Author: "Coudière, Yves" / Database: OpenAIRE - Searchworks@Jio Institute Digital Library Search Results

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55 results on '"Coudière, Yves"'

1. 'A comparison of multithreading, vectorization, and GPU computing for the acceleration of cardiac electrophysiology models'

Author: Sakka, Chiheb, Guermouche, Amina, Aumage, Olivier, Saillard, Emmanuelle, Potse, Mark, Coudière, Yves, Barthou, Denis, STatic Optimizations, Runtime Methods (STORM), Laboratoire Bordelais de Recherche en Informatique (LaBRI), Université de Bordeaux (UB)-École Nationale Supérieure d'Électronique, Informatique et Radiocommunications de Bordeaux (ENSEIRB)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Bordeaux (UB)-École Nationale Supérieure d'Électronique, Informatique et Radiocommunications de Bordeaux (ENSEIRB)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Bordeaux (UB)-École Nationale Supérieure d'Électronique, Informatique et Radiocommunications de Bordeaux (ENSEIRB)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], ANR-18-CE46-0010,Exacard,Simulation exascale de l'électrophysiologie cardiaque pour la recherche sur les arythmies(2018), and ANR-10-IAHU-0004,LIRYC,L'Institut de Rythmologie et modélisation Cardiaque(2010)
Subjects: [INFO]Computer Science [cs]
Abstract: International audience; Realistic simulation of cardiac electrophysiology requires both high resolution and computationally expensive models of membrane dynamics. Optimization of membrane models can therefore have a large impact on time, hardware, and energy usage. We tested both CPU-based and GPU-based optimization techniques for a human heart model with Ten Tusscher-Panfilov 2006 dynamics. Compared to a multithreaded code running on 64 CPU cores, the tested NVIDIA Tesla P100 GPU proved about 3 times faster. Effective use of the CPU's SIMD capabilities allowed a similar performance gain. GPU performance was bounded by the data transfer rate between GPU and main memory. Optimal SIMD use required explicit vectorization and an adapted data structure. We conclude that on mixed CPU-GPU systems the best results are obtained by optimizing both CPU and GPU code and using a runtime system that balances CPU and GPU load.
Published: 2022

2. Development of a Computational Fluid Dynamics (CFD)-Model of the Arterial Epicardial Vasculature

Author: Martens, Johannes, Panzer, Sabine, van den Wijngaard, Jeroen P. H. M., Siebes, Maria, Schreiber, Laura M., Coudière, Yves, Zemzemi, Nejib, Ozenne, Valéry, Vigmond, Edward, Biomedical Engineering and Physics, Translational Physiology, ACS - Atherosclerosis & ischemic syndromes, and ACS - Microcirculation
Subjects: Physics, Systematic error, business.industry, Quantitative Biology::Tissues and Organs, Physics::Medical Physics, 0206 medical engineering, In-silico modeling, 02 engineering and technology, Blood flow, 030204 cardiovascular system & hematology, Computational fluid dynamics, 020601 biomedical engineering, Imaging data, Cardiac perfusion, Coronary arteries, 03 medical and health sciences, 0302 clinical medicine, Nuclear magnetic resonance, medicine.anatomical_structure, Epicardial blood flow, medicine, Development (differential geometry), business
Abstract: Motivation of the project is the analysis of systematic errors in contrast-enhanced cardiac perfusion imaging by CFD simulations of contrast agent transport in the arterial epicardial vasculature. This requires the realistic modeling of volume blood flow (VBF) in the coronary arteries to provide a physiologically relevant computational framework for the transport simulations. For this purpose, 3D-models of the left and right coronary trees are extracted from high-resolution cardiovascular cryomicrotome imaging data and meshed with computational grids. A dedicated model integrating characteristics of coronary blood flow is used to generate boundary conditions (BCs). Subsequently, VBF is analyzed in left and right ventricular myocardial regions (\(\mathrm{VBF}_\mathrm{m}\)) and in dependence of the vessel sizes (\(\mathrm{VBF}_\mathrm{v}\)). Regarding the distribution of \(\mathrm{VBF}_\mathrm{m}\) in the myocardial segments, good agreement with literature values is found. Partial compliance of the findings of the \(\mathrm{VBF}_\mathrm{v}\)-analysis with results from other groups is promising, however, indicates room for improvement.
Published: 2019

3. Rush-Larsen time-stepping methods of high order for stiff problems in cardiac electrophysiology. ETNA - Electronic Transactions on Numerical Analysis

Author: Pierre, Charles, Lontsi, Charlie Douanla, and Coudière, Yves
Subjects: stiff equations, explicit high-order multistep methods, exponential integrators, stability and convergence, Dahlquist stability,Mathematik
Abstract: The stability and accuracy of numerical methods for reaction-diffusion equations still need improvements, which prompts the development of high-order and stable time-stepping methods. This is particularly true in the context of cardiac electrophysiology, where reaction-diffusion equations are coupled with stiff systems of ordinary differential equations. So as to address these issues, much research on implicit-explicit methods and exponential integrators has been carried out during the past 15 years. In 2009, Perego and Veneziani [Electron. Trans. Numer. Anal., 35 (2009), pp. 234–256] proposed an innovative time-stepping scheme of order 2. In this paper we present an extension of this scheme to the orders 3 and 4, which we call Rush-Larsen schemes of order k. These new schemes are explicit multistep methods, which belong to the classical class of exponential integrators. Their general formulation is simple and easy to implement. We prove that they are stable under perturbation and convergent of order k. We analyze their Dahlquist stability and show that they have a very large stability domain provided that the stabilizer associated with the method captures well enough the stiff modes of the problem. We study their application to a system of equations that models the action potential in cardiac electrophysiology.
Published: 2020

4. Functional Imaging and Modeling of the Heart

Author: Coudière, Yves, Zemzemi, Nejib, Vigmond, Edward J., Ozenne, Valéry, Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], ANR-10-IAHU-04 IHU Liryc, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, and Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
Subjects: [SDV.BBM.BP]Life Sciences [q-bio]/Biochemistry, Molecular Biology/Biophysics, [SDV.MHEP.CSC]Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Cardiology and cardiovascular system, [SDV.IB.IMA]Life Sciences [q-bio]/Bioengineering/Imaging, [INFO.INFO-TI]Computer Science [cs]/Image Processing [eess.IV], [INFO.INFO-IM]Computer Science [cs]/Medical Imaging, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], [MATH.MATH-OC]Mathematics [math]/Optimization and Control [math.OC], [INFO.INFO-DC]Computer Science [cs]/Distributed, Parallel, and Cluster Computing [cs.DC], [INFO.INFO-NA]Computer Science [cs]/Numerical Analysis [cs.NA], [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, [MATH.MATH-NA]Mathematics [math]/Numerical Analysis [math.NA]
Abstract: International audience
Published: 2019

