Дисертації з теми "Surface fibrillation"

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

Atrial fibrillation (AF) is one of the most common cardiac arrhythmias. Nowadays the fibrillatory process is known to be provoked by the high-frequency reentrant activity of certain atrial regions that propagates the fibrillatory activity to the rest of the atrial tissue, and the electrical isolation of these key regions has demonstrated its effectiveness in terminating the fibrillatory process. The location of the dominant regions represents a major challenge in the diagnosis and treatment of this arrhythmia. With the aim to detect and locate the fibrillatory sources prior to surgical procedure, non-invasive methods have been developed such as body surface electrical mapping (BSPM) which allows to record with high spatial resolution the electrical activity on the torso surface or the electrocardiographic imaging (ECGI) which allows to non-invasively reconstruct the electrical activity in the atrial surface. Given the novelty of these systems, both technologies suffer from a lack of scientific knowledge about the physical and technical mechanisms that support their operation. Therefore, the aim of this thesis is to increase that knowledge, as well as studying the effectiveness of these technologies for the localization of dominant regions in patients with AF. First, it has been shown that BSPM systems are able to noninvasively identify atrial rotors by recognizing surface rotors after band-pass filtering. Furthermore, the position of such surface rotors is related to the atrial rotor location, allowing the distinction between left or right atrial rotors. Moreover, it has been found that the surface electrical maps in AF suffer a spatial smoothing effect by the torso conductor volume, so the surface electrical activity can be studied with a relatively small number of electrodes. Specifically, it has been seen that 12 uniformly distributed electrodes are sufficient for the correct identification of atrial dominant frequencies, while at least 32 leads are needed for non-invasive identification of atrial rotors. Secondly, the effect of narrowband filtering on the effectiveness of the location of reentrant patterns was studied. It has been found that this procedure allows isolating the reentrant electrical activity caused by the rotor, increasing the detection rate for both invasive and surface maps. However, the spatial smoothing caused by the regularization of the ECGI added to the temporal filtering causes a large increase in the spurious reentrant activity, making it difficult to detect real reentrant patterns. However, it has been found that maps provided by the ECGI without temporal filtering allow the correct detection of reentrant activity, so narrowband filtering should be applied for intracavitary or surface signal only. Finally, we studied the stability of the markers used to detect dominant regions in ECGI, such as frequency maps or the rotor presence. It has been found that in the presence of alterations in the conditions of the inverse problem, such as electrical or geometrical noise, these markers are significantly more stable than the ECGI signal morphology from which they are extracted. In addition, a new methodology for error reduction in the atrial spatial location based on the curvature of the curve L has been proposed. The results presented in this thesis showed that BSPM and ECGI systems allows to non-invasively locate the presence of high-frequency rotors, responsible for the maintenance of AF. This detection has been proven to be unambiguous and robust, and the physical and technical mechanisms that support this behavior have been studied. These results indicate that both non-invasive systems provide information of great clinical value in the treatment of AF, so their use can be helpful for selecting and planning atrial ablation procedures.
La fibrilación auricular (FA) es una de las arritmias cardiacas más frecuentes. Hoy en día se sabe que el proceso fibrilatorio está provocado por la actividad reentrante a alta frecuencia de ciertas regiones auriculares que propagan la actividad fibrilatoria en el resto del tejido auricular, y se ha demostrado que el aislamiento eléctrico de estas regiones dominantes permite detener el proceso fibrilatorio. La localización de las regiones dominantes supone un gran reto en el diagnóstico y tratamiento de la FA. Con el objetivo de poder localizar las fuentes fibrilatorias con anterioridad al procedimiento quirúrgico, se han desarrollado métodos no invasivos como la cartografía eléctrica de superficie (CES) que registra con gran resolución espacial la actividad eléctrica en la superficie del torso o la electrocardiografía por imagen (ECGI) que permite reconstruir la actividad eléctrica en la superficie auricular. Dada la novedad de estos sistemas, existe una falta de conocimiento científico sobre los mecanismos físicos y técnicos que sustentan su funcionamiento. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis es aumentar dicho conocimiento, así como estudiar la eficacia de ambas tecnologías para la localización de regiones dominantes en pacientes con FA. En primer lugar, ha visto que los sistemas CES permiten identificar rotores auriculares mediante el reconocimiento de rotores superficiales tras el filtrado en banda estrecha. Además, la posición de los rotores superficiales está relacionada con la localización de dichos rotores, permitiendo la distinción entre rotores de aurícula derecha o izquierda. Por otra parte, se ha visto que los mapas eléctricos superficiales durante FA sufren una gran suavizado espacial por el efecto del volumen conductor del torso, lo que permite que la actividad eléctrica superficial pueda ser estudiada con un número relativamente reducido de electrodos. Concretamente, se ha visto que 12 electrodos uniformemente distribuidos son suficientes para una correcta identificación de frecuencias dominantes, mientras que son necesarios al menos 32 para una correcta identificación de rotores auriculares. Por otra parte, también se ha estudiado el efecto del filtrado en banda estrecha sobre la eficacia de la localización de patrones reentrantes. Así, se ha visto que este procedimiento permite aislar la actividad eléctrica reentrante provocada por el rotor, aumentando la tasa de detección tanto para señal obtenida de manera invasiva como para los mapas superficiales. No obstante, este filtrado temporal sobre la señal de ECGI provoca un gran aumento de la actividad reentrante espúrea que dificulta la detección de patrones reentrantes reales. Sin embargo, los mapas ECGI sin filtrado temporal permiten la detección correcta de la actividad reentrante, por lo el filtrado debería ser aplicado únicamente para señal intracavitaria o superficial. Por último, se ha estudiado la estabilidad de los marcadores utilizados en ECGI para detectar regiones dominantes, como son los mapas de frecuencia o la presencia de rotores. Se ha visto que en presencia de alteraciones en las condiciones del problema inverso, como ruido eléctrico o geométrico, estos marcadores son significativamente más estables que la morfología de la propia señal ECGI. Además, se ha propuesto una nueva metodología para la reducción del error en la localización espacial de la aurícula basado en la curvatura de la curva L. Los resultados presentados en esta tesis revelan que los sistemas de CES y ECGI permiten localizar de manera no invasiva la presencia de rotores de alta frecuencia. Esta detección es univoca y robusta, y se han estudiado los mecanismos físicos y técnicos que sustentan dicho comportamiento. Estos resultados indican que ambos sistemas no invasivos proporcionan información de gran valor clínico en el tratamiento de la FA, por lo que su uso puede ser de gran ayuda para la selección y planificaci
