. La modélisation de la pression et du diamètre artériel a montré que le système vasculaire était de faible dimension et que le diamètre était l'observable dynamique à retenir. Enfin, l'équivalence difféomorphique consiste à éprouver la connexion entre un objet plongé dans l'espace des phases original et son image plongée dans un espace des états reconstruits, en testant les propriétés mathématiques de transformation de l'un a l'autre. L'équivalence dynamique entre des systèmes chaotiques (Henon, Rossler, Lorenz) et les reconstructions induites par leurs variables est étudiée indépendamment de la dimension de reconstruction. Il en résulte un classement des variables par degré d'observabilité et une discussion sur l'équivalence des variables dans le problème de l'observabilité de la dynamique originale.

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Echerradi, Insaf. "Modèle rapide de plasticité cristalline dans les polycristaux pour la fatigue à grand nombre de cycles". Electronic Thesis or Diss., Marne-la-vallée, ENPC, 2023. http://www.theses.fr/2023ENPC0038.

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Abstract (sommario):

Cette thèse concerne l’étude de fiabilité des structures travaillant en fatigue. L’un des sujets importants tient à la compréhension et la modélisation des phénomènes de fatigue tant dans les situations normales qu’accidentelles. Dans les polycristaux, ces phénomènes sont de nature probabiliste : pour un même chargement cyclique, deux éprouvettes macroscopiquement identiques ont en effet des durées de vie différentes. Ceci provient du fait que les microstructures présentent une certaine variabilité. L’approche traditionnelle consiste à établir expérimentalement des courbes S-N. Du fait de la nature aléatoire des phénomènes de fatigue, cette procédure expérimentale doit être répétée un grand nombre de fois pour être statistiquement représentative. On considère en général que la prédiction sécuritaire de la durée de vie pour un niveau de chargement donné se situe à la moyenne du nombre de cycles à rupture moins deux fois l’écart-type. Cette approche est extrêmement lourde en termes d’efforts expérimentaux, mais aussi insuffisante du point de vue de l’analyse des risques. L’ objectif principal de ce travail est de développer un modèle d’évolution polycristallin intégrant plasticité et rupture, suffisamment rapide en temps de calcul pour permettre une analyse probabiliste et applicable à l’échelle d’une structure entière. Le modèle proposé repose sur un principe de minimisation de l’énergie incrémentale et cible les chargements de faible amplitude, pour lesquels la plasticité est confinée à quelques grains critiques supposés éloignés les uns des autres et sollicités selon un seul système de glissement. Dans un premier temps, nous nous plaçons dans le cadre d’un écrouissage isotrope et cinématique linéaire, en négligeant les interactions élastiques entre grains critiques. L’incrément de glissement plastique dans chaque grain critique est alors obtenu comme une fonction explicite des paramètres du matériau, du chargement, et d’un tenseur de localisation entièrement déterminé par la géométrie du grain et ses modules élastiques. Pour des grains ellipsoïdaux, ce tenseur de localisation s’identifie au tenseur d’Eshelby. La validité du modèle est étudiée par une comparaison avec des calculs aux éléments finis. Le modèle est ensuite étendu pour prendre en compte les effets dominants de l’interaction élastique entre grains. A partir d’une analyse des dislocations, on propose également une loi d’écrouissage non linéaire faisant apparaître l’effet de la taille des grains. Une extension du modèle polycristallin à ce type de loi est présentée. Pour un chargement cyclique, l’approche proposée permet de calculer l’évolution incrémentale d’un polycristal via des formules de récurrence analytiques, sans nécessiter aucune discrétisation spatiale. Dans la situation la plus simple où les interactions élastiques sont négligées, on obtient des formules directes donnant l’état stabilisé atteint au bout d’un grand nombre de cycles. Ce modèle polycristallin est exploité pour une analyse de la sensibilité de la durée de vie par rapport aux paramètres microstructuraux, tels que la taille des grains, les textures morphologiques et cristallographiques. L’influence du gradient de contraintes est également discutée. Enfin, l’applicabilité du modèle a des structures réelles est illustré sur l’étude des stents, dispositifs biomédicaux de petite taille qui sont soumis à un chargement cyclique en raison des battements cardiaques et pour lesquels la durée de vie en fatigue est cruciale
This thesis concerns the study of the reliability of structures working in fatigue. One of the most important subjects is the understanding and modelling of fatigue phenomena in both normal and accidental situations. In polycrystals, these phenomena are of a probabilistic nature: for the same cyclic loading, two macroscopically identical specimens have different lifetimes. This is because the microstructures exhibit a certain variability. The traditional approach is to establish S-N curves experimentally. Due to the random nature of the fatigue phenomena, this experimental procedure must be repeated a large number of times to be statistically representative. It is generally considered that the safe prediction of service life for a given loading level is the average number of cycles to failure minus twice the standard deviation. This approach is extremely cumbersome in terms of experimental effort, but also inadequate from the point of view of risk analysis.The main objective of this work is to develop a polycrystalline evolution model integrating plasticity and fracture, sufficiently fast in calculation time to allow probabilistic analysis and applicable on the scale of an entire structure. The proposed model is based on the principle of minimising incremental energy and targets low-amplitude loading, for which plasticity is confined to a few critical grains that are assumed to be distant from one another and loaded according to a single sliding system. Initially, we assume isotropic and linear kinematic strain hardening, neglecting elastic interactions between critical grains. The plastic slip increment in each critical grain is then obtained as an explicit function of the material parameters, the loading, and a localization tensor determined entirely by the grain geometry and its elastic moduli. For ellipsoidal grains, this location tensor is identified with the Eshelby tensor. The validity of the model is studied by comparison with finite element calculations. The model is then extended to take into account the dominant effects of elastic interaction between grains. Based on an analysis of dislocations, a non-linear strain-hardening law is also proposed, showing the effect of grain size. An extension of the polycrystalline model to this type of law is presented.For cyclic loading, the proposed approach makes it possible to calculate the incremental evolution of a polycrystal using analytical recurrence formulae, without requiring any spatial discretisation. In the simplest situation, where elastic interactions are neglected, direct formulae are obtained giving the stabilized state reached after a large number of cycles. This polycrystalline model is used to analyse the sensitivity of fatigue life to microstructural parameters such as grain size, morphological and crystallographic textures. The influence of the stress gradient is also discussed. Finally, the applicability of the model to real structures is illustrated by the study of stents, small biomedical devices that are subjected to cyclic loading due to heartbeats and for which fatigue life is crucial