5. Impact of the endocardium in a parameter optimization to solve the inverse problem of electrocardiography

Author: Ravon, Gwladys, Coudière, Yves, Potse, Mark, Dubois, Rémi, Ravon, Gwladys, Instituts Hospitalo-Universitaires - L'Institut de Rythmologie et modélisation Cardiaque - - LIRYC2010 - ANR-10-IAHU-0004 - IAHU - VALID, IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université de Bordeaux (UB), Centre de recherche Cardio-Thoracique de Bordeaux [Bordeaux] (CRCTB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), This study received financial support from the French Government as part of the Investments for the Future program managed by the National Research Agency (ANR), Grant reference ANR-10-IAHU-04. This work was granted access to the HPC resources of TGCC under the allocation x2016037379 made by GENCI., ANR-10-IAHU-0004,LIRYC,L'Institut de Rythmologie et modélisation Cardiaque(2010), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Mitchell-Schaeffer, Physiology, [SDV.IB.IMA]Life Sciences [q-bio]/Bioengineering/Imaging, [MATH.MATH-OC] Mathematics [math]/Optimization and Control [math.OC], Endoepicardial gradients, [SDV.IB.IMA] Life Sciences [q-bio]/Bioengineering/Imaging, Parameter optimization, Gradient descent method, cardiovascular system, endo-epicardial gradients, cardiovascular diseases, [MATH.MATH-OC]Mathematics [math]/Optimization and Control [math.OC], ECGI, Original Research, Endocardium
Abstract: International audience; Electrocardiographic imaging aims at reconstructing cardiac electrical events from electrical signals measured on the body surface. The most common approach relies on the inverse solution of the Laplace equation in the torso to reconstruct epicardial potential maps from body surface potential maps. Here we apply a method based on a parameter identification problem to reconstruct both activation and repolarization times. From an ansatz of action potential, based on the Mitchell-Schaeffer ionic model, we compute body surface potential signals. The inverse problem is reduced to the identification of the parameters of the Mitchell-Schaeffer model. We investigate whether solving the inverse problem with the endocardium improves the results or not. We solved the parameter identification problem on two different meshes: one with only the epicardium, and one with both the epicardium and the endocardium. We compared the results on both the heart (activation and repolarization times) and the torso. The comparison was done on validation data of sinus rhythm and ventricular pacing. We found similar results with both meshes in 6 cases out of 7: the presence of the endocardium slightly improved the activation times. This was the most visible on a sinus beat, leading to the conclusion that inclusion of the endocardium would be useful in situations where endo-epicardial gradients in activation or repolarization times play an important role.
Published: 2019

6. Modeling Cardiac Growth: An Alternative Approach

Author: van Osta, N.C.J., van der Donk, L., Rondanina, Emanuele, Bovendeerd, Peter, Coudière, Yves, Zemzemi, Nejib, Ozenne, Valéry, Vigmond, Edward, and Cardiovascular Biomechanics
Subjects: Mechanics model, Computer science, Growth law, Homeostatic state, 0206 medical engineering, 02 engineering and technology, Limiting, Growth model, Volume change, 020601 biomedical engineering, 020303 mechanical engineering & transports, 0203 mechanical engineering, Clinical decision making, Control theory, sense organs, Finite element model
Abstract: Models of cardiac growth might assist in clinical decisionmaking, in particular for long-term prognosis of the effect of interventions.Most growth models strictly enforce the amount and directionof volume change and prevent runaway growth by limiting maximumgrowth. These assumptions have been questioned. We propose an alternativemodel for cardiac growth, in which the actual volume change ofa tissue element is determined by the desired volume change in thatelement and the degree to which this change is resisted by the surroundingtissue. The model was evaluated on its ability to reproduce a stablehealthy left ventricular configuration under normal hemodynamic load.A homeostatic equilibrium state could not be obtained, which might bedue to limitations in the mechanics model or an inadequate stimuluseffectrelation in the growth model. Still, the basic idea underlying themodel could be an interesting alternative to current growth models.
Published: 2019

7. A computational approach on sensitivity of left ventricular wall strains to geometry

Author: Barbarotta, Luca, Bovendeerd, Peter, Coudière, Yves, Ozenne, Valéry, Vigmond, Edward, Zemzemi, Nejib, and Cardiovascular Biomechanics
Subjects: education.field_of_study, Principal component analysis, Population, Geometry, education, Finite element method, Left ventricular wall, Mathematics
Abstract: In this work we use a Finite Element model of the left ventricular(LV) mechanics to assess the sensitivity of strains to geometry.Six principal shape modes extracted from an atlas of LV geometriesusing principal component analysis, have been used to model the variabilityof the geometry of a population of 1991 asymptomatic volunteers.We observed that shear strains are more sensitive than normal strains togeometry. For all the strains, shape mode 1, related with variation in sizewithin the population, plays an major role, but none of the six principalmodes can be considered non influential.
Published: 2019

8. A new ECG-based method to guide catheter ablation of ventricular tachycardia

Author: KANIA, Michał, COUDIÈRE, Yves, COCHET, Hubert, HAÏSSAGUERRE, Michel, JAÏS, Pierre, POTSE, Mark, IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], CHU Bordeaux [Bordeaux], Centre de recherche Cardio-Thoracique de Bordeaux [Bordeaux] (CRCTB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, and Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
Subjects: [SDV.MHEP.CSC]Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Cardiology and cardiovascular system, [SDV]Life Sciences [q-bio], [SDV.IB]Life Sciences [q-bio]/Bioengineering, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation, [SPI.SIGNAL]Engineering Sciences [physics]/Signal and Image processing
Abstract: International audience; INTRODUCTION Catheter ablation is used to treat ventricular tachycardia (VT). It uses radiofrequency energy to destroy a small part of heart tissue that is causing rapid and irregular heartbeats. Automated localization of VT exit sites can facilitate the long and often challenging ablation procedures but current methods are not accurate enough, cannot be used in some conditions, and often require detailed information about the patient's anatomy. The aim of this study was to optimize the accuracy of a previously proposed computer-based method for localization of arrhythmia exit sites. The effectiveness of the method was tested using simulated ECG data. We looked for optimal settings of the method allowing to apply it in clinical conditions.METHODS The proposed algorithm works on any set of 3 or more ECG leads. The QRS complex integral (QRSi) of an ectopic beat is reduced to principal components (PCs) treated as coordinates of the exit site in ECG space and then projected to real space by a linear transformation based on a small number of QRSis paced at known locations. The accuracy of the method was tested on 8 patient-tailored models of the human heart and torso. For each model ~500 simulations were run, each for a different stimulus location. A set of training points was randomly chosen and all other locations were then estimated from simulated surface ECGs. The absolute and relative (to a neighboring stimulation site) localization errors (in mm) were computed for a 252-lead ECG, and Frank VCG and using different numbers of training points and principal components.RESULTS The localization error depended on the size of the training set. By using patient’s mean transform matrix of stimulus position from ECG space to real space and Frank XYZ leads we found 15.5 ± 6.4 mm of mean absolute error. Starting from 9 pacing positions available and 3 PCs used we reached a similar level of mean error (15.22 ± 3.5 mm). With 20 stimulus points available and 7 PCs we got 10 ± 2 mm of error. Added noise had no significant influence on the results; even a 2 dB signal/noise ratio increased the error by only 1 mm.DISCUSSION This study suggests that the proposed method can predict exit sites with a precision in the order of a centimeter. By dynamically switching the settings of the algorithm it is possible to obtain better accuracy.
Published: 2018

9. Inverse Problem of Electrocardiography: estimating the location of cardiac isquemia in a 3D geometry

Author: Chavez, C.E., Zemzemi, Nejib, Coudière, Yves, Alonso-Atienza, Felipe, Alvarez, Diegó, Universidad Carlos III de Madrid [Madrid] (UC3M), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), LIRIMA, Epicard, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Electrocardiography Imaging, Quantitative Biology::Tissues and Organs, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], [MATH.MATH-OC]Mathematics [math]/Optimization and Control [math.OC], [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation, Inverse Problem
Abstract: International audience; The inverse problem in cardiology (IPC) has been formulated in different ways in order to non invasively obtain valuable infor-mations about the heart condition. Most of the formulations solve the IPC under a quasistatic assumption neglecting the dynamic behavior of the electrical wave propagation in the heart. In this work we take into account this dynamic behavior by constraining the cost function with the monodomain model. We use an iterative algorithm combined with a level set formulation allowing us to localize an ischemic region in the heart. The method has been presented by Alvarez et al in [1] and [4], in which the authors developed a method for localize ischemic regions using a simple phenomenological model in a 2D cardiac tissue. In this work, we analyze the performance of this method in different 3D geometries. The inverse procedure exploits the spatiotemporal correlations contained in the observed data, which is formulated as a parametric adjust of a mathematical model that minimizes the misfit between the simulated and the observed data. We start by testing this method on two concentric spheres and then analyze the performance in a 3D real anatomical geometry. Both for analytical and real life geometries, numerical results show that using this algorithm we are capable of identifying the position and, in most of the cases, approximate the size of the ischemic regions.
Published: 2017

10. The effects of the diffusive inclusions in the bidomain model: theoretical and numerical study. Application to the rat heart

