La fibrilación auricular es una de las arritmias cardíacas más comunes observadas en la práctica clínica. Por lo tanto, es de vital importancia desarrollar nuevas tecnologías destinadas a diagnosticar y acabar con este tipo de arritmia, para mejorar la calidad de vida de los pacientes y reducir los costes de los sistemas nacionales de salud. En los últimos años ha aumentado el uso de las nuevas técnicas de mapeo auricular, basadas en sistemas multi-electrodo para mapear la actividad eléctrica en humanos. Dichas técnicas permiten localizar y ablacionar los impulsores de la fibrilación auricular, como son las fuentes focales o los rotores. Sin embargo, todavía existe incertidumbre sobre su precisión y los procedimientos experimentales para su análisis están limitados debido a su carácter invasivo. Por lo tanto, las simulaciones computacionales son una herramienta muy útil para superar estas limitaciones, al permitir reproducir con fidelidad las observaciones experimentales, dividir el problema bajo estudio en sub-estudios más simples, y realizar investigaciones preliminares imposibles de llevar a cabo en el práctica clínica. Esta tesis doctoral se centra en el análisis de la precisión de los sistemas de mapeo multi-electrodo a través de modelos y simulaciones computacionales. Para ello, desarrollamos modelos realistas multi-escala con el objetivo de simular actividad eléctrica auricular reentrante, en primer lugar en una lámina de tejido auricular, y en segundo lugar en las aurículas completas. Posteriormente, analizamos los efectos de las configuraciones geométricas multi-electrodo en la precisión de la localización de los rotores, mediante el uso de agrupaciones multi-electrodo con distancias inter-electrodo equidistantes, así como a través de catéteres de tipo basket con distancias inter-electrodo no equidistantes. Después de calcular los electrogramas unipolares intracavitarios, realizamos mapas de fase, detecciones de singularidad de fase para rastrear los rotores, y mapas de frecuencia dominantes. Finalmente, descubrimos que la precisión de los sistemas de mapeo multi-electrodo depende de su posición dentro de la cavidad auricular, de la distancia entre los electrodos y el tejido, de la distancia inter-electrodo, y de la contribución de las fuentes de campo lejano. Además, como consecuencia de estos factores que pueden afectar a la precisión de los sistemas de mapeo multi-electrodo, observamos la aparición de rotores falsos que podrían contribuir al fracaso de los procesos de ablación de la fibrilación auricular. / Atrial fibrillation is one of the most common cardiac arrhythmias seen in clinical practice. Therefore, it is of vital importance to develop new technologies aimed at diagnosing and terminating this kind of arrhythmia, to improve the quality of life of patients and to reduce costs to national health systems. In the last years, new atrial mapping techniques based on multi-electrode systems are increasingly being used to map the atrial electrical activity in humans and localise and target atrial fibrillation drivers in the form of focal sources or rotors. However, significant concerns remain about their accuracy and experimental approaches to analyse them are limited due to their invasive character. Therefore, computer simulations are a helpful tool to overcome these limitations since they can reproduce with fidelity experimental observations, permit to split the problem to treat into more simple substudies, and allow the possibility of performing preliminary investigations impossible to carry out in the clinical practice. This PhD thesis is focused on the analysis for accuracy of the multielectrode mapping systems through computational models and simulations. For this purpose, we developed realistic multiscale models in order to simulate atrial electrical reentrant activity, first in a sheet of atrial tissue and, then, in the whole atria. Then, we analysed the effects of the multi-electrode geometrical configurations on the accuracy of localizing rotors, by using multi-electrode arrays with equidistant inter-electrode distances, as well as multi-electrode basket catheters with non-equidistant inter-electrode distances. After computing the intracavitary unipolar electrograms, we performed phase maps, phase singularity detections to track rotors, and dominant frequency maps. We finally found out that the accuracy of multi-electrode mapping systems depends on their position inside the atrial cavity, the electrode-to-tissue distance, the inter-electrode distance, and the contribution of far field sources. Furthermore, as a consequence of these factors, false rotors might appear and could contribute to failure of atrial fibrillation ablation procedures. / La fibril·lació auricular és una de les arítmies cardíaques més comuns observades en la pràctica clínica. Per tant, és de vital importància desenvolupar noves tecnologies destinades a diagnosticar i acabar amb aquest tipus d'arítmia, per tal de millorar la qualitat de vida dels pacients i reduir els costos dels sistemes nacionals de salut. En els últims anys, ha augmentat l'ús de les noves tècniques de mapeig auricular, basades en sistemes multielèctrode per a mapejar l'activitat elèctrica auricular en humans. Aquestes tècniques permeten localitzar i ablacionar els impulsors de la fibril·lació auricular, com són les fonts focals o els rotors. No obstant això, encara hi ha incertesa sobre la seua precisió i els procediments experimentals per al seu anàlisi estan limitats a causa del seu caràcter invasiu. Per tant, les simulacions computacionals són una eina molt útil per a superar aquestes limitacions, en permetre reproduir amb fidelitat les observacions experimentals, dividir el problema sota estudi en subestudis més simples, i realitzar investigacions preliminars impossibles de dur a terme en el pràctica clínica. Aquesta tesi doctoral es centra en l'anàlisi de la precisió del sistemes de mapeig multielèctrode mitjançant els models i les simulacions computacionals. Per a això, desenvolupàrem models realistes multiescala per tal de simular activitat elèctrica auricular reentrant, en primer lloc en una làmina de teixit auricular, i en segon lloc a les aurícules completes. Posteriorment, analitzàrem els efectes de les configuracions geomètriques multielèctrode en la precisió de la localització dels rotors, mitjançant l'ús d'agrupacions multielèctrode amb distàncies interelèctrode equidistants, així com catèters de tipus basket amb distàncies interelèctrode no equidistants. Després de calcular els electrogrames unipolars intracavitaris, vam realitzar mapes de fase, deteccions de singularitat de fase per a rastrejar els rotors, i mapes de freqüència dominants. Finalment, vam descobrir que la precisió dels sistemes de mapeig multielèctrode depèn de la seua posició dins de la cavitat auricular, de la distància entre els elèctrodes i el teixit, de la distància interelèctrode, i de la contribució de les fonts de camp llunyà. A més, com a conseqüència d'aquests factors, es va observar l'aparició de rotors falsos que podrien contribuir al fracàs de l'ablació de la fibril·lació auricular. / Martínez Mateu, L. (2018). Mapping of the electrical activity of human atria. Multiscale modelling and simulations [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/104604

