Étude de la Dynamique des Ondes Spirales à l'Échelle Cellulaire par Modèles Expérimental et Numérique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2012

Study of Spiral Waves Dynamics at Cellular Level by Experimental and Numerical Models

Étude de la Dynamique des Ondes Spirales à l'Échelle Cellulaire par Modèles Expérimental et Numérique

Résumé

Among the death due to the cardiac problems, the arrhythmias play a major role, particularly the atrial disorders. This alarming situation attracts an intense research, but it is still limited by the availability of experimental models to reproduce the triggering mechanisms of arrhythmias at the cellular level and extensions of these anomalies. Whether they occur on a healthy or pathological heart, or they are benign or potentially dangerous (risk of sudden death), the arrhythmias constitute an important chapter of the cardiology. This thesis is interested in the studying and modeling of the arrhythmias at a cellular scale. Thus the problems of this thesis can be summarized briefly by the following key words: non-linear system, cardiac models, spiral waves, defibrillation.... One of the questions is: how to optimize the defibrillation process with electrical stimulation. In fact, the electrical stimulation can not only terminate the fibrillation but also possibly generate new waves in cardiac tissue. This last effect of stimulation seems inevitable, when the energy of stimulation exceeds certain thresholds. So here arises another question: how to terminate fibrillation by applying stimulation under the threshold to avoid other problems. Among the possible ways, we directed ourselves towards a hybrid strategy of stimulation (combination of sodium channel modification) which makes it possible to achieve this goal. We also worked on an experimental MEA (Multi Electrodes Array) system. This system allows us to acquire electrical signals of cells culture in vitro of new-born rats. As previously mentioned, electrical stimulation can induce new waves in cardiac tissue, this was observed and confirmed in experiments in form of spiral waves. Since the data acquired can be disturbed and erroneous, the wavelet denoising has been used. The wrong signals are eliminated by the "singular value decomposition". Since the nonlinearity of MEA signals is confirmed by "surrogate data analysis", then we construct the bifurcation map for the periods of MEA signals. In the map, a period-doubling phenomenon is observed which is generally considered as the key feature leading to chaos. The Poincaré map showed that there exists an important difference between the normal signals and the arrhythmic ones, which presents some potential diagnostic tools. In the last part of this thesis, in order to retrieve more information from these signals, the method of phase space reconstruction is applied. Their embedding dimension is determined by false nearest neighbor. As for the time lag, three methods have been compared (by autocorrelation function, mutual information and third one is in function of the embedding dimension). In fact, the first one gives a more pertinent time lag. In the reconstructed phase space, the potential attractors projected from 4th and trajectories of the normal signals and the arrhythmic signals are quite different. The next work will be orientated towards the "hybrid stimulation" at the theoretical level. Then we will test this defibrillation strategy of hybrid stimulation on our platform MEA. At the same time, we continue to explore the acquired signals with others nonlinear methods.
Parmi les causes de décès d'origine cardiaque, les troubles du rythme occupent une place majeure, particulièrement les troubles auriculaires. Cette situation alarmante a motivé une recherche intense, mais qui est limitée par la disponibilité de modèles expérimentaux permettant de reproduire les mécanismes cellulaires de déclenchement et d'extensions de ces anomalies. Qu'ils surviennent sur un cœur sain ou pathologique, qu'ils soient bénins ou potentiellement dangereux (risque de mort subite), les troubles du rythme constituent un chapitre important de la cardiologie. Ils posent d'importants problèmes d'ordre diagnostique, pronostique, et thérapeutique. Ils peuvent se produire au niveau atrial (nœud auriculo-ventriculaire, plus tronc du faisceau de HIS avant sa division) ou ventriculaire (après la division du faisceau de HIS en ses deux branches droite et gauche), et ils obéissent à différents mécanismes, au premier rang desquels les réentrées et les hyperautomatismes. Cette thèse s'intéresse à l'étude et la modélisation des troubles du rythme cardiaque à l'échelle cellulaire. Ainsi la problématique de la thèse peut être résumée succinctement par ces quelques mots clés : système non-linéaire, modèles cardiaques, ondes spirales, défibrillation.... Une des questions qui a été soulevée est : comment optimiser le processus de défibrillation pour qu'il soit le moins contraignant pour le patient ? Nous avons commencé par nous intéresser à la défibrillation par stimulation électrique. La stimulation externe peut terminer la fibrillation mais peut aussi éventuellement générer de nouvelles ondes dans le tissu cardiaque. Ce dernier effet de stimulation semble inévitable, si l'énergie de stimulation dépasse certains seuils. Nous nous sommes posé alors une question: comment peut-on terminer la fibrillation en appliquant une stimulation sous le seuil pour éviter d'engendrer d'autres problèmes. Après quelques pistes de réflexion, nous nous sommes orientés vers une stratégie hybride de stimulation qui permet d'atteindre cet objectif. En parallèle de ces travaux, nous avons travaillé aussi sur un système expérimental à base de MEA (Multi Electrodes Array). Ce système nous permet d'acquérir des signaux de cellules cardiaques de rats nouveau-nés en culture in vitro. Etant donné que les données recueillies peuvent être bruitées et erronées, nous avons utilisé des ondelettes pour le débruitage et la méthode de décomposition par les valeurs singulières pour éliminer les mauvais signaux. Comme mentionné précédemment, la stimulation peut provoquer de nouvelles ondes dans le tissu, ceci a été observé expérimentalement sous forme d'ondes spirales. Les prochains travaux serviront à approfondir " la stimulation hybride " au niveau théorique. Ensuite en profitant de notre plateforme MEA, nous allons tester la stratégie de défibrillation par stimulation hybride au niveau expérimental.
Fichier principal
Vignette du fichier
These_BinbinXU.pdf (8.65 Mo) Télécharger le fichier

Dates et versions

tel-00955873 , version 1 (05-03-2014)
tel-00955873 , version 2 (05-03-2014)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00955873 , version 1

Citer

Binbin Xu. Étude de la Dynamique des Ondes Spirales à l'Échelle Cellulaire par Modèles Expérimental et Numérique. Traitement du signal et de l'image [eess.SP]. Université de Bourgogne, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00955873v1⟩
444 Consultations
782 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More