Author: Davidović, Anđela, Coudière, Yves, Poignard, Clair, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Bordeaux (UB), Modélisation Mathématique pour l'Oncologie (MONC), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Bergonié [Bordeaux], UNICANCER-UNICANCER-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, ANR-13-MONU-0004,HR-CEM,Modèles numériques haute résolution de l'électrophysiologie cardiaque(2013), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Bergonié [Bordeaux]
Subjects: Rat heart, Cardiac Electrophisiology, Homogenisation, Bidomain model, [MATH]Mathematics [math], Multiscale Modeling
Abstract: International audience; The standard bidomain model is based on the fact that electrically active cardiomyocytes are present uniformly everywhere in the heart. While this is a reasonable assumption for healthy hearts, it fails in some pathological cases where significant alterations in the tissue structure occur, for example fibrosis in infarct scars, or due to ageing. The effects of the non-excitable regions, that we call the inclusions, are often taken into account through ad-hoc rough tuning of the model. In this work, we introduce a mathematically rigorous way to derive the modified model from a microscopic description of the inclusions. More precisely we show that both shape and volume fraction of the inclusions affect the conductivity tensors in the bidomain model. We develop a numerical toolkit for determining the modified conductivities, based on shape and size of the diffusive inclusions. We perform 2D and 3D numerical studies of the effects of the inclusions on the conductivities by testing several basic shapes for the inclusions and varying their volume fraction. We observe the change in the anisotropy ratios for both intracellular and extracellular conductivity tensors. Additionally, in some cases we observe the change in the principal direction of the propagation. Finally, we apply our model to a rat heart model desgined from HiResMRI. Using image analysis softwares we asses the structural properties of the tissue, that we use then as parameters in the modified model. Simulating both the standard and modified model in the whole heart, we observe the differences in the the signal propagation.
Published: 2016

11. Possible improvements of the method of fundamental solution to solve the ECGI problem

Author: Chamorro-Servent, Judit, Bear, Laura, Duchateau, Josselin, Potse, Mark, Dubois, Rémi, Coudière, Yves, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Centre de recherche Cardio-Thoracique de Bordeaux [Bordeaux] (CRCTB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), This study received financial support from the French Government as part of the 'Investments of the Future' program managed by the National Research Agency (ANR), Grant reference ANR-10-IAHU-04 and from the Conseil Régional Aquitaine as part of the project 'Assimilation de données en cancérologie et cardiologie', ANR-10-IAHU-0004,LIRYC,L'Institut de Rythmologie et modélisation Cardiaque(2010), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Chamorro Servent, Judit, and Instituts Hospitalo-Universitaires - L'Institut de Rythmologie et modélisation Cardiaque - - LIRYC2010 - ANR-10-IAHU-0004 - IAHU - VALID
Subjects: [SPI]Engineering Sciences [physics], method of fundamental solutions, [SPI] Engineering Sciences [physics], boundary conditions, virtual sources, electrocardiographic imaging, [MATH] Mathematics [math], [MATH]Mathematics [math], ill-posedness
Abstract: International audience; Despite all the success of electrocardiographic imaging (ECGi), the understanding and treatment of many cardiac diseases is not feasible yet without an improvement of the inverse problem. A meshless method based on the method of fundamental solution (MFS) was adapted to ECGi. In the MFS, the potential is expressed as summation over a discrete set of virtual point sources placed outside of the domain of interest. This formulation yields to a linear system, which involves contributions of the Dirichlet and the homogenous Neumann (HN) conditions at torso surface in an equivalent manner. HN conditions requires accurate computation of the normals at the torso surface, and due to the meshing, non-physiological conditions are applied to the top, bottom of torso and arms. Finally, the virtual sources are placed by inflating and deflating the heart and torso surfaces with respect to the heart’s geometric center. However, for some heart-torso geometries, this geometrical center is a poor reference.First, we studied the effect of weighting the MFS objective function in consideration of the Dirichlet and HN conditions respectively. Second, we proposed a new distribution of torso sources by projecting for each electrode the closest heart’s point. Finally, we compared the solution from both modifications with the standard MFS one, using both in-silico and experimental data.A small quotient between the norms of the HN part of the MFS matrix and its respective Dirichlet part (~10-3) was found, indicating the negligibility of the HN conditions in the standard MFS method. Not including HN conditions in the reconstruction had significantly higher CCs (p
Published: 2016

12. Front observer for data assimilation of electroanatomical mapping data for a numerical atrial model

Author: Gérard, A, Collin, Annabelle, Bayer, J, Frontera, A, Moireau, Philippe, Coudière, Yves, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université de Bordeaux (UB), Modélisation Mathématique pour l'Oncologie (MONC), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Bergonié [Bordeaux], UNICANCER-UNICANCER-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, CHU Bordeaux [Bordeaux], Mathematical and Mechanical Modeling with Data Interaction in Simulations for Medicine (M3DISIM), Laboratoire de mécanique des solides (LMS), École polytechnique (X)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Saclay - Ile de France, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Bergonié [Bordeaux], École polytechnique (X)-Mines Paris - PSL (École nationale supérieure des mines de Paris), and Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)-Mines Paris - PSL (École nationale supérieure des mines de Paris)
Subjects: Data assimilation, Patient-specific method, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Abstract: International audience; The purpose of our work is to personalize an atrial model of the propagation of the action potential, based on electrical catheter data with the help of the data assimilation approach introduced in [Collin & Al, Journal of Computational Physics 2015]. The originality of the approach is to indroduce a Luenberger observer of a surface atrial model of the propagation which can pursue - like in classical Kalman filtering approach - the actual activation front reconstructed from catheter data. Moreover, this approach may account for the breakthrough of new activation fronts at anytime with an additional topological gradient term. In the present work, we adapt this approach to the bilayer surface atrial model of th propagation of action potentials [Labarthe & Al, Europace 2014], and evaluated for the first time on a real patient's dataset. First, the model was geometrically fit to the patient's data. A fiber architecture was added to the geometry. Then an initial electrophysiological state was guessed, and the model was run with the Luenberger filter for some catheter data acquired during a CARTO procedure. All along the simulation, the filter corrects the action potential so as to track CARTO local activation times, while preserving a biophysical behavior. With this technique, we are able to reconstruct smooth activation maps over the whole atrial surfaces. This promising technique may also allow to reconstruct velocity fields and directions, phase map and possibly give information on repolarization. This work results from a collaborative project carried out during a training session at CEMRACS 2016 in Marseille, Luminy.
Published: 2016

13. High order time-stepping methods for cardiac electrophysiology models

Author: Douanla Lontsi, Charlie, Coudière, Yves, Pierre, Charles, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Mathématiques et de leurs Applications [Pau] (LMAP), Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: [MATH]Mathematics [math], ComputingMilieux_MISCELLANEOUS
Abstract: International audience
Published: 2016

14. Parameters estimation approach for the MEA/hiPSC-CM assays

Author: Bouyssier, Julien, Bendahmane, Mostafa, Coudière, Yves, Gerbeau, Jean-Frédéric, Pedron, Julien, Zitoun, Philippe, Zemzemi, Nejib, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], Numerical simulation of biological flows (REO), Laboratoire Jacques-Louis Lions (LJLL), Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria de Paris, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), NOTOCORD Systems, ANR-13-LAB1-0007,CardioXcomp,Modélisation, simulation et traitement du signal en électrophysiologie cardiaque(2013), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Zemzemi, Nejib, Laboratoires communs organismes de recherche publics – PME/ETI - Modélisation, simulation et traitement du signal en électrophysiologie cardiaque - - CardioXcomp2013 - ANR-13-LAB1-0007 - LabCom - VALID, and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest
Subjects: [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], [MATH.MATH-AP] Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], [MATH.MATH-NA] Mathematics [math]/Numerical Analysis [math.NA], [MATH.MATH-NA]Mathematics [math]/Numerical Analysis [math.NA]
Abstract: International audience; We propose a mathematical approach for the analysis of drugs effects on the electrical activity of human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) based on multi-electrode array (MEA) experiments. Our goal is to produce an in silico tool able to simulate drugs action in MEA/hiPSC-CM assays and to fit the drug model parameters to the experimental data. The electrical activity of the stem cells at the ion-channel level is modelled using the Paci et.al. (2013) transmembrane potential model. We use the bidomain model in order to describe the propagation of the electrical wave in the stem cells preparation. The field potential (FP) measured by the MEA is modeled by the extra-cellular potential of the bidomain equations. First, we propose a strategy allowing us to generate a FP in good agreement with the experimental data. Second, we introduce a drug/ion channels interaction based on a pore block model. We conduct different simulations for five drugs. Results show that the model reflects properly the main effects of these drugs on the FP. In order to estimate the parameters of the drug model, we define a cost function minimizing the distance between the simulated and the experimental FPs. We use an optimization procedure based on a gradient descent method where the cost function gradient is computed using an adjoint approach. Results, based on simulated observations, show that this procedure is able to estimate either the drug doze or its IC50 value.
Published: 2016