Atrial fibrillation (AF) is the most prevalent cardiac arrhythmia. It shows an increasing prevalence in developed countries with a strong association to cardiovascular risk factors. It has become a major challenge to the healthcare system with a high morbidity and increased AF-related mortality. Recommended treatment approaches favor rhythm control strategies, which aim to restore sinus rhythm. The pathophysiologic concept of atrial fibrillation has evolved towards defining the term atrial myopathy, recognizing inflammation mediated remodeling of the left atrium (LA) as a source for and result of arrhythmogenesis. One of many features of atrial myopathy is the development of left atrial fibrosis by fibro-fatty infiltration. This corresponds to low voltage zones (LVZ), that are characterized by impaired myocardial electrical conduction during invasive electroanatomic mapping. Epicardial adipose tissue (EAT) has been revealed to be a key player in this inflammatory process that nourishes the development of left atrial fibrosis. Traditional cardiovascular risk factors favor the transdifferentiation of EAT towards a pro-inflammatory phenotype. Recently, evidence has proven the positive effect of new generation anti-diabetic drugs like sodium-glucose cotransporter 2 (SGLT-2) inhibitors and glucagon-like peptide-1 (GLP-1) receptor agonists on EAT by inducing a favorable phenotypic shift with local anti-inflammatory effect and potential influence on atrial reverse remodeling. This thesis sought to confirm the ability to predict LVZ from cardiac magnetic resonance (CMR) derived parameters and to describe the differences of left atrial volume and left atrial epicardial adipose tissue volume in AF patients with and without LVZ. Patients with indication for primary AF ablation were prospectively enrolled. CMR imaging sequences included an LA angiography and two different techniques for left atrial epicardial adipose tissue imaging (T1 weighted and fat-water separation DIXON-based), which were compared. Left atrial volume index (LAVi) and left atrial epicardial adipose tissue volume index (LA-EATVi) from the DIXON-based technique proofed to be significant predictors of LVZ presence. No significant results could be obtained for the epicardial adipose tissue quantified from T1 weighted imaging. LA-EATVi(DIXON) was significantly higher in patients with LVZ than without, with a mean difference of 10.13 ± 5.0 ml. The same could be shown for LAVi, with a mean difference of 24.46 ± 8.13 ml. Both parameters were independent of each other. Additionally, it could be shown that higher age and female gender are associated with LVZ occurrence. CMR based quantification of LA-EATVi(DIXON) alone or in combination with other predictive variables of LVZ, like LAVi, age and female gender was able to identify patients at low or high risk of LVZ. In the studied patient population, a combined prediction model of LAVi, LA- EATVi(DIXON), age and female gender provided the highest predictive ability to determine LVZ presence with an area under the curve (AUC) in receiver operating characteristics (ROC) of 0.91. Depending on cutoff selection for the prediction model a high positive or negative predictive value can be achieved, minimizing false results. The clinical implementation of a CMR-based prediction model of LVZ presence as a feature of LA myopathy could have a tremendous impact on treatment decisions. It would allow the selection of patients for fast and easy single shot AF-ablation procedures in case of low LVZ risk, whereas complex and more time-consuming invasive procedures were to be scheduled if relevant LA myopathy is to be suspected.:1. Introduction 1 1.1. Atrial fibrillation 1 1.1.1. Risk factors 3 1.1.2. Left atrial myopathy 4 1.1.2.1. Predictive parameters of LA myopathy and atrial fibrosis 6 1.1.2.2. Imaging methods for left atrial myopathy and fibrosis 6 1.1.4. Current treatment strategies 7 1.1.4.1. Catheter ablation 9 1.2. Epicardial adipose tissue 11 1.2.1. Physiology and pathophysiology of epicardial adipose tissue 14 1.2.2. Role of epicardial adipose tissue in atrial fibrillation 15 1.2.3. Imaging techniques of epicardial adipose tissue 18 2. Objective 21 3. Methods 22 3.2. Imaging protocol 24 3.2.1. Adipose tissue imaging with DIXON approach 24 3.2.2. Adipose tissue imaging with T1 weighted imaging approach 26 3.2.3. Left atrial anatomy imaging 26 3.3. Segmentation and Quantification 27 3.4. Electroanatomic mapping and pulmonary vein isolation procedure 31 3.5. Statistical analysis 33 4. Results 34 4.2. General patient cohort characteristics 34 4.3. Patient characteristics in LVZ subgroups 36 4.4. Selected CMR parameter evaluation 39 4.4.1. Left atrial volume 39 4.4.2. Left atrial epicardial adipose tissue volume 41 4.4.2.1. DIXON based left atrial epicardial adipose tissue imaging 41 4.4.2.2. T1 weighted left atrial epicardial adipose tissue imaging 43 4.4.3. Comparison of adipose tissue imaging techniques 45 4.4.4. Reliability analysis 48 4.5. LVZ prediction models 49 4.5.1. Univariate non-CMR based LVZ prediction models 51 4.5.2. Univariate CMR based LVZ prediction models 53 4.5.3. Multivariate LVZ prediction models 57 4.5.4. Example of clinical application 62 4.5.5. Prediction model validation 64 5. Discussion 66 5.2. General aspects 66 5.3. EAT image acquisition 68 5.4. Clinical relevance 68 5.5. Future developments 70 5.6. Limitations 72 6. Summary 74 7. Zusammenfassung 76 8. References 78 9. List of figures and tables 98 10. Acknowledgement 102 11. Curriculum vitae 103 / Vorhofflimmern (AF) ist die häufigste Herzrhythmusstörung. In den Industrieländern nimmt die Prävalenz zu, wobei ein enger Zusammenhang mit kardiovaskulären Risikofaktoren besteht. Vorhofflimmern ist zu einer großen Herausforderung für das Gesundheitssystem geworden, da es eine hohe Morbidität und eine erhöhte vorhofflimmerbedingte Mortalität aufweist. Die empfohlenen Behandlungsansätze favorisieren Rhythmuskontrollstrategien, die auf die Wiederherstellung des Sinusrhythmus abzielen. Das pathophysiologische Konzept des Vorhofflimmerns hat sich dahingehend weiterentwickelt, dass der Begriff Vorhofmyopathie definiert wurde, wobei unter anderem der entzündungsbedingte Umbau (Remodeling) des linken Vorhofs (LA) als eine Ursache und Folge der Arrhythmogenese anerkannt wird. Eines der vielen Merkmale der Vorhofmyopathie ist die Entwicklung einer Fibrose im Bereich des linken Vorhofs durch fibrös-fettige Infiltration. Dies entspricht Niederspannungszonen (LVZ), die bei invasiven elektroanatomischen Kartierungen durch eine beeinträchtigte elektrische Leitung des Myokards gekennzeichnet sind. Es hat sich gezeigt, dass epikardiales Fettgewebe (EAT) eine Schlüsselrolle in diesem entzündlichen Prozess spielt, der die Entwicklung einer linksatrialen Fibrose begünstigt. Traditionelle kardiovaskuläre Risikofaktoren verursachen die Transdifferenzierung des epikardialen Fettgewebes in Richtung eines pro-inflammatorischen Phänotyps. In letzter Zeit hat sich gezeigt, dass Antidiabetika der neuen Generation, wie z. B. Natrium-Glukose-Cotransporter-2-Inhibitoren (SGLT-2) und Glucagon-like Peptide-1 (GLP-1) Rezeptor Agonisten, eine positive Wirkung auf EAT haben, indem