Дисертації з теми "Ablation par cathéter de radiofréquence"

Notre travail avait trois axes essentiels, le premier concernait la prise en charge thérapeutique après radiofréquence en évaluant les facteurs prédictifs de survenue de fibrillation auriculaire, le deuxième était une évaluation du traitement par radiofréquence chez le sujet âgé et le troisième l'évaluation de l'impact du choix du cathéter en fonction de l'anatomie de l'oreillette droite sur la durée et le succès des procédures d'ablation. Notre premier travail, a montré en analyse multivariée que la présence d'une dysfonction ventriculaire gauche, des antécédents de fibrillation auriculaire ou la présence d'une valvulopathie mitrale étaient des facteurs prédictifs indépendants de fibrillation auriculaire au décours d'une ablation par radiofréquence de flutter auriculaire. La seconde partie de notre travail a montré la faisabilité et l'innocuité du traitement par radiofréquence chez des patients avec flutter auriculaire dans une population âgée par rapport des sujets plus jeunes. Notre troisième travail prospectif randomisé a comparé deux types de cathéters (cathéter non irrigué 8 mm et cathéter irrigué 5 mm) avec haut niveau d'efficacité dans cette indication, mais aussi l'influence de l'anatomie sur les procédures d'ablation. Notre étude n'a pas montré de différence d'efficacité entre ces deux types de cathéters dans le groupe de patients réputé le plus difficile car présentant un isthme cavo-tricuspide long. Nous montrons que ce sont des différences anatomiques qui ont une influence directe sur la durée des procédures ablatives.

Depuis le début des années 1990 et l'utilisation de l'énergie de radiofréquence pour l'ablation par voie endocavitaire des troubles du rythme rapide, les rythmologues interventionnels prennent en charge des troubles du rythme de plus en plus complexe. Des systèmes de cartographie 3D permettent une représentation précise dans l'espace du positionnement du cathéter et constituent donc un outil très important pour le rythmologue interventionnel. L’identification des zones d’intérêts reste néanmoins longue et sujet à des nombreuses étapes reposant sur des analyses indirectes des propriétés électriques du cœur. L’objectif principal de la thèse est le développement de nouveaux outils afin de localiser l’isthme critique des tachycardies ventriculaires après infarctus du myocarde. L’identification précise des composantes du circuit de la tachycardie ventriculaire permet la mise en place d’une stratégie d’ablation pour traiter le patient. Les méthodes étudiées ne nécessitent pas un électrocardiogramme (ECG) à 12 dérivations de la tachycardie ventriculaire et présentent donc l’avantage de pouvoir être utilisées même en cas d’échec de déclenchement de la tachycardie pendant la procédure. Un axe majeur de recherche est le développement d’un algorithme qui permet d’extraire de façon automatique les données pertinentes obtenus lors de la topo-stimulation. Cela permet de faciliter l’affichage des cartes multi paramétriques mettant en avant les circuits de réentrée. Un autre axe de recherche est l’étude des variations des propriétés électriques du ventricule sous forme de graphe. Les points de stimulations sont considérés comme l’ensemble des sommets du graphe. Chaque arrête est associé à un poids et trouver le chemin entre deux sommets de poids minimum permet d’analyser les circuits de réentrée possibles
Since the beginning of the nineties and the use of radiofrequency to ablate cardiac arrhythmias, electrophysiologists treat rhythm disorders of increasing complexity. 3D mapping systems enable catheter locations to be determined with high precision and therefore are very important tools for cardiac electrophysiologists. Identifying zones of interest remains long and involves a great number of steps based on indirect analyses of the heart's electrical properties. The main objective of the thesis is the development of new tools to locate the critical isthmus in patients who have ventricular tachycardia after myocardial infarction. The clear identification of the circuit components of the ventricular tachycardia enables the implementation of an ablation strategy to treat the patient. The studied methods do not require a 12-lead electrocardiogram (ECG) of the ventricular tachycardia and therefore have the advantage of being able to be used even if the ventricular tachycardia cannot be initiated during the procedure. Pace mapping consists of stimulating the myocardium and analyzing the induced signal, the 12-lead morphology and the S-QRS interval. A major area of research is the development of an algorithm that automatically extracts the relevant data obtained during pace mapping. This facilitates the display of multi-parametric maps highlighting potential reentry circuits. Another area of research is the development of a graph-based method to study the variations of the electrical properties of the ventricle. The paced points are considered as vertices of a graph. Each edge is given a weight and finding the path between two vertices of minimum weight allows the analysis of potential reentry circuits

Ce manuscrit présente des travaux de recherche sur l'analyse et la détection des Electrogrammes Auriculaires Complexes Fractionnés (EACF). Dans une première partie faisant suite à une présentation des mécanismes et des signaux bioélelectriques de la Fibrillation Auriculaire (FA), les outils les plus couramment utilisés pour l'analyse des signaux EACF sont présentés. Des outils linéaires sont dans un premier temps appliqués aux signaux intracardiaques issus des procédures d'ablation de la FA par radiofréquence puis des outilsnon linéaires sont présentés et intégrés à un algorithme de détection des EACF. Ce dernier s'appuie sur la quantification des propriétés de récurrence des électrogrammes. Dans la seconde partie, la cellule et le tissu musculaire cardiaque sont détaillés puis simulés à l'aide de plusieurs modèles mathématiques. Ceux de FitzHugh Nagumo, Aliev Panfilov et Courtemanche Ramirez Nattel sont mis en oeuvre afin de reproduire les mécanismes de la FA évoqués dans la présentation de cette pathologie. L'acquisition des champs de potentiels est également reproduite à l'aide d'un modèle numérique de cathéter tel que celui utilisé lors des procédures. Les signaux temporels ainsi générés permettent de lier les activations spatiotemporelles au niveau du substrat aux motifs observables dans les EACF. Un modèle expérimental vient compléter la partie modélisation. Les cultures de cellules de rats nouveaux nés sur puces MEA (Micro Electrode Array) permettent de recréer des conditions de fibrillation et d'acquérir des potentiels extracellulaires. Là encore, les électrogrammes sont comparés aux signaux issus des simulations numériques ainsi qu'aux signaux cliniques. L'analyse des séquences de motifs via les trois types de modèles utilisés permet de rattacher les motifs observés dans les électrogrammes aux mécanismes se produisant au niveau du tissu cardiaque lors de la FA. Une analyse en temps réel permettrait de fournir au praticien des informations déterminantes lors de l'ablation concernant la nature et la localisation des sources d'arythmie