15. Theoretical and Numerical Study of Cardiac Electrophysiology Problems at the Microscopic Scale

Author: Bécue, Pierre-Elliott, Caro, Florian, Potse, Mark, Coudière, Yves, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: [SDV.MHEP.CSC]Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Cardiology and cardiovascular system, Quantitative Biology::Tissues and Organs, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP]
Abstract: International audience; The bidomain model efficiently represents macroscopic cardiac electrophysiology but neglects inhomogeneities on the cellular scale. Furthermore, it cannot represent gap junctions accurately. We introduce a microscopic model. We prove the existence of a solution of this model.
Published: 2016

16. Do we need to enforce the homogeneous Neuman condition on the Torso forsolving the inverse electrocardiographic problem by using the method of fundamental solution ?

Author: Chamorro-Servent, Judit, Bear, Laura, Duchateau, Josselin, Potse, Mark, Dubois, Rémi, Coudière, Yves, Chamorro Servent, Judit, Instituts Hospitalo-Universitaires - L'Institut de Rythmologie et modélisation Cardiaque - - LIRYC2010 - ANR-10-IAHU-0004 - IAHU - VALID, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de recherche Cardio-Thoracique de Bordeaux [Bordeaux] (CRCTB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), This study received financial support from the FrenchGovernment as part of the 'Investissements d’avenir' programmanaged by the National Research Agency (ANR),Grant reference ANR-10-IAHU-04 and from the ConseilR´egional Aquitaine as part of the project 'Assimilation dedonn´ees en canc´erologie et cardiologie'., ANR-10-IAHU-0004,LIRYC,L'Institut de Rythmologie et modélisation Cardiaque(2010), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: [SPI]Engineering Sciences [physics], method of fundamental solutions, [SPI] Engineering Sciences [physics], boundary conditions, electrocardiographic imaging, inverse problem, [MATH] Mathematics [math], [MATH]Mathematics [math], ill-posed, Neumann
Abstract: International audience; Robust calculations of the inverse electrocardiographicproblem may require accurate specification of boundaryconditions at the torso and cardiac surfaces. In particular,the numerical specification of the no-flux condition onthe torso is difficult because surface normals must be computed,and because the torso may alternatively be consideredinfinitely far away from the heart. Using the method offundamental solutions (MFS), this boundaryconditions can be taken into account in different manners.Specifically, the no-flux condition on the torso can beignored, or weighted with respect to the Dirichlet boundarycondition associated to the torso data, or can bestrongly enforced through a saddle-point problem. In this work we provide a preliminary comparison ofthese different strategies.
Published: 2016

17. Effects of non-linear GJ channels on the AP propagation : a modelling insight

Author: Davidović, Anđela, Coudière, Yves, Desplantez, Thomas, Poignard, Clair, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université de Bordeaux (UB), Modélisation Mathématique pour l'Oncologie (MONC), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Bergonié [Bordeaux], UNICANCER-UNICANCER-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, ANR-13-MONU-0004,HR-CEM,Modèles numériques haute résolution de l'électrophysiologie cardiaque(2013), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Bergonié [Bordeaux]
Subjects: Gap junction, Cardiac electro-physiology, Mathematical Modelling, [MATH]Mathematics [math]
Abstract: International audience; Background: Velocity and pattern of propagation of cardiac AP depends on structural andfunctional properties of the tissue, such as conductivity, dynamics of transmembrane ionicchannels and gap junctions (GJ). Gap junctions are clusters of channels that connect adjacent cells. A gap junction channel(GJC) is made of proteins named connexins. Electrical behavior of GJCs depend on the typeand arrangement of their connexin composition. The dominating connexins in cardiacmyocytes are Cx43, Cx45 and Cx40. Methods and results: In current mathematical models, GJCs are considered to be passive.But, the experimental results, obtained by the dualvoltage clamp technique, show that GJCs display biophysical electrical properties such as voltage gating,i.e. a time and voltage dependence. Here we model Cx43 GJCs. We use the HodgkinHuxley formalism to describe GJCsconductance via one gating variable g j = g j (t, V j ). From our experimental results we obtain model parameters: the normalisedsteady state conductance and the time constant to reach the steady state, both voltagedependent. Once we have described the behavior of the single GJC, we write the mathematical model ofthe tissue, where we apply GJ current on specific parts of the cells’ membranes. Numerics and outlook: Some 3D numerical experiments are currently being performed on athin strip of cells, in order to compare the model’s results with the experimental ones. We use a monolayer of 50 × 3 cells, represented by cylinders of 100μm lengthand 10μm radius, with 2μm intercellular distance. We model GJCs on the cross sections of the cylinders. Finally, we apply an external stimulus on the border of the domain, and observe the propagation of theAP. Our goal is to make a mathematical model of the heterogeneous GJCs, including Cx45channels, as these have been shown to play a role in arrythmogenesis.
Published: 2015

18. Overview on the Cardiac ElectroPhysiology Simulator (CEPS)

Author: Zemzemi, Nejib, Coudière, Yves, Caro, Florian, Fuentes, Marc, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: code development, medecine, cardiac electrophysiology, [INFO.INFO-MS]Computer Science [cs]/Mathematical Software [cs.MS]
Abstract: National audience; The goal of this poster is to present an overview of actual state of the CEPS code developped into the CARMEN team for electrophysiology cardiac problems.
Published: 2015

19. Adaptive multistep time discretization and linearization based on a posteriori estimates for the Richards equation

Author: SOCHALA, Pierre, BARON, Vincent, COUDIÈRE, Yves, Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM) (BRGM), Université de Nantes (UN), Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), SIAM, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: discrete duality finite volume reconstructions, Computable error estimators, error balancing, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Abstract: International audience; We derive a posteriori error estimates based on the dual norm of the residual of the Richards equation. The error is decomposed into space, time, and linearization terms. Error estimators are computed with reconstructions especially designed for a multistep Discrete Duality Finite Volume scheme. We stop the fixed-point iterations when the linearization error becomes negligible, and we choose the time step to balance the time and space errors. Results are presented to several test cases.
Published: 2015

20. New Mathematical approaches in Electrocardiography Imaging inverse problem

Author: Zemzemi, Nejib, Potse, Mark, Bear, Laura, Coudière, Yves, Dubois, Rémi, Henry, Jacques, Dallet, C, Duchateau, Josselin, Bernus, O, Haïssaguerre, M, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), CHU Bordeaux [Bordeaux], Epicard, LIRIMA, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Abstract: International audience; Improve ECGI inverse problem reconstruction Introduce new mathematical approches to the field of the ECGI inverse problem Compare the performance of the new mathematical approaches to the state-of-the-art methods, mainly the MFS method used in commercial devices. In silico validation of the new approches. Assessment of some simplification hypothesis: Torso inhomogeneity Propose some uncertainty quantification apronches to deal with measurements errors Context and objectives Optimal control approach Mathematical model In silico gold standard Results Torso Heterogeneity effect Conclusions Forward model If we know the heart potential we can compute the electrical potential Inverse problem If we know the electrical potential and the current density at the outer boundary of the torso and we look for the electrical potential at the heart surface Computational heart and torso anatomical models + electrodes position Computational torso meshes: 250 nodes mesh (blue). More accurate FE mesh with 6400 nodes (green) Remarks Introducing the torso heterogeneity is natural with FEM. also anisotropy could be introduced The error is more important in the left ventricle Main results and perspectives New mathematical approches for solving the inverse problem in electrocardiography imaging based on optimal control Over all the 20 cases used in this study the optimal control method performs better than the MFS both in terms of relative error and correlation coefficient: Acknowledgment: This work was partially supported by an ANR grant part of "Investissements d'Avenir" program with reference ANR-10-IAHU-04. It is also supported by the LIRIMA international lab thought the EPICARD team
Published: 2015

