Institut de génie biomédical


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ÉLECTROPHYSIOLOGIE CARDIAQUE

Modélisation de l'activité électrique cellulaire cardiaque

Un modèle de la cellule cardiaque tient compte de la structure de la cellule, de l'environnement ionique interne et externe et des propriétés dynamiques de la membrane. Ce modèle cellulaire (ou membranaire) sert à étudier différents phénomènes à caractère local portant sur les courants ioniques et sur le transport actif (incluant l'accumulation ionique). Les principales questions d'intérêt sont l'excitabilité (seuil), l'automaticité et la modification des propriétés membranaires par des agents chimiques (catécholamines, acétylcholine, drogues anti-arythmiques, etc.).

Les cellules cardiaques sont couplées par des résistances de jonction relativement basses (disques intercalaires) dans le sens de la longueur. On représente alors une chaîne de cellules par un câble uniforme. On s'approche donc des conditions rencontrées lors de la propagation de l'impulsion électrique dans le cœur. Les principales questions d'intérêt sont alors reliées aux facteurs qui affectent la vitesse de propagation, l'excitabilité (déclenchement d'un potentiel d'action), la période réfractaire (retour du système à son état original) et les modalités de conduction. La modification des propriétés membranaires par des agents chimiques (hormones, substances pharmacologiques, etc.) produit des effets importants sur la propagation.

Un ensemble de câbles (continus ou discontinus) peuvent être reliés entre eux (dans le sens transverse) pour constituer un feuillet bidimensionnel, ou encore une structure tridimensionnelle. La disponibilité d'un modèle bi- ou tridimensionnel permet de simuler de façon beaucoup plus réaliste la propagation de l'impulsion électrique dans le tissu cardiaque. On s'intéresse aux divers mécanismes sous-jacents aux arythmies cardiaques, notamment la propagation réentrante associée à la tachycardie et à la fibrillation. La modélisation précise des aspects fonctionnels et structuraux du tissu cardiaque et la simulation des diverses arythmies et troubles de conduction constituent l'objectif ultime de ce volet de recherche.

Modélisation de l'activité électrique du cœur

Champs électriques cardiaques

L'objectif est de mettre au point de nouvelles techniques pour l'acquisition et l'analyse des distributions de potentiel générées par l'activité électrique du cœur. Ces techniques sont basées sur des modèles biophysiques, sur l'analyse numérique des signaux ainsi que sur l'enregistrement simultané des potentiels en plusieurs dizaines de sites à la surface du torse ou du cœur. Ces techniques sont appliquées au cours d'études cliniques pour la détection et la localisation de régions arythmogènes ainsi qu'au cours d'études expérimentales sur les mécanismes de tachyarythmie.

Dans le cas des potentiels mesurés à la surface du torse, le problème consiste à déterminer la nature des sources cardiaques à partir d'une analyse mathématique de ces potentiels. Des travaux théoriques cliniques et expérimentaux se poursuivent afin d'étudier la précision des sources cardiaques. En outre, des études cliniques ont pour objectif de localiser des régions arythmogènes, ce qui contribuerait à guider plus adéquatement la chirurgie des arythmies ou l'ablation par cathéter des sites responsables de ces perturbations.

Les distributions de potentiels épicardiaques et endocardiaques permettent la caractérisation de l'état électrophysiologique des différentes structures cardiaques. L'analyse détaillée de ces distributions de potentiel trouve son champ d'application dans l'étude des tachycardies ventriculaires. Elle permet de révéler certains mécanismes de ces troubles électriques. La cartographie isochrone est un outil courant dans ces travaux. Cette technique s'est avérée efficace pour l'analyse des mécanismes de tachycardie ventriculaire et des effets des médicaments antiarythmiques. Elle permet d'identifier les régions de propagation altérée et de localiser les foyers dans différentes préparations expérimentales.