La thèse s’articule autour du développement des thermothérapies hépatique et cardiaque guidées par Imagerie de Résonance Magnétique (IRM). La première partie est axée sur le développement d’une méthode permettant d’augmenter la taille des lésions induites par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU). Le seuil de d’intensité acoustique fut déterminé par IRM de la force de radiation acoustique et l’effet caractérisé par IRM de température ex vivo et in vivo dans le foie de porc. La deuxième partie présente le développement d’une méthode permettant une focalisation HIFU hépatique intercostale avec utilisation de la déflection électronique du faisceau pour le suivi du mouvement respiratoire ou /et une ablation multipoint. La méthode proposée repose sur une mise à jour des éléments du transducteur HIFU à désactiver en fonction du point de focalisation sélectionné, à partir d’une projection géométrique de l’ombre des côtes sur la surface du transducteur, mesurée sur des images IRM anatomiques. Nous avons montré qu’il est possible de réduire significativement le chauffage des côtes tout en conservant une élévation de température dans le foie suffisante pour induire une lésion thermique. La troisième partie expose la mise en place de l’IRM de température pour le monitoring des ablations par radiofréquences (RF) dans le cœur. Plusieurs aspects sont abordés, notamment la précision de la thermométrie, la possibilité de réaliser des ablations thermiques par cathéter RF sous IRM de température in vivo dans le cœur de brebis, ainsi que l’utilisation du cathéter comme sonde d’imagerie dans l’objectif d’accroitre la précision de la thermométrie cardiaque
My manuscript studies the development of mini and non invasive thermotherapies guided by magnetic resonance imaging (MRI) in the treatment of hepatic and cardiac diseases. The first part was the development of a method to increase the lesion size, induced by HIFU, and based on bubble enhanced heating (BEH). The acoustic power threshold of the BEH was determined by MR acoustic radiation force imaging (MR-ARFI) and the thermal effect was characterized by MR thermometry on ex vivo and in vivo in pig livers. The second part developed a strategy to perform HIFU through the rib cage using beam steering to track the respiratory movement or to performed multipoint ablation while avoiding heating of ribs. Transducer elements localized in the geometric projection of the shadow of ribs, relatively to the targeted focal point, were switched off.The third part was the development of the MR thermometry on the heart for the monitoring of radiofrequency ablation (RFA). Several aspects were investigated, in particular the thermometry precision, the feasibility to perform catheter radiofrequency ablation under MR thermometry in vivo in a sheep heart, the possibility to use the catheter as an MR antenna to increase spatial resolution of MR thermometry images

Le traitement des arythmies cardiaques par ablation radiofréquence est une procédure thérapeutique permettant de restaurer un rythme normal par destruction thermique des tissus arythmogènes. A l'heure actuelle, l'intervention est réalisée sans imagerie temps réel permettant de visualiser la lésion pendant l'ablation. La thermométrie IRM permet de mesurer la température du tissu en chaque pixel et d'estimer directement l'étendue de la lésion via le calcul de la dose thermique cumulée. Si cette technique est déjà établie pour guider l'ablation de tumeurs dans différents organes, elle reste difficile à mettre en œuvre sur le cœur, notamment à cause des mouvements de respiration et de contraction myocardique. Dans le cadre de cette thèse, une méthode de thermométrie cardiaque a été implémentée pour réaliser une cartographie temps réel de la température du myocarde en condition de respiration libre. Plusieurs séquences IRM rapides ont été développées pour permettre l'acquisition d'environ 5 coupes par battement cardiaque avec une taille de voxel de 1.6X1.6X3 mm3. Plusieurs solutions de réduction des mouvements hors plan de coupe ont été évaluées : positionnement des coupes dans le sens principal du déplacement, suivi dynamique de la position des coupes en fonction de l'état respiratoire (navigateur, mesure de la position du cathéter). Le mouvement résiduel et les artéfacts de susceptibilité associés sont corrigés par des algorithmes temps réels pour permettre une précision de la thermométrie IRM à ±2°C sur les ventricules. Ce protocole a été utilisé avec succès pour le suivi d'ablations radiofréquences chez la brebis (N=3), permettant une corrélation (R=0.87) entre la dose thermique et la taille réelle des lésions induites. Les résultats sont très prometteurs quant à la pertinence de cette mesure pour une estimation en ligne de l'étendue de la lésion pendant l'ablation. Ces méthodes permettent d'envisager une évaluation clinique à court terme
Radiofrequency ablation is a therapeutic procedure for the treatment of cardiac arrhythmia by inducing a local necrosis of the arrhythmogenic tissue. This intervention is currently performed without online imaging of the lesion formation during radiofrequency delivery. MR thermometry provides a monitoring of temperature in the targeted tissue in each pixel and an immediate estimation of lesion via the calculation of the thermal dose. If this technique is well established for the guidance of tumor ablation in various organs, it remains challenging in the heart due to motion (breathing and myocardial contraction). In this work, a cardiac MR thermometry method was developed to perform a real-time temperature mapping of the heart under free-breathing conditions. Several MR pulse sequences were designed to ensure the acquisition of up to 5 slices per heartbeat with a voxel size of 1.6X1.6X3 mm3. Different solutions of minimization of out-of-plane motion were evaluated: alignment of the slices in the main direction of displacement, dynamic update of slice position depending on the respiratory state (echo-navigator, measure of the catheter position). Residual in-plane motion and associated susceptibility artifacts were corrected by real-time algorithms to allow a precision of MR thermometry of ±2°C in ventricles. This protocol was successfully used for the monitoring of radiofrequency ablation in sheep (N=3), allowing a correlation (R=87) between thermal dose maps and sizes of created lesions. These results are promising regarding the relevance of this measure for an inline estimation of the lesion extent during ablation

