Analysis and modelling of the electric activity of heart in case of ventricular pathologies
Analyse et modèlisation de l'activité électrique du coeur dans le cas de pathologies ventriculaires
Résumé
This work is situated in the analysis of the arrhythmia rhythm disorders of the heart, and more particularly of those resulting from problems of the ventricles. Two problems were tackled which require specific methods in signal processing. The first relates to the study of episodes of Ventricular Fibrillation (VF) obtained from human beings with endocardial recordings indicated when implantable defibrillation are tested in the department of Cardiology of the university hospital (CHU) of Nice. The process generating the VF not being yet clearly identified, two assumptions were proposed: signal modelled by fundamental and harmonics either stable or time dependant. It is shown that we can highlight using short episodes (5 to 15 seconds) significant fluctuations of the pitch thanks to adaptive or evolutionary algorithms. A practical result, found for the first time in human subjects, is the correlation between the pitch of the episode of VF and the refractory period given by physician for various frequencies of stimulation. The second problem relates to recordings of the ECG high resolution using a system with 64 electrodes (Body Surface Potential Mapping: BSPM), in collaboration with the Institute of Biocybernetic of Warsaw. The original idea is to put forward a measure of the spatial dispersion of ECG wave shapes. We show the relevance of the information brought by this measurement by comparing a group of subjects having had a myocardial infarction with a healthy reference group. The measurement of dispersion is calculated, for each column of electrodes, starting from the differences in shape between each signal and a signal of reference. For this reference, we propose an averaged signal obtained by a technique of averaging, invariant by translation and scaling: Integral Shape Averaging, (ISA). We can allot to this reference an average position on the thorax allowing to define “an average path”. An interesting result observed on the real signals is that this path is an invariant, i.e., independent of the subject and the ECG wave. The practical repercussions of this work are in diagnosis assistance and the modeling of cardiac electrophysiology. One can quote as immediate prospects: (i) Concerning the first problem, the improvement of the technique of defibrillation (moment of the shock and intensity) as well as a finer analysis of the frequency variation if episodes of longer VF can be recorded (in animals). The same algorithms could be applied to episodes of auricular fibrillation and compared with the results of the literature. (ii) For the second problem, the study of the spatial dispersion of the ECG waveforms should be extended to populations having had auricular fibrillations. One can also consider a simultaneous study of the spatial dispersion of the forms (QRS or T) and the correlation between the pitch observed in an episode of VF and the refractory period.
Le travail s'inscrit dans l'analyse des troubles du rythme cardiaque, et plus particulièrement ceux issus de disfonctionnements des ventricules. Deux problèmes ont été abordés qui demandent des méthodes spécifiques en traitement du signal. Le premier concerne l'étude d'épisodes de Fibrillation Ventriculaire (VF) obtenus chez l'homme par des enregistrements endocavitaires indiqués par l'implantation de défibrillateurs (au Service de Cardiologie du CHU de Nice). Le processus générant la FV n'étant pas encore clairement identifié, deux hypothèses ont été proposées : signal modélisé par un fondamental et des harmoniques stables ou dépendant du temps. On montre que l'on peut mettre en évidence sur des épisodes courts (5 à 15 secondes) des fluctuations significatives du fondamental grâce à des algorithmes adaptatifs ou évolutifs. Un résultat pratique, établi pour la première fois chez l'homme, est la corrélation entre le fondamental de l'épisode de FV et la période réfractaire que mesure le médecin pour différentes fréquences de stimulation. Le second problème concerne des enregistrements de l'ECG haute résolution à l'aide d'un système à 64 électrodes, en collaboration avec l'Institut de Biocybernétique de Varsovie. L'idée originale est de proposer une mesure de la dispersion spatiale des formes des ondes ECG. On montre la pertinence de l'information apportée par cette mesure en comparant un groupe de sujets ayant eu un infarctus du myocarde avec un groupe témoin sain. La mesure de la dispersion est calculée, pour chaque colonne d'électrodes, à partir des différences de forme entre chaque signal et un signal de référence. Pour cette référence, nous proposons un signal de forme moyenne obtenu par une technique de moyennage invariante par translation et changement d'échelle : Integral Shape Averaging, (ISA). On peut attribuer à cette référence une position moyenne sur le thorax permettant de définir « un chemin moyen ». Un résultat intéressant observé sur les signaux réels utilisés est que ce chemin est un invariant, indépendant du type d'onde ECG ainsi que du sujet sain ou pathologique. Les retombées pratiques de ce travail se trouvent dans l'aide au diagnostic et la modélisation de l'électrophysiologie cardiaque. On peut citer comme perspectives immédiates : (i) Concernant le premier problème, on prévoit une amélioration de la technique de défibrillation (instant du choc et intensité) ainsi qu'une analyse plus fine de l'évolution des fréquences dans le cas où des épisodes de FV plus longs peuvent être enregistrés (chez l'animal). Les mêmes algorithmes pourraient être appliqués à des épisodes de fibrillation auriculaire et comparés aux résultats de la littérature.(ii) Pour le deuxième problème, l'étude de la dispersion spatiale des formes d'onde devrait être étendue à des populations ayant eu des fibrillations auriculaires. On peut aussi envisager une étude simultanée de la dispersion des formes (QRS ou T) et de la corrélation de la fréquence fondamentale observée dans un épisode de FV avec la période réfractaire.
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