sie eine günstige phänotypische Verschiebung mit lokaler Entzündungshemmung und potenziellem Einfluss auf ein „reverses Remodeling“ des Vorhofs bewirken. Ziel dieser Arbeit war es, die Fähigkeit der Vorhersage von LVZ anhand von Parametern aus der kardialen Magnetresonanztomographie (CMR) zu bestätigen und die Unterschiede des Volumens des linken Vorhofs und des linksatrialen epikardialen Fettgewebes bei Vorhofflimmerpatienten mit und ohne LVZ zu beschreiben. Patienten mit Indikation zur primären Vorhofflimmerablation wurden prospektiv eingeschlossen. Zu den akquirierten CMR-Bildgebungssequenzen zählte eine LA- Angiographie und zwei verschiedene Techniken zur Darstellung des linksatrialen epikardialen Fettgewebes (T1-gewichtet und Fett-Wasser-Trennung auf DIXON-Basis). Letztere wurden miteinander verglichen. Der Volumenindex des linken Vorhofs (LAVi) und der Volumenindex des linksatrialen epikardialen Fettgewebes (LA-EATVi) aus der DIXON-basierten Bildgebung erwiesen sich als signifikante Prädiktoren für das Vorhandensein von LVZ. Für das epikardiale Fettgewebe, das mit der T1-gewichteten Bildgebung quantifiziert wurde, konnten keine signifikanten Ergebnisse erzielt werden. LA-EATVi(DIXON) war bei Patienten mit LVZ signifikant höher als bei Patienten ohne LVZ, mit einer mittleren Differenz von 10.13 ± 5.0 ml. Dasselbe konnte für LAVi gezeigt werden, mit einer mittleren Differenz von 24.46 ± 8.13 ml. Beide Parameter waren unabhängig voneinander. Außerdem konnte gezeigt werden, dass höheres Alter und weibliches Geschlecht mit dem Auftreten von LVZ assoziiert sind. Die CMR-basierte Quantifizierung von LA-EATVi(DIXON) allein oder in Kombination mit anderen prädiktiven Variablen für LVZ, wie LAVi, Alter und weiblichem Geschlecht, war in der Lage, Patienten mit niedrigem oder hohem Risiko für LVZ zu identifizieren. In der untersuchten Patientenpopulation lieferte ein kombiniertes Vorhersagemodell aus LAVi, LA-EATVi(DIXON), Alter und weiblichem Geschlecht die höchste Vorhersagekraft zur Bestimmung des Vorhandenseins von LVZ mit einer Fläche unter der Kurve (AUC) in der Grenzwertoptimierungskurve (ROC) von 0.91. Je nach Auswahl des Cutoffs für das Vorhersagemodell kann ein hoher positiver oder negativer Vorhersagewert erreicht werden, wodurch falsche Ergebnisse minimiert werden. Die klinische Umsetzung eines CMR-basierten Vorhersagemodells für das Vorhandensein von LVZ als Merkmal der LA-Myopathie könnte sich enorm auf die Behandlungsentscheidungen auswirken. Es würde die Auswahl von Patienten für schnelle und einfache Single-Shot-Ablationsverfahren bei geringem LVZ-Risiko ermöglichen, während bei Verdacht auf eine relevante LA-Myopathie komplexe und zeitaufwändigere invasive Verfahren geplant werden müssten.:1. Introduction 1 1.1. Atrial fibrillation 1 1.1.1. Risk factors 3 1.1.2. Left atrial myopathy 4 1.1.2.1. Predictive parameters of LA myopathy and atrial fibrosis 6 1.1.2.2. Imaging methods for left atrial myopathy and fibrosis 6 1.1.4. Current treatment strategies 7 1.1.4.1. Catheter ablation 9 1.2. Epicardial adipose tissue 11 1.2.1. Physiology and pathophysiology of epicardial adipose tissue 14 1.2.2. Role of epicardial adipose tissue in atrial fibrillation 15 1.2.3. Imaging techniques of epicardial adipose tissue 18 2. Objective 21 3. Methods 22 3.2. Imaging protocol 24 3.2.1. Adipose tissue imaging with DIXON approach 24 3.2.2. Adipose tissue imaging with T1 weighted imaging approach 26 3.2.3. Left atrial anatomy imaging 26 3.3. Segmentation and Quantification 27 3.4. Electroanatomic mapping and pulmonary vein isolation procedure 31 3.5. Statistical analysis 33 4. Results 34 4.2. General patient cohort characteristics 34 4.3. Patient characteristics in LVZ subgroups 36 4.4. Selected CMR parameter evaluation 39 4.4.1. Left atrial volume 39 4.4.2. Left atrial epicardial adipose tissue volume 41 4.4.2.1. DIXON based left atrial epicardial adipose tissue imaging 41 4.4.2.2. T1 weighted left atrial epicardial adipose tissue imaging 43 4.4.3. Comparison of adipose tissue imaging techniques 45 4.4.4. Reliability analysis 48 4.5. LVZ prediction models 49 4.5.1. Univariate non-CMR based LVZ prediction models 51 4.5.2. Univariate CMR based LVZ prediction models 53 4.5.3. Multivariate LVZ prediction models 57 4.5.4. Example of clinical application 62 4.5.5. Prediction model validation 64 5. Discussion 66 5.2. General aspects 66 5.3. EAT image acquisition 68 5.4. Clinical relevance 68 5.5. Future developments 70 5.6. Limitations 72 6. Summary 74 7. Zusammenfassung 76 8. References 78 9. List of figures and tables 98 10. Acknowledgement 102 11. Curriculum vitae 103

La fibrillation auriculaire (FA) est l'arythmie cardiaque la plus répandue dans le monde et est associée à une hausse de morbidité et une mortalité importante. Des progrès substantiels dans notre compréhension de l'étiologie de la maladie ont été réalisés au cours des deux dernières décennies, conduisant à une amélioration du traitement et de la gestion de la maladie. Cependant, le fardeau de la FA continue d'augmenter. De plus, les mécanismes moléculaires et cellulaires sous-jacents à l’initiation et à la progression de la FA restent incomplètement compris. Dans cette thèse, mon objectif était de caractériser de nouveaux déterminants moléculaires et cellulaires de la FA en utilisant une approche multiomique. J'ai d'abord utilisé le séquençage de l'ARN (RNAseq) pour l'ARN total et les micro-ARN (miRNA) afin de dévaluer l'effet de la FA sur l’expression génique dans deux modèles canins de FA. Ces résultats ont impliqué le locus orthologue humain 14q32 et son lien potentiel avec la signalisation du glutamate. Dans le chapitre trois, j'ai démontré les lacunes actuelles des modèles statistiques utilisés pour prédire l'effet régulateur des régions de chromatine ouvertes sur l'expression des gènes dans des essais multiomiques à noyau unique et suggéré des alternatives montrant un meilleur pouvoir prédictif. Dans le chapitre quatre, j'ai utilisé des analyses par locus quantitatifs d'expression (eQTL) pour caractériser les variants génétiques communs associés à la FA. Grâce à des analyses de colocalisation, une cartographie fine et un multiome à noyau unique, j'ai justifié mécaniquement l’effet de variants non-codants et fait la priorisation de gènes candidats, notamment GNB4, MAPT et LINC01629. Enfin, dans le chapitre cinq, j'ai fourni une caractérisation approfondie des gènes persistants de FA différentiellement exprimés au niveau cellulaire et identifié les facteurs de transcription potentiels impliqués dans leur régulation. En résumé, l’utilisation d’une approche multiomique a permis de découvrir de nombreuses nouvelles voies cellulaires et génétiques modifiées au cours de la FA ainsi que des gènes candidats impliqués dans le risque génétique de la FA. Ces résultats fournissent des informations et ressources importantes pour concevoir de nouvelles stratégies thérapeutiques, impliquant à la fois des cibles génétiques et nouvelles voies cellulaires pour lutter contre cette maladie cardiaque commune. / Atrial fibrillation (AF) is the most prevalent cardiac arrhythmia worldwide and is associated with important morbidity and mortality. Substantial advancement in our understanding of the disease etiology have been made