La fibril·lació auricular (FA) és una de les arítmies cardíaques més freqüents. Hui en dia es sabut que el procés fibrilatori està provocat per l'activitat reentrant de certes regions auriculars que propaguen l'activitat fibril·latoria a la resta del teixit auricular, i s'ha demostrat que l'aïllament elèctric d'aquestes regions dominants permet aturar el procés fibrilatori. La localització de les regions dominants suposa un gran repte en el diagnòstic i tractament d'aquesta arítmia. Amb l'objectiu de poder localitzar fonts fibril·latories amb anterioritat al procediment quirúrgic s'han desenvolupat mètodes no invasius com la cartografia elèctrica de superfície (CES) que registra amb gran resolució espacial l'activitat elèctrica en la superfície del tors o l'electrocardiografia per imatge (ECGI) que permet obtenir de manera no invasiva l'activitat elèctrica en la superfície auricular. Donada la relativa novetat d'aquests sistemes, existeix una manca de coneixement científic sobre els mecanismes físics i tècnics que sustenten el seu funcionament. Per tant, l'objectiu d'aquesta tesi és augmentar aquest coneixement, així com estudiar l'eficàcia d'aquestes tecnologies per a la localització de regions dominants en pacients amb FA. En primer lloc, s'ha vist que els sistemes CES permeten identificar rotors auriculars mitjançant el reconeixement de rotors superficials després del filtrat en banda estreta. A més, la posició dels rotors superficials està relacionada amb la localització d'aquests rotors, permetent la distinció entre rotors de aurícula dreta o esquerra. També s'ha vist que els mapes elèctrics superficials durant FA pateixen un gran suavitzat espacial per l'efecte del volum conductor del tors, el que permet que l'activitat elèctrica superficial pugui ser estudiada amb un nombre relativament reduït d'elèctrodes. Concretament, s'ha vist que 12 elèctrodes uniformement distribuïts són suficients per a una correcta identificació de freqüències dominants auriculars, mentre que són necessaris almenys 32 per a una correcta identificació de rotors auriculars. D'altra banda, també s'ha estudiat l'efecte del filtrat en banda estreta sobre l'eficàcia de la localització de patrons reentrants. Així, s'ha vist que aquest procediment permet aïllar l'activitat elèctrica reentrant provocada pel rotor, augmentant la taxa de detecció tant pel senyal obtingut de manera invasiva com per als mapes superficials. No obstant això, aquest filtrat temporal sobre el senyal de ECGI provoca un gran augment de l'activitat reentrant espúria que dificulta la detecció de patrons reentrants reals. A més, els mapes proporcionats per la ECGI sense filtrat temporal permeten la detecció correcta de l'activitat reentrant, per la qual cosa el filtrat hauria de ser aplicat únicament per a senyal intracavitària o superficial. Per últim, s'ha estudiat l'estabilitat dels marcadors utilitzats en ECGI per a detectar regions auriculars dominants, com són els mapes de freqüència o la presència de rotors. S'ha vist que en presència d'alteracions en les condicions del problema invers, com soroll elèctric o geomètric, aquests marcadors són significativament més estables que la morfologia del mateix senyal ECGI. A més, s'ha proposat una nova metodologia per a la reducció de l'error en la localització espacial de l'aurícula basat en la curvatura de la corba L. Els resultats presentats en aquesta tesi revelen que els sistemes de CES i ECGI permeten localitzar de manera no invasiva la presència de rotors d'alta freqüència. Aquesta detecció és unívoca i robusta, i s'han estudiat els mecanismes físics i tècnics que sustenten aquest comportament. Aquests resultats indiquen que els dos sistemes no invasius proporcionen informació de gran valor clínic en el tractament de la FA, pel que el seu ús pot ser de gran ajuda per a la selecció i planificació de procediments d'ablació auricular.
Rodrigo Bort, M. (2016). Non-invasive identification of atrial fibrillation drivers [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/75346
TESIS
Premiado

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

Atrial fibrillation (AF) is the most common cardiac arrhythmia. It is distinguished by fibrillating or trembling of the atrial muscle instead of normal contraction. Patients in AF have a much higher risk of stroke. AF is often driven by the left atrium (LA) and the diagnosis of AF is normally made from lead V1 in a 12-lead electrocardiogram (ECG). However, lead V1 is dominated by right atrial activity due to its proximal location to the right atrium (RA). Consequently it is not well understood how electrical activity from the LA contributes to the ECG. Studies of the AF mechanisms from the LA are typically based on invasive recording techniques. From a clinical point of view it is highly desirable to have an alternative, non-invasive characterisation of AF. The aim of this study was to investigate how the LA electrical activity was expressed on the body surface, and if it could be observed preferentially in different sites on the body surface. For this purpose, electrical activity of the heart from 20 patients in AF were recorded simultaneously using 64-lead body surface potential mapping (BSPM) and bipolar 10-electrode catheters located in the LA and coronary sinus (CS). Established AF characteristics such as amplitude, dominant frequency (DF) and spectral concentration (SC) were estimated and analysed. Furthermore, two novel AF characteristics (intracardiac DF power distribution, and body surface spectral peak type) were proposed to investigate the relationship between the BSPM and electrogram (EGM) recordings. The results showed that although in individual patients there were body surface sites that preferentially represented the AF characteristics estimated from the LA, those sites were not consistent across all patients. It was found that the left atrial activity could be detected in all body surface sites such that all sites had a dominant or non-dominant spectral peak corresponding to EGM DF. However, overall the results suggested that body surface site 22 (close to lead V1) was more closely representative of the CS activity, and site 49 (close to the posterior lower central right) was more closely representative of the left atrial activity. There was evidence of more accurate estimation of AF characteristics using additional electrodes to lead V1.