Certaines arythmies cardiaques (comme la fibrillation atriale) peuvent être traitées par des ablations intracardiaques qui consistent à bruler les substrats endocardiaques spécifiques. Des lésions non-transmurales sont responsables des récidives d'arythmies. A ce jour, la profondeur de la lésion à l'intérieur de l'endocarde ne peut pas être déterminée avec précision durant les procédures. Ce travail exploratoire est basé sur la caractérisation de tissus biologiques (in vitro) dans la gamme des micro-ondes. Pour évaluer la profondeur de la brulure, une technique de réflexion avec une sonde coaxiale en contact avec les tissus est utilisée. Les mesures ont été réalisées sur une large gamme de fréquences (100 MHz à 6 GHz). La variation relative du coefficient de réflexion est étudiée afin de déterminer la profondeur de la brulure du tissu. Une évolution du signal est observée en fonction de la profondeur de brulure. La détermination de la profondeur de brulure du tissu dans un milieu liquide est alors possible
Cardiac arrhythmia substrates may be treated by intracardiac ablations which consist in burning specific atrial or ventricular endocardial substrates. Created lesions which are not transmural may be responsible for arrhythmia recurrences. To date, the depth of the lesion inside the endocardium can't be assessed accurately during the procedures. Our experimental work has focused on microwave characterization of biological tissues (in vitro) to assess the burn depth. Using a reflection technique with a coaxial probe in contact with tissues, measurements were made over a wide frequency range (100 MHz to 6 GHz). The measured reflection coefficient is known to be directly related to the dielectric properties of the tissues. We therefore measured the relative variation of the reflection of the tissue. In order to determine the burn depth of the tissue, the imaginary part of the relative variation is studied as a function of the real part of the relative variation for each frequency. Thus, we observe an evolution of the signal as a function of the burn depth. The determination of the tissue burned depth in a liquid medium is possible

Responsable d’un quart des accidents vasculaires cérébraux, la fibrillation auriculaire (FA) est l’arythmie cardiaque la plus répandue. La thérapie d’ablation par cathéter (CA) est de plus en plus utilisée pour traiter la FA, mais ses effets sur le substrat cardiaque ne sont pas suffisamment compris, d’où un taux de réussite très variable. L’électrocardiogramme (ECG) à 12 voies représente un outil non invasif peu coûteux pour caractériser la FA à partir de l’activité électrique du cœur. Cependant, les prédicteurs classiques de l’issue de la CA présentent plusieurs inconvénients, notamment leur calcul manuel sur une seule voie de l’ECG. Cette thèse exploite explicitement le caractère multi-capteur de l’ECG au moyen de techniques de décomposition multivariées, démontrant qu’elles peuvent améliorer la puissance prédictive de certaines propriétés de l’ECG dans le cadre de la CA. L’amplitude des ondes fibrillatoires est corrélée avec le résultat de la CA, et traitée par une méthode multi-capteur basée sur l’analyse en composantes principales (PCA). Des variantes comme la PCA pondérée (WPCA) et la factorisation en matrices non négatives (NMF) peuvent aussi quantifier la variabilité spatio-temporelle de la FA sur l’ECG. La théorie de l’information permet également d’estimer le niveau de corrélation entre les voies de l’ECG, mis en relation avec le résultat de la CA grâce à des approches multi-capteurs. Enfin, une dernière ligne de recherche concerne la réponse ventriculaire manifestée sur la variabilité cardiaque. L’approche paramétrique de processus ponctuel est capable de souligner certaines propriétés de cette variabilité, améliorant ainsi la caractérisation de la FA
Atrial fibrillation (AF) is the most common sustained arrhythmia encountered in clinical practice, and one of the main causes of stroke. Yet its thorough characterization and treatment remain an open issue. Despite the increasing popularity of the radiofrequency catheter ablation (CA) therapy, very little is known about its impact on heart substrate, leading to rather uncertain success rates. This calls for advanced signal processing tools for quantitatively assessing CA outcome. The surface 12-lead electrocardiogram (ECG), a noninvasive and cost-effective cardiac activity recording modality, provides valuable information about AF. However, some issues affect most of the standard CA outcome predictors, e.g., manual computation and limited single-lead perspective. This thesis aims at explicitly exploiting the ECG’s multilead character through multivariate decomposition tools, so as to enhance the role of some ECG features as CA outcome predictors. Fibrillatory wave amplitude is correlated with CA success in a multilead framework through principal component analysis (PCA). Multivariate approaches also enhance AF spatiotemporal variability measured on the ECG (e.g., weighted PCA, nonnegative matrix factorization), evidencing that the less repetitive the AF pattern, the less likely CA success. Information theory also quantifies interlead similarity between AF patterns, and is linked with CA outcome in a multilead framework. Another perspective focuses on the ventricular response as reflected on heart rate variability (HRV). Point process modeling can highlight certain HRV properties typical of AF in a parametric probabilistic context, helping AF pattern recognition