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Labarthe, Simon. "Modélisation de l'activité électrique des oreillettes et des veines pulmonaires". Phd thesis, Université Victor Segalen - Bordeaux II, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00925253.

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Abstract (sommario):

Le travail présenté dans ce manuscrit s'articule en trois axes distincts. 1) Dérivation de modèles mathématiques de phénomènes électrophysiologiques en cardiologie. Nous utilisons des méthodes d'analyse asymptotique pour dériver un modèle simplifié à partir d'un modèle de tissu auriculaire tridimensionnel, tout en contrôlant l'erreur d'approximation. Ces méthodes ont permis de dériver un modèle bisurfacique qui permet de simuler des comportements tridimensionnels dans les oreillettes pour un coût numérique bidimensionnel afin d'étudier des phénomènes entrant en jeu lors d'arythmies auriculaires, tels que la dissociation électrique ou des hétérogénéités transmurales. La preuve de la convergence du modèle bisurfacique est apportée, et une stratégie d'optimisation du modèle en dehors du régime symptotique est formalisée. Une méthode d'homogénéisation est également utilisée pour construire un modèle continu homogénéisé de l'activité des myocytes incluant le comportement non linéaire des gap junctions. 2)Processus déclencheurs d'arythmie. Des preuves de concepts de mécanismes arythmogènes sont apportées à l'aide de modèles numériques des veines pulmonaires. Le premier mécanisme repose sur un bloc de conduction unidirectionnel engendré par une discontinuité dans la structure fibreuse. Le second est basé sur une dynamique différente lors de la dépolarisation et de la repolarisation lorsque deux couches de fibres de directions différentes sont superposées. 3)Perpétuation des arythmies auriculaires. A partir d'un modèle bicouche des oreillettes, nous étudions l'influence d'hétérogénéités transmurales de fibrose sur la perpétuation des arythmies. Plusieurs protocoles d'ablation sont ensuite testés. Enfin, une méthode de personnalisation du modèle auriculaire est formalisée.

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Boilevin-Kayl, Ludovic. "Modeling and numerical simulation of implantable cardiovascular devices". Thesis, Sorbonne université, 2019. http://www.theses.fr/2019SORUS039.

