Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section d'électricité, Institut de génie électrique et électronique IEL (Laboratoire de traitement des signaux 1 LTS1)

A biophysical model of atrial fibrillation and electrograms : formulation, validation and applications

Jacquemet, Vincent ; Kunt, Murat (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2996.

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    Summary
    Atrial arrhythmias are the most frequent rhythm disorders in humans and often lead to severe complications such as heart failure and stroke. While different mapping techniques have provided significant information on the electrophysiological processes associated with atrial fibrillation (AF), the mechanisms underlying AF initiation and maintenance remain unclear. Hence the treatment of atrial arrhythmias is still based on empirical considerations. To assist the study of the complex spatio-temporal dynamics of AF, a realistic-size computer model of human atria was developed. The model geometry was derived from magnetic resonance images of the human heart. Mathematical models of cell electrophysiology describing the ionic currents through the cell membrane were used. By representing the domain as a three-dimensional monolayer, the computational load was sufficiently reduced to allow the simulation of more than 20 seconds of an arrhythmia. With this model, simulated AF, i.e. multiple reentrant wavelets, were induced using different clinically relevant protocols. The model outputs both transmembrane potential maps and electrograms at any location in the atria, facilitating comparisons of simulation results to experimental or clinical data. It is also possible to study separately the conditions leading to the initiation and perpetuation of AF, and, more generally, to uncouple the phenomena by controlling separately the parameters affecting the simulation. First, the mechanisms leading to AF initiation and perpetuation were investigated. In a model of normal conduction in the atria, electrically-induced AF was unsustained and converted to sinus rhythm after a few seconds. After remodeling (applied as an abrupt alteration of tissue properties), however, episodes of sustained AF were obtained. Simulated AF was observed as several wavelets propagating randomly over the whole atrial surface and undergoing anatomical and functional reentries, collisions, and annihilation by mutual interaction. The simulation studies suggest that the restitution dynamics (describing the dependence of the action potential duration on the previous diastolic interval) and the wavelength (effective refractory period × conduction velocity) play a crucial role in determining the duration of AF. Electrograms were then computed during simulated AF and their morphology was characterized by their amplitude and asymmetry. These simulated electrograms were similar to those recorded in humans. By simulating wavefront propagation in carefully prepared conditions, is was possible to determine the effect of the different components of AF dynamics (wavefront shape, collisions, conduction blocks, wavelength) as well as the influence of the underlying substrate (tissue conductivity, anisotropy, heterogeneity) on waveform morphology. Analysis of the amplitude and symmetry of unipolar atrial electrograms is believed to provide information about the electrophysiological substrate maintaining AF.
    Résumé
    Les arythmies auriculaires sont l'un des plus fréquents troubles du rythme cardiaque et entraînent souvent de sérieuses complications telles que l'insuffisance cardiaque ou des embolies. Bien que différentes techniques expérimentales aient apporté de précieuses informations sur les processus électrophysiologiques associés à la fibrillation auriculaire (FA), certaines zones d'ombre concernant les mécanismes d'initiation et de perpétuation de la FA persistent. Le traitement des arythmies auriculaires reste donc essentiellement basé sur des considérations empiriques. Dans le but d'assister l'étude de la dynamique spatiotemporelle complexe de la FA, un modèle numérique des oreillettes humaines a été développé. La géometrie du modèle a été construite sur la base d'imagerie par résonance magnétique. Des modèles d'électrophysiologie cellulaire décrivant les courants ioniques à travers la membrane cellulaire ont été utilisés. Grâce à une représentation tridimensionnelle formée d'une flue couche de tissu, le temps de calcul a été suffisamment réduit pour permettre la simulation d'arythmies de plus de 20 secondes. A l'aide de ce modèle, des FA simulées, c'est-à-dire de multiples ondelettes réentrantes, ont pu être induites par des protocoles de stimulation réalistes. Le modèle est capable d'afficher des potentiels transmembranaires et des électrogrammes pour n'importe quel point des oreillettes, ce qui facilite la comparaison des résultats avec des données expérimentales ou cliniques. Il est également possible d'étudier séparément les conditions menant à l'initiation ou à la perpétuation de la FA, et, plus généralement, de découpler les phénomènes en contrôlant séparément les paramètres qui affectent la simulation. En premier lieu, les mécanismes menant à l'initiation et à la perpétuation de la FA ont été étudiés. Dans un modèle reproduisant une propagation normale dans les oreillettes, les FA induites par stimulations électriques furent non-soutenues et le rythme normal reprit après quelques secondes. Cependant, après remodelage (appliqué comme une modification abrupte des propriétés du tissu), des épisodes de FA soutenues ont pu être obtenus. Durant la FA simulée, plusieurs ondelettes se propagent aléatoirement sur toute la surface des oreillettes, subissent des réeutrées anatomiques et fonctionnelles, des collisions, ou s'annihilent par interaction mutuelle. Les simulations suggèrent que la dynamique de restitution (décrivant la dépendance de la durée du potentiel d'action par rapport à l'intervalle diastolique précédent) et la longueur d'onde (période réfractaire effective × vitesse de conduction) jouent un rôle prépondérant dans la détermination de la durée de la FA. Des électrogrammes ont ensuite été calculés durant la FA simulée et leur morphologie a été caractérisée par leur amplitude et leur asymétrie. Ces électrogrammes simulés sont similaires à ceux enregistres sur des patients. Eu simulant la propagation de fronts d'onde dans des conditions contrôlées, il a été possible de déterminer l'effet des différentes composantes de la dynamique de la FA (forme du front, collisions, blocs de conduction, longueur d'onde) sur la morphologie des électrogrammes ainsi que l'influence du substrat sous-jacent (conductivité du tissue, anisotropie, hétérogénéité). Une analyse de l'amplitude et de l'asymétrie des électrogrammes auriculaires unipolaires est donc susceptible d'apporter des informations sur le substrat électrophysiologique assurant la maintenance de la FA.