Modelling and robust estimation of AV node function during AF

Objective: The purpose of the present thesis is to enrich the robustness of a statistical atrioventricular (AV) node model during atrial Fibrillation (AF). The model takes into account electrophysiological properties as the two pathways, their refractory periods and concealed conduction; these pathways are located between sinoatrial (SA) and AV node. It is highly desirable understanding of the AV node function, in order to achieve optimal arrhythmia management for those patients affected by AF, which is the most common arrhythmia. Methods: The simulation has been improved by introducing a new parameter that represents the probability of an impulse choosing either one of the two pathways. Exploration data has been conducted keeping fixed a set of parameters while varying one of them. Results: The model concerns a relationship between the probability of an atrial impulse passing through (output parameter, a) and choosing (input parameter, g) either one of two pathway. To test its accuracy and precision mean absolute error (MAE) and root mean square error (RMSE) have been calculated for different g, obtaining, MAE = 3:8 8:2023 10􀀀4 and RMSE = 1:59 0:87 10􀀀2. Moreover, an investigation has been conducted on real data to verify the proposed relationship using estimated parameter made by the previous model. Dataset consists 24-h Holter recordings on 31 patients, for each patient there is a baseline and 4 different treatments recordings. The results showed that the standard deviation of introduced parameter presents a greater stability in 58% of recordings, and t-test has given a not significant difference. Conclusion: This study indicates that the proposed relationship can be used to calculate the input parameter g, given estimated parameter a. However, it is necessary to develop a new estimation model using the actual RR-series interval simulation.

Background: La brillazione atriale (FA) rappresenta l'aritmia piú comune. Durante la FA si hanno molteplici foci ectopici negli atri che danno origine ad un'attivitá disorganizzata di impulsi elettrici atriali (300-600 bpm) diretti al nodo atrioventricolare (AV), con principale conseguenza il possibile aumento della frequenza ventricolare (140-220 bpm). La FA é spesso associata a palpitazioni, svenimento, dolori al petto, infarto, sebbene a volte possa essere asintomatica. L'aumento di casi di FA puó essere associato all'invecchiamento della popolazione e ad un aumento dell'incidenza delle malattie cardiovascolari. Durante la FA il nodo AV assume il ruolo di ltro in grado di bloccare un numero elevato di impulsi atriali che arriva secondo un'attivitá caotica e irregolare. Sebbene le proprietá elettro siologiche del nodo AV in uenzino il ritmo ventricolare durante la FA, esse non sono tuttavia valutate nella corrente pratica medica. La ragione é da ricercare: 1) mancata possibilitá di utilizzare il protocollo di pacing durante FA; 2) assenza di investigazioni di tipo non invasivo. Scopo: Lo scopo della seguente tesi é l'implementazione di un modello statistico che studi la funzione del nodo (AV) durante la FA mediante acquisizione non invasiva dell'informazione utile. Struttura del lavoro: La prima parte del lavoro ha riguardato lo stato dell'arte delle siologia del cuore, andando a focalizzare l'attenzione sul sistema di conduzione cardiaco, in particolar modo sull'anatomia del nodo AV. La conduzione del singolo impulso atriale puó avvenire attraverso due vie di conduzione preferenziali: lo slow pathway e il fast pathway . Essi sono distinti sia da un punto di vista siologico che anatomico, e sono contraddistinti rispettivamente lo slow pathway da una velocitá di conduzione lenta ma con un piú breve tempo di refrattarietá, mentre il fast pathway da una velocitá di conduzione piú elevata ma con un periodo di refrattarietá maggiore. E' stato approfondito lo studio della concealed conduction , secondo cui il blocco di un impulso atriale prematuro puó causare un aumento della refrattarietá del medesimo nodo AV. In ultima analisi si é approfondita la patologia della FA, includendo la diagnosi, le classi cazioni e i trattamenti clinici adottati. La seconda parte del lavoro ha riguardato l'applicazione di un modello del nodo AV sviluppato precedentemente da Corino et al.. I parametri che lo caratterizzano sono i seguenti: 1) frequenza con cui gli impulsi atriali arrivano al nodo AV; 2) tempi di refrattarietá e rispettivi periodi di elongazione (causati dal fenomeno della concealed conduction ) dello slow pathway e 2 fast pathway ; 3) probabilitá con cui un impulso atriale passa attraverso uno dei due percorsi. Dal momento che il seguente modello applicato su dati reali genera in alcuni casi una stima dei parametri instabile lungo il periodo di registrazione, abbiamo deciso di apportare una modi ca al modello al ne di avvicinarci maggiormente alle proprietá elettro siologiche del nodo AV. Per tale ragione abbiamo inserito un nuovo parametro che tiene conto della probabilitá con cui ciascun impulso atriale sceglie il rispettivo percorso lungo il nodo AV. Di conseguenza il nostro lavoro é stato cosí suddiviso: 1) analisi delle di erenze apportate sul nuovo modello in fase di simulazione; 2) ricerca della relazione esistente tra e la probabilitá con cui gli impulsi atriali non bloccati attraversano uno dei due percorsi preferenziali per diventare attivazioni ventricolari. Metodi: Il lavoro di simulazione e di stima é stato svolto completamente su Matlab. Simulazione: Gli impulsi atriali arrivano al nodo AV secondo un processo Poissoniano di frequenza . Ciascun impulso ha una probabilitá di scegliere la via di conduzione slow pathway , mentre probabilitá (1􀀀 ) di selezionare il fast pathway . In entrambi i percorsi, il periodo di refrattarietá e rispettivo tempo di elongazione vengono descritti da due funzioni a tratti 1(t) e 2(t). Gli impulsi passanti in uscita dai due percorsi rappresentano una serie di attivazioni ventricolari che si distribuiscono secondo un processo Poissoniano disomogeneo di intensitá (t). Stima: Il metodo di stima dei parametri del modello utilizzato é il metodo di massima verosimiglianza (MLE). Relazione 􀀀 : Relativamente allo studio della relazione esistente tra la probabilitá di input e la probabilitá di output si é optato per una esplorazione sperimentale dei dati, utilizzando la minimizzazione degli scarti quadratici (MLS) per trovare il " tting" della curva sperimentale. Risultati: E' stata trovata la relazione che intercorre tra la probabilitá di scegliere lo "slow pathway", e la probabilitá con cui un impulso puó passare attraverso il medesimo percorso. La validitá della relazione sperimentale é stata confermata mediante il calcolo dell'errore medio assoluto (MAE) e l'errore quadratico medio (RMSE) calcolati come medie di tutti gli errori commessi nella stima di ^ teorico : MAE = 3:8 8:2023 10􀀀4 e RMSE = 1:59 0:87 10􀀀2. L'applicazione sui dati reali del modello ha consentito di ottenere la stima dei parametri su cui si é applicata la relazione sperimentale. Il dataset consiste in registrazioni Holter di 24-h su 31 pazienti, per ciascuno dei quali vi é una registrazione in baseline e 4 di erenti 3 registrazioni per 4 trattamenti farmacologico. I risultati ottenuti mostrano una tendenza della deviazione standard del parametro ad essere piú stabile nel 58% delle registrazioni, mentre il t-test ha evidenziato nessuna signi cativa di erenza tra i due parametri e . Conclusione: Lo studio presentato indica che é possibile determinare la probabilitá di ingresso , dato il parametro stimato mediante l'applicazione del modello.