in the past two decades leading to improved treatment and management of the disease, however, AF burden continues to increase. Moreover, the molecular and cellular mechanisms underlying AF initiation and progression remain incompletely understood. In this thesis I aimed to characterise novel molecular and cellular determinants of AF using a multiomic approache. In chapter two, I used RNA sequencing (RNAseq) for total RNA and micro-RNAs (miRNA) to decipher the effect of AF in two canine models, which implicated the orthologue human locus 14q32 and its potential role in glutamate signaling regulation. In chapter three, I demonstrated current shortcomings of statistical models used to predict the regulatory effect of open chromatin regions on gene expression in single nuclei multiomic assays and suggested alternatives showing better predictive power. In chapter four, I used expression quantitative loci (eQTL) to characterize AF associated common genetic variants. Through co-localization analyses, fine-mapping and single nuclei multiome, I mechanistically substantiated non-coding variants and prioritized strong candidate genes including GNB4, MAPT and LINC01629. Finally, in chapter five, I provided a deep characterization of persistent AF differentially expressed genes (DEGs) at the cellular level and identified potential transcription factors involved in their regulation. In summary, using a multiomic approach unraveled numerous new cellular and gene pathways altered during AF and candidate genes implicated in AF genetic risk. These findings provide important insights and data resources to design novel therapeutic strategies, targeting both genetically derived candidate genes and cellular pathways to address this pervasive cardiac disease.

[EN] Atrial tachyarrhythmias present a high prevalence in the developed world, and several studies predict that in the coming decades it will be increased. Micro or macro-reentrant mechanisms of the electrical wavefronts that govern the mechanical behavior of the heart are one of the main responsibles for the maintenance of these arrhythmias. Atrial flutter is maintained by a macro-reentry around an anatomical or functional obstacle located in the atria. In the case of atrial fibrillation, the hypothesis which describes high frequency rotors as dominant sources of the fibrillation and responsible for the maintenance of the arrhythmia, has been gaining relevance in the last years. However, the therapies that target high frequency sources have a limited efficacy with current techniques. Radiofrequency ablation allows the destruction of parts of the cardiac tissue resulting in the interruption of the reentrant circuit in case of macro-reentries or the isolation of micro-reentrant circuits. The non-invasive location of reentrant circuits would increment the efficacy of these therapies and would shorten surgery interventions. In parallel, pharmacological therapies modify ionic expressions associated to the excitability and electrical refractoriness of the cardiac tissue with the objective of hindering the maintenance of reentrant behaviors. These therapies require a deep knowledge of the ionic mechanisms underlying the reentrant behavior and its properties in order to be effective. The research in these mechanisms allows the evaluation of new targets for the treatment and thus may improve the efficacy in atrial fibrillation termination. In this thesis, mathematical modeling is used to go forward in the minimization of the limitations associated to these treatments. Body surface potential mapping has been evaluated, both clinically and by means of mathematical simulations for the diagnosis and location of macro-reentrant circuits. The analysis of phase maps obtained from multiple lead electrocardiographic recordings distributed in the whole torso allowed the discrimination between different reentrant circuits. It is the reason why this technique is presented as a tool for the non-invasive location of macro and micro-reentrant circuits. A population of mathematical models designed in this thesis based on the action potentials recordings of atrial cardiomyocites from 149 patients, allowed the evaluation of the ionic mechanisms defining the properties of reentrant behaviors. This study has allowed us defining the blockade of ICaL as a target for the pharmacological treatment. The blockade of this current is associated with the increase of the movement in the core of the rotor which easies the collision of the rotor with other wavefronts or anatomical obstacles promoting the extinction of the reentry. The variability observed between patients modeled in our population has allowed showing and explaining the mechanisms promoting divergent results of a single treatment. This is why the introduction of populations of models will allow the prevention of side effects associated to inter-subject variability and to go forward in the development of individualized therapies. These works are built through a simulation platform of cardiac electrophysiology based in Graphic Processing Units (GPUs) and developed in this thesis. The platform allows the simulation of cellular models, tissues and organs with a realistic geometry and shows features comparable to that of the platforms used by the most relevant electrophysiology research groups at the moment. / [ES] Las taquiarritmias auriculares tienen una alta prevalencia en el mundo desarrollado, además diversos estudios poblacionales indican que en las próximas décadas ésta se verá incrementada. Los mecanismos de micro o macro-reentrada de los frentes de onda eléctricos que rigen el comportamiento mecánico del corazón, se presentan como una de las principales causas del mantenimiento de estas arritmias. El flutter auricular es mantenido por un macro-reentrada alrededor de un obstáculo anatómico o funcional en las aurículas, mientras que en el caso de la fibrilación auricular la hipótesis que define a los rotores de alta frecuencia como elementos dominantes y responsables del mantenimiento de la arritmia se ha ido imponiendo al resto en los últimos años. Sin embargo, las terapias que tienen como objetivo finalizar o aislar estas reentradas tienen todavía una eficacia limitada. La ablación por radiofrecuencia permite eliminar zonas del tejido cardiaco resultando en la interrupción del circuito de reentrada en el caso de macro-reentradas o el aislamiento de comportamientos micro-reentrantes. La localización no invasiva de los circuitos reentrantes incrementaría la eficacia de estas terapias y reduciría la duración de las intervenciones quirúrgicas. Por otro lado, las terapias farmacológicas alteran las expresiones iónicas asociadas a la excitabilidad y la refractoriedad del tejido con el fin de dificultar el mantenimiento de comportamientos reentrantes. Este tipo de terapias exigen incrementar el conocimiento de los mecanismos subyacentes que explican el proceso de reentrada y sus propiedades, la investigación de estos mecanismos permite definir las dianas terapéuticas que mejoran la eficacia en la extinción de estos comportamientos. En esta tesis el modelado matemático se utiliza para dar un paso importante en la minimización de las limitaciones asociadas a estos tratamientos. La cartografía eléctrica de