Πολυεπίπεδη μοντελοποίηση και ανάλυση βιοσημάτων της κολπικής καρδιακής λειτουργίας στην κολπική μαρμαρυγή
Creators: name: Φίλος, Δημήτριος Θ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Κολπική μαρμαρυγή
Μορφολογία κύματος Ρ
Ανάλυση κυματιδίων
Υπολογιστική μοντελοποίηση
Atrial fibrillation
P-wave morphology
Wavelet analysis
Computational modeling

description: Ο σκοπός της διατριβής υπήρξε η σε βάθος ανάλυση των κυμάτων Ρ, από παλμό σε παλμό, σε ασθενείς με ιστορικό παροξυσμικής ΚΜ (ΠΚΜ) κατά τη διάρκεια του φλεβοκομβικού ρυθμού και η ανίχνευση διαφορών με τα αντίστοιχα κύματα υγιών εθελοντών, με απώτερο στόχο την διερεύνηση της ικανότητας της μεθόδου να διαχωρίζει τις ομάδες αυτές. Έγινε προσπάθεια οι διαφορές αυτές να ερμηνευθούν μέσω διενέργειας προσομοιώσεων σε μικροσκοπικό επίπεδο, ώστε να διερευνηθεί ο διαφορετικός τρόπος ενεργοποίησης των κόλπων στις δύο ομάδες. Στην μακροσκοπική μελέτη της ΚΜ χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα ΗΚΓ από ασθενείς με ιστορικό ΠΚΜ και από υγιείς εθελοντές. Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των κυμάτων Ρ, από παλμό σε παλμό, κατά τη διάρκεια του φλεβόκομβου, αναλύθηκαν στο πεδίο του χρόνου και στο χρονοφασματικό επίπεδο, με στόχο την διερεύνηση αλλαγών που εμφανίζονται σε ασθενείς με ΠΚΜ και οι οποίες μπορεί να αποτελέσουν τη βάση για τη διάκριση μεταξύ παθολογικών και υγιών ατόμων. Τα αποτελέσματα της μακροσκοπικής ανάλυσης αποκάλυψαν την ύπαρξη μίας δευτερεύουσας μορφολογίας κυμάτων Ρ, ενώ το ποσοστό των παλμών όπου το κύμα Ρ ακολουθεί τη δευτερεύουσα μορφολογία είναι υψηλότερο στους ασθενείς με ιστορικό ΠΚΜ. Η χρονοφασματική ανάλυση των κυμάτων Ρ, τα οποία ακολουθούν την κύρια μορφολογία, οδήγησε στην δημιουργία ενός ταξινομητή ο οποίος είναι δυνατό να διακρίνει (93.75%) τα σήματα ασθενών με ΠΚΜ από τα υγιή σήματα, κατά τη διάρκεια φλεβοκομβικού ρυθμού. Η διαφορά στο ποσοστό της κύριας μορφολογίας του κύματος Ρ και των χρονοφασματικών τους χαρακτηριστικών υποδηλώνει μεγαλύτερη ηλεκτρική αστάθεια του κολπικού υποστρώματος σε ασθενείς με ΠΚΜ και διαφορετικούς τρόπους κολπικής αγωγής. Η παρατήρηση αυτή οδήγησε στην υπόθεση ότι οι διαφορές στο κύμα Ρ σε ένα ΗΚΓ, μπορεί να είναι αποτέλεσμα της τυχαίας αλλαγής της θέσης έναρξης του ερεθίσματος, εντός της ευρύτερης ανατομικής περιοχής του φλεβόκομβου, και ότι η ηλεκτρική αναδιαμόρφωση των κόλπων είναι αυτή η οποία συμβάλλει ώστε συχνότερα να καταγράφονται κύματα Ρ που ακολουθούν τη δευτερεύουσα μορφολογία στους ασθενείς με ΠΚΜ. Για την επιβεβαίωση της ερευνητικής υπόθεσης χρησιμοποιήθηκαν υπολογιστικά μοντέλα και προσομοιώσεις της ηλεκτρικής διάδοσης στους κόλπους. Σχεδιάστηκε μία δισδιάστατη γεωμετρική δομή του κολπικού ιστού. Τα ηλεκτροφυσιολογικά χαρακτηριστικά των κόλπων προσαρμόστηκαν ώστε να περιγράψουν τόσο τον υγιή όσο και τον ηλεκτρικά αναδιαμορφωμένο ιστό. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι σε ηλεκτρικά αναδιαμορφωμένο ιστό, η μετατόπιση της θέσης διέγερσης, εντός του φλεβόκομβου, οδήγησε σε σημαντικές αλλαγές στον χρόνο ενεργοποίησης των κόλπων, σε σύγκριση με τον υγιή ιστό, ενώ όσο μεγαλύτερη ήταν η χωρική έκταση της αναδιαμόρφωσης τόσο μεγαλύτερες οι αλλαγές στου χρόνους ολοκλήρωσης των ηλεκτροφυσιολογικών διαδικασιών. Επίσης αποκαλύφθηκε η σημασία της συχνότητας του καρδιακού ρυθμού στην μεταβολή των χρόνων ηλεκτρικής ενεργοποίησης των κόλπων. Συμπερασματικά, βρέθηκε ότι η ανάλυση των κυμάτων Ρ, από παλμό σε παλμό, κατά τη διάρκεια φλεβοκομβικού ρυθμού, είναι δυνατό να προβλέψει την ύπαρξη ΠΚΜ, ενώ η υπολογιστική μοντελοποίηση παρέχει τη δυνατότητα ερμηνείας των αποτελεσμάτων της μακροσκοπικής ανάλυσης. Τα ευρήματα αυτά υπογραμμίζουν την ανάγκη σύνδεσης των μακροσκοπικών ευρημάτων της ανάλυσης στην υποφαινόμενη ηλεκτρική δραστηριότητα των κόλπων σε μικροσκοπικό επίπεδο, με σκοπό την καλύτερη κατανόηση της παθοφυσιολογιάς της ΚΜ. Η παρούσα διατριβή αποτελεί ένα βήμα προς την κατεύθυνση της υπολογιστικής ιατρικής στην καρδιολογία.