Accumulation or aggregation of amyloidogenic proteins in the brain plays a central role in neurodegenerative diseases. The most common and highly growing form of dementia in the elderly population is Alzheimer's disease (AD) followed by Parkinson's disease (PD). The major proteins associated are amyloid beta (Abeta) and alpha-synuclein (alpha-syn) in AD and PD, respectively. These proteins are released or found near the neuronal membranes in the brain. Consequently to understand the behavior of the proteins using a model membrane system becomes an important facet of understanding these diseases. Langmuir monolayer approach was used to study the surface chemistry and spectroscopy of Abeta (1-40), Abeta(1-42) and alpha-synuclein. Moreover, surface chemistry of a model protein namely, lysozyme was investigated. In recent times, quantum dots (QDs) are considered as potential probes for bio-imaging. These particles can be beneficial when it comes to the investigation of neurodegenerative diseases. The effect of nanoparticles, i.e., CdSe/ZnS QDs on Abeta (1-42) morphology was investigated. Nevertheless, it was observed that the capping ligand plays a significant role in the surface chemistry of QDs when mixed with or conjugated to Abeta (1-42). Surface pressure- and surface potential-area isotherms were used to characterize the lysozyme Langmuir monolayer. The compression-decompression cycles and stability measurements showed a homogeneous and stable monolayer at the air-water interface. Salt concentration in the subphase and pH of the subphase were parameters controlling homogeneity and stability of the Langmuir monolayer. In situ UV-vis and fluorescence spectroscopies were used to verify the homogeneity of the lysozyme monolayer, and to identify the chromophore residues in the lysozyme. Optimal experimental conditions were determined to prepare a homogeneous and stable lysozyme Langmuir monolayer. The surface chemistry and spectroscopy of the reduced lysozyme Langmuir monolayer were investigated at different pH values and were compared to a native lysozyme. It was established that the limiting molecular area of the reduced lysozyme was not subphase pH dependent as was found for the native one. To explain this result in terms of the conformation and orientation of the lysozyme Langmuir monolayer at various subphase pH values, we have used Infrared Reflection Absorption Spectroscopy (IRRAS). The interpretation of the results suggests a change in the conformation and orientation of the native lysozyme Langmuir monolayer with the subphase pH 3, 6 and 11. The surface chemistry of Abeta (1-40) and its interaction with the lipid raft Langmuir monolayer were examined where the stability of the lipid raft Langmuir monolayer came out as an essential parameter. Lipid raft Langmuir monolayer in the presence or absence of ganglioside GM1 having POPC as one of the phospholipids was found to be very unstable and collapsed within 26 min. Whereas, the phospholipid DPPG improved the stability of the monolayer significantly when cholesterol was used in excess. We have examined the surface and spectroscopic properties of Abeta (1-42) mixed with or conjugated to dihydrolipoic acid (DHLA)- and polyethylene glycol (PEG)- capped CdSe/ZnS QDs. Surface pressure-area isotherms, in situ UV-vis absorption, and fluorescence spectroscopy were used to characterize the Abeta (1-42) mixed with or conjugated to QDs at the air-water interface. The capping of QDs played a role in surface chemistry as was determined by surface pressure-area isotherms and spectroscopic properties of the Langmuir monolayer. Furthermore Abeta(1-42) was bioconjugated to DHLA-capped CdSe/ZnS QDs. Upon conjugation of Abeta (1-42) to DHLA-capped QDs, the sample was incubated at 37oC, the process of fibrillation was inhibited as compared with a sample where Abeta (1-42) was simply mixed with the QDs. Transmission electron microscopy (TEM) and atomic force microscopy (AFM) were employed for the analysis of the samples. The morphology of fibrils and reduction in number of fibrils was substantial in the case of Abeta(1-42) conjugated to QDs. Reduction in fibrillation was also confirmed using a Thioflavin T assay. Moreover, quenching of tyrosine signal was observed in presence of the QDs, which indicates an interaction of QDs to the tyrosine residue in Abeta (1-42). The Surface chemistry and spectroscopy of alpha-syn, which is a natively unstructured protein important in the neuropathology of PD was investigated. IRRAS was utilized to investigate its conformation, alpha-syn was found to form a Langmuir monolayer in alpha-helical conformation with its helical axis parallel to the air-water interface.

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

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 arrhythmias are the most prevalent sustained cardiac arrhythmias. Rates of hospitalisation and costs incurred to healthcare organisations are increasing in epidemic proportions. Despite this, the mechanisms of the transition from sinus rhythm to arrhythmic states are not well understood. The high level of regional electrical heterogeneity observed in the atria is thought to contribute towards the high prevalence of atrial arrhythmias. However, current computer models of the intact human atria only account for a small degree of this regional electrical heterogeneity, and do not include descriptions of the pacemaker regions of the sinoatrial node and the atrioventricular node. In this project, a new computational model of the intact 3D human atria is developed. First, a new single cell model to simulate the electrical action potential of the human atrial myocyte is developed. This model more accurately simulated the experimentally observed properties of human atrial action potentials than previous models. A family of electrically heterogeneous models describing the major regions within the atria is then developed, including those of the sinoatrial- and atrioventricular- nodes. This set of regional cell models represents the most expansive and complete set currently available. It is demonstrated that the large range of different electrical properties results in a large range of action potential morphology and duration within the atria. Models of the effect of sympathetic and parasympathetic regulation on the electrical AP of the models of the atrial working myocardium and the pacemaker regions were also incorporated. This demonstrated that sympathetic regulation can increase the pacing rate of the sinoatrial node and the atrio-ventricular node, and has a complex dose dependent effect on the atrial working myocardium. Four distinct models of the effects of atrial fibrillation induced remodelling on the atrial working myocardium are developed. These characterised the effect of remodelling of IKur on the overall changes in action potential morphology and duration observed. It is shown that the presence or absence of remodelling of this channel accounts for two distinct observed morphologies. A previous 3D anatomical model of the human atria is improved. First, detailed anatomical models for the sinoatrial node and the atrioventricular node are incorporated into the model. Second, it is further segmented to include regions for the pulmonary veins, atrio-ventricular ring, atrial septum and sinoatrial node block zone. This model is used to investigate the effects of sympathetic and parasympathetic regulation in the 3D atria. Finally, a detailed investigation of the underlying mechanisms of atrial fibrillation in the 3D atria, and the effect of electrical remodelling on the behaviour of atrial fibrillation, is performed using the detailed 3D model. This work represents a significant advance in 3D human atrial modelling. The anatomical model incorporates a greater level of complexity than previous models, and for the first time allowed investigation of the pacemaking mechanisms in the 3D intact human atria. The atrial fibrillation protocols are more physiologically relevant than previous models and have elucidated the roles that electrophysiological remodelling, electrical heterogeneity and structural anisotropy play in the development and maintenance of atrial fibrillation.