superficie ha sido testada, clínicamente y con simulaciones matemática,s como técnica de diagnóstico y localización de circuitos macro-reentrantes. El análisis de mapas de fase obtenidos a partir de los registros multicanal de derivaciones electrocardiográficas distribuidas en la superficie del torso permite diferenciar distintos circuitos de reentrada. Es por ello que esta técnica de registro y análisis se presenta como una herramienta para la localización no invasiva de circuitos macro y micro-reentrantes. Una población de modelos matemáticos, diseñada en esta tesis a partir de los registros de los potenciales de acción de 149 pacientes, ha permitido evaluar los mecanismos iónicos que definen las propiedades asociadas a los procesos de reentrada. Esto ha permitido apuntar al bloqueo de la corriente ICaL como diana terapéutica. Ésta se asocia al incremento del movimiento del núcleo que facilita el impacto del rotor con otros frentes de onda u obstáculos extinguiéndose así el comportamiento reentrante. La variabilidad entre pacientes reflejada en la población de modelos ha permitido además mostrar los mecanismos por los cuales un mismo tratamiento puede mostrar efectos divergentes, así el uso de poblaciones de modelos matemáticos permitirá prevenir efectos secundarios asociados a la variabilidad entre pacientes y profundizar en el desarrollo de terapias individualizadas. Estos trabajos se cimientan sobre una plataforma de simulación de electrofisiología cardiaca de basado en Unidades de Procesado Gráfico (GPUs) y desarrollada en esta tesis. La plataforma permite la simulación de modelos celulares cardiacos así como de tejidos u órganos con geometría realista, mostrando unas prestaciones comparables con las de las utilizadas por los grupos de investigación más potentes en el campo de la electrofisiología. / [CA] Les taquiarítmies auriculars tenen una alta prevalença en el món desenvolupat, a més diversos estudis poblacionals indiquen que en les pròximes dècades aquesta es veurà incrementada. Els mecanismes de micro o macro-reentrada dels fronts d'ona elèctrics que regeixen el comportament mecànic del cor, es presenten com una de les principals causes del manteniment d'aquestes arítmies. El flutter auricular és mantingut per una macro-reentrada al voltant d'un obstacle anatòmic o funcional en les aurícules, mentre que en el cas de la fibril·lació auricular la hipòtesi que defineix als rotors d'alta freqüència com a elements dominants i responsables del manteniment de l'arítmia s'ha anat imposant a la resta en els últims anys. No obstant això, les teràpies que tenen com a objectiu finalitzar o aïllar aquestes reentrades tenen encara una eficàcia limitada. L'ablació per radiofreqüència permet eliminar zones del teixit cardíac resultant en la interrupció del circuit de reentrada en el cas de macro-reentrades o l'aïllament de comportaments micro-reentrants. La localització no invasiva dels circuits reentrants incrementaria l'eficàcia d'aquestes teràpies i reduiria la durada de les intervencions quirúrgiques. D'altra banda, les teràpies farmacològiques alteren les expressions iòniques associades a la excitabilitat i la refractaritat del teixit amb la finalitat de dificultar el manteniment de comportaments reentrants. Aquest tipus de teràpies exigeixen incrementar el coneixement dels mecanismes subjacents que expliquen el procés de reentrada i les seues propietats, la recerca d'aquests mecanismes permet definir les dianes terapèutiques que milloren l'eficàcia en l'extinció d'aquests comportaments. En aquesta tesi el modelatge matemàtic s'utilitza per a fer un pas important en la minimització de les limitacions associades a aquests tractaments. La cartografia elèctrica de superfície ha sigut testada, clínicament i amb simulacions matemàtiques com a tècnica de diagnòstic i localització de circuits macro-reentrants. L'anàlisi de mapes de fase obtinguts a partir dels registres multicanal de derivacions electrocardiogràfiques distribuïdes en la superfície del tors permet diferenciar diferents circuits de reentrada. És per açò que aquesta tècnica de registre i anàlisi es presenta com una eina per a la localització no invasiva de circuits macro i micro-reentrants. Una població de models matemàtics, dissenyada en aquesta tesi a partir dels registres dels potencials d'acció de 149 pacients, ha permès avaluar els mecanismes iònics que defineixen les propietats associades als processos de reentrada. Açò ha permès apuntar al bloqueig del corrent ICaL com a diana terapèutica. Aquesta s'associa a l'increment del moviment del nucli que facilita l'impacte del rotor amb altres fronts d'ona o obstacles extingint-se així el comportament reentrant. La variabilitat entre pacients reflectida en la població de models ha permès a més mostrar els mecanismes pels quals un mateix tractament pot mostrar efectes divergents, així l'ús de poblacions de models matemàtics permetrà prevenir efectes secundaris associats a la variabilitat entre pacients i aprofundir en el desenvolupament de teràpies individualitzades. Aquests treballs es fonamenten sobre una plataforma de simulació de electrofisiologia cardíaca basat en Unitats de Processament Gràfic (GPUs) i desenvolupada en aquesta tesi. La plataforma permet la simulació de models cel·lulars cardíacs així com de teixits o òrgans amb geometria realista, mostrant unes prestacions comparables amb les de les utilitzades per els grups de recerca més importants en aquesta área. / Liberos Mascarell, A. (2016). Mathematical modeling approaches for the diagnosis and treatment of reentrant atrial tachyarrhythmias [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62166

Vorhofflimmern ist die häufigste behandlungsbedürftige Herzrhythmusstörung. Die Erhöhung des Schlaganfallrisikos, die Einschränkung der Herzleistung und nicht zuletzt ein Verlust an Lebensqualität sind bedeutsame Folgen dieser Erkrankung. Bisherige pharmakologische Therapieansätze sind insbesondere beim paroxysmalem Vorhofflimmern nur von unzureichender Wirkung, so dass in letzter Zeit nicht-pharmakologische Therapieoptionen untersucht werden. Elektrophysiologische und klinische Untersuchungen legen nahe, dass bifokale rechtsatriale Schrittmacherstimulation die Rezidivhäufigkeit von paroxysmalem Vorhofflimmern senken kann. In der DUSTI-Studie (DUal-site STImulation for prevention of paroxysmal atrial fibrillation) wurde untersucht, ob bifokale atriale Überstimulation die Rezidivhäufigkeit gegenüber unifokaler Überstimulation und lediglich antibradykarder Stimulation senken kann. Hierzu wurden 19 Patienten (61 ± 12 Jahre, 13 männlich) mit paroxysmalem Vorhofflimmern und einer Indikation zur Schrittmacherimplantation in eine prospektive, einfach-blinde, randomisierte Cross-over-Studie eingeschlossen. Ein herkömmlicher Zwei-Kammer-Schrittmacher, eine ventrikuläre Sonde und zwei über einen Y-Konnektor verbundene rechtsatriale Sonden, eine septal, die andere lateral wurden implantiert. Alle Patienten wurden zunächst 12 Wochen durch Programmierung einer Interventionsfrequenz von 50/min möglichst wenig atrial stimuliert. Danach wurden alle Patienten möglichst immer atrial stimuliert (Überstimulation mit 10/min über der Eigenfrequenz), in zufälliger Reihenfolge 12 Wochen bifokal (septal und lateral) und 