Atrial fibrillation and atrial flutter are the most common sustained arrhythmias, however their underlying mechanisms are yet to be fully characterised. This thesis evaluates the electrophysiological and electroanatomical substrate of the atria in patients with these arrhythmias. Experimental studies of atrial fibrillation have demonstrated effective refractory period shortening and conduction slowing as a result of atrial fibrillation giving rise to the concept that "atrial fibrillation begets atrial fibrillation". However, cardioversion to prevent electrical remodelling does not prevent progression of disease, suggesting a "second factor" drives this process. Chapters 2 and 3 evaluate the atrial substrate in patients with "lone" atrial fibrillation. These studies demonstrate such patients, remote from an arrhythmic event, have prolongation of atrial refractoriness, conduction slowing, impairment of sinus node function, site-specific conduction delay, lower voltage and a greater proportion of complex electrograms compared to reference patients. These abnormalities constitute the "second factor" critical to the development and progression of atrial fibrillation. Atrial flutter has a close inter-relationship with atrial fibrillation and these rhythms frequently co-exist. Atrial fibrillation often occurs in patients with heart disease known to demonstrate abnormal atrial substrate; whether similar substrate exists in patients with atrial flutter to account for the co-existence of both arrhythmias is unknown. Chapters 4 and 5 evaluate the atrial substrate in patients with atrial flutter, remote from arrhythmia, demonstrating structural abnormalities characterised by loss of myocardial voltage, conduction slowing and impaired sinus node function, without reduction in atrial refractoriness. These findings implicate a common substrate as the cause of the close inter-relationship between these arrhythmias. There is a frequent association between atrial arrhythmia and sinus node disease for which several mechanisms have been postulated. In addition, there is a size discrepancy between the anatomical sinus node and the much larger functional sinus node complex. little is known about normal sinus node function or the effects of remodelling due to arrhythmia. Chapter 6 characterises sinus node activation to determine the nature and extent of the functional sinus node complex in patients with and without chronic atrial flutter. The functional sinus node complex demonstrates dynamic shifts in activation with preferential pathways of conduction to atrial myocardium. Patients with atrial flutter demonstrate lesser voltage, longer conduction times along preferential pathways and a smaller functional sinus node complex. These findings provide insights into the function of the human sinus node in health and disease. Sites of complex fractionated atrial electrograms and highest dominant frequency are implicated in maintaining atrial fibrillation. Chapter 7 determines the minimum recording duration that accurately characterises electrogram complexity and activation frequency. An electrogram duration of 5 seconds is required to accurately identify these sites. Chapter 8 evaluates the relationship between sites of fractionation and high frequency activation during atrial fibrillation. Greater fractionation and higher dominant frequency are seen in persistent atrial fibrillation and left atria. Preferential areas of high dominant frequency are observed in paroxysmal but not persistent atrial fibrillation. Areas of complex fractionated atrial electrograms are found adjacent to sites of high dominant frequency. / Thesis (Ph.D.) -- University of Adelaide, School of Medicine, 2009

A finite-element model of a two-dimensional slice of human atrial tissue for the study of the electrograms and propagation of action potentials is presented. Action potential propagation is described by a reaction-diffusion model coupled with the complex Courtemanche et al. atrial cell model. The effects of recording electrode size and location on electrograms are presented. Action potential propagation as a result of atrial fibrillation ablation therapy is also modeled by defining a lesion area with decreased electrical conductivity. The effect of electrical conductivity and geometry of the lesion was also studied. It is shown that the success rate of atrial fibrillation ablation therapy is primarily correlated with the creation of continuous ablation lines and also the formation of fibrous tissue.