21. In silico assessment of drugs effects on human embryonic stem cells derived cardiomyocytes electrical activity

Author: ABBATE, Emanuela, ZEMZEMI, Nejib, COUDIÈRE, Yves, GERBEAU, Jean-Frédéric, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Numerical simulation of biological flows (REO), Laboratoire Jacques-Louis Lions (LJLL), Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Paris-Rocquencourt, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: field potential, hESC-CMs, [SDV.MHEP.CSC]Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Cardiology and cardiovascular system, [SDV.SP.MED]Life Sciences [q-bio]/Pharmaceutical sciences/Medication, MEA, drug modelling, [MATH]Mathematics [math]
Abstract: International audience; Computational modeling and simulation is extensively used to investigate diseases in cardiac electrophysiological activity and also drug effects, side effects and interactions. Human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes (hESC-CMs) have been recently considered as a promising tool in regenerative medicine: their major role in repairing damaged tissue is due to pluripotency and ability to differentiate. These pluripotent cells are also used in early stages of drugs development. Pharmaceutical companies use the MultiElectrode Array (MEA) device in order to perform many in vitro experiments on hESC-CMs. The goal of our study is to derive a mathematical model and to simulate these in vitro experiments.
Published: 2015

22. Cardiac electrical simulations at the microscopic scale

Author: Bécue, Pierre-Elliott, Caro, Florian, Potse, Mark, Coudière, Yves, Bécue, Pierre-Elliott, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: [SDV.MHEP.CSC]Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Cardiology and cardiovascular system, [MATH.MATH-NA] Mathematics [math]/Numerical Analysis [math.NA], [MATH.MATH-NA]Mathematics [math]/Numerical Analysis [math.NA], [SDV.MHEP.CSC] Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Cardiology and cardiovascular system
Abstract: Microscopic alterations of the heart tissue (fat, fibre invasion, fibre crossing responsible of non-anisotropic behavior) are responsible of alterations of the electric wave propagation. It leads to macroscopic heart diseases.The purpose of my work is to provide a better understanding of the consequences at the macroscopic scale of these alterations that occur at the microscopic scale.This poster introduces the current work/results of my PhD work as of July 2015.
Published: 2015

23. The Modified Bidomain Model with Diffusive Inclusions

Author: Coudière, Yves, Davidović, Anđela, Poignard, Clair, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), IHU-LIRYC, CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2, Modélisation, contrôle et calcul (MC2), Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Bordeaux (UB)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]
Subjects: Electrophysiology, Quantitative Biology::Tissues and Organs, Physics::Medical Physics, Cardiology, Homogenisation, Bidomain model, [MATH]Mathematics [math]
Abstract: International audience; Bidomain equations are the standard way to model the electric potential in cardiac tissue. They are based on the fact that active cardiomyocytes are present everywhere in the heart, while it is known that non-small regions exist where additional extracellular media take place. These regions, which play an important role in diseased hearts, are often taken into account through ad-hoc rough tuning of the tissue conductivities. In this work, we introduce a rigorous way to derive these conductivities from a microscopic description of the heterogeneities in the tissue. We assume a periodic alternation of the healthy tissue and the fibrotic tissue. Such a microscopic model can be simulated directly, at the price of a very high computational cost. Instead we derive a homogenized model at the macroscopic scale, following a standard multiscale technique.We recover a bidomain type model, but with modified conductivities, that depend on the volume fraction of the diffusive inclusions but also on their geometries. The numerical results confirm the convergence of the microscopic model to the homogenized equations. We observe the influence of the diffusive inclusions on the propagation of action potentials. With the final model we shall provide cheap modeling tools to account for tissue heterogeneities at intermediate scales. The diffusive volume ratio, that enters the model, might be available through functional imaging, which enlightens the practical interest of the method.
Published: 2014

24. Adaptive time discretization and linearization based on a posteriori estimates for the Richards equation

Author: Baron, Vincent, Coudière, Yves, Sochala, Pierre, Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM) (BRGM), Laboratoire de Mathématiques Jean Leray (LMJL), Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Fuhrmann, Jürgen, Ohlberger, Mario, Rohde, Christian, ANR-11-LABX-0020,LEBESGUE,Centre de Mathématiques Henri Lebesgue : fondements, interactions, applications et Formation(2011), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: adaptive algorithm, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Richards equation, Discrete Duality Finite Volume scheme, A posteriori estimate
Abstract: We derive some a posteriori error estimates for the Richards equation, based on the dual norm of the residual. This equation is nonlinear in space and in time, thus its resolution requires fixed-point iterations within each time step. We propose a strategy to decrease the computational cost relying on a splitting of the error terms in three parts: linearization, time discretization, and space discretization. In practice, we stop the fixed-point iterations after the linearization error becomes negligible, and choose the time step in order to balance the time and space errors.
Published: 2014

25. Virtual electrode polarization and current activation with monodomain equations

Author: Coudière, Yves, Rioux, Myriam, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Canada: FRQNT and GIREF, IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: [SDV.MHEP.CSC]Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Cardiology and cardiovascular system, [INFO.INFO-NA]Computer Science [cs]/Numerical Analysis [cs.NA], [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Abstract: The bidomain model is nowadays one of the most accurate mathematical descriptions of the electrical activity in the heart. From now on, it was believed to be the only model for accurate simulations of cardiac muscle stimulation in a clinically relevant manner, i.e. through extracellular electrodes. In this paper, we develop a computationally efficient and accurate approximation of the bidomain model that allows for extracellular stimulation and accounts for unequal anisotropy ratios between intra-and extra-cellular media: the current-lifted monodomain model. We prove its use in the isolated heart by reproducing four types of extracellular activation that exhibit virtual electrode polarization. The simplicity of the code implementation and the fact that the computational cost is equal to the standard monodomain model henceforth give an excellent alternative to the bidomain model for expensive simulations like arrhythmia, fibrillation, and their respective treatments, e.g. signal guided catheter ablation and defibrillation.
Published: 2014

26. Influence of periodic diffusive inclusions on the bidomain model

Author: Davidovic, Andjela, Coudière, Yves, Poignard, Clair, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Modélisation, contrôle et calcul (MC2), Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Bordeaux (UB)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ICERM, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2
Subjects: [SDV.MHEP.CSC]Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Cardiology and cardiovascular system, [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP], Homogenisation, Bidomain model, [MATH]Mathematics [math], Cardiac Electrophysiology Modeling
Abstract: International audience; We present a new mathematical model of the electric activity of the heart. In the standard bidomain model we can distinguish the intra- and the extracellular space with different conductivities for excitable cells and the fibrotic tissue around them. The main drawback is that it assumes the existence of excitable cells everywhere in the heart, while it is known that there exist non small regions where fibroblasts take place. The fibroblasts are equally distributed and since they are non excitable cells, they can be considered as a diffusive part. Hence we extend the standard bidomain model as follows: we assume that we have periodic alternation of the healthy tissue (linear bidomain model) and fibrotic extracellular space (diffusive part). We use homogenization techniques to derive our macroscopic partial differential equations. Interestingly, we obtain again a bidomain type model with modified conductivities that involve the volume fraction of the diffusive domain. Preliminary numerical experiments will conclude on the influence of these diffusive inclusions.
Published: 2014