12 Wochen unifokal (septal oder lateral). Unter bifokaler Stimulation war die Vorhofflimmerlast ebenso groß wie unter unifokaler Stimulation (6,20% ± 9,91% vs. 6,15% ± 11,09%, Intention-to-treat-Analyse) In den Überstimulationsphasen zeigte sich ein Trend zur Abnahme der Vorhofflimmerlast gegenüber der Phase mit geringen atrialen Stimulationsraten (6,15% ± 10,32% vs. 8,84% ± 11,34%, p=0,09, Intention-to-treat-Analyse). Hinsichtlich der Anzahl der Vorhofflimmerepisoden, der Zeit bis zum Vorhofflimmerrezidiv und der Symptomatik fanden sich signifikante Unterschiede weder zwischen uni- und bifokaler Stimulation, noch zwischen Überstimulation und geringer atrialer Stimulation. Die verwendeten Methoden waren gut durchführbar und sicher. Die schrittmacherbasierte Vorhofflimmerdiagnostik erwies sich, vor allem durch die zusätzliche atriale Elektrode, als technisch kompliziert und teilweise fehlerbehaftet. In einem nicht selektierten Patientenkollektiv ist die bifokale rechtsatriale Schrittmacherstimulation zur Rezidivprophylaxe des paroxysmalen Vorhofflimmerns nicht besser geeignet als unifokale Stimulation. Der höhere Aufwand der Implantation einer zweiten atrialen Sonde scheint nicht gerechtfertigt. Andere Studien müssen zeigen, ob bestimmte Patienten-Subgruppen von der bifokalen rechtsatrialen Stimulation profitieren / Atrial fibrillation is the most common sustained cardiac arrhythmia. It substantially increases the risk of stroke, impairs cardiac output and may lower the quality of life. Because pharmacotherapeutic approaches often yield unsatisfactory results - especially with paroxysmal atrial fibrillation, various non-pharmacological therapies have been studied. Electrophysiological and clinical research suggests, that dual-site atrial stimulation may suppress paroxysms of atrial fibrillation. The DUSTI trial was designed to test the hypothesis that dual-site stimulation prevents atrial fibrillation better than single-site stimulation or support pacing. Nineteen patients (61 ± 12 years, 13 male) with paroxysmal atrial fibrillation and a standard indication for pacemaker implantation were included in a prospective, single-blinded, randomized cross-over-trial. A conventional dual-chamber pacemaker with one ventricular and two atrial leads was implanted. Atrial leads were placed at the atrial septum and at the right atrial wall, and connected via a Y-connector to the atrial port. For the first twelve weeks patients only received support pacing (at 50 bpm). Afterwards patients received continuous atrial pacing (at 10 bpm above the intrinsic heart rate), 12 weeks dual-site pacing (septal and lateral) and 12 weeks single-site pacing (septal or lateral) in random order. Atrial fibrillation burden was the same between dual-site pacing and single-site pacing (6.20% ± 9.91% vs. 6.15% ± 11.09%, intention-to-treat-analysis). A trend towards less atrial fibrillation with continuous pacing compared to support pacing was observed (6.15% ± 10.32% vs. 8.84% ± 11.34%, p=0.09, intention-to-treat-analysis). There was no significant difference in number of atrial fibrillation episodes, time to recurrence and symptoms, neither between dual- and single-site pacing, nor between continuous and support pacing. Dual-site pacing proved to be feasible and safe. The detection of atrial fibrillation by the pacemaker''s diagnostic algorithms was, however, troubled by the additional atrial lead. Dual-site pacing offers no further advantage to single-site pacing for prevention of atrial fibrillation recurrences in unselected patients. The implantation of an additional atrial lead in patients with paroxysmal atrial fibrillation, requiring a pacemaker, seems to be not justified. Future trials will investigate whether certain subgroups of patients will benefit from dual-site atrial pacing.

Atrial fibrillation is one of the most common cardiac rhythm disorders characterized by ever-increasing prevalence and incidence in the Czech Republic and abroad. The incidence of atrial fibrillation is reported at 2-4 % of the population, but due to the often asymptomatic course, the real prevalence is even higher. The aim of this work is to design an algorithm for automatic detection of atrial fibrillation in the ECG record. In the practical part of this work, an algorithm for the detection of atrial fibrillation is proposed. For the detection itself, the k-nearest neighbor method, the support vector method and the multilayer neural network were used to classify ECG signals using features indicating the variability of RR intervals and the presence of the P wave in the ECG recordings. The best detection was achieved by a model using a multilayer neural network classification with two hidden layers. Results of success indicators: Sensitivity 91.23 %, Specificity 99.20 %, PPV 91.23 %, F-measure 91.23 % and Accuracy 98.53 %.

Coronary artery disease (CAD) is the leading cause of mortality worldwide and atrial fibrillation (AF) is a prevalent arrhythmia associated with increased risk of mortality and morbidity. Despite improved outcome in both diseases, there is a need to further describe the prevalence, outcome and management of CAD in patients with concomitant AF. AF was a common finding among patients with MI, with 16% having new-onset, paroxysmal or chronic AF. Patients post-MI with concomitant AF, regardless of subtype, were at increased risk of composite cardiovascular outcome of mortality, MI or ischemic stroke, including mortality and ischemic stroke alone. No major difference in outcome was observed between AF subtypes. At discharge, an oral anticoagulant was prescribed to 27% of the patients with MI and AF undergoing percutaneous coronary intervention (PCI). Aspirin or clopidogrel plus warfarin versus dual antiplatelet therapy with aspirin plus clopidogrel were associated with similar 0-90-day and lower 91-365-day risk of cardiovascular outcome, without increased risk of major bleeding events. Triple therapy with aspirin, clopidogrel plus warfarin versus dual antiplatelet therapy was associated with non-significant lower risk of cardiovascular outcome, but with increased risk of bleeding events. Treatment with renin-angiotensin system (RAS) inhibitors post-MI was associated with lower risk of all-cause and cardiovascular mortality in patients with and without congestive heart failure and/or AF. However, RAS inhibition in patients without AF was not associated with lower risk of new-onset AF. Approximately 1 in 3 patients undergoing isolated coronary artery bypass grafting (CABG) had pre- or postoperative AF. Patients with AF, regardless of subtype, were at higher risk of all-cause mortality, cardiovascular mortality and congestive heart failure. Furthermore, postoperative AF was associated with higher risk of recurrent AF. In conclusion, AF was a common finding in the setting of MI and CABG. AF, irrespectively if in the setting of MI or CABG was associated with higher risk of ischemic events and mortality. Also, postoperative AF was associated with recurrent AF. Oral anticoagulants post-MI and PCI in patients with AF was underutilized, however, optimal antithrombotic therapy is still unknown. RAS inhibition post-MI seems beneficial, however, it was not associated with lower incidence of new-onset AF.