Dans ce travail la faisabilité et la précision de l'IRM de température reposant sur la mesure la variation thermo dépendante de la fréquence de résonance des protons de l'eau (PRF) est évaluée pour le monitoring des ablatons hépatiques par radiofréquence. Trois étapes expérimentales précèdent la réalisation d'une étude clinique pilote : une étude ex vivo sur échantillons de foie, une série d'ablation in vivo dans le foie de lapin, une série d'ablations in vivo dans le foie de porc avec du matériel de radiofréquence clinique et enfin une série de huit patients traités pour tumeurs hépatiques par radiofréquence sous contrôle continu d'IRM de température. Nos résultats montrent que l'IRM de température est une technique de monitoring à la fois faisable et fiable pour monitorer en temps réel les ablations hépatiques par radiofréquence. Des modifications de la technique d'imagerie et du matériel de radiofréquence devraient améliorer l'opérationnalité de ce nouveau ttype de monitoring
In this work the feasibility and the accuracy of MR-thermometry based on the proton resonance frequency shift and using the concept of thermal dose for the monitoring of radiofrequency ablation in the liver were assed. Before the achievement of a clinical pilot study, we carried out three experimental studies : the first was performed ex vivo on liver samples, the second in vivo in the liver of rabbits and the third in vivo in the liver of pigs using clinical available radiofrequency material. Finally the clinical study consisted of the treatment of malignant liver tumours of eight patients by radiofrequency ablation under continuous MR-thermometry monitoring. At each steps of this work Mr-thermometry appeared as a faeasible and reliable monitoring technique to assess in real time the extent of ablation zone during radiofrequency ablation. Further changes in imaging protocol and in the radiofrequency material might improve significantly the effectiveness of this new monitoring imaging

La prise en charge thérapeutique des tumeurs rénales a considérablement évolué ces dernières années avec l’avènement de traitements mini-invasifs (comme la radiofréquence percutanée) qui optimisent l’épargne néphronique, améliore le confort du patient avec une efficacité oncologique comparable aux traitements chirurgicaux de référence. La prochaine étape serait de proposer des traitements transcutanés aussi performants avec une morbi-mortalité optimisée. L’objectif des travaux réalisés au LIIE du CERIMED (AMU) et au CRCHUM (Université de Montréal) était de développer une alternative à la radiofréquence rénale percutanée que nous utilisons en pratique clinique à Marseille depuis plus de 10 ans et qui a fait ses preuves. Cette alternative doit permettre de traiter des masses rénales avec un niveau d’efficacité et un taux de complications au minimum identique à la RFA, par application transcutanée d’agents physiques sans abord percutané (projet KiTT). Cela passe par la mise au point d’une technique de détection en temps réel de la masse rénale. Nous avons pu développer un algorithme de repérage fiable qui doit encore être optimisé (rapidité de calcul) et être validé sur un modèle qui n’est pas encore disponible. Les travaux d’optimisation et de validation des algorithmes de segmentation, de fonction de mérite de corrélation croisée associée à la fonction d’optimisation Simplex, sont en cours dans le cadre d’une collaboration internationale franco-canadienne au LIIE et au LIO. Même si nous n’avons pas encore la possibilité de proposer ce type de traitement, nos travaux permettent de s’en approcher pour pouvoir les proposer dans les prochaines années
The therapeutic management of renal tumors has changed considerably in recent years with the advent of minimally invasive therapies (such as percutaneous radiofrequency) that maximize nephron savings, improves patient comfort with efficiency comparable to surgical oncology treatments reference. The next step would be to propose transcutaneous treatment (HIFU, stereotactic radiotherapy ...) as efficient with optimized morbidity and mortality.The objective of this work in the context of the LIIE of CERIMED (Aix-Marseille Université) and CRCHUM (Université de Montréal) was to develop an alternative to percutaneous renal radiofrequency we use in clinical practice Marseille for over 10 years and has proved its worth. This alternative must be capable of treating renal masses with a level of effectiveness and complication rates at least equal to the RFA, by applying transcutaneous physical agents without percutaneous approach (project KITT (Kidney Tracking Tumor)). This requires the design of technical point detection in real time of the renal tumor.We were able to develop a reliable identification algorithm that has yet to be optimized (speed of calculation) and be validated on a model that is not yet available. Work optimization and validation of segmentation algorithms, cross correlation merit function associated with Simplex optimization function, are underway as part of an international collaboration to French-Canadian LIIE and LIO.Even if we have not the opportunity to offer this type of treatment, our work allows to approach in order to offer them in the coming years

L’ablation par radiofréquence percutanée est un des traitements des tachycardiesventriculaires (TV). Bien que salvateur chez certains patients avec myocardiopathie (MCP),les taux de succès rapportés varient de 53 à 67% dans les centres entrainés.Le but de ce travail est d’essayer de mieux comprendre le substrat des arythmiesventriculaires et d’en améliorer le traitement. Pour cela, nous avons étudié le substrat despatients adressés pour ablation de TV (sur MCP ischémique, sur MCP dilatée à coronairessaines avec cicatrices sous épicardiques, chez les patients avec assistance ventriculairegauche et chez un patient avec syndrome de Brugada). Nous avons également évalué etproposé des outils/attitudes thérapeutiques pour essayer d’améliorer le traitement des TV.Nous avons mis en évidence des particularités électrophysiologiques pour chacun de cessubstrats qui permettent d’optimiser et d’adapter la cartographie et l’ablation chez cespatients. Par ailleurs, nous avons montré l’intérêt : (1) de nouvelles technologies pouraméliorer l’efficacité de l’ablation ; (2) des approches épicardiques ou d’alcoolisation intracoronaire, chez certains patients sélectionnés, qui permettent d’éliminer le substrat et (3)de l’imagerie cardiaque pour mieux identifier le substrat et diminuer les risques perprocédure.La connaissance du substrat spécifique à chaque pathologie, une information sur laforce du contact entre le cathéter et le tissu, l’imagerie cardiaque (scanner et IRM), uneapproche épicardique chez certains patients et l’homogénéisation de la cicatricemyocardique permettent d’être plus efficace lors de l’ablation des TV
Radiofrequency (RF) catheter ablation is a recognized treatment for ventricular tachycardia(VT) in patients with structural heart disease. Even if it can be life saving, success rateremains around 53 to 67%.We aimed to better characterized VT substrate in patients with ischemic cardiomyopathy(CMP), non ischemic CMP with subepicardial scar, left ventricular assist device and Brugadasyndrome. We also evaluate the efficacy of new technologies (such as contact force), specificapproaches (epicardial access, intra coronary alcohol ablation), systematic use of cardiacimaging and new end-points for VT ablation.We demonstrated that each substrate had specific electrophysiological properties that helpoptimizing the mapping and the ablation in these patients. We also showed the interest of(1) new technologies to improve RF lesion formation; (2) specific approaches in selectedpatients to eradicate the VT substrate; and (3) cardiac imaging to help identifying thesubstrate and preventing complications. Finally using local abnormal ventricular potentialelimination as an end-point for VT ablation is feasible and associated with lower mortalityduring follow-up when achieved.Knowledge of substrate specificities, use of contact force, cardiac imaging, epicardial accessin selected patients and scar homogenization improve VT ablation efficacy and/or safety