27. A Machine Learning Technique Regularization of the Inverse Problem in Cardiac Electrophysiology

Author: Zemzemi, Nejib, Dubois, Rémi, Coudière, Yves, Bernus, Olivier, Haïssaguerre, M., Laguna, Pablo, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université de Bordeaux Ségalen [Bordeaux 2], Centre de recherche Cardio-Thoracique de Bordeaux [Bordeaux] (CRCTB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux]
Subjects: [SPI]Engineering Sciences [physics], [MATH.MATH-GM]Mathematics [math]/General Mathematics [math.GM], [SDV]Life Sciences [q-bio]
Abstract: International audience; Radio-frequency ablation is one of the most efficient treatments of atrial fibrillation. The idea behind it is to stop the propagation of ectopic beats coming from the pulmonary vein and the abnormal conduction pathways. Medical doctors need to use invasive catheters to localize the position of the triggers and they have to decide where to ablate during the intervention. ElectroCardioGraphy Imaging (ECGI) provides the opportunity to reconstruct the electrical potential and activation maps on the heart surface and analyze data prior to the intervention. The mathematical problem behind the reconstruction of heart potential is known to be ill posed. In this study we pro- pose to regularize the inverse problem with a statistically reconstructed heart potential, and we test the method on synthetically data produced using an ECG simulator.
Published: 2013

28. 3D Source location in optical mapping

Author: Ravon, Gwladys, Coudière, Yves, Iollo, Angelo, Bernus, Olivier, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Modélisation, contrôle et calcul (MC2), Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Bordeaux (UB)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), IHU-LIRYC, CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2, Plafrim, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]
Subjects: optical mapping, inverse problem, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Abstract: International audience; Optical mapping is a display process for cardiac action potentials by fluorescence. So far one considered that experimental measurements represented boundary potentials, although they took into account the interaction of the incident light with the inside of the tissue. Our aim is to reconstruct tridimensional action potentials exploiting this 3D interaction. For each image obtained by optical mapping, we look for a depolarization wave front that fit the data. For now we consider spherical wave fronts, which allows us to locate the position of the excitation. We can also determine the time the excitation took place. It is about solving an inverse problem. To do that we discretised our domain with the finite elements method and implemented BFGS method for the resolution. We present first numerical results of this new approach.; La cartographie optique est un procédé de visualisation des potentiels d'action cardiaques par fluorescence. Jusqu'à maintenant, on considérait que les mesures effectuées représentaient des potentiels en surface, bien qu'elles intégraient l'interaction de la lumière avec l'intérieur du tissu. Notre objectif est de reconstruire des potentiels d'action tri-dimensionnels en exploitant au mieux cette interaction 3D. Pour chaque image obtenue par cartographie optique, nous recherchons un front de dépolarisation 3D qui minimise la différence avec les données. Pour le moment nous considérons des fronts sphériques, ce qui nous permet de localiser la position de l'excitation. Nous pouvons également déterminer le temps auquel l'excitation a eu lieu. Il s'agit de résoudre un problème inverse. Pour cela nous avons discrétisé notre domaine avec la méthode des éléments finis et implémenté la méthode BFGS pour la résolution. Nous présentons les premiers résultats numériques de cette nouvelle approche.
Published: 2013

29. Numerical modeling of the electrical activity of the atria and the pulmonary veins

Author: Labarthe, Simon, Coudière, Yves, Henry, Jacques, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Abstract: Three axes are explored. 1) Derivation of mathematical models. Mathematical methods allow to derive simplified models from three-dimensional complex ones, while controlling approximation errors. We construct a bilayer surface model that allows to simulate three-dimensional phenomena for a bi-dimensional computational load, to investigate 3D atrial patterns such that electrical dissociation or transmural heterogeneities. Those methods are also used to construct a homogenized model that includes the non linear behavior of gap junctions. 2) Triggers of atrial arrhythmia. Proofs of concept of arrhythmogenic mechanisms are given by using numerical models of the pulmonary veins. The first mechanism is based on a unidirectional conduction block triggered by a discontinuity of the fibre distribution. The second one comes from a different propagation pattern during the depolarization and the repolarization when two layer of fibres are superimposed. 3)Atrial arrhythmia perpetuation. We investigate the influence of transmural heterogeneities of the distribution of fibrosis on the perpetuation of atrial arrhythmia. Several ablation protocols are assessed. Finally, a method of personalization of the model is given.; Le travail présenté s'articule en trois axes distincts. 1)Dérivation de modèles mathématiques. Des méthodes mathématiques permettent de dériver des modèles simplifiés à partir de modèles tridimensionnels complexes, tout en contrôlant l'erreur d'approximation. Ces méthodes ont permis de dériver un modèle bisurfacique qui permet de simuler des phénomènes tridimensionnels dans les oreillettes pour un coût numérique bidimensionnel afin d'étudier des phénomènes tels que la dissociation électrique ou des hétérogénéités transmurales. Ces méthodes sont également utilisées pour construire un modèle homogénéisé incluant le comportement non linéaire des gap junctions. 2) Processus déclencheurs d'arythmie. Des preuves de concepts de mécanismes arythmogènes sont apportées à l'aide de modèles numériques des veines pulmonaires. Le premier mécanisme repose sur un bloc de conduction unidirectionnel engendré par une discontinuité dans la structure fibreuse. Le second est basé sur une dynamique différente à la dépolarisation et à la repolarisation lors de la superposition de deux couches de fibres. 3) Perpétuation des arythmies auriculaires. A partir d'un modèle bicouche des oreillettes, nous étudions l'influence d'hétérogénéités transmurales de fibrose sur la perpétuation des arythmies. De plus, plusieurs protocoles d'ablation sont testés. Enfin, une méthode de personnalisation du modèle est formalisée.
Published: 2013

30. C.E.P.S. : an efficient tool for cardiac electrophysiology simulations

Author: Juhoor, Mehdi, Coudière, Yves, Zemzemi, Nejib, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: numerical analysis, cardiac electrophysiology, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Abstract: International audience; Numerical models become a new and important tool to understand the mechanisms of cardiac arrythmias, delivering more and more accurate in-silico experiments. Beyond the development of mathematical models or numerical algorithms, a software tool must be developed to support this research. C.E.P.S. (Cardiac ElectroPhysiology Simulator) is a software tool under development by Inria Carmen team. Its purpose is to provide researchers from the modelling group, and collaborators, with a common environment to develop efficiently new models and numerical methods for cardiac electrophysiology. CEPS is designed to run on massively parallel architectures, and to make use of state-of-the-art and well known computing libraries to achieve realistic and complex heart simulations. Our short-term goals include solving monodomain and bidomain equations on 3D domain representing major structures of the heart (ventricles, atria and Purkinje fibers). CEPS supports the coupling surface/volume elements, surface/cable elements and volume/cable elements in order to include the complete structure of the heart. It is also designed to simulate electrocardiograms following heart/torso coupling. We also aim to automatically incorporate ionic models from CellML or JSIM databases. The structure of the code allows to easily include new PDE/ODE systems, to account for progresses in modelling, but also elements or numerical methods of arbitrary order of accuracy, for research on more efficient numerical solvers.; Les modèles numériques sont un outil nouveau et important pour la compréhension des mécanismes des arythmies cardiaques, fournissant des expériences in-silico de plus en plus précises. Au-delà du développement de modèles mathématiques et d'algorithmes numériques, un logiciel doit être développé pour soutenir cette recherche. C.E.P.S. (Cardiac ElectroPhysiology Simulator ) est un outil logiciel en cours de développement par l'équipe-projet Inria Carmen. Son but est de fournir aux chercheurs du groupe de modélisation et ses collaborateurs avec un environnement commun pour développer de nouveaux modèles et méthodes numériques efficaces pour l'électrophysiologie cardiaque. CEPS est conçu pour fonctionner sur les architectures massivement parallèles, et utilise des bibliothèques de calcul bien connues pour réaliser des simulations cardiaques réalistes et complexes. Nos objectifs à court terme comprennent la résolution des équations monodomaine et bidomaine sur le domaine 3D représentant les grandes structures du cœur (ventricules , oreillettes et réseau de conduction cardique). CEPS prend en charge les éléments de couplage surface / volume, surface / câble et volume / câble afin d'y inclure la structure complète du cœur. CEPS est également conçu pour simuler les électrocardiogrammes suivants le couplage coeur / torse . Nous visons également à incorporer automatiquement des modèles ioniques des bases de données de CellML ou JSIM. La structure du code permet d'inclure facilement de nouvelles EDP / systèmes d'EDO.
Published: 2013

