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

An investigation into therapies for atrial arrythmias using a biophysical model of the human atria

Dang, Lam ; Vesin, Jean-Marc (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3391.

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    Summary
    The most common type of sustained arrhythmia is atrial fibrillation (AF), affecting about 2% of the general population and 8% to 11% of the elderly, more than 65 years of age. The treatment of atrial arrythmia is still based on empirical considerations and is usually evaluated in clinical studies or in animal experiments. The main drawbacks of animal experiments lie in the difficulty of technically accessing the whole atria and in the differences between animal and human anatomy. In the last years, ever-increasing computer power has permitted the development of biophysical models of the human atria. It has become possible to simulate cellular electrical propagation in the whole human heart. Compared to clinical and animal studies, an in silico approach has the advantages of repeatability and reproducibility under controlled conditions. In this thesis, a biophysical model of the human atria has been used to investigate therapies of atrial arrhythmias: surgical ablation and therapeutic pacing. First, a brief review of the concepts of biophysical modeling of human atria developed until now is presented, as well as a brief description of several types of arrhythmia that can be simulated with the biophysical model. Second, measures of organization are considered to quantify and classify the different types of AF. With these measures, AF organization is evaluated at the electrogram signals level as well as at the cellular level. Four types of atrial arrhythmia are differentiated with the use of the biophysical model: atrial flutter, chronic AF, meandering AF and cholinergic AF. Finally, simulations of atrial therapies are investigated. The biophysical model has been used to test the efficacy of ablation lines. The surgical Maze-III procedure has proven to be highly effective in treating chronic AF. However, due to the technical difficulty and the risk of the procedure, less invasive ablation techniques have been investigated. The results confirm the superiority of aggressive surgical procedures in the termination of AF, as described in the clinical studies. Furthermore, an ideal ablation pattern has been proposed using the biophysical model. The ideal pattern should be able to prevent AF with a limited number of ablation lines of minimal length, while allowing for the maintenance or recovery of mechanical activity of both atria during sinus rhythm. The second therapeutic approach investigated is that of pacing. An algorithm of pacing and different pacing sites are investigated during this research. Antitachycardia pacing on different types of AF are carried out. The simulations showed that more organized arrhythmia such as atrial flutter can be pace-terminated. On the other hand, only local capture is possible on more complex AF. The results obtained with the biophysical model are in agreement with the clinical studies. The results of the present research prove that atrial therapies can be approached by means of a biophysical model of the human atria. This tool can be used to investigate further therapeutic techniques and thus, improve the quality of life of patients.
    Résumé
    La fibrillation auriculaire (FA) est le type le plus répondu d'arythmie. Elle affecte environ 2% de la population totale et 8% à 11% des personnes âgées de plus de 65 ans. Jusqu'à présent, le traitement de l'arythmie auriculaire a toujours été basé sur des considérations empiriques et habituellement réalisé lors d'études cliniques ou lors d'expériences animales. Les inconvénients majeures de telles expériences résident dans la difficulté d'accéder à l'ensemble des oreillettes et à la différence entre l'anatomie animale et humaine. Durant ces dernières années, la puissance toujours croissante des ordinateurs a permis le développement d'un modèle biophysique des oreillettes humaines. Récemment, il est devenu possible de simuler la propagation électrique résultant de l'activité cellulaire dans toutes les parties du coeur humain. Comparée aux études cliniques et animales, l'approche in sillico a l'avantage d'être reproductible et de présenter des conditions contrôlées. Dans cette thèse un modèle biophysique des oreillettes humaines est utilisé pour l'investigation des thérapies auriculaires suivantes: les ablations chirurgicales et les stimulations électriques. Premièrement, les concepts utilisés pour la modélisation biophysique des oreillettes humaines sont passés rapidement en revue. Les différents types d'arythmie pouvant être générés avec un tel modèle sont présentés. Deuxièmement, des mesures d'organisation ont été développées pour évaluer et classifier les différents types de FA. L'organisation de la FA est évaluée à partir des électrocardiogrammes aussi bien qu'à partir du potentiel transmembranaire des cellules. Quatre types d'arythmies ont été différenciés avec le modèle biophysique : le flutter, la FA chronique, la FA méandreuse et la FA cholinergique. Finalement, les simulations de thérapies auriculaires ont été investiguées. Le modèle biophysique a été employé pour évaluer l'efficacité des lignes d'ablation, en particulier la procédure Maze-III a prouvé son efficacité dans le traitement de la FA chronique. Cependant, en raison des difficultés techniques et des risques d'une telle procédure, des lignes d'ablation moins invasives ont été proposées. Les résultats des simulations ont confirmé la supériorité des procédures agressives pour terminer la FA, tel que décrite dans les études cliniques. En outre, un modèle de lignes d'ablation idéal a été proposé à l'aide du modèle. Un modèle idéal doit être capable d'empêcher la FA avec un nombre limité de lignes d'ablation et une longueur minimale, en tenant compte de la maintenance ou du rétablissement de l'activité mécanique des deux oreillettes pendant le rythme cardiaque normal. La deuxième approche thérapeutique examinée est la stimulation électrique à basse énergie. Un algorithme de stimulation thérapeutique est proposé et testé pour différentes positions des électrodes. Les simulations montrent que les arythmies plus organisées comme le flutter peuvent être terminées par stimulation. Par contre, seulement un contrôle local est observé pour les FA plus complexes. Les résultats obtenus avec le modèle biophysique sont en accord avec les études cliniques. Les résultats obtenus de cette recherche prouvent que les thérapies auriculaires peuvent être étudiées par un modèle biophysique des oreillettes humaines. Cet outil peut être employé à examiner plus en détail les techniques thérapeutiques afin d'améliorer la qualité de vie des patients.