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Abstract (sommario):

Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet Mivana, est consacrée à la modélisation et à la simulation numérique de dispositifs cardiaques implantables. Ce projet est mené par les start-up Kephalios et Epygon, concepteurs de solutions chirurgicales non invasives pour le traitement de la régurgitation mitrale. La conception et la simulation de tels dispositifs nécessitent des méthodes numériques eﬃcaces et précises capables de calculer correctement l’hémodynamique cardiaque. C’est le but principal de cette thèse. Dans la première partie, nous décrivons le système cardiovasculaire et les valves cardiaques avant de présenter quelques éléments de théorie concernant la modélisation mathématique de l’hémodynamique cardiaque. En fonction du degré de complexité adopté pour la modélisation des feuillets de la valve, deux approches sont identiﬁées : le modèle de surfaces résistives immergées et le modèle complet d’interaction ﬂuide-structure. Dans la deuxième partie, nous étudions la première approche qui consiste à combiner une modélisation réduite de la dynamique des valves avec un découplage cinématique de l’hémodynamique cardiaque et de l’électromécanique. Nous l’enrichissons de données physiologiques externes pour la simulation correcte des phases isovolumétriques, pierres angulaires du battement cardiaque, permettant d’obtenir un modèle relativement précis qui évite la complexité des problèmes entièrement couplés. Ensuite, une série d’essais numériques sur des géométries 3D physiologiques, impliquant la régurgitation mitrale et plusieurs conﬁgurations de valves immergées, illustre la performance du modèle proposé. Dans la troisième et dernière partie, des modèles complets d’interaction ﬂuide-structure sont considérés. Ce type de modélisation est nécessaire pour étudier des problèmes plus complexes où la précédente approche n’est plus satisfaisante, comme par exemple le prolapsus de la valve mitrale ou la fermeture d’une valve mécanique. D’un point de vue numérique, le développement de méthodes précises et eﬃcaces est indispensable pour pouvoir simuler de tels cas physiologiques. Nous considérons alors une étude numérique complète dans laquelle plusieurs méthodes de maillages non compatibles sont comparées. Puis, nous présentons un nouveau schéma de couplage explicite dans le cadre d’une méthode de type domaine ﬁctif pour lequel la stabilité inconditionnelle au sens de la norme en énergie est démontrée. Plusieurs exemples numériques en 2D sont proposés aﬁn d’illustrer les propriétés et les performances de ce schéma. Enﬁn, cette méthode est ﬁnalement utilisée pour la simulation numérique 2D et 3D de dispositifs cardiovasculaires implantables dans un modèle complet d’interaction ﬂuide-structure
This thesis, taking place in the context of the Mivana project, is devoted to the modeling and to the numerical simulation of implantable cardiovascular devices. This project is led by the start-up companies Kephalios and Epygon, conceptors of minimally invasive surgical solutions for the treatment of mitral regurgitation. The design and the simulation of such devices call for eﬃcient and accurate numerical methods able to correctly compute cardiac hemodynamics. This is the main purpose of this thesis. In the ﬁrst part, we describe the cardiovascular system and the cardiac valves before presenting some standard material for the mathematical modeling of cardiac hemodynamics. Based on the degree of complexity adopted for the modeling of the valve leaﬂets, two approaches are identiﬁed: the resistive immersed surfaces model and the complete ﬂuidstructure interaction model. In the second part, we investigate the ﬁrst approach which consists in combining a reduced modeling of the valves dynamics with a kinematic uncoupling of cardiac hemodynamics and electromechanics. We enhance it with external physiological data for the correct simulation of isovolumetric phases, cornerstones of the heartbeat, resulting in a relatively accurate model which avoids the complexity of fully coupled problems. Then, a series of numerical tests on 3D physiological geometries, involving mitral regurgitation and several conﬁgurations of immersed valves, illustrates the performance of the proposed model. In the third and ﬁnal part, complete ﬂuid-structure interaction models are considered. This type of modeling is necessary when investigating more complex problems where the previous approach is no longer satisfactory, such as mitral valve prolapse or the closing of a mechanical valve. From the numerical point of view, the development of accurate and eﬃcient methods is mandatory to be able to compute such physiological cases. We then consider a complete numerical study in which several unﬁtted meshes methods are compared. Next, we present a new explicit coupling scheme in the context of the ﬁctitious domain method for which the unconditional stability in the energy norm is proved. Several 2D numerical examples are provided to illustrate the properties and the performance of this scheme. Last, this method is ﬁnally used for 2D and 3D numerical simulation of implantable cardiovascular devices in a complete ﬂuid-structure interaction framework

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Cabrera, Lozoya Rocío. "Planification de l’ablation radiofréquence des arythmies cardiaques en combinant modélisation et apprentissage automatique". Thesis, Nice, 2015. http://www.theses.fr/2015NICE4059/document.