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

Responsable d'un quart des accidents vasculaires cérébraux, la fibrillation auriculaire (FA) est l'arythmie cardiaque la plus répandue. La thérapie d'ablation par cathéter (CA) est de plus en plus utilisée pour traiter la FA, mais ses effets sur le substrat cardiaque ne sont pas suffisamment compris, d'où un taux de réussite très variable. L'électrocardiogramme (ECG) à 12 voies représente un outil non invasif peu coûteux pour caractériser la FA à partir de l'activité électrique du cœur. Cependant, les prédicteurs classiques de l'issue de la CA présentent plusieurs inconvénients, notamment leur calcul manuel sur une seule voie de l'ECG. Cette thèse exploite explicitement le caractère multi-capteur de l'ECG au moyen de techniques de décomposition multivariées, démontrant qu'elles peuvent améliorer la puissance prédictive de certaines propriétés de l'ECG dans le cadre de la CA. L'amplitude des ondes fibrillatoires est corrélée avec le résultat de la CA, et traitée par une méthode multi-capteur basée sur l'analyse en composantes principales (PCA). Des variantes comme la PCA pondérée (WPCA) et la factorisation en matrices non négatives (NMF) peuvent aussi quantifier la variabilité spatio-temporelle de la FA sur l'ECG. La théorie de l'information permet également d'estimer le niveau de corrélation entre les voies de l'ECG, mis en relation avec le résultat de la CA grâce à des approches multi-capteurs. Enfin, une dernière ligne de recherche concerne la réponse ventriculaire manifestée sur la variabilité cardiaque. L'approche paramétrique de processus ponctuel est capable de souligner certaines propriétés de cette variabilité, améliorant ainsi la caractérisation de la FA.