[EN] The behavior of the heart is governed by electrical currents generated in the myocardium, and therefore, the study of the cardiac electrical activity is essential for the diagnosis of cardiac diseases. The forward problem of the electrocardiography (FP) entails the calculation of the torso potentials from the electrical activity of the heart and the 3D body model, while the inverse problem (IP) resolution allows the noninvasive reconstruction of the electrical activity of the heart from surface potentials. The IP is of great importance in clinical applications since it allows estimating the electrical activity of the myocardium with only noninvasive recordings. However, IP resolution is still a big challenge in electrocardiography since it is ill-posed, very unstable and has multiple solutions. In this thesis different algorithms and strategies based on the IP resolution were developed and applied in the noninvasive diagnosis of ventricular and atrial arrhythmias and evaluated with mathematical cellular models and clinical data bases. The thesis focuses on the IP resolution for the noninvasive reconstruction of the myocardial electrical activity for different diseases and propagation patterns, implementing a novel system for complex propagation patterns. The obtained results and propagation patterns were evaluated and classified with the corresponding optimal resolution strategy that minimizes the error and increases the stability of the system, proving its advantages and disadvantages depending on the different diseases and their activation pattern. A novel iterative method was implemented for the IP dipolar resolution optimized for representing simple propagation patterns, achieving a high stability and robustness against noise by constraining the solution to a limited number of dipoles. However, propagation patterns not representable by few dipoles need to be computed with the IP in terms of epicardial solutions which provide a more detailed estimation of the myocardial activity. IP resolution in the voltage and phase domains showed a good accuracy for simple and organized propagation patterns. This method allowed the noninvasive diagnosis of the Brugada syndrome or the location of ectopic focus in atrial arrhythmias by performing a parametric analysis of the electrograms morphology or the activation map reconstruction. However, mathematical and patient results presented in this thesis proved that, for complex propagation patterns like atrial fibrillation (AF), inverse solutions in the voltage and phase domains are over-smoothed and over-optimistic, simplifying the complex AF activity, leading to non-physiological results that do not match with the complex intracardiac electrograms recorded in AF patients. In this thesis, we proposed a novel technique for the noninvasive identification and location of high dominant frequency AF sources, based on the assumption that in many cases atrial drivers present the highest activation rate with an intermittent propagation to the rest of the tissue that activates at a slower rate. Although, voltage and phase inverse solutions for AF complex propagation patterns were over smoothed and inaccurate, the noninvasive estimation of frequency maps was significantly more accurate, allowing the identification of the AF frequency gradient and location of high frequency sources. This technique may help in planning ablation procedures, avoiding unnecessary interseptal punctures for right-to-left frequency gradients cases and facilitating the targeting of the AF drivers, reducing risk and time of the clinical procedure.
[ES] El comportamiento del corazón se rige por corrientes eléctricas generadas en el miocardio y, por lo tanto, el estudio de su actividad eléctrica es esencial para el diagnóstico de enfermedades cardíacas. El problema directo (PD) de la electrocardiografía implica el cálculo de los potenciales del torso a partir de la actividad eléctrica del corazón y el modelo 3D del cuerpo, mientras que la resolución del problema inverso (PI) permite la reconstrucción no invasiva de la actividad eléctrica del corazón a partir de los potenciales de superficie, cobrando una gran importancia en la práctica clínica. Sin embargo, sigue siendo un gran desafío para la electrocardiografía ya que está mal planteado, es muy inestable y tiene múltiples soluciones. A lo largo de esta tesis se han desarrollado diferentes estrategias para la resolución del PI, aplicándolas en el diagnóstico no invasivo de arritmias ventriculares y auriculares, verificándolas mediante modelos celulares matemáticos y bases de datos clínicas. La tesis se centra en la resolución del PI para la reconstrucción no invasiva de la actividad eléctrica del miocardio para diferentes enfermedades cardiacas con diferentes patrones de propagación, implementando un novedoso sistema para patrones de propagación complejos. Además, se han validado los resultados obtenidos y se han clasificado los diferentes patrones de propagación con la estrategia de resolución del PI óptima que minimice el error y aumente la estabilidad del sistema. Un nuevo método iterativo fue implementado para la resolución del PI para fuentes dipolares, siendo óptimo para representar patrones de propagación simples, logrando una alta estabilidad e inmunidad al ruido al restringir la solución a un número limitado de dipolos. Sin embargo, los patrones de propagación que no pueden ser representados por un número limitado de dipolos deben calcularse mediante la resolución del PI en términos de potenciales epicárdicos, proporcionando una estimación más detallada de la actividad del miocardio. La resolución del PI en el dominio de la tensión y fase mostró ser muy preciso para patrones de propagación simples y organizados. Este método permite el diagnóstico no invasivo del síndrome de Brugada o la ubicación de focos ectópicos en arritmias auriculares mediante un análisis paramétrico de la morfología de los electrogramas o la reconstrucción de los mapas de activación. Sin embargo, los resultados matemáticos y clínicos presentados en esta tesis demostraron que, para patrones de propagación complejos como la fibrilación auricular (FA), los resultados obtenidos mediante la resolución del PI en el dominio de la tensión y fase son demasiado suaves y optimistas, simplificando enormemente la complejidad de la FA, llevando a resultados no fisiológicos que no coinciden con la actividad compleja de los electrogramas intracardiacos registrados en pacientes con FA. En esta tesis, se ha propuesto una novedosa técnica para la identificación y localización no invasiva de fuentes con una frecuencia dominante alta, basado en la suposición de que en muchos casos las fuentes eléctricas que generan y mantienen la FA presentan una tasa de activación más alta, con una propagación intermitente hacia el resto del tejido auricular cuya frecuencia de activación es más lenta. Aunque las soluciones en el dominio de la tensión y fase para patrones de propagación complejos fueron más suaves y menos precisas, la estimación no invasiva de los mapas de frecuencia fue significativamente más precisa, permitiendo la identificación del gradiente de frecuencia y ubicación de las fuentes de FA de alta frecuencia. Esta técnica puede ser de gran ayuda en la planificación de los procedimientos de ablación, evitando punciones interseptales innecesarias para casos con un gradiente de frecuencia de derecha a izquierda y facilitando la localización de las fuentes de alta frecuencia