Contexte : La fibrillation auriculaire est commune chez les insuffisants cardiaques. L’efficacité des stratégies de contrôle de la fréquence et du rythme s’équivalent. Nous avons comparé l’impact économique des deux stratégies de traitement chez les patients avec fibrillation auriculaire et insuffisance cardiaque. Méthode : Dans cette sous-étude de l’essai Atrial Fibrillation and Congestive Heart Failure, la consommation de soins de santé des patients Québécois ainsi que leurs coûts ont été quantifiés grâce aux banques de données de la Régie de l’assurance-maladie du Québec et de l’Ontario Case Costing Initiative. Résultats : Trois cent quatre patients ont été inclus, âgés de 68±9 ans, fraction d’éjection de 26±6%. Les caractéristiques de base étaient bien réparties entre le contrôle du rythme (N=149) et de la fréquence (N=155). Les patients soumis au contrôle de la fréquence ont eu moins de procédures cardiovasculaires (146 versus 238, P<0.001) en raison du plus faible nombre de cardioversions et de moindres coûts reliés aux antiarythmiques (48 $±203 versus 1319 $±1058 par patient, P<0.001). Ces différences ont été compensées par un surplus de dépenses dues aux hospitalisations non-cardiovasculaires, aux dispositifs cardiaques implantables et aux médicaments non-cardiovasculaires dans le groupe du contrôle de la fréquence. Au total, les coûts par patient avec les stratégies du contrôle de la fréquence et du rythme s’élèvent à 78 767 $±79 568 et 72 764 $±72 800 (P=0.49). Interprétation : Chez les patients avec fibrillation auriculaire et insuffisance cardiaque, le contrôle de la fréquence est associé avec moins de procédures cardiovasculaires et une pharmacothérapie cardiovasculaire moins coûteuse. Toutefois, les coûts associés aux arythmies représentent moins de la moitié des dépenses de santé et le total des coûts s’équilibre entre les 2 stratégies. / Background: Atrial fibrillation is common in patients with heart failure. Rhythm and rate-control strategies are associated with similar efficacy outcomes. We compared the economic impact of the two treatment strategies in patients with atrial fibrillation and heart failure. Methods: In a pre-specified substudy of the Atrial Fibrillation and Congestive Heart Failure trial, healthcare expenditures of patients from Quebec were analyzed from a single-payer perspective using a cost-minimization approach. In-trial resource utilization including hospitalizations, procedures, emergency department visits, outpatient encounters, and medications were estimated from Quebec Health Insurance Board administrative databases supplemented by disease-specific costs from the Ontario Case Costing Initiative. Results: A total of 304 patients were included, age 68±9 years, 86% male, ejection fraction 26±6%. Baseline characteristics were similar in rhythm (N=149) and rate-control (N=155) groups. Arrhythmia-related costs accounted for 45% of total expenditures. Rate-control patients had fewer cardiovascular procedures (146 versus 238, P<0.001), driven by fewer cardioversions, and lower costs related to antiarrhythmic drugs ($48±203 versus $1319±1058 per patient, P<0.001). However, these differences were offset by trends towards higher expenditures due to hospitalizations for non-cardiovascular diagnoses, implantable cardiac arrhythmia devices, and non-cardiovascular drugs with rate-control. Overall, the total cost per patient was similar with rate and rhythm-control strategies ($78 767±79 568 versus $72 764±72 800, P=0.49). Interpretation: In patients with atrial fibrillation and heart failure, rate control is associated with fewer cardiovascular procedures, most notably cardioversions, and less expensive cardiovascular drugs. However, arrhythmia-related costs account for less than half of all healthcare expenditures and overall costs are similar with the two strategies.

La fibrillation auriculaire (FA) est une arythmie touchant les oreillettes. En FA, la contraction auriculaire est rapide et irrégulière. Le remplissage des ventricules devient incomplet, ce qui réduit le débit cardiaque. La FA peut entraîner des palpitations, des évanouissements, des douleurs thoraciques ou l’insuffisance cardiaque. Elle augmente aussi le risque d'accident vasculaire. Le pontage coronarien est une intervention chirurgicale réalisée pour restaurer le flux sanguin dans les cas de maladie coronarienne sévère. 10% à 65% des patients qui n'ont jamais subi de FA, en sont victime le plus souvent lors du deuxième ou troisième jour postopératoire. La FA est particulièrement fréquente après une chirurgie de la valve mitrale, survenant alors dans environ 64% des patients. L'apparition de la FA postopératoire est associée à une augmentation de la morbidité, de la durée et des coûts d'hospitalisation. Les mécanismes responsables de la FA postopératoire ne sont pas bien compris. L'identification des patients à haut risque de FA après un pontage coronarien serait utile pour sa prévention. Le présent projet est basé sur l'analyse d’électrogrammes cardiaques enregistrées chez les patients après pontage un aorte-coronaire. Le premier objectif de la recherche est d'étudier si les enregistrements affichent des changements typiques avant l'apparition de la FA. Le deuxième objectif est d'identifier des facteurs prédictifs permettant d’identifier les patients qui vont développer une FA. Les enregistrements ont été réalisés par l'équipe du Dr Pierre Pagé sur 137 patients traités par pontage coronarien. Trois électrodes unipolaires ont été suturées sur l'épicarde des oreillettes pour enregistrer en continu pendant les 4 premiers jours postopératoires. La première tâche était de développer un algorithme pour détecter et distinguer les activations auriculaires et ventriculaires sur chaque canal, et pour combiner les activations des trois canaux appartenant à un même événement cardiaque. L'algorithme a été développé et optimisé sur un premier ensemble de marqueurs, et sa performance évaluée sur un second ensemble. Un logiciel de validation a été développé pour préparer ces deux ensembles et pour corriger les détections sur tous les enregistrements qui ont été utilisés plus tard dans les analyses. Il a été complété par des outils pour former, étiqueter et valider les battements sinusaux normaux, les activations auriculaires et ventriculaires prématurées (PAA, PVA), ainsi que les épisodes d'arythmie. Les données cliniques préopératoires ont ensuite été analysées pour établir le risque préopératoire de FA. L’âge, le niveau de créatinine sérique et un diagnostic d'infarctus du myocarde se sont révélés être les plus importants facteurs de prédiction. Bien que le niveau du risque préopératoire puisse dans une certaine mesure prédire qui développera la FA, il n'était pas corrélé avec le temps de l'apparition de la FA postopératoire. Pour l'ensemble des patients ayant eu au moins un épisode de FA d’une durée de 10 minutes ou plus, les deux heures précédant la première FA prolongée ont été analysées. Cette première FA prolongée était toujours déclenchée par un PAA dont l’origine était le plus souvent sur l'oreillette gauche. Cependant, au cours des deux heures pré-FA, la distribution des PAA et de la fraction de ceux-ci provenant de l'oreillette gauche était large et inhomogène parmi les patients. Le nombre de PAA, la durée des arythmies transitoires, le rythme cardiaque sinusal, la portion basse fréquence de la variabilité du rythme cardiaque (LF portion) montraient des changements significatifs dans la dernière heure avant le début de la FA. La dernière étape consistait à comparer les patients avec et sans FA prolongée pour trouver des facteurs permettant de discriminer les deux groupes. Cinq types de modèles de régression logistique ont été comparés. Ils avaient une sensibilité, une spécificité et une courbe opérateur-receveur similaires, et tous avaient un niveau de prédiction des patients sans FA très faible. Une méthode de moyenne glissante a été proposée pour améliorer la discrimination, surtout pour les patients sans FA. Deux modèles ont été retenus, sélectionnés sur les critères de robustesse, de précision, et d’applicabilité. Autour 70% patients sans FA et 75% de patients avec FA ont été correctement identifiés dans la dernière heure avant la FA. Le taux de PAA, la fraction des PAA initiés dans l'oreillette gauche, le pNN50, le temps de conduction auriculo-ventriculaire, et la corrélation entre ce dernier et le rythme cardiaque étaient les variables de prédiction communes à ces deux modèles. / Atrial fibrillation (AF) is an abnormal heart rhythm (cardiac arrhythmia). In AF, the atrial contraction is rapid and irregular, and the filling of the ventricles becomes incomplete, leading to reduce cardiac output. Atrial fibrillation may result in symptoms of palpitations, fainting, chest pain, or even heart failure. AF is an also an important risk factor for stroke. Coronary artery bypass graft surgery (CABG) is a surgical procedure to restore the perfusion of the cardiac tissue in case of severe coronary heart disease. 