La fibrillation atriale (FA) est l’arythmie cardiaque soutenue la plus fréquemment rencontrée dans la pratique clinique. Pour la traiter, l’ablation par cathéter de zones cardiaques jugées responsables de soutenir l’arythmie est devenue la thérapie la plus utilisée. Un nouveau protocole d’ablation se base sur l’identification des zones atriales où les électrogrammes (EGM) enregistrés à l’aide d’un cathéter à électrodes multiples, appelé PentaRay, manifestent des décalages spatiotemporels significatifs sur plusieurs voies adjacentes. Ce phénomène est appelé dispersion spatio-temporelle (DST). L’intervention devient ainsi plus adaptée aux spécificités de chaque patient et elle atteint un taux de succès procédural de 95%. Cependant, à l’heure actuelle les zones de DST sont identifiées de manière visuelle par le spécialiste pratiquant l’ablation. Cette thèse vise à identifier automatiquement les sites potentiels d’ablation basée sur la DST à l’aide de techniques d’apprentissage statistique et notamment d’apprentissage profond adaptées. Dans la première partie, les enregistrements EGM sont classés par catégorie en DST vs. non-DST. Cependant, le rapport très déséquilibré entre les données issues des deux classes dégrade les résultats de classification. Nous abordons ce problème en utilisant des techniques d’augmentation de données adaptées à la problématique médicale et qui permettent d’obtenir de bons taux de classification. La performance globale s’élève ainsi atteignant des valeurs de précision et d’aire sous la courbe ROC autour de 90%. Deux approches sont ensuite comparées, l’ingénierie des caractéristiques et l’extraction automatique de ces caractéristiques par apprentissage statistique à partir d’une série temporelle, appelée valeur absolue de tension maximale aux branches du PentRay (VAVp). Les résultats montrent que la classification supervisée de VAVp est prometteuse avec des valeurs de précision, sensibilité et spécificité autour de 90%. Ensuite, la classification des enregistrements EGM bruts est effectuée à l’aide de plusieurs outils d’apprentissage statistique. Une première approche consiste à étudier les circuits arithmétiques à convolution pour leur intérêt théorique prometteur, mais les expériences sur des données synthétiques sont infructueuses. Enfin, nous investiguons des outils d’apprentissage supervisé plus conventionnels comme les réseaux de neurones convolutifs (RNC). Nous concevons une sélection de représentation des données adaptées à différents algorithmes de classification. Ces modèles sont ensuite évalués en termes de performance et coût de calcul. L’apprentissage profond par transfert est aussi étudié. La meilleure performance est obtenue avec un RNC peu profond pour la classification des matrices EGM brutes, atteignant 94% de précision et d’aire sous la courbe ROC en plus d’un score F1 de 60%. Dans la deuxième partie, les enregistrements EGM acquis pendant la cartographie sont étiquetés ablatés vs. non-ablatés en fonction de leur proximité par rapport aux sites d’ablation, puis classés dans les mêmes catégories. Les annotations de dispersion sont aussi prises en compte comme une probabilité à priori dans la classification. La meilleure performance représente un score F1 de 76%. L’agrégation de l’étiquette DST ne permet pas d’améliorer les performances du modèle. Globalement, ce travail fait partie des premières tentatives d’application de l’analyse statistique et d’outils d’apprentissage pour l’identification automatique et réussie des zones d’ablation en se basant sur la DST. En fournissant aux cardiologues interventionnels un outil intelligent, objectif et déployé en temps réel qui permet la caractérisation de la dispersion spatiotemporelle, notre solution permet d’améliorer potentiellement l’efficacité de la thérapie personnalisée d’ablation par cathéter de la FA persistante
Catheter ablation is increasingly used to treat atrial fibrillation (AF), the most common sustained cardiac arrhythmia encountered in clinical practice. A recent patient-tailored AF ablation therapy, giving 95% of procedural success rate, is based on the use of a multipolar mapping catheter called PentaRay. It targets areas of spatiotemporal dispersion (STD) in the atria as potential AF drivers. STD stands for a delay of the cardiac activation observed in intracardiac electrograms (EGMs) across contiguous leads.In practice, interventional cardiologists localize STD sites visually using the PentaRay multipolar mapping catheter. This thesis aims to automatically characterize and identify ablation sites in STD-based ablation of persistent AF using machine learning (ML) including deep learning (DL) techniques. In the first part, EGM recordings are classified into STD vs. non-STD groups. However, highly imbalanced dataset ratio hampers the classification performance. We tackle this issue by using adapted data augmentation techniques that help achieve good classification. The overall performance is high with values of accuracy and AUC around 90%. First, two approaches are benchmarked, feature engineering and automatic feature extraction from a time series, called maximal voltage absolute values at any of the bipoles (VAVp). Statistical features are extracted and fed to ML classifiers but no important dissimilarity is obtained between STD and non-STD categories. Results show that the supervised classification of raw VAVp time series itself into the same categories is promising with values of accuracy, AUC, sensi-tivity and specificity around 90%. Second, the classification of raw multichannel EGM recordings is performed. Shallow convolutional arithmetic circuits are investigated for their promising theoretical interest but experimental results on synthetic data are unsuccessful. Then, we move forward to more conventional supervised ML tools. We design a selection of data representations adapted to different ML and DL models, and benchmark their performance in terms of classification and computational cost. Transfer learning is also assessed. The best performance is achieved with a convolutional neural network (CNN) model for classifying raw EGM matrices. The average performance over cross-validation reaches 94% of accuracy and AUC added to an F1-score of 60%. In the second part, EGM recordings acquired during mapping are labeled ablated vs. non-ablated according to their proximity to the ablation sites then classified into the same categories. STD labels, previously defined by interventional cardiologists at the ablation procedure, are also aggregated as a prior probability in the classification task.Classification results on the test set show that a shallow CNN gives the best performance with an F1-score of 76%. Aggregating STD label does not help improve the model’s performance. Overall, this work is among the first attempts at the application of statistical analysis and ML tools to automatically identify successful ablation areas in STD-based ablation. By providing interventional cardiologists with a real-time objective measure of STD, the proposed solution offers the potential to improve the efficiency and effectiveness of this fully patient-tailored catheter ablation approach for treating persistent AF

L’insuffisance cardiaque est un problème de santé publique dans les pays développés, touchant 1 à 2% de la population générale, mais dont la prévalence atteint 10% après 70 ans. Les progrès thérapeutiques ont permis d’améliorer le pronostic des patients, notamment ceux ayant une altération de la fonction systolique ventriculaire gauche. Les troubles du rythme sont fréquents et nécessitent une pris en charge particulière au cours des situations d’insuffisance cardiaque. Cependant, il reste des questions non résolues : comment améliorer l’efficacité du traitement de l’insuffisance cardiaque à fonction systolique préservée, comment mieux sélectionner les patients pouvant bénéficier de la prévention primaire de la mort subite par un défibrillateur implantable, les patients âgés peuvent-ils bénéficier de la même prise en charge que les patients plus jeunes, et pour finir comment améliorer les résultats de l’ablation de fibrillation auriculaire dans les situations d’insuffisance cardiaque. Nous avons mis en place une étude prospective chez des patients présentant une dysfonction diastolique pour évaluer l’intérêt de l’algorithme de surveillance de l’apnée du sommeil disponible dans des stimulateurs cardiaques. En parallèle, nous avons analysé l’impact de l’évaluation par résonance magnétique des patients candidats à un défibrillateur sur la prédiction des évènements rythmiques, mais aussi le devenir des patients de plus de 75 ans appareillés avec un système de resynchronisation cardiaque. Enfin, nous nous sommes intéressés aux résultats d’un nouveau système de cartographie électroanatomique ultra-haute densité pour guider les procédures d’ablation de troubles du rythme supraventriculaires complexes chez des patients insuffisants cardiaques comparés à des patients contrôles
Heart failure is a major public health issue in developed countries, with a prevalence of 1-2% of global population, rising to 10% after 70 years of age. Therapeutic progresses have succeeded in improving patients’ prognosis, particularly in case of reduced left ventricular ejection fraction. Rhythm abnormalities are frequent, and need special consideration in case of heart failure. Meanwhile, there are still some gaps in the evidence: heart failure with preserved systolic function is complex and difficult to treat, primary prevention of sudden cardiac death is effective but there is a need to better select candidates, whether elderly patients should be treated as younger individuals, and finally how to improve outcomes of atrial fibrillation catheter ablation. Firstly, we have conducted a prospective study to evaluate the Sleep Apnea Monitoring algorithm provided in a novel pacemaker in patients with diastolic dysfunction. Besides, we analyzed whether magnetic resonance imaging could predict cardiac outcomes in patients with an implantable cardioverter defibrillator better than echocardiography. We also reported the outcomes of the cardiac resynchronization therapy in patients ≥75 years old compared to younger patients. Finally, we studied the results of a novel ultra-high density mapping system to guide ablation procedures of complex atrial arrhythmias in heart failure patients compared to controls