[CAT] El comportament del cor es regeix per corrents elèctrics generades en el miocardi i, per tant, l'estudi de la seua activitat elèctrica és essencial per al diagnòstic de malalties cardíaques. El problema directe (PD) de l'electrocardiografia implica el càlcul dels potencials del tors a partir de l'activitat elèctrica del cor i el model 3D del cos, mentre que la resolució del problema invers (PI) permet la reconstrucció no invasiva de l'activitat elèctrica del cor a partir de els potencials de superfície. La resolució del PI de l'electrocardiografia té una gran importància en la pràctica clínica atès que fa possible una estimació de l'activitat elèctrica del miocardi únicament a partir de registres no invasius. No obstant això, la resolució del PI segueix sent un gran desafiament per a la electrocardiografia ja que està mal plantejat, és molt inestable i té múltiples solucions. Al llarg d'aquesta tesi s'han desenvolupat diferents estratègies basades en la resolució PI, aplicant-les en el diagnòstic no invasiu d'arítmies ventriculars i auriculars, verificant mitjançant models cel·lulars matemàtics i bases de dades clíniques. La tesi se centra en la resolució del PI per a la reconstrucció no invasiva de l'activitat elèctrica del miocardi per a diferents malalties cardíaques amb diferents patrons de propagació, implementant un nou sistema per a patrons de propagació complexos. A més se han validat els resultats obtinguts i se han classificat els diferents patrons de propagació amb l'estratègia de resolució del PI òptima que minimitze l'error i augmente l'estabilitat del sistema. Un nou mètode iteratiu va ser implementat per a la resolució del PI per fonts dipolars, sent òptim per representar patrons de propagació simples, aconseguint una alta estabilitat i immunitat al soroll en restringir la solució a un nombre limitat de dipols. No obstant això, els patrons de propagació que no poden ser representats per un nombre limitat de dipols s'han de calcular mitjançant la resolució del PI en termes de potencials epicàrdics, proporcionant una estimació més detallada de l'activitat del miocardi. La resolució del PI en el domini de la tensió i fase va mostrar ser molt precís per a patrons de propagació simples i organitzats. Aquest mètode permet el diagnòstic no invasiu de la síndrome de Brugada o la ubicació de focus ectòpics en arítmies auriculars mitjançant una anàlisi paramètric de la morfologia dels electrogrames o la reconstrucció dels mapes d'activació. No obstant això, els resultats matemàtics i clínics presentats en aquesta tesi van demostrar que, per patrons de propagació complexos com la fibril·lació auricular (FA), els resultats obtinguts mitjançant la resolució del PI en el domini de la tensió i fase són massa suaus i optimistes, simplificant enormement la complexitat de la FA, obtenint resultats no fisiològics que no coincideixen amb l'activitat complexa dels electrogrames intracardiacos registrats en pacients amb FA. En aquesta tesi, s'ha proposat una nova tècnica per a la identificació i localització no invasiva de fonts amb una freqüència dominant alta, basat en la suposició que en molts casos les fonts elèctriques que generen i mantenen la FA presenten una taxa d'activació més alta, amb una propagació intermitent cap a la resta del teixit auricular on la freqüència d'activació és més lenta. Encara que, les solucions en el domini de la tensió i fase per patrons de propagació complexos van ser més suaus i menys precises, l'estimació no invasiva dels mapes de freqüència va ser significativament més precisa, permetent la identificació del gradient de freqüència i ubicació de les fonts de FA d'alta freqüència. Aquesta tècnica pot ser de gran ajuda en la planificació dels procediments d'ablació, evitant puncions interseptales innecessaris per a casos amb un gradient de freqüència de dreta a esquerra i facilitant la
Pedrón Torrecilla, J. (2015). Non-invasive Reconstruction of the Myocardial Electrical Activity from Body Surface Potential Recordings [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/58268
TESIS

Les morts subites représentent environ 50 000 décès en France, chaque année. Ces décès sont, dans plus de la moitié des cas, la conséquence d'arythmies ventriculaires, telles que les tachycardies ventriculaires (TV) ou les fibrillations ventriculaires (FV). Ces arythmies surviennent principalement chez les patients atteints de cardiopathie structurelle. Les examens d'imagerie, sont utilisés afin de détecter des zones anormales du myocarde associées aux cardiopathies structurelles. L'activation électrique dans ces zones est altérée, créant des potentiels de faibles amplitudes pouvant être mesurés à la surface du torse. Dans certains cas et majoritairement chez les jeunes adultes de moins de 35 ans, les morts subites restent inexpliquées. Le terme de fibrillation ventriculaire idiopathique, est utilisé pour qualifier cette arythmie. Ce travail propose une analyse de caractérisation et de détection, par l'analyse des enregistrements ECG à haute résolution, à la surface du torse, des anomalies structurelles, dans le but d'améliorer la stratification du risque de mort subite. Pour cela, la signature des potentiels anormaux, associée à la physiopathologie des cardiopathies structurelles ; exprimée en surface, est analysée pour construire des marqueurs caractéristiques. Ces marqueurs sont mis en œuvre dans une méthodologie de classification et appliqués à quatre populations de patients malades: les dysplasies arythmogènes du ventricule droit, les cardiomyopathies, les syndromes de Brugada et les FVI micro-structurelles, et un groupe contrôle pour la comparaison. A l'issue de ces analyses, un score de stratification du risque de mort subite est proposé, sur ces données préliminaires, afin d'être évalué dans l'amélioration des performances de diagnostic et de pronostic du risque d'arythmies ventriculaires
Cardiovascular diseases represent about 50,000 deaths in France, each year. Ventricular arrhythmias, such as ventricular tachycardia (VT) and ventricular fibrillation (VF), are a major cause of sudden cardiac death (SCD) which represent around half of all cardiac-related deaths. These arrhythmias usually occur in patient with structural heart disease (SHD). The structural heterogeneities present in SHD can be revealed with current imaging techniques. The electrical activation in these areas is altered, creating low amplitude potentials typical of structural abnormalities. However, these arrhythmias can also occur in young adults, with no apparent structural heart disease. Idiopathic ventricular fibrillation is used to name this arrhythmia. This work aims at characterizing and detecting these structural arrhythmogenic substrates using high resolution body surface ECG in order to improve SCD risk stratification. To this end, the electrical signature of abnormal potentials, typical of the pathophysiology of SHD, at the body surface is studied, so as to design novel ECG markers. The markers and a classification method are applied to four SHD groups: arrhythmogenic right ventricular dysplasia, cardiomyopathy, Brugada syndrome and idiopathic VF, and a control group for comparison. To conclude this work, a SCD stratification risk score is proposed in order to improve the diagnostic and prognostic performance of the risk of ventricular arrhythmias

Ces travaux de thèse sont réalisés dans un contexte écologique avec l’objectif de développer de nouveaux biocomposites. Les renforts de lin utilisés ont été préparés selon un procédé inspiré de l’industrie papetière. Chaque pli du composite était constitué d’un renfort unidirectionnel à fils de lin retenus entre eux par une fine couche mat de lin agissant comme liant. La projection par centrifugation de fibres courtes de lin sur la couche de fils continus a permis de maintenir les fils parallèles les uns aux autres, sans recourir à de la couture ou du tissage. De plus, pour certains échantillons, le procédé de fibrillation de surface, également issu de l’industrie papetière, a été appliqué sur les fibres courtes avant leur projection. L’objectif de la thèse est d’étudier le comportement à l’impact et en fatigue avant et après impact des composites stratifiés lin/époxy faits du renfort décrit ci-dessus. Une comparaison systématique avec des stratifiés verre/époxy est également effectuée. Deux séquences d’empilement ont été testées : unidirectionnelle [0]8 et croisée [0/90]2S. Des essais d’impact à plusieurs niveaux d’énergie ont tout d’abord été réalisés sur les différents matériaux de l’étude. Les