Non-invasive Personalisation of Cardiac Electrophysiological Models from Surface Electrograms

Personnalisation Non-invasive de Modèles Electrophysiologiques Cardiaques à Partir d’Electrogrammes Surfaciques

Sophie Giffard-Roisin (1, 2)

1 ASCLEPIOS - Analysis and Simulation of Biomedical Images
2 COMUE UCA - COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019)

The objective of this thesis is to use non-invasive data (body surface potential mapping, BSPM) to personalise the main parameters of a cardiac electrophysiological (EP) model for predicting the response to cardiac resynchronization therapy (CRT). CRT is a clinically proven treatment option for some heart failures. However, these therapies are ineffective in 30% of the treated patients and involve significant morbidity and substantial cost. The precise understanding of the patientspecific cardiac function can help to predict the response to therapy. Until now, such methods required to measure intra-cardiac electrical potentials through an invasive endovascular procedure which can be at risk for the patient. We developed a non-invasive EP model personalisation based on a patientspecific simulated database and machine learning regressions. First, we estimated the onset activation location and a global conduction parameter. We extended this approach to multiple onsets and to ischemic patients by means of a sparse Bayesian regression. Moreover, we developed a reference ventricle-torso anatomy in order to perform an common offline regression and we predicted the response to different pacing conditions from the personalised model. In a second part, we studied the adaptation of the proposed method to the input of 12-lead electrocardiograms (ECG) and the integration in an electro-mechanical model for a clinical use. The evaluation of our work was performed on an important dataset (more than 25 patients and 150 cardiac cycles). Besides having comparable results with state-of-the-art ECG imaging methods, the predicted BSPMs show good correlation coefficients with the real BSPMs

L’objectif de cette thèse est d’utiliser des données non-invasives (electrocardiogrammes, ECG) pour personnaliser les principaux paramètres d’un modèle électrophysiologique (EP) cardiaque pour prédire la réponse à la thérapie de resynchronisation cardiaque. La TRC est un traitement utilisé en routine clinique pour certaines insuffisances cardiaques mais reste inefficace chez 30% des patients traités impliquant une morbidité et un coût importants. Une compréhension précise de la fonction cardiaque propre au patient peut aider à prédire la réponse à la thérapie. Les méthodes actuelles se basent sur un examen invasif au moyen d’un cathéter qui peut être dangereux pour le patient. Nous avons développé une personnalisation non-invasive du modèle EP fondée sur une base de données simulée et un apprentissage automatique. Nous avons estimé l’emplacement de l’activation initiale et un paramètre de conduction global. Nous avons étendu cette approche à plusieurs activations initiales et aux ischémies au moyen d’une régression bayésienne parcimonieuse. De plus, nous avons développé une anatomie de référence afin d’effectuer une régression hors ligne unique et nous avons prédit la réponse à différentes stimulations à partir du modèle personnalisé. Dans une seconde partie, nous avons étudié l’adaptation aux données ECG à 12 dérivations et l’intégration dans un modèle électromécanique à usage clinique. L’évaluation de notre travail a été réalisée sur un ensemble de données important (25 patients, 150 cycles cardiaques). En plus d’avoir des résultats comparables avec les dernières méthodes d’imagerie ECG, les signaux ECG prédits présentent une bonne corrélation avec les signaux réels.

Mots clés: ECG Imaging; Personalisation; Cardiac Electrophysiology Model; Machine learning; Simulated database; Inverse problem

Mots clés: Imagerie ECG; Personnalisation; Modèle electrophysiologique cardique; Apprentissage machine; Base de données simulée; Problème inverse

Domaines: Imagerie médicale; Modélisation et simulation; Machine Learning [stat.ML]

Sophie Giffard-Roisin. Non-invasive Personalisation of Cardiac Electrophysiological Models from Surface Electrograms. Medical Imaging. Université côte d'azur, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01771476v2⟩