L'ablation par radiofréquence (ARF) de tumeurs abdominales est rendue difficile par l’influence des vaisseaux sanguins et les variations de la conductivité thermique, compliquant la planification spécifique à un patient donné. En fournissant des outils prédictifs, les modèles biophysiques pourraient aider les cliniciens à planifier et guider efficacement la procédure. Nous introduisons un modèle mathématique détaillé des mécanismes impliqués dans l’ARF des tumeurs du foie comme la diffusion de la chaleur et la nécrose cellulaire. Il simule l’étendue de l’ablation à partir d’images médicales, d’après lesquelles des modèles personnalisés du foie, des vaisseaux visibles et des tumeurs sont segmentés. Dans cette thèse, une nouvelle approche pour résoudre ces équations basée sur la méthode de Lattice Boltzmann est introduite. Le modèle est d’abord évalué sur des données de patients qui ont subi une ARF de tumeurs du foie. Ensuite, un protocole expérimental combinant des images multi-modales, anatomiques et fonctionnelles pré- et post-opératoires, ainsi que le suivi de la température et de la puissance délivrée pendant l'intervention est présenté. Il permet une validation totale du modèle qui considère des données les plus complètes possibles. Enfin, nous estimons automatiquement des paramètres personnalisés pour mieux prédire l'étendu de l’ablation. Cette stratégie a été validée sur 7 ablations dans 3 cas cliniques. A partir de l'étude préclinique, la personnalisation est améliorée en comparant les simulations avec les mesures faites durant la procédure. Ces contributions ont abouti à des résultats prometteurs, et ouvrent de nouvelles perspectives pour planifier et guider l’ARF
The outcome of radiofrequency ablation (RFA) of abdominal tumors is challenged by the presence of blood vessels and time-varying thermal conductivity, which make patient-specific planning extremely difficult. By providing predictive tools, biophysical models may help clinicians to plan and guide the procedure for an effective treatment. We introduce a detailed computational model of the biophysical mechanisms involved in RFA of hepatic tumors such as heat diffusion and cellular necrosis. It simulates the extent of ablated tissue based on medical images, from which patient-specific models of the liver, visible vessels and tumors are segmented. In this thesis, a new approach for solving these partial differential equations based on the Lattice Boltzmann Method is introduced. The model is first evaluated against clinical data of patients who underwent RFA of liver tumors. Then, a comprehensive pre-clinical experiment that combines multi-modal, pre- and post-operative anatomical and functional images, as well as the interventional monitoring of the temperature and delivered power is presented. This enables an end-to-end validation framework that considers the most comprehensive data set for model validation. Then, we automatically estimate patient-specific parameters to better predict the ablated tissue. This personalization strategy has been validated on 7 ablations from 3 clinical cases. From the pre-clinical study, we can go further in the personalization by comparing the simulated temperature and delivered power with the actual measurements during the procedure. These contributions have led to promising results, and open new perspectives in RFA guidance and planning