endommagements post-mortem ont été analysés par observation visuelle et par microtomographie. Les résultats ont montré que les deux séquences d’empilement des stratifiés lin/époxy ont une résistance à l’impact légèrement différente et absorbent plus d’énergie que leurs homologues en verre/époxy. Un modèle d’impact par éléments finis a également été développé, permettant, dans une première approche, de retrouver la distribution des endommagements dans l’épaisseur du stratifié. Par la suite, des essais de traction et de fatigue cyclique, de type traction-traction, ont été effectués avant et après impact à 5J. Il a été montré qu’après l’impact la contrainte à la rupture en traction des composites lin/époxy diminue de 25% pour les [0]8 et de 28% pour les [0/90]2S, alors qu’elle reste sensiblement la même pour les composites verre/époxy. Les courbes de Wöhler (S-N) caractérisant le comportement en fatigue ont mis en évidence une meilleure tenue en fatigue pour le stratifié [0/90]2S de lin/époxy que pour l’unidirectionnel. Toutefois, pour une valeur de contrainte donnée, la durée de vie en fatigue est plus élevée pour le composite [0]8. Un modèle phénoménologique de fatigue a été appliqué, permettant de prédire de manière satisfaisante la durée de vie en fatigue des stratifiés après impact. Par ailleurs, un suivi des endommagements via des essais interrompus couplés à la microtomographie a permis d’analyser les mécanismes mis en jeu. Enfin, des essais de traction jusqu’à la rupture ont également été réalisés sur les éprouvettes ayant subi un million de cycles de fatigue sans casser. Les propriétés en traction post-fatigue des stratifiés croisés lin/époxy impactés se sont révélées similaires aux propriétés initiales des essais de traction quasi-statique après impact
This study is conducted in an ecological context with the aim of developing new biocomposites. The flax reinforcements used in this work were prepared with a process inspired by the paper industry. Each ply of the composite consisted of a layer of continuous flax yarns maintained by a thin layer of flax mat used as binder. The centrifugal projection of short flax fibres onto the layer of continuous yarns enabled the yarns to be maintained parallel to each other without the need for sewing or weaving. In addition, for some samples, the surface fibrillation process, which is also a process used in the paper industry, was applied to the short flax fibres before they were projected.The objective of this thesis is to study the impact and fatigue behaviour before and after impact of the flax/epoxy composite laminates made of the reinforcement described above. A systematic comparison with glass/epoxy laminates was also carried out. Two stacking sequences were tested: unidirectional [0]8 and cross-ply [0/90]2S. Low velocity impact tests at several energy levels were first applied on the different materials. Post-mortem damage analyses were performed by visual inspections and by microtomography. The results showed that the two stacking sequences of flax/epoxy laminates had a slightly different impact resistance and absorbed more energy than their glass/epoxy counterparts. A finite-element impact model was also developed, enabling, in a preliminary approach, to retrieve the damage distribution across the thickness of the laminate.Subsequently, tensile tests and cyclic (tension-tension) fatigue tests were carried out on non-impacted and impacted samples at 5J. It was shown that impacted flax/epoxy laminates exhibited a decrease in their ultimate tensile strength of 25% for the [0]8 and 28% for the [0/90]2S, while it remained almost unchanged for glass/epoxy laminates. The Wöhler (S-N) curves characterising the fatigue behaviour showed that the [0/90]2S flax/epoxy laminate performed better than the unidirectional one. However, for a given stress value, the fatigue life is longer for the [0]8 composite. A phenomenological fatigue model was applied, enabling a satisfying prediction of the fatigue life of the laminates after impact. Moreover, damage monitoring through interrupted tests coupled with microtomography enabled the analysis of the damage mechanisms involved. Finally, tensile tests up to fracture were conducted on specimens that had undergone one million fatigue cycles without failure. The post-fatigue tensile properties of the impacted cross-ply flax/epoxy laminates were found to be similar to their initial tensile properties just after impact

[EN] Atrial tachyarrhythmias present a high prevalence in the developed world, and several studies predict that in the coming decades it will be increased. Micro or macro-reentrant mechanisms of the electrical wavefronts that govern the mechanical behavior of the heart are one of the main responsibles for the maintenance of these arrhythmias. Atrial flutter is maintained by a macro-reentry around an anatomical or functional obstacle located in the atria. In the case of atrial fibrillation, the hypothesis which describes high frequency rotors as dominant sources of the fibrillation and responsible for the maintenance of the arrhythmia, has been gaining relevance in the last years. However, the therapies that target high frequency sources have a limited efficacy with current techniques. Radiofrequency ablation allows the destruction of parts of the cardiac tissue resulting in the interruption of the reentrant circuit in case of macro-reentries or the isolation of micro-reentrant circuits. The non-invasive location of reentrant circuits would increment the efficacy of these therapies and would shorten surgery interventions. In parallel, pharmacological therapies modify ionic expressions associated to the excitability and electrical refractoriness of the cardiac tissue with the objective of hindering the maintenance of reentrant behaviors. These therapies require a deep knowledge of the ionic mechanisms underlying the reentrant behavior and its properties in order to be effective. The research in these mechanisms allows the evaluation of new targets for the treatment and thus may improve the efficacy in atrial fibrillation termination. In this thesis, mathematical modeling is used to go forward in the minimization of the limitations associated to these treatments. Body surface potential mapping has been evaluated, both clinically and by means of mathematical simulations for the diagnosis and location of macro-reentrant circuits. The analysis of phase maps obtained from multiple lead electrocardiographic recordings distributed in the whole torso allowed the discrimination between different reentrant circuits. It is the reason why this technique is presented as a tool for the non-invasive location of macro and micro-reentrant circuits. A population of mathematical models designed in this thesis based on the action potentials recordings of atrial cardiomyocites from 149 patients, allowed the evaluation of the ionic mechanisms defining the properties of reentrant behaviors. This study has allowed us defining the blockade of ICaL as a target for the pharmacological treatment. The blockade of this current is associated with the increase of the movement in the core of the rotor which easies the collision of the rotor with other wavefronts or anatomical obstacles promoting the extinction of the reentry. The variability observed between patients modeled in our population has allowed showing and explaining the mechanisms promoting divergent results of a single treatment. This is why the introduction of populations of models will allow the prevention of side effects associated to inter-subject variability and to go forward in the development of individualized therapies. These works are built through a simulation platform of cardiac electrophysiology based in Graphic Processing Units (GPUs) and developed in this thesis. The platform allows the simulation of cellular models, tissues and organs with a realistic geometry and shows features comparable to that of the platforms used by the most relevant electrophysiology research groups at the moment.