Fond : Le substrat de fibrillation auriculaire (FA) vagale et celui secondaire à remodelage par tachycardie auriculaire (RTA) partagent beaucoup des caractéristiques : période réfractaire efficace (PRE) réduite, hétérogénéité accrue de PRE et quelques mécanismes moléculaires communs. Cette étude a comparé les 2 substrats à une abréviation comparable de PRE. Méthodes : Chez chacun de 6 chiens de groupe de stimulation vagal (SV), les paramètres de stimulation cervicale bilatérale de nerves vagaux ont été ajustés pour produire la même PRE moyenne (calculé à 8 sites des oreillettes gauche et droite) avec 6 chiens de groupe de RTA assorti à sexe et poids. Des paramètres électrophysiologiques, la durée moyenne de la fibrillation auriculaire (DAF) et les fréquences dominantes (FD) locales ont étés calculés. Résultats : En dépit des PREs assorties (SV: 80±12msec contre RTA: 79±12msec) la DAF était plus longue (*), l’hétérogénéité de conduction était plus élevée (*), la FD était plus rapide (*) et la variabilité de FD plus grande (*) chez les chiens SV. Les zones de maximum FD qui reflètent les zones d’origine de FA étaient à côté de ganglions autonomes chez les chiens SV. Conclusions : Pour un PRE atriale comparable, la FA secondaire à SV est plus rapide et plus persistante que la FA avec un substrat de RTA. Ces résultats sont consistants avec des modèles de travail suggérant que l'hyperpolarisation SV-induite contribue de façon important à la stabilisation et à l'accélération des rotors qui maintiennent la FA. La similitude de la distribution de FD du groupe vagal avec la distribution des lésions d’ablation après cartographie des électrogrammes atriales fragmentés suggère des nouvelles techniques d’ablation. La distribution des FD entre le SV et le RTA fournit de nouvelles idées au sujet de possible rémodelage neuroreceptorial et indique des différences importantes entre ces substrats de FA superficiellement semblables. / Background: Vagal nerve stimulation (VS) and atrial tachycardia remodeled (ATR) atrial fibrillation (AF) substrates share many features: reduced effective refractory period (ERP), increased ERP heterogeneity and some common molecular mechanisms. This study compared VS and ATR substrates at comparable ERP abbreviation. Methods: In each of 6 VS dogs, bilateral cervical VS parameters were adjusted to produce the same mean ERP as a sex and weight matched ATR dog. Electrophysiological parameters, mean duration of AF (DAF) and local dominant frequencies (DF) were determined (before (CTL) and after VS in VS dogs). Results: Despite matched ERPs (VG: 80±12msec vs ATR: 79±12msec) DAF was greater (*), conduction heterogeneity was greater (*), DF was faster (*) and DF variability greater (*) in VS dogs. AF drivers reflected by maximum DF zones were adjacent to autonomic ganglia in VS dogs; there was a tendency (p<0.07) to faster driver zones in the left atrium comparing to the right in ATR dogs. Conclusions: For a comparable atrial ERP, VS AF is faster and more persistent than AF with an ATR substrate. These results are consistent with modeling work suggesting that VS-induced hyperpolarization is an important contributor to AF-maintaining rotor stabilization and acceleration. Similarities in DF distribution in VS dogs with distribution of ablation lesions performed after Complex Fractionated Atrial Electrograms mapping suggests new curative ablation methods. DF distribution differences between VS and ATR provides new ideas about possible neuroreceptorial remodeling and indicates important differences between these superficially similar AF substrates.