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Abstract (sommario):

Les arythmies sont des perturbations du rythme cardiaque qui peuvent entrainer la mort subite et requièrent une meilleure compréhension pour planifier leur traitement. Dans cette thèse, nous intégrons des données structurelles et fonctionnelles à un maillage 3D tétraédrique biventriculaire. Le modèle biophysique simplifié de Mitchell-Schaeffer (MS) est utilisé pour étudier l’hétérogénéité des propriétés électrophysiologiques (EP) du tissu et leur rôle sur l’arythmogénèse. L’ablation par radiofréquence (ARF) en éliminant les activités ventriculaires anormales locales (LAVA) est un traitement potentiellement curatif pour la tachycardie ventriculaire, mais les études EP requises pour localiser les LAVA sont longues et invasives. Les LAVA se trouvent autour de cicatrices hétérogènes qui peuvent être imagées de façon non-invasive par IRM à rehaussement tardif. Nous utilisons des caractéristiques d’image dans un contexte d’apprentissage automatique avec des forêts aléatoires pour identifier des aires de tissu qui induisent des LAVA. Nous détaillons les sources d’erreur inhérentes aux données et leur intégration dans le processus d’apprentissage. Finalement, nous couplons le modèle MS avec des géométries du coeur spécifiques aux patients et nous modélisons le cathéter avec une approche par un dipôle pour générer des électrogrammes normaux et des LAVA aux endroits où ils ont été localisés en clinique. Cela améliore la prédiction de localisation du tissu induisant des LAVA obtenue par apprentissage sur l’image. Des cartes de confiance sont générées et peuvent être utilisées avant une ARF pour guider l’intervention. Les contributions de cette thèse ont conduit à des résultats et des preuves de concepts prometteurs
Cardiac arrhythmias are heart rhythm disruptions which can lead to sudden cardiac death. They require a deeper understanding for appropriate treatment planning. In this thesis, we integrate personalized structural and functional data into a 3D tetrahedral mesh of the biventricular myocardium. Next, the Mitchell-Schaeffer (MS) simplified biophysical model is used to study the spatial heterogeneity of electrophysiological (EP) tissue properties and their role in arrhythmogenesis. Radiofrequency ablation (RFA) with the elimination of local abnormal ventricular activities (LAVA) has recently arisen as a potentially curative treatment for ventricular tachycardia but the EP studies required to locate LAVA are lengthy and invasive. LAVA are commonly found within the heterogeneous scar, which can be imaged non-invasively with 3D delayed enhanced magnetic resonance imaging (DE-MRI). We evaluate the use of advanced image features in a random forest machine learning framework to identify areas of LAVA-inducing tissue. Furthermore, we detail the dataset’s inherent error sources and their formal integration in the training process. Finally, we construct MRI-based structural patient-specific heart models and couple them with the MS model. We model a recording catheter using a dipole approach and generate distinct normal and LAVA-like electrograms at locations where they have been found in clinics. This enriches our predictions of the locations of LAVA-inducing tissue obtained through image-based learning. Confidence maps can be generated and analyzed prior to RFA to guide the intervention. These contributions have led to promising results and proofs of concepts

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Ojeda, Avellaneda David. "Multi-resolution physiological modeling for the analysis of cardiovascular pathologies". Phd thesis, Université Rennes 1, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01056825.

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Abstract (sommario):

This thesis presents three main contributions in the context of modeling and simulation of physiological systems. The first one is a formalization of the methodology involved in multi-formalism and multi-resolution modeling. The second one is the presentation and improvement of a modeling and simulation framework integrating a range of tools that help the definition, analysis, usage and sharing of complex mathematical models. The third contribution is the application of this modeling framework to improve diagnostic and therapeutic strategies for clinical applications involving the cardiovascular system: hypertension-based heart failure (HF) and coronary artery disease (CAD). A prospective application in cardiac resynchronization therapy (CRT) is also presented, which also includes a model of the therapy. Finally, a final application is presented for the study of the baroreflex responses in the newborn lamb. These case studies include the integration of a pulsatile heart into a global cardiovascular model that captures the short and long term regulation of the cardiovascular system with the representation of heart failure, the analysis of coronary hemodynamics and collateral circulation of patients with triple-vessel disease enduring a coronary artery bypass graft surgery, the construction of a coupled electrical and mechanical cardiac model for the optimization of atrio ventricular and intraventricular delays of a biventricular pacemaker, and a model-based estimation of sympathetic and vagal responses of premature newborn lambs.

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Tesi sul tema "Fibrillation cardiaque – Modèles mathématiques"

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