[ES] Las taquiarritmias auriculares tienen una alta prevalencia en el mundo desarrollado, además diversos estudios poblacionales indican que en las próximas décadas ésta se verá incrementada. Los mecanismos de micro o macro-reentrada de los frentes de onda eléctricos que rigen el comportamiento mecánico del corazón, se presentan como una de las principales causas del mantenimiento de estas arritmias. El flutter auricular es mantenido por un macro-reentrada alrededor de un obstáculo anatómico o funcional en las aurículas, mientras que en el caso de la fibrilación auricular la hipótesis que define a los rotores de alta frecuencia como elementos dominantes y responsables del mantenimiento de la arritmia se ha ido imponiendo al resto en los últimos años. Sin embargo, las terapias que tienen como objetivo finalizar o aislar estas reentradas tienen todavía una eficacia limitada. La ablación por radiofrecuencia permite eliminar zonas del tejido cardiaco resultando en la interrupción del circuito de reentrada en el caso de macro-reentradas o el aislamiento de comportamientos micro-reentrantes. La localización no invasiva de los circuitos reentrantes incrementaría la eficacia de estas terapias y reduciría la duración de las intervenciones quirúrgicas. Por otro lado, las terapias farmacológicas alteran las expresiones iónicas asociadas a la excitabilidad y la refractoriedad del tejido con el fin de dificultar el mantenimiento de comportamientos reentrantes. Este tipo de terapias exigen incrementar el conocimiento de los mecanismos subyacentes que explican el proceso de reentrada y sus propiedades, la investigación de estos mecanismos permite definir las dianas terapéuticas que mejoran la eficacia en la extinción de estos comportamientos. En esta tesis el modelado matemático se utiliza para dar un paso importante en la minimización de las limitaciones asociadas a estos tratamientos. La cartografía eléctrica de superficie ha sido testada, clínicamente y con simulaciones matemática,s como técnica de diagnóstico y localización de circuitos macro-reentrantes. El análisis de mapas de fase obtenidos a partir de los registros multicanal de derivaciones electrocardiográficas distribuidas en la superficie del torso permite diferenciar distintos circuitos de reentrada. Es por ello que esta técnica de registro y análisis se presenta como una herramienta para la localización no invasiva de circuitos macro y micro-reentrantes. Una población de modelos matemáticos, diseñada en esta tesis a partir de los registros de los potenciales de acción de 149 pacientes, ha permitido evaluar los mecanismos iónicos que definen las propiedades asociadas a los procesos de reentrada. Esto ha permitido apuntar al bloqueo de la corriente ICaL como diana terapéutica. Ésta se asocia al incremento del movimiento del núcleo que facilita el impacto del rotor con otros frentes de onda u obstáculos extinguiéndose así el comportamiento reentrante. La variabilidad entre pacientes reflejada en la población de modelos ha permitido además mostrar los mecanismos por los cuales un mismo tratamiento puede mostrar efectos divergentes, así el uso de poblaciones de modelos matemáticos permitirá prevenir efectos secundarios asociados a la variabilidad entre pacientes y profundizar en el desarrollo de terapias individualizadas. Estos trabajos se cimientan sobre una plataforma de simulación de electrofisiología cardiaca de basado en Unidades de Procesado Gráfico (GPUs) y desarrollada en esta tesis. La plataforma permite la simulación de modelos celulares cardiacos así como de tejidos u órganos con geometría realista, mostrando unas prestaciones comparables con las de las utilizadas por los grupos de investigación más potentes en el campo de la electrofisiología.
[CAT] Les taquiarítmies auriculars tenen una alta prevalença en el món desenvolupat, a més diversos estudis poblacionals indiquen que en les pròximes dècades aquesta es veurà incrementada. Els mecanismes de micro o macro-reentrada dels fronts d'ona elèctrics que regeixen el comportament mecànic del cor, es presenten com una de les principals causes del manteniment d'aquestes arítmies. El flutter auricular és mantingut per una macro-reentrada al voltant d'un obstacle anatòmic o funcional en les aurícules, mentre que en el cas de la fibril·lació auricular la hipòtesi que defineix als rotors d'alta freqüència com a elements dominants i responsables del manteniment de l'arítmia s'ha anat imposant a la resta en els últims anys. No obstant això, les teràpies que tenen com a objectiu finalitzar o aïllar aquestes reentrades tenen encara una eficàcia limitada. L'ablació per radiofreqüència permet eliminar zones del teixit cardíac resultant en la interrupció del circuit de reentrada en el cas de macro-reentrades o l'aïllament de comportaments micro-reentrants. La localització no invasiva dels circuits reentrants incrementaria l'eficàcia d'aquestes teràpies i reduiria la durada de les intervencions quirúrgiques. D'altra banda, les teràpies farmacològiques alteren les expressions iòniques associades a la excitabilitat i la refractaritat del teixit amb la finalitat de dificultar el manteniment de comportaments reentrants. Aquest tipus de teràpies exigeixen incrementar el coneixement dels mecanismes subjacents que expliquen el procés de reentrada i les seues propietats, la recerca d'aquests mecanismes permet definir les dianes terapèutiques que milloren l'eficàcia en l'extinció d'aquests comportaments. En aquesta tesi el modelatge matemàtic s'utilitza per a fer un pas important en la minimització de les limitacions associades a aquests tractaments. La cartografia elèctrica de superfície ha sigut testada, clínicament i amb simulacions matemàtiques com a tècnica de diagnòstic i localització de circuits macro-reentrants. L'anàlisi de mapes de fase obtinguts a partir dels registres multicanal de derivacions electrocardiogràfiques distribuïdes en la superfície del tors permet diferenciar diferents circuits de reentrada. És per açò que aquesta tècnica de registre i anàlisi es presenta com una eina per a la localització no invasiva de circuits macro i micro-reentrants. Una població de models matemàtics, dissenyada en aquesta tesi a partir dels registres dels potencials d'acció de 149 pacients, ha permès avaluar els mecanismes iònics que defineixen les propietats associades als processos de reentrada. Açò ha permès apuntar al bloqueig del corrent ICaL com a diana terapèutica. Aquesta s'associa a l'increment del moviment del nucli que facilita l'impacte del rotor amb altres fronts d'ona o obstacles extingint-se així el comportament reentrant. La variabilitat entre pacients reflectida en la població de models ha permès a més mostrar els mecanismes pels quals un mateix tractament pot mostrar efectes divergents, així l'ús de poblacions de models matemàtics permetrà prevenir efectes secundaris associats a la variabilitat entre pacients i aprofundir en el desenvolupament de teràpies individualitzades. Aquests treballs es fonamenten sobre una plataforma de simulació de electrofisiologia cardíaca basat en Unitats de Processament Gràfic (GPUs) i desenvolupada en aquesta tesi. La plataforma permet la simulació de models cel·lulars cardíacs així com de teixits o òrgans amb geometria realista, mostrant unes prestacions comparables amb les de les utilitzades per els grups de recerca més importants en aquesta área.