10% to 65% of patients who never had a history of AF develop AF on the second or third post CABG surgery day. The occurrence of postoperative AF is associated with worse morbidity and longer and more expensive intensive-care hospitalization. The fundamental mechanism responsible of AF, especially for post-surgery patients, is not well understood. Identification of patients at high risk of AF after CABG would be helpful in prevention of postoperative AF. The present project is based on the analysis of cardiac electrograms recorded in patients after CABG surgery. The first aim of the research is to investigate whether the recordings display typical changes prior to the onset of AF. A second aim is to identify predictors that can discriminate the patients that will develop AF. Recordings were made by the team of Dr. Pierre Pagé on 137 patients treated with CABG surgery. Three unipolar electrodes were sutured on the epicardium of the atria to record continuously during the first 4 post-surgery days. As a first stage of the research, an automatic and unsupervised algorithm was developed to detect and distinguish atrial and ventricular activations on each channel, and join together the activation of the different channels belonging to the same cardiac event. The algorithm was developed and optimized on a training set, and its performance assessed on a test set. Validation software was developed to prepare these two sets and to correct the detections over all recordings that were later used in the analyses. It was complemented with tools to detect, label and validate normal sinus beats, atrial and ventricular premature activations (PAA, PVC) as well as episodes of arrhythmia. Pre-CABG clinical data were then analyzed to establish the preoperative risk of AF. Age, serum creatinine and prior myocardial infarct were found to be the most important predictors. While the preoperative risk score could to a certain extent predict who will develop AF, it was not correlated with the post-operative time of AF onset. Then the set of AF patients was analyzed, considering the last two hours before the onset of the first AF lasting for more than 10 minutes. This prolonged AF was found to be usually triggered by a premature atrial PAA most often originating from the left atrium. However, along the two pre-AF hours, the distribution of PAA and of the fraction of these coming from the left atrium was wide and inhomogeneous among the patients. PAA rate, duration of transient atrial arrhythmia, sinus heart rate, and low frequency portion of heart rate variability (LF portion) showed significant changes in last hour before the onset of AF. Comparing all other PAA, the triggering PAA were characterized by their prematurity, the small value of the maximum derivative of the electrogram nearest to the site of origin, as well as the presence of transient arrhythmia and increase LF portion of the sinus heart rate variation prior to the onset of the arrhythmia. The final step was to compare AF and Non-AF patients to find predictors to discriminate the two groups. Five types of logistic regression models were compared, achieving similar sensitivity, specificity, and ROC curve area, but very low prediction accuracy for Non-AF patients. A weighted moving average method was proposed to design to improve the accuracy for Non-AF patient. Two models were favoured, selected on the criteria of robustness, accuracy, and practicability. Around 70% Non-AF patients were correctly classified, and around 75% of AF patients in the last hour before AF. The PAA rate, the fraction of PAA initiated in the left atrium, pNN50, the atrio-ventricular conduction time, and the correlation between the latter and the heart rhythm were common predictors of these two models.

La fibrillation auriculaire, l'arythmie la plus fréquente en clinique, affecte 2.3 millions de patients en Amérique du Nord. Pour en étudier les mécanismes et les thérapies potentielles, des modèles animaux de fibrillation auriculaire ont été développés. La cartographie électrique épicardique à haute densité est une technique expérimentale bien établie pour suivre in vivo l'activité des oreillettes en réponse à une stimulation électrique, à du remodelage, à des arythmies ou à une modulation du système nerveux autonome. Dans les régions qui ne sont pas accessibles par cartographie épicardique, la cartographie endocardique sans contact réalisée à l'aide d'un cathéter en forme de ballon pourrait apporter une description plus complète de l'activité auriculaire. Dans cette étude, une expérience chez le chien a été conçue et analysée. Une reconstruction électro-anatomique, une cartographie épicardique (103 électrodes), une cartographie endocardique sans contact (2048 électrodes virtuelles calculées à partir un cathéter en forme de ballon avec 64 canaux) et des enregistrements endocardiques avec contact direct ont été réalisés simultanément. Les systèmes d'enregistrement ont été également simulés dans un modèle mathématique d'une oreillette droite de chien. Dans les simulations et les expériences (après la suppression du nœud atrio-ventriculaire), des cartes d'activation ont été calculées pendant le rythme sinusal. La repolarisation a été évaluée en mesurant l'aire sous l'onde T auriculaire (ATa) qui est un marqueur de gradient de repolarisation. Les résultats montrent un coefficient de corrélation épicardique-endocardique de 0.8 (expérience) and 0.96 (simulation) entre les cartes d'activation, et un coefficient de corrélation de 0.57 (expérience) and 0.92 (simulation) entre les valeurs de ATa. La cartographie endocardique sans contact apparait comme un instrument expérimental utile pour extraire de l'information en dehors des régions couvertes par les plaques d'enregistrement épicardique. / Atrial fibrillation is the most common clinical arrhythmia currently affecting 2.3 million patients in North America. To study its mechanisms and potential therapies, animal models of atrial fibrillation have been developed. Epicardial high-density electrical mapping is a well-established experimental instrument to monitor in vivo the activity of the atria in response to pacing, remodeling, arrhythmias and modulation of the autonomic nervous system. In regions that are not accessible by epicardial mapping, noncontact endocardial mapping performed through a balloon catheter may provide a more comprehensive description of atrial activity. In this study, a dog experiment was designed and analyzed in which electroanatomical reconstruction, epicardial mapping (103 electrodes), noncontact endocardial mapping (2048 virtual electrodes computed from a 64-channel balloon catheter), and direct-contact endocardial catheter recordings were simultaneously performed. The recording system was also simulated in a computer model of the canine right atrium. For simulations and experiments (after atrio-ventricular node suppression), activation maps were computed during sinus rhythm. Repolarization was assessed by measuring the area under the atrial T wave (ATa), a marker of repolarization gradients. Results showed an epicardial endocardial correlation coefficient of 0.8 (experiment) and 0.96 (simulation) between activation times, and a correlation coefficient of 0.57 (experiment) and 0.92 (simulation) between ATa values. Noncontact mapping appears to be a valuable experimental device to retrieve information outside the regions covered by epicardial recording plaques.