31. Multifocal Ectopic Purkinje-Related Premature Contractions: A New SCN5A-Related Cardiac Channelopathy

Author: Laurent, Gabriel, Saal, Samuel, Amarouch, Mohamed Yassine, Béziau, Delphine, Marsman, Roos, Faivre, Laurence, Barc, Julien, Dina, Christian, Bertaux, Geraldine, Barthez, Olivier, Thauvin-Robinet, Christel, Charron, Philippe, Fressart, Véronique, Maltret, Alice, Villain, Elisabeth, Baron, Estelle, Mérot, Jean, Turpault, Rodolphe, Coudière, Yves, Charpentier, Flavien, Schott, Jean-Jacques, Loussouarn, Gildas, Wilde, Arthur, Wolf, Jean-Eric, Baró, Isabelle, Kyndt, Florence, Probst, Vincent, Service de Cardiologie [CHU de Dijon], Centre Hospitalier Universitaire de Dijon - Hôpital François Mitterrand (CHU Dijon), Centre de génétique - Centre de référence des maladies rares, anomalies du développement et syndromes malformatifs (CHU de Dijon), unité de recherche de l'institut du thorax UMR1087 UMR6291 (ITX), Université de Nantes - UFR de Médecine et des Techniques Médicales (UFR MEDECINE), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Department of Experimental Cardiology, Heart Failure Research Center (HFRC)-Academic Medical Center - Academisch Medisch Centrum [Amsterdam] (AMC), University of Amsterdam [Amsterdam] (UvA)-University of Amsterdam [Amsterdam] (UvA), Génétique, pharmacologie et physiopathologie des maladies cardiovasculaires, Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Unité Fonctionnelle de Cardiogénétique et Myogénétique Moléculaire et Cellulaire, Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-CHU Pitié-Salpêtrière [AP-HP], Sorbonne Université (SU)-Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Sorbonne Université (SU), Service de cardiologie pédiatrique [CHU Necker], Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-CHU Necker - Enfants Malades [AP-HP], Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP), Laboratoire de Mathématiques Jean Leray (LMJL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN), The Agence Nationale de la Recherche financially supported R.T. and Y.C. (ANR-07-JCJC-0141), I.B. (ANR-09-GENO-003-01) and J.-J.S. (ANR-05- MRAR-028-01). J.-J.S. was also supported by a Leducq Foundation Trans-Atlantic Network of Excellence grant (05 CVD 01). The research leading to these results has also received funding from the European Community's Seventh Framework Programme FP7/ 2007-2013 under grant agreement n° FP7-HEALTH-2009-singlestage 241526 (I.B. and F.C.). G.Lo. was financially supported by the Association Française contre les Myopathies (n°14120) and F.C. by the Fondation pour la Recherche Médicale (DVC20070409253)., Centre Hospitalier Universitaire de Dijon - Hôpital François Mitterrand ( CHU Dijon ), unité de recherche de l'institut du thorax UMR1087 UMR6291 ( ITX ), Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Nantes ( UN ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ), Heart Failure Research Center (HFRC)-Academic Medical Center [Amsterdam] ( AMC ), University of Amsterdam [Amsterdam] ( UvA ) -University of Amsterdam [Amsterdam] ( UvA ), Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 ( UPMC ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ), Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP)-Centre de Génétique Moléculaire et Chromosomique du GH Pitié-Salpêtrière-CHU Pitié-Salpêtrière [APHP], Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP)-CHU Necker - Enfants Malades [AP-HP], Laboratoire de Mathématiques Jean Leray ( LMJL ), Université de Nantes ( UN ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Unité de recherche de l'institut du thorax (ITX-lab), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Nantes - UFR de Médecine et des Techniques Médicales (UFR MEDECINE), Academic Medical Center - Academisch Medisch Centrum [Amsterdam] (AMC), University of Amsterdam [Amsterdam] (UvA)-University of Amsterdam [Amsterdam] (UvA)-Heart Failure Research Center (HFRC), CHU Pitié-Salpêtrière [AP-HP], Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Sorbonne Université (SU), Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), and Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: [SDV.MHEP.CSC]Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Cardiology and cardiovascular system, cardiovascular system, cardiovascular diseases, [ SDV.MHEP.CSC ] Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Cardiology and cardiovascular system
Abstract: International audience; OBJECTIVES: The aim of this study was to describe a new familial cardiac phenotype and to elucidate the electrophysiological mechanism responsible for the disease. BACKGROUND: Mutations in several genes encoding ion channels, especially SCN5A, have emerged as the basis for a variety of inherited cardiac arrhythmias. METHODS: Three unrelated families comprising 21 individuals affected by multifocal ectopic Purkinje-related premature contractions (MEPPC) characterized by narrow junctional and rare sinus beats competing with numerous premature ventricular contractions with right and/or left bundle branch block patterns were identified. RESULTS: Dilated cardiomyopathy was identified in 6 patients, atrial arrhythmias were detected in 9 patients, and sudden death was reported in 5 individuals. Invasive electrophysiological studies demonstrated that premature ventricular complexes originated from the Purkinje tissue. Hydroquinidine treatment dramatically decreased the number of premature ventricular complexes. It normalized the contractile function in 2 patients. All the affected subjects carried the c.665G>A transition in the SCN5A gene. Patch-clamp studies of resulting p.Arg222Gln (R222Q) Nav1.5 revealed a net gain of function of the sodium channel, leading, in silico, to incomplete repolarization in Purkinje cells responsible for premature ventricular action potentials. In vitro and in silico studies recapitulated the normalization of the ventricular action potentials in the presence of quinidine. CONCLUSIONS: A new SCN5A-related cardiac syndrome, MEPPC, was identified. The SCN5A mutation leads to a gain of function of the sodium channel responsible for hyperexcitability of the fascicular-Purkinje system. The MEPPC syndrome is responsive to hydroquinidine.
Published: 2012

32. Modélisation bidimensionnelle d'un problème de réaction-diffusion anisotrope hétérogène en couche mince appliquée à la cardiologie

Author: Labarthe, Simon, Coudière, Yves, Henry, Jacques, Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], SIgnals and SYstems in PHysiology & Engineering (SISYPHE), Inria Paris-Rocquencourt, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest
Subjects: [MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP]
Abstract: National audience; La modélisation mathématique de l'activité électrique du coeur présente un grand intérêt médical, par exemple pour mieux comprendre les arythmies auriculaires. La propagation des potentiels d'action à l'échelle du tissu cardiaque est obtenue par la résolution d'une équation de réaction-diffusion décrivant les échanges ioniques entre les milieux intra et extra-cellulaires, l'équation bidomaine, ou sa forme simplifiée, l'équation monodomaine. La forte anisotropie du tissu cardiaque, organisé en fibres et en couches, est prise en compte par le tenseur de diffusion alors que l'activité électrophysiologique de la membrane des cellules du myocarde est décrite par le terme de réaction. Dans l'oreillette et les veines pulmonaires, le tissu cardiaque est très fin : résoudre l'équation bidomaine sur une variété représentant la surface moyenne de l'oreillette réduit fortement le coût numérique. Après adimensionnement et moyennant une hypothèse sur l' épaisseur du tissu auriculaire, une analyse asymptotique permet de dériver le modèle surfacique correspondant. Il s'agit alors de résoudre l'équation bidomaine bidimensionnelle classique, en prenant pour tenseur de diffusion la moyenne dans l'épaisseur du tenseur de diffusion tridimensionnel. La variation des potentiels d'action dans l'épaisseur du tissu peut être décrite par un terme correcteur. En complément, des descriptions fines du tissu des veines pulmonaires et de certaines zones de l'oreillette montrent une forte hétérogénéité du tenseur de diffusion dans l' épaisseur du tissu, pouvant aller jusqu'à une discontinuité entre deux zones de direction d'anisotropie différentes. Une modélisation tridimensionnelle de cette dernière configuration géométrique montre une propagation complexe en croix, alors que le modèle bidimensionnel habituel décrit une propagation isotrope, si les directions d'anisotropie dans chaque couche sont orthogonales. Moyenner les tenseurs de diffusion hétérogènes tend dans le cas bidimensionnel à gommer l'anisotropie, alors que dans le cas tridimensionnel, le terme de réaction, qui est prépondérant, permet de conserver les directions d'anisotropie. Nous proposons alors un système d'équations de réaction-diffusion définies sur une variété, qui permet de conserver les avantages numériques de la modélisation surfacique tout en conservant les propagations complexes de la modélisation tridimensionnelle. Ce système autorise une variation dans l'épaisseur du terme de réaction qui, du fait de sa prépondérance, engendre une différence de potentiel dans l'épaisseur du tissu, et une dynamique plus complexe dans les zones de discontinuité de l'anisotropie. Nous démontrons la convergence de la moyenne dans l'épaisseur de la solution du problème tridimensionnel vers la solution du système d'équations bidimensionnelles. Nous en déduisons des critères de comparaison des solutions bi et tridimensionnelles. Nous évaluons enfin numériquement la robustesse de ce modèle lorsque l'épaisseur de la couche augmente.
Published: 2012