Liberos Mascarell, A. (2016). Mathematical modeling approaches for the diagnosis and treatment of reentrant atrial tachyarrhythmias [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62166
TESIS

La fibrose cardiaque fait le lit des arythmies cardiaques, qu’elles soient atriales ou ventriculaires. L’IRM est devenue un outil non invasif indispensable pour diagnostiquer la présence de fibrose au niveau cardiaque, mais offre également des informations pronostiques, ainsi que pour le suivi des patients atteints de fibrillation auriculaire (FA), notamment persistante. La technique de référence reste le rehaussement tardif après injection de gadolinium, permettant de révéler des régions localisées de fibrose. Notre travail a consisté en la mise au point d’une technique non invasive (par la mesure du T2 avec IRM à haut champ à 11,75 T) afin de quantifier la fibrose myocardique interstitielle diffuse dans un modèle de souris diabétiques. La fibrose a été significativement corrélée à une survenue plus importante des arythmies ventriculaires en comparaison avec un groupe de souris contrôles. L’étape suivante a été de transposer cette technique de mesure de T2 en IRM clinique chez des patients devant bénéficier d’une procédure d’ablation de FA. La deuxième technique, cette fois-ci invasive pour évaluer la fibrose (notamment atriale) pour les patients atteints de FA est la cartographie de voltage au niveau de l’oreillette gauche. Nous avons utilisé un nouveau système de cartographie à ultra-haute définition afin de quantifier la fibrose (zones cicatricielles denses) correspondant aux régions dont les signaux enregistrés avaient une amplitude bipolaire inférieure à 0,015 mV, soit très en deçà des seuils précédemment rapportés concernant la fibrose
Fibrosis represents the main substrate for cardiac arrhythmias, either atrial or ventricular. MRI has become a critical tool to not only diagnose the presence of cardiac fibrosis, but also provides important informations on the prognosis and the follow-up of patients with atrial fibrillation (AF), especially in its persistent type. The gold standard is the Late Gadolinium Enhancement, allowing to reveal localized regions of fibrosis. Our study reported a technique for non invasive quantification of interstitial diffuse ventricular fibrosis in diabetic mice (T2 measurement high field MRI at 11,75 T). This fibrosis was significantly correlated to the occurrence of ventricular arrhythmias in comparison with the control group. The next step was the transposition of this T2 measurement with MRI in the clinical setup of patients who undergo an AF ablation procedure. The second technique for atrial fibrosis assessment for patients suffering from AF is the invasive realization of left atrial voltage mapping. A new ultra-high definition system was used to quantify the fibrosis (dense scar) in regions with bipolar amplitude electrograms of less than 0,015 mV. This cutoff was far lower than the previously published definition of the dense scar in the literature (< 0,1 mV)

碩士
國立陽明大學
醫學工程研究所
92
Atrial flutter (AFL, including typical and atypical) and atrial fibrillation (Af) have different generating mechanisms in atrium. However, they are often cross-classified on the surface ECG. During AFL and Af, atrial activities appear disordered and lose the regular rhythm. Nonlinear analysis has recently been applied to electrograms, and atrial arrhythmia has shown evidence that indicates the possibility of deterministic chaos. In this study, we applied methods from the theory of nonlinear dynamics to discriminate electrograms of atrial flutter and fibrillation in humans. Methods: Atrial activities were obtained by using independent component analysis of standard 12-lead surface electrocardiograms. One sinus rhythm, twenty AFLs (10 typical and 10 atypical) and 7 Afs were analyzed. The Grassberger-Procaccia algorithm was applied to estimate the correlation dimension (D2). Three other nonlinear parameters, largest Lyapunov exponent (□1), Kolmogorov entropy (KE), and Lempel-Ziv complexity (C) were also calculated. Finally, the four nonlinear characteristics were considered to classify these three types of arrhythmias by using the neural network. Results: In these three types of arrhythmias, for typical flutter, nonlinear parameters were relatively smaller. D2, □1, KE, and C ranged from 1.76 to 4.36, 0.06 to 6.92, 0.06 to 9.74, and 84 to 115, respectively. For Af, ECG patterns become chaotic and these parameters presented higher values. D2, □1, KE, and C ranged from 4.56 to 6.34, 11.06 to 20.58, 15.63 to 33.05, and 124 to 158, respectively. During atypical flutter, ECG shows more complex than typical flutter but more regular than Af and thus the magnitude of these nonlinear parameters presented between typical flutter and Af. Statistical analysis showed evidence that these parameters exhibited a significant differentiation allowing the classification of these arrhythmias. By using the neural network classification, we also obtained a desirable result. Conclusion: The nonlinear analysis provided us an advantageous technique to discriminate among typical flutter, atypical flutter and Af electrograms from surface ECG.

The purpose of this study was to compare the heart rates of dogs presenting with spontaneous atrial fibrillation (AF) by a surface electrocardiogram (ECG) and a 24 hour ambulatory ECG (Holter recording) in order to determine if there was a difference between these two diagnostic tests. Seven dogs with clinically stable, spontaneous AF were evaluated with a 6 lead surface ECG (MAC 5000, GE® Milwaukee) and a Holter monitor (Monitor device: LifecardCE Delmar Reynolds Medical, Holter analysis:Aria Holter software). Statistical analyses, including t-tests and linear regression models, were performed using Stata® data-analysis and statistical software. When heart rates (bpm) determined by both diagnostic testing methods were compared individually and among all of the dogs, no statistically significant differences were found. Complete data for analysis were available in 4 of the 7 dogs. This study demonstrates that despite the potential superiority of Holter monitoring relative to the surface ECG for the diagnosis of cardiac arrhythmias, average heart rates were not statistically different in these 4 dogs with controlled AF. Therefore, the average HR determined by surface ECG in the hospital may be as reliable as the average HR determined by Holter monitoring in dogs with well controlled spontaneous AF.