Traitement et analyse du signal pour les arythmies ventriculaires

Signal processing and analysis for ventricular arrhythmia

• Auteur / Autrice : Josselin Duchateau
• Direction : Michel Haissaguerre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bioinformatique
• Date : Soutenance le 20/12/2018
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Electrophysiologie Cardiaque
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche cardio-thoracique de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Roger Marthan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Haissaguerre, Roger Marthan, Philippe Maury, Maxime Sermesant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Maury, Maxime Sermesant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rythme cardiaque

Électrophysiologie

Arythmie

Mots clés libres

Arythmie ventriculaire

Electrophysiologie

Rythmologie

Cardiologie

Ventricular arrhythmia

Electrophysiology

Cardiology

Résumé

Les techniques de traitement du signal numérique prennent une place grandissante en rythmologie clinique. Ces outils offrent de nouvelles perspectives d'amélioration de la détection d'anomalies rythmiques subtiles et d'interprétation des arythmies complexes. Notre travail se focalise sur l'apport des techniques de traitement du signal pour les arythmies ventri­culaires. Il s'intéresse à trois champs complémentaires: les signaux unidimensionnels (ECG et EGM), la cartographie non-invasive, et la cartographie invasive. Concernant les signaux unidimensionnels, nous proposons tout d'abord une méthodologie d'amélio­ration du rapport signal sur bruit des enregistrements ECG par des méthodes de moyennage et de gating respiratoire. Cette méthodologie offre des perspectives intéressantes pour [a détection de si­gnaux anormaux de faible amplitude et pour la mesure non-invasive de l'intervalle HV. Nous détaillons ensuite les liens entre signaux endocardiques et ECG en fibrillation ventriculaire (FV), en montrant notamment que les fréquences dominantes sont fortement corrélées et qu'une fragmentation endocardique se traduit sur l'ECG de surface par une chute de l'amplitude. Enfin, nous démontrons par une analyse fréquentielle de 63épisodes de FV le lien entre les caractéristiques de ces épisodes et les caractéristiques cliniques des patients qui en sont victimes. Notamment, la fréquence dominante est très corrélée à la cardiopathie sous jacente. Le mode et le site d'induc tion ont également un impact important sur l'arythmie, aussi bien sur les fréquences que le degré de fragmentation et la phase de l'ECG de surface. Concernant la cartographie non-invasive, nous présentons une comparaison de différentes méthodes de résolution en potentiel du problème inverse. Cette comparaison démontre que la méthodologie ECGi fait partie des meilleures approches évaluées. Nous proposons ensuite une étude de validation des cartes d'activation ventriculaires par ECGi dans un contexte clinique sur 55 patients. Cette étude retrouve une corrélation médiocre entre les cartes non-invasives et les cartes de référence. Les résultats sont hétérogènes, avec une bonne corrélation sur les rythmes avec QRS larges. Nous proposons ensuite quelques pistes d'amélioration de ces cartes d'activation, par une analyse nouvelle de la solution fondamentale ECGi qui s'intéresse au gradient et au laplacien du potentiel et par un post-traitement des potentiels reconstruits, en combinant une évaluation des délais entre points voisin avec une mesure locale de temps d'activation. Ces deux techniques permettent une amélioration significative de la qualité des cartes reconstruites. Concernant la cartographie invasive, nous nous intéressons aux domaines et aux techniques d'inter­ polation de mesures ponctuelles. Nous montrons l'importance de ces techniques sur le rendu final d'une carte d'activation. Nous utilisons ensuite une de ces méthodologies pour produire des cartes améliorées chez les pa­tients porteurs d'un syndrome de Brugada. Nous montrons qu'il existe chez ces patients des arguments cliniques en faveur d'un bloc partiel de conduction endo-épicardique prédominant au niveau de l'infundibulum et de la partie latérobasale du ventricule droit. Enfin, nous montrons à l'aide d'un modèle in silico les conséquences arythmogènes d'une telle dis­ sociation, qui se traduit par une inductibilité accrue lorsque le nombre de connexions fonctionnelles résiduelles diminue. Au TOTAL, notre travail utilise les techniques de traitement du signal pour différentes applications autour des arythmies ventriculaires. Nous proposons plusieurs innovations méthodologiques per­mettant d'extraire et de traiter de manière nouvelle le signal électrique cardiaque. Les techniques de cartographie non-invasives doivent encore être améliorées pour tenir toutes leurs promesses. L'élec­trocardiographie et la cartographie de contact pourront voir leur champ d'utilisation étendu par ces innovations.

Signal processing tools are increasingly present in the electrophysiologist' s daily practice. These tools have the potential to enhance the detection of small electrical anomalies, and to enable the analysis of complex arrhythmia. Our work focuses on ventricular arrhythmia, and more specifically on how signal processing tech­ niques can help usbetter understand these diseases. lt is made up of three parts,focusing on different topics: uni-dimensional signal analysis (ECG and endocardial electrograms), non-invasive mapping, and invasive contact mapping. Concerning uni-dimensional signal analysis, we first propose a method to enhance the signal to noise ratio of ECG recordings. We use a combination of signal averaging and respiration gating to achieve this goal, and offer interesting perspectives for the detection of abnormal low amplitude potentials and non-invasive measurement of the HV interval. We then analyze the relationship between endocardial and ECG signais during ventricular fibrilla­ tion (VF) episodes. We demonstrate that endocardial and ECG dominant frequencies are similar,and that higher endocardial fragmentation results in a drop of the waveform amplitude on the surface ECG. Finally, we demonstrate through frequency domain analysis of 63 VF episodes a clear correlation between VF characteristics and clinical factors. Dominant frequency is particularly useful to dis­ criminate between different underlying causal substrates. We also demonstrate that VF characteris­ tics depend on the induction mode and induction site, in terms of dominant frequency, amount of fragmentation and ECG phase. Concerning non-invasive mapping, we compare different potential-based inverse problem resolution techniques. ECGi appears as one of the most reliable techniques. A clinical validation study of non-invasive ventricular activation mapping using ECGi isthen carried­ out. Fifty-five patients were included for whom non-invasive maps are compared to contact maps. We show a very poor overall correlation between non-invasive and invasive maps. Results are het­ erogeneous, with good correlation in patients with wide QRS activation patterns. Wethen propose different techniques to improve non-invasive activation mapping. A first study uses the surface laplacian and the gradient of the inverse-computed potential as inputs to activation map­ ping. A second study combines estimated delays between neighboring points and local activation time estimates to create a more globally coherent solution. Both studies demonstrate a significant improvement of activation maps. Concerning contact mapping, we first give an overview of interpolation domains and techniques that can be used to provide dense activation maps from sparse measures. We illustrate the influence of these techniques on the clinician's ability to make a correct diagnosis. We then use one of these interpolation techniques to create epicardial activation maps in Brugada patients. We show that these patients harbor epicardial electrical activity compatible with partial endo-epicardial conduction block. This phenomenon predominates in the right ventricular lateral wall and outflow tract. Finally,using an in silico model, we demonstrate the arrhythmogenic potential of such a dissociation. lnducibility peaks as the number of residual functional connections between endo and epicardium falls. ÜVERALL, our work uses signal processing techniques for different applications conceming ven­ tricular arrhythmia. We propose different methodological innovations that allow us to record and process cardiac electrical activity with increasing precision. Further progress is still required before non-invasive mapping can live up to its promises. The proposed methodological innovations can extend the use of electrocardiography and invasive mapping.