Les matériaux ferroélectriques suscitent beaucoup d’intérêt du fait de leurs propriétés physiques telles que la piézoélectricité, la ferroélectricité ou encore leur permittivité élevée. Ainsi, on cherche à les intégrer dans les micro- et nano-systèmes dans lesquels on les retrouve généralement sous forme de couche mince dans une configuration de type capacité plane. En particulier, l’oxyde de plomb, titane et zirconium (PZT) est un matériau très attractif pour les applications RF capacitives du fait de sa grande permittivité. Son intégration sur des électrodes métalliques, i.e. les lignes coplanaires constituant le guide d’onde, implique de maîtriser sa croissance en film mince. L’application d’une tension dans un dispositif RF actif impose également de contrôler les propriétés électriques : nature des courants de fuite et comportement ferroélectrique du PZT. Dans ce contexte, les couches minces de PZT sont déposées par ablation laser (PLD) sur un empilement La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃ (LSMO) / Pt (111) déposé sur un substrat monocristallin de saphir. La couche d’accroche conductrice LSMO est nécessaire afin d’éviter la formation d’une phase pyrochlore paraélectrique. Le contrôle de l’orientation cristalline de la couche de LSMO permet de contrôler la texturation de la couche de PZT. Les courants de fuite au travers de l’empilement Pt/PZT/LSMO/Pt ont ensuite été étudiés dans l’intervalle de température 220-330K de façon à déterminer les mécanismes de conduction. Une transition a été mise en évidence entre, autour de la température ambiante, un mécanisme contrôlé par la diffusion des charges en volume et, à basse température, un mécanisme contrôlé par l’injection des charges aux interfaces électrode/PZT. Un mécanisme par sauts a été identifié au-dessus de 280K en cohérence avec la présence de défauts étendus et la structure colonnaire du PZT. Afin de contrôler ces courants de fuite, différentes stratégies ont été utilisées. La première consiste à insérer une couche d’oxyde isolante à l’interface supérieure Pt/PZT modifiant ainsi l’injection des charges et permettant de réduire les courants de fuite. La seconde stratégie consiste, quant à elle, à modifier la structure de la couche de PZT en volume en élaborant des composites diélectrique/PZT multicouches ou colonnaires. Ainsi, une couche d’oxyde isolante a été insérée au milieu de la couche de PZT et a permis de réduire les courants de fuite. Le contrôle de la nucléation du PZT a également permis par nanofabrication d’élaborer un composite colonnaire pérovskite PZT/pyrochlore. La densité de piliers de pyrochlore dans la phase ferroélectrique permet de moduler la densité de courant dans la structure. Le PZT et les hétérostructures permettant de réduire les courants de fuite ont ensuite été intégrés dans une structure RF capacitive avec des lignes coplanaires d’or. Les performances RF en termes d’isolation et de pertes par insertion ainsi que la compatibilité de ces différents matériaux ont été étudiées et ont montré que les solutions développées dans le cadre du contrôle des courants de fuite sont prometteuses pour être intégrées dans les dispositifs RF capacitifs. En outre, on a cherché à extraire la permittivité à haute fréquence du PZT lorsque celui-ci est inséré dans une structure capacitive. Cette étude a notamment permis de mettre en évidence les points techniques à modifier concernant la structure du dispositif afin de parvenir à exploiter les propriétés physiques du PZT à haute fréquence
Ferroelectric materials are raising a lot of interest due to their physical properties such as piezoelectricity, ferroelectricity or high dielectric constant. Thus, they are generally integrated in micro- and nano-systems as thin films in a capacitive configuration. Especially, the lead zirconate titanate oxide (PZT) is an attractive material for capacitive RF applications due to its high dielectric constant. The growth of the PZT thin film has to be controlled on metallic electrodes for its integration on coplanar transmission lines. Moreover, electrical properties such as leakage current and ferroelectric behavior of PZT have to be monitored upon application of a dc voltage bias for RF device operation. In this context, PZT thin films were grown by the pulsed laser deposition technique (PLD) on a La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃ (LSMO) / Pt (111) electrode on a monocrystalline sapphire substrate. The LSMO buffer layer is mandatory to avoid the formation of the paraelectric pyrochlore phase. The control of the crystalline orientation of the LSMO layer allows for the control of the PZT layer texture. Leakage currents through the Pt/PZT/LSMO/Pt stack were then studied in the 220-330K temperature range to determine the conduction mechanisms. A transition is evidenced between a bulk-controlled mechanism near room temperature and an interface-controlled mechanism at low temperature. A hopping mechanism is identified above 280K in line with the presence of extended defects and the columnar structure of the PZT layer. Several strategies were tested to control leakage currents. The first one consists in inserting an insulating oxide layer at the top Pt/PZT interface. In this way, charge injection was modified and leakage currents were reduced. The second strategy consists in changing the PZT layer bulk structure by elaborating a layered or columnar dielectric/PZT composite. Thus, an insulating oxide layer was inserted in the middle of the PZT layer and permitted to reduce leakage currents. Moreover, the control of the PZT nucleation allowed for the elaboration of a columnar PZT/pyrochlore composite. The leakage currents in this composite can be tuned through the pyrochlore pillars density among the ferroelectric matrix. Then, PZT and the heterostructures for leakage current control were integrated in a capacitive RF structure with gold coplanar transmission lines. RF performances in terms of isolation and insertion loss of these materials were studied and gave good results. In particular the heterostructures developed to control the leakage currents are promising for their integration in capacitive RF devices. Besides, I tried to extract the permittivity of PZT at high frequency with the PZT layer in a capacitive configuration. This study highlighted the essential modifications of the capacitive structure that have to be made in order to be able to exploit PZT properties at high frequency

- Réalisé au centre de recherche de l'hospital du Sacré-Coeur de Montréal. - Programme conjoint entre Université de Montréal et École Polytechnique de Montréal.
La fibrillation auriculaire (FA) est la forme d’arythmie la plus fréquente chez les êtres humains. Les mécanismes qui gouvernent l’initiation et les manifestations de cette maladie sont complexes, de nature dynamique, incluant des interactions à travers multiples échelles temporelles et spatiales dans les oreillettes. Ceci conduit très souvent à des manifestations imprévisibles et à des phénomènes qui émergent à l’échelle de l’organe, et qui se reflètent à l’échelle de tout le torse. Pour remédier à ce problème, on peut effectuer une ablation par cathéter, qui consiste à créer sur le tissu auriculaire des lésions linéaires qui bloquent et contraignent la propagation électrique. Parfois, ces lignes se reconnectent quelque temps après l’intervention, ce qui mène à des récidives, nécessitant ainsi une nouvelle intervention. Le but de ce projet est de modéliser un suivi de l’onde P post-opératoire pour détecter de manière non-invasive la reconnexion des lignes d’ablation et ainsi prédire les récidives de fibrillation auriculaire. À l’aide d’un modèle mathématique des oreillettes et du thorax, les ondes P sont simulées avant et après ablation, ainsi qu’après reconnexion de certaines lignes d’ablation. Les résultats montrent que la morphologie et les caractéristiques de l’onde P, ainsi que la carte d’activation sont affectées significativement par l’ablation et les reconnexions subséquentes. Ces différences sont plus facilement détectables lorsque les reconnexions naissent sur la veine pulmonaire inférieure gauche. Les changements sont plus importants pour les électrodes placées sur certaines zones du torse, notamment dans le dos. Ces nouvelles données aident actuellement à la conception d’une étude clinique pour valider l’approche.
Atrial fibrillation (AF) is the most common form of arrhythmia in humans. The mechanisms governing the initiation and manifestations of that disease are complex, dynamic in nature, including interactions across multiple spatial and temporal scales in the atria. This often leads to unpredictable manifestations and phenomena that arise at the level of the organ, and are reflected across the entire torso. To remedy that problem, catheter ablation can be carried out, which consists in creating linear lesions which block and force the electrical propagation in the atrial tissue. Sometimes these lines reconnect after the procedure, which leads to atrial fibrillation recurrence, thus requiring a new intervention. The purpose of this work is to model the monitoring of the postoperative P wave to detect non-invasively the reconnection of ablation lines and to predict atrial fibrillation recurrences. Using a mathematical model of the atria and thorax, the P waves are simulated before and after ablation, as well as after reconnection of some ablation lines. The results show that the morphology and the characteristics of the P wave as well as the activation map are significantly affected by the ablation lines and the subsequent reconnections. These differences are more easily detected when reconnections arise on the left inferior pulmonary vein. The changes are most important in electrodes placed in certain areas of the torso, notably in the back. These new data are helping to plan a clinical study to validate the approach.