La modélisation du vivant, en particulier la modélisation de l'activité cardiaque, est devenue un défi scientifique majeur. Le but de cette thématique est de mieux comprendre les phénomènes physiologiques et donc d'apporter des solutions à des problèmes cliniques. Nous nous intéressons dans cette thèse à la modélisation et à l'étude numérique de l'activité électrique du cœur, en particulier l'étude des électrocardiogrammes (ECGs). L'onde électrique dans le cœur est gouvernée par un système d'équations de réaction-diffusion appelé modèle bidomaine ce système est couplé à une EDO représentant l'activité cellulaire. Afin simuler des ECGs, nous tenons en compte la propagation de l'onde électrique dans le thorax qui est décrite par une équation de diffusion. Nous commençons par une démonstrer l'existence d'une solution faible du système couplé cœur-thorax pour une classe de modèles ioniques phénoménologiques. Nous prouvons ensuite l'unicité de cette solution sous certaines conditions. Le plus grand apport de cette thèse est l'étude et la simulation numérique du couplage électrique cœur-thorax. Les résultats de simulations sont représentés à l'aide des ECGs. Dans une première partie, nous produisons des simulations pour un cas normal et pour des cas pathologiques (blocs de branche gauche et droit et des arhythmies). Nous étudions également l'impact de certaines hypothèses de modélisation sur les ECGs (couplage faible, utilisation du modèle monodomaine, isotropie, homogénéité cellulaire, comportement résistance-condensateur du péricarde,. . . ). Nous étudions à la fin de cette partie la sensibilité des ECGs par apport aux paramètres du modèle. En deuxième partie, nous effectuons l'analyse numérique de schémas du premier ordre en temps découplant les calculs du potentiel d'action et du potentiel extérieur. Puis, nous combinons ces schémas en temps avec un traîtement explicite du type Robin-Robin des conditions de couplage entre le cœur et le thorax. Nous proposons une analyse de stabilité de ces schémas et nous illustrons les résultats avec des simulations numériques d'ECGs. La dernière partie est consacrée à trois applications. Nous commençons par l'estimation de certains paramètres du modèle (conductivité du thorax et paramètres ioniques). Dans la deuxième application, qui est d'originie industrielle, nous utilisons des méthodes d'apprentissage statistique pour reconstruire des ECGs à partir de mesures ('électrogrammes). Enfin, nous présentons des simulations électro-mécaniques du coeur sur une géométrie réelle dans diverses situations physiologiques et pathologiques. Les indicateurs cliniques, électriques et mécaniques, calculés à partir de ces simulations sont très similaires à ceux observés en réalité.

Fond : Le substrat de fibrillation auriculaire (FA) vagale et celui secondaire à remodelage par tachycardie auriculaire (RTA) partagent beaucoup des caractéristiques : période réfractaire efficace (PRE) réduite, hétérogénéité accrue de PRE et quelques mécanismes moléculaires communs. Cette étude a comparé les 2 substrats à une abréviation comparable de PRE. Méthodes : Chez chacun de 6 chiens de groupe de stimulation vagal (SV), les paramètres de stimulation cervicale bilatérale de nerves vagaux ont été ajustés pour produire la même PRE moyenne (calculé à 8 sites des oreillettes gauche et droite) avec 6 chiens de groupe de RTA assorti à sexe et poids. Des paramètres électrophysiologiques, la durée moyenne de la fibrillation auriculaire (DAF) et les fréquences dominantes (FD) locales ont étés calculés. Résultats : En dépit des PREs assorties (SV: 80±12msec contre RTA: 79±12msec) la DAF était plus longue (*), l’hétérogénéité de conduction était plus élevée (*), la FD était plus rapide (*) et la variabilité de FD plus grande (*) chez les chiens SV. Les zones de maximum FD qui reflètent les zones d’origine de FA étaient à côté de ganglions autonomes chez les chiens SV. Conclusions : Pour un PRE atriale comparable, la FA secondaire à SV est plus rapide et plus persistante que la FA avec un substrat de RTA. Ces résultats sont consistants avec des modèles de travail suggérant que l'hyperpolarisation SV-induite contribue de façon important à la stabilisation et à l'accélération des rotors qui maintiennent la FA. La similitude de la distribution de FD du groupe vagal avec la distribution des lésions d’ablation après cartographie des électrogrammes atriales fragmentés suggère des nouvelles techniques d’ablation. La distribution des FD entre le SV et le RTA fournit de nouvelles idées au sujet de possible rémodelage neuroreceptorial et indique des différences importantes entre ces substrats de FA superficiellement semblables. / Background: Vagal nerve stimulation (VS) and atrial tachycardia remodeled (ATR) atrial fibrillation (AF) substrates share many features: reduced effective refractory period (ERP), increased ERP heterogeneity and some common molecular mechanisms. This study compared VS and ATR substrates at comparable ERP abbreviation. Methods: In each of 6 VS dogs, bilateral cervical VS parameters were adjusted to produce the same mean ERP as a sex and weight matched ATR dog. Electrophysiological parameters, mean duration of AF (DAF) and local dominant frequencies (DF) were determined (before (CTL) and after VS in VS dogs). Results: Despite matched ERPs (VG: 80±12msec vs ATR: 79±12msec) DAF was greater (*), conduction heterogeneity was greater (*), DF was faster (*) and DF variability greater (*) in VS dogs. AF drivers reflected by maximum DF zones were adjacent to autonomic ganglia in VS dogs; there was a tendency (p<0.07) to faster driver zones in the left atrium comparing to the right in ATR dogs. Conclusions: For a comparable atrial ERP, VS AF is faster and more persistent than AF with an ATR substrate. These results are consistent with modeling work suggesting that VS-induced hyperpolarization is an important contributor to AF-maintaining rotor stabilization and acceleration. Similarities in DF distribution in VS dogs with distribution of ablation lesions performed after Complex Fractionated Atrial Electrograms mapping suggests new curative ablation methods. DF distribution differences between VS and ATR provides new ideas about possible neuroreceptorial remodeling and indicates important differences between these superficially similar AF substrates.