Modélisation numérique du cœur

Ce projet utilise un modèle numérique qui comprend environ 250 000 points pour reproduire la structure anatomique du cœur. Le modèle actuel inclut les oreillettes, les ventricules et le réseau de conduction. Un potentiel d'action est associé à chaque point et représente donc une cellule cardiaque. L'activation du modèle est réalisée en utilisant les règles de propagation appliquées à plusieurs sites d'initiation sur la surface endocardique du modèle. Ce modèle est implanté à l'intérieur d'un modèle numérique du torse afin de simuler les ECG. Le contrôle dans le modèle au niveau des cellules cardiaques permet de créer des zones ischémiques ou nécrosées ou encore d'ajouter des voies accessoires pour simuler la pré-excitation. Ce travail de modélisation/simulation sert à vérifier certaines hypothèses, quitte à les appuyer par des procédures expérimentales appropriées.

Diagnostic électrocardiologique: trois exemples

Analyse des arythmies cardiaques

À partir d'enregistrements électrocardiographiques obtenus dans différents contextes (expérimental chez le chien, ambulatoire chez l'homme, en surveillance intensive dans l'infarctus aigu du myocarde), des méthodes de traitement de signaux sont développées, évaluées et utilisées pour caractériser et identifier les troubles du rythme et quantifier les changements du segment ST. Ces développements impliquent la mise au point de méthodes de filtrage numérique, de détection d'ondes à haute fiabilité, de reconnaissance de forme, de logique de décision, pour finalement identifier les arythmies. Certains contextes, tel l'ECG continu sur plusieurs heures, nécessitent des approches particulières à cause du grand nombre d'événements cardiaques à examiner et de la complexité inhérente à certains troubles du rythme.

La Micro-électrocardiographie

Une étude multi-centre regroupant huit hôpitaux canadiens répartis de St-Jean, Terre-Neuve, à Calgary, Alberta a été subventionnée (1990-95) par le Conseil de recherches médicales du Canada. Cette étude porte sur le rôle de la micro-électrocardiographie dans la stratification du risque après l'infarctus du myocarde.

Plusieurs études suggèrent que la technique de microélectrocardiographie pourrait permettre de diagnostiquer une susceptibilité accrue aux troubles du rythme. Il s'agit d'une technique simple et atraumatique permettant de détecter des signaux de très faible niveau nommés « potentiels tardifs ». Les potentiels tardifs ne peuvent pas être détectés sur l'ECG standard, car ils ont une amplitude de quelques microvolts seulement, ce qui nécessite une instrumentation spéciale et un traitement de signal particulier.

L'objectif de ce projet de recherche est de mieux situer le rôle des potentiels tardifs dans la stratification du risque. L'étude porte sur une population de quelque 4 000 patients qui subiront un infarctus du myocarde. Ces patients sont suivis pendant une durée de 3 ans afin de déterminer lesquels d'entre eux présentent des complications. Des techniques d'analyse de signaux sont mises au point et testées afin d'obtenir une définition du potentiel tardif qui permette de prédire avec le maximum de précision l'apparition de complications telles les arythmies sévères et la mort subite.

Système nerveux autonome

L'étude de la variabilité des paramètres cardiovasculaires (i.e. rythme cardiaque, pressions systoliques et diastoliques) sous l'influence de la respiration est utilisée comme moyen non-invasif pour évaluer l'état des deux composantes du système nerveux autonome. Rattaché à ce travail d'analyse de signaux, il y a un projet de modélisation des mécanismes de base centré surtout sur le contrôle de la fréquence cardiaque. Des travaux expérimentaux nécessaires à la documentation des hypothèses présentées par les observations non-invasives et la modélisation sont en cours. L'avancement des travaux dans ce domaine vise à donner des outils cliniques applicables à l'évaluation de pathologies qui impliquent le système nerveux autonome; par exemple, les syncopes, l'hypertension, le diabète, etc...

Les axes de recherche

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