description: The goal of this present thesis was the beat-to-beat analysis of the P-waves in patients with a history of paroxysmal AF (pAF) during SR and the detection of differences with the corresponding waves from healthy volunteers, with the ultimate goal to differentiate these groups. In addition, an attempt was made to interpret these differences through microscopic simulations in order to investigate the different atrial activation patterns in those groups. In more detail, for the macroscopic analysis of AF, ECG data from patients with a history of pAF and from healthy volunteers were analyzed. The beat-to-beat morphological characteristics of P-waves, during SR, were analyzed in both time and time-frequency domain, with the ultimate goal to study the changes that may occur in patients with pAF and which can be used as the basis for distinguishing between pathological and healthy individuals. The results of macroscopic analysis revealed the existence of a secondary P-wave morphology, while the proportion of the beats where the P-wave follows the secondary morphology is higher in patients with a history of pAF. In addition, the time-frequency analysis of the P-waves, which follow the main morphology, led to the development of a classifier that can accurately distinguish (93.75%) signals derived pAF and healthy volunteers during SR. The proposed methodology is available to the clinical practitioner to predict AF occurrence and to perform further analyzes. The difference in the percentage of the P-wave following the main morphology and their spectral characteristics implies greater electrical instability of the atrial substrate in patients with pAF and different conduction patterns. This observation has led to the hypothesis that the multiple P-wave morphologies may be the result of a transient shift in the stimulus origin, possibly within the broader anatomical region of the sinus, and that it is the atrial electrical remodeling that contributes to more frequent P-waves following a secondary morphology in patients with pAF. In order to confirm the research hypothesis it was necessary to use computational models and conduct simulations of the electrical propagation in the atria. Α two-dimensional geometric model describing the atrial tissue was designed. The electrophysiological characteristics of the atria were adapted to describe both healthy and electrically remodeled tissue. The results show that in electrically remodeled tissue, the displacement of the excitation site within the sinus resulted in significant changes in atrial activation time compared to healthy tissue, and the greater the spatial extent of the remodeling the greater the differences in the completion of the electrophysiological processes. It also revealed the importance of heart rate frequency in changing the timing of electrical activation of the atria. In conclusion, it was found that beat-to-beat P-wave analysis, during SR, can predict the existence of pAF, while computational modeling enables the interpretation of the results of macroscopic analysis. These results underline the need to link the macroscopic findings to the suspected microscopic electrical activity in order to better understand the pathophysiology of AF. This thesis is a step towards computational medicine in cardiology.