The cardiomagnetic field: Non-invasive mapping of atrial fibrillation and model-based characterization of sensitivity and resolution

Abstract

Atrial fibrillation (AF) is the most common arrhythmia of the heart and a major burden to health care. The prevalence of AF (2%) is increasing with ageing population. Different physiological mechanisms underlying AF as well as increasing options for its treatment call for advancement in diagnostics. One approach is through measurement of the electromagnetic field that the electrochemical activity of the heart gives rise to. In magnetocardiography (MCG), the cardiomagnetic field is measured outside the thorax and analyzed. In this Thesis, I have studied and developed multichannel MCG mapping in order to characterize the cardiac function and AF.

The cardiomagnetic field was studied using non-invasive MCG mappings of healthy subjects and AF patients as well as with computer simulations. To identify and characterize MCG signal features related to AF, the atrial activity was assessed using MCG recorded during both the sinus rhythm and arrhythmia. During the sinus rhythm, the MCG map pattern was shown to depend on the interatrial conduction pathway (CP) as determined by invasive electrophysiological study; an MCG method was developed to assess the CP non-invasively. In another study, MCG map types associated with different CPs were found to occur in different proportions in patients and in healthy subjects. In addition, a technique for assessing the temporal evolution of the MCG map during ongoing arrhythmia was introduced. The technique brought up recurrent spatiotemporal MCG map patterns with abrupt changes and substantial interpatient differences. The techniques developed provide new means for non-invasive characterization of atrial activity and may also be clinically useful.

In the modelling part of this work, spatial properties of MCG, electrocardiography (ECG), and combined MCG+ECG were studied in terms of signal generation characteristics and source-estimation performance. These were assessed by amplitudes of simulated signal topographies and characteristics of point-spread functions for sources all around the heart. The results showed that the relative signal amplitude depends not only on the location and orientation of the source but also on the measurement modality, and that this amplitude profile is also reflected to the source estimates. The simulations illustrate the complementary information pro-vided by electro- and magnetocardiography. For optimal sensitivity and resolution, MCG and ECG should be combined.

Eteisvärinä (EV) on yleisin sydämen rytmihäiriö ja se kuormittaa terveydenhuoltoa merkittävästi. Eteisvärinän esiintyvyys (2%) kasvaa jatkuvasti väestön keski-iän nousun myötä. EV:n monimuotoisten syntymekanismien ymmärtämiseksi ja taudin hoitovaihtoehtojen lisääntyessä tarvitaan uusia diagnostisia menetelmiä. Yksi lähestymistapa on sydämen sähkökemiallisen toiminnan aiheuttaman sähkömagneettisen kentän mittaaminen ja tutkiminen. Magnetokardiografiassa (MKG) mitataan sydämen toiminnan aiheuttamaa magneettikenttää kehon ulkopuolelta poti-laaseen kajoamatta. Tässä väitöskirjassa olen tutkinut ja kehittänyt monikanavaista MKG-kartoitusmittausta sydämen toiminnan ja EV:n kuvaamiseksi.

Sydämen magneettikenttää tutkittiin terveiden koehenkilöiden ja EV-potilaiden MKG-kartoitus-mittausten sekä tietokonesimulaatioiden avulla. EV:ään liittyvien MKG-signaalipiirteiden tunnistamiseksi ja kuvailemiseksi eteistoimintaa tutkittiin sekä normaalin sinus-rytmin että rytmihäiriön aikaisista MKG-mittauksista. Sinus-rytmin aikana MKG-kartan muodon näytettiin riippuvan eteisten välisen aktivaation johtumisreitistä, jonka eri vaihtoehdot ja yhdistelmät määritettiin invasiivisten elektrofysiologisten mittausten avulla; työssä kehitettiin MKG-menetelmä johtumisreitin määrittämiseksi potilaaseen kajoamatta. Menetelmää sovellettiin laajemmassa mittaus-aineistossa, ja eri johtumisreitteihin liitettyjen MKG-karttatyyppien esiintyvyydessä havaittiin ero potilaiden ja terveiden välillä. Lisäksi esiteltiin menetelmä MKG-kartan aikakäytöksen kuvailemiseksi EV:n aikana. Tällä menetelmä havaittiin toistuvia MKG-karttapiirteitä, niiden äkillisiä muutoksia sekä näiden molempien selviä eroja potilaiden välillä. Kehitetyt menetelmät tarjoavat uusia tapoja tutkia ja kuvailla sydämen eteisten sähköistä toimintaa potilaaseen kajoamatta ja niistä voi olla myös kliinistä hyötyä.

Tämän työn mallinnusosassa tutkittiin monikanavaisen MKG:n, elektrokardiografian (EKG) sekä yhdistetyn MKG+EKG:n spatiaalisia ominaisuuksia signaalin synnyn sekä signaalin synnyttävien lähteiden estimoinnin kannalta. Näitä arvioitiin mallintamalla joka puolelle sydäntä asetettujen lähteiden signaalitopografioiden amplitudeja sekä lähde-estimoinnin pisteenleviämisfunktion piirteitä. Tulokset osoittivat, että suhteellinen signaalinvoimakkuus riippuu lähteen paikan ja orientaation lisäksi mittausmenetelmästä, ja myös lähde-estimaatit riippuvat tästä herkkyys-jakaumasta. Mallinnukset havainnollistavat elektro- ja magnetokardiografian antamaa toinen toistaan täydentävää tietoa. MKG:n ja EKG:n tarjoama tieto tulisi yhdistää optimaalisen mittausherkkyyden ja lähteiden erotuskyvyn saavuttamiseksi.