Tesis por compendio / [ES] La fibrilación auricular (FA) es la arritmia cardíaca más común. A pesar de la gran popularidad de la ablación con catéter (AC) como tratamiento principal, todavía hay margen de mejora. Aunque las venas pulmonares (VPs) son los principales focos de FA, muchos sitios pueden contribuir a su propagación, formando el sustrato de la FA (SFA). El mapeo preciso del SFA y el registro de la modificación del SFA, como marcador positivo después de AC, son fundamentales. Los electrocardiogramas (ECG) y los electrogramas (EGM) se reclutan para este propósito. Los EGM se utilizan para detectar candidatos de AC como áreas que provocan o perpetúan la FA. Por lo tanto, el análisis de EGM es una parte indispensable de AC. Con la capacidad de observar las aurículas globalmente, la principal aplicación de los ECG es evaluar la modificación del SFA analizando las ondas f o P. A pesar del extenso análisis de cualquiera de los tipos de registro, existen algunas brechas. La AC no-VP aumenta el tiempo en quirófano, provocando mayores riesgos y costos. En cuanto al análisis de la modificación del SFA, se utilizan varios umbrales para definir una onda P prolongada. El principal objetivo de la presente Tesis es contribuir al esfuerzo de análisis de SFA y de modificación de SFA. Para ello, la presente Tesis se desarrolló bajo dos hipótesis principales. Que la calidad de la información extraída durante el SFA y el análisis de modificación del SFA se puede mejorar mediante la introducción de pasos innovadores. Además, la combinación de análisis de ECG y EGM puede aumentar la resolución del mapeo y revelar nueva información sobre los mecanismos de FA. Para cumplir con el objetivo principal, el análisis se divide en 4 partes, conformando los 4 capítulos del Compendio de articulos. En primer lugar, se reclutó la dimensión de correlación de grano grueso (DCGG). DCGG localizó de manera confiable EGM complejos y la clasificación por tipos de FA arrojó una precisión del 84 %. Luego, se adoptó un análisis alternativo de la onda P, estudiando por separado su primera y su segunda parte, correspondientes a la aurícula derecha (AD) e izquierda (AI). Los resultados indicaron LA como la principal fuente de modificación del SFA y subrayaron la importancia de estudiar partes integrales de ECG. Los hallazgos de este estudio también sugieren la implementación de partes integrales de ondas P como un posible alivio de las discrepancias en los umbrales de ondas P para definir el tejido fibrótico. Posteriormente, se estudió el efecto diferente del aislamiento de la VP izquierda (AVPI) y derecha (AVPD) sobre la modificación del SFA. AVPI fue la parte crítica, siendo la fuente exclusiva de acortamiento de onda P. El análisis de los registros durante la AC también permitió una observación más cercana de las fluctuaciones de la variabilidad de la frecuencia cardíaca (VFC) a lo largo del procedimiento de CA, lo que reveló información sobre el efecto de la energía de radiofrecuencia (RF) en el tejido auricular. La última parte se centró en el seno coronario (SC), una estructura fundamental en el mapeo de FA para aumentar la resolución de la información. Se definieron los canales más y menos robustos durante el ritmo sinusal (RS) y se investigó la utilidad de SC en la evaluación de la modificación del SFA. Aunque CS no proporcionó una imagen global de la alteración del SFA, pudo registrar con mayor sensibilidad las fluctuaciones en la respuesta auricular durante la AC. Los hallazgos presentados en esta Tesis Doctoral ofrecen una perspectiva alternativa sobre la modificación del SFA y contribuyen al esfuerzo general sobre el mapeo de FA y la evaluación del sustrato posterior a la CAAC, abriendo futuras líneas de investigación hacia una resolución más alta y un mapeo más eficiente de los mecanismos desencadenantes de la FA. / [CA] La fibril·lació auricular (FA) és l'arítmia cardíaca més comú. Tot i la gran popularitat de l'ablació amb catèter (AC) com a tractament principal, encara hi ha marge de millora. Tot i que les venes pulmonars (VPs) són els principals focus de FA, molts llocs poden contribuir a la seva propagació, formant el substrat de la FA (SFA). El mapatge precís de l'SFA i el registre de la modificació de l'SFA, com a marcador positiu després d'AC, són fonamentals. Els electrocardiogrames (ECG) i els electrogrames (EGM) es recluten per a aquest propòsit. Els EGM es fan servir per detectar candidats d'AC com a àrees que provoquen o perpetuen la FA. Per tant, lanàlisi dEGM és una part indispensable dAC. Amb la capacitat d'observar les aurícules globalment, la principal aplicació dels ECG és avaluar la modificació de l'SFA analitzant les ones f o P. Tot i l'extensa anàlisi de qualsevol dels tipus de registre, hi ha algunes bretxes. L'AC no-VP augmenta el temps a quiròfan, provocant majors riscos i costos. Pel que fa a l'anàlisi de la modificació de l'SFA, s'utilitzen diversos llindars per definir una ona P perllongada. L'objectiu principal d'aquesta Tesi és contribuir a l'esforç d'anàlisi de SFA i de modificació de SFA. Per això, aquesta Tesi es va desenvolupar sota dues hipòtesis principals. Que la qualitat de la informació extreta durant el SFA i lanàlisi de modificació de lSFA es pot millorar mitjançant la introducció de passos innovadors. A més, la combinació d'anàlisi d'ECG i EGM pot augmentar la resolució del mapatge i revelar informació nova sobre els mecanismes de FA. Per complir amb l'objectiu principal, l'anàlisi es divideix en 4 parts i es conforma els 4 capítols del Compendi d'articles. En primer lloc, es va reclutar la dimensió de correlació de gra gruixut (DCGG). DCGG va localitzar de manera fiable EGM complexos i la classificació per tipus de FA va donar una precisió del 84%. Després, es va adoptar una anàlisi alternativa de l'ona P, estudiant per separat la primera i la segona part corresponents a l'aurícula dreta (AD) i esquerra (AI). Els resultats van indicar LA com la font principal de modificació de l'SFA i van subratllar la importància d'estudiar parts integrals d'ECG. Les troballes d'aquest estudi també suggereixen la implementació de parts integrals d'ones P com a possible alleugeriment de les discrepàncies als llindars d'ones P per definir el teixit fibròtic. Posteriorment, es va estudiar l'efecte diferent de l'aïllament de la VP esquerra (AVPI) i la dreta (AVPD) sobre la modificació de l'SFA. AVPI va ser la part crítica, sent la font exclusiva d'escurçament d'ona P. L'anàlisi dels registres durant l'AC també va permetre una observació més propera de les fluctuacions de la variabilitat de la freqüència cardíaca (VFC) al llarg del procediment de CA , cosa que va revelar informació sobre l'efecte de l'energia de radiofreqüència (RF) en el teixit auricular. L'última part es va centrar al si coronari (SC), una estructura fonamental al mapeig de FA per augmentar la resolució de la informació. Es van definir els canals més i menys robustos durant el ritme sinusal (RS) i es va investigar la utilitat de SC a l'avaluació de la modificació de l'SFA. Tot i que CS no va proporcionar una imatge global de l'alteració de l'SFA, va poder registrar amb més sensibilitat les fluctuacions a la resposta auricular durant l'AC. Les troballes presentades en aquesta Tesi Doctoral ofereixen una perspectiva alternativa sobre la modificació de l'SFA i contribueixen a l'esforç general sobre el mapeig de FA i l'avaluació del substrat posterior a la CAAC, obrint futures línies de recerca cap a una resolució més alta i un mapeig més eficient dels mecanismes desencadenants de la FA. / [EN] Atrial fibrillation (AF) is the commonest cardiac arrhythmia. Despite the high popularity of catheter ablation (CA) as the main treatment, there is still room for improvement. Time spent in AF affects the AF confrontation and evolution, with 1,15% of paroxysmal