33. Simulation numérique de l'activité électrique dans l'oreillette gauche et les veines pulmonaires

Author: Labarthe, Simon, Coudière, Yves, Henry, Jacques, Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], SIgnals and SYstems in PHysiology & Engineering (SISYPHE), Inria Paris-Rocquencourt, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest
Subjects: [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Abstract: National audience; Un modèle numérique réaliste des oreillettes et des veines pulmonaires peut être un outil de recherche efficace. Il permet de maîtriser l'ensemble des paramètres entrant en jeu dans la propagation des potentiels d'action (PA), autorisant ainsi des expériences numériques pouvant simuler des épisodes normaux ou pathologiques de l'activité cardiaque. Un modèle numérique réaliste repose sur plusieurs éléments. Il nécessite tout d'abord des équations qui modélisent la propagation des PA à l'échelle des tissus en prenant en compte des modèles de l'électrophysiologie à l'échelle cellulaire. Il inclut des données électrophysiologiques permettant d'adapter de manière qualitative les modèles membranaires auriculaires aux veines pulmonaires. Il comporte enfin des données anatomiques, partiellement disponibles par imagerie : la direction des fibres cardiaques sur les tissus auriculaires n'étant pas accessible par IRM, elle est reconstruite par un processus semi-automatique reposant sur une définition qualitative basée sur des descriptions histologiques de la direction des fibres sur des zones d'intérêt, puis sur une complétion permettant d'extrapoler la direction des fibres sur l'ensemble du domaine d'étude. Bien que le modèle choisi soit surfacique, une variation de la direction des fibres dans l'épaisseur du tissu peut être définie. Ces différents éléments sont pris en compte par un module de calcul qui regroupe l'ensemble des outils mathématiques nécessaires à la résolution numériques des équations. Cette résolution requiert une discrétisation temporelle et spatiale attentive pour garantir le réalisme du résultat des simulations, tout en préservant le temps de calcul. Ce modèle numérique permet de simuler des épisodes pathologiques dans les veines pulmonaires et leurs conséquences sur la propagation de l'onde sinusale dans l'oreillette gauche.
Published: 2012

34. How to compute the extracellular potential in electrocardiology from an extended monodomain model

Author: CHHAY, M., COUDIÈRE, Yves, TURPAULT, Rodolphe, Laboratoire de Mathématiques Jean Leray (LMJL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN), Laboratoire Optimisation de la Conception et Ingénierie de l'Environnement (LOCIE), Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), INRIA, Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux]
Subjects: [MATH.MATH-NA]Mathematics [math]/Numerical Analysis [math.NA]
Abstract: The objective of this paper is to introduce efficient methods to compute the relevant information required for electrograms simulations. In order to avoid the excessive cost of the bidomain model, we consider an extended monodomain model with an additional elliptic equation which is solved on the epicardium thanks to an algebraic equation or an integral formulation.; L'objectif de cet article est de présenter des méthodes efficaces permettant d'obtenir les informations pertinentes pour le calcul d'électrogrammes. Afin d'éviter le coût excessif du modèle bidomaine, on considère ici un modèle monodomaine étendu avec une équation elliptique supplémentaire qui est résolue sur l'épicarde grâce à une équation algébrique ou une formulation intégrale.
Published: 2012

35. Multifocal Ectopic Purkinje-Related Premature Contractions: A New SCN5A-Related Cardiac Channelopathy

Author: Laurent, Gabriel, Saal, Samuel, Amarouch, Mohamed Yassine, Béziau, Delphine, Marsman, Roos, Faivre, Laurence, Barc, Julien, Dina, Christian, Bertaux, Geraldine, Barthez, Olivier, Thauvin-Robinet, Christel, Charron, Philippe, Fressart, Véronique, Maltret, Alice, Villain, Elisabeth, Baron, Estelle, Mérot, Jean, Turpault, Rodolphe, Coudière, Yves, Charpentier, Flavien, Schott, Jean-Jacques, Loussouarn, Gildas, Wilde, Arthur, Wolf, Jean-Eric, Baró, Isabelle, Kyndt, Florence, Probst, Vincent, Baró, Isabelle, Service de Cardiologie [CHU de Dijon], Centre Hospitalier Universitaire de Dijon - Hôpital François Mitterrand (CHU Dijon), Centre de génétique - Centre de référence des maladies rares, anomalies du développement et syndromes malformatifs (CHU de Dijon), Unité de recherche de l'institut du thorax (ITX-lab), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Nantes - UFR de Médecine et des Techniques Médicales (UFR MEDECINE), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN), Department of Experimental Cardiology, Academic Medical Center - Academisch Medisch Centrum [Amsterdam] (AMC), University of Amsterdam [Amsterdam] (UvA)-University of Amsterdam [Amsterdam] (UvA)-Heart Failure Research Center (HFRC), Génétique, pharmacologie et physiopathologie des maladies cardiovasculaires, Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Unité Fonctionnelle de Cardiogénétique et Myogénétique Moléculaire et Cellulaire, Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-CHU Pitié-Salpêtrière [AP-HP], Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Sorbonne Université (SU)-Sorbonne Université (SU), Service de cardiologie pédiatrique [CHU Necker], Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-CHU Necker - Enfants Malades [AP-HP], Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP), Laboratoire de Mathématiques Jean Leray (LMJL), Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and The Agence Nationale de la Recherche financially supported R.T. and Y.C. (ANR-07-JCJC-0141), I.B. (ANR-09-GENO-003-01) and J.-J.S. (ANR-05- MRAR-028-01). J.-J.S. was also supported by a Leducq Foundation Trans-Atlantic Network of Excellence grant (05 CVD 01). The research leading to these results has also received funding from the European Community's Seventh Framework Programme FP7/ 2007-2013 under grant agreement n° FP7-HEALTH-2009-singlestage 241526 (I.B. and F.C.). G.Lo. was financially supported by the Association Française contre les Myopathies (n°14120) and F.C. by the Fondation pour la Recherche Médicale (DVC20070409253).
Subjects: [SDV.MHEP.CSC]Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Cardiology and cardiovascular system, cardiovascular system, cardiovascular diseases, [SDV.MHEP.CSC] Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Cardiology and cardiovascular system
Abstract: International audience; OBJECTIVES: The aim of this study was to describe a new familial cardiac phenotype and to elucidate the electrophysiological mechanism responsible for the disease. BACKGROUND: Mutations in several genes encoding ion channels, especially SCN5A, have emerged as the basis for a variety of inherited cardiac arrhythmias. METHODS: Three unrelated families comprising 21 individuals affected by multifocal ectopic Purkinje-related premature contractions (MEPPC) characterized by narrow junctional and rare sinus beats competing with numerous premature ventricular contractions with right and/or left bundle branch block patterns were identified. RESULTS: Dilated cardiomyopathy was identified in 6 patients, atrial arrhythmias were detected in 9 patients, and sudden death was reported in 5 individuals. Invasive electrophysiological studies demonstrated that premature ventricular complexes originated from the Purkinje tissue. Hydroquinidine treatment dramatically decreased