AF patients progressing to persistent annually. Therefore, from diagnosis to follow-up, every aspect that contributes to the AF confrontation is of utmost importance. Although pulmonary veins (PVs) are the main AF foci, many sites may contribute to the AF propagation, by triggering or sustaining the AF, forming the AF substrate. Precise AF substrate mapping and recording of the AF substrate modification, as a positive marker after CA sessions, are critical. Electrocardiograms (ECGs) and electrograms (EGMs) are vastly recruited for this purpose. EGMs are used to detect candidate CA targets as areas that provoke or perpetuate AF. Hence, EGMs analysis is an indispensable part of the CA procedure. With the ability to observe the atria globally, ECGs' main application is to assess the AF substrate modification by analyzing f- or P-waves from recordings before and after CA. Despite the extensive analysis on either recording types, some gaps exist. Non-PV CA increases the time in operation room, provoking higher risks and costs. Furthermore, whether non-PV CA is beneficial is under dispute. As for the AF substrate modification analysis, various thresholds are used to define a prolonged P-wave, related with poor CA prognostics. The main objective of the present Thesis is to contribute to the effort of AF substrate and AF substrate modification analysis. For this purpose, the present Thesis was developed under two main hypotheses. That the information quality extracted during AF substrate and AF substrate modification analysis can be improved by introducing innovative steps. Also, that combining ECG and EGM analysis can augment the mapping resolution and reveal new information regarding AF mechanisms. To accomplish the main objective, the analysis is split in 4 parts, forming the 4 chapters of the Compendium of publications. Firstly, coarse-grained correlation dimension (CGCD) was recruited. CGCD reliably localized highly complex EGMs and classification by AF types yielded 84% accuracy. Then, an alternative P-wave analysis was suggested, studying separately the first and second P-wave parts, corresponding to the right (RA) and left (LA) atrium. The findings indicated LA as the main AF substrate modification source and underlined the importance of studying integral ECG parts. The findings of this study additionally suggest the implementation of integral P-wave parts as a possible alleviation for the discrepancies in P-wave thresholds to define fibrotic tissue. Afterwards, the different effect of left (LPVI) and right pulmonary vein isolation (RPVI) on the AF substrate modification was studied. LPVI was the critical part, being the exclusive source of P-wave shortening. Analysis of recordings during CA also allowed a closer observation of the heart rate variability (HRV) fluctuations throughout the CA procedure, revealing information on the effect of radiofrequency (RF) energy on the atrial tissue. The last part was focused on coronary sinus (CS), a fundamental structure in AF mapping to increase the information resolution. The most and least robust channels during sinus rhythm (SR) were defined and the utility of CS in AF substrate modification evaluation was investigated. Although CS did not provide a global picture of the AF substrate alteration, it was able to record with higher sensitivity the fluctuations in the atrial response during the application of RF energy. The findings presented in this Doctoral Thesis offer an alternative perspective on the AF substrate modification and contribute to the overall effort on AF mapping and post-CA substrate evaluation, opening future lines of research towards a higher resolution and more efficient mapping of the AF drivers. / Vraka, A. (2022). Characterization of the Substrate Modification in Patients Undergoing Catheter Ablation of Atrial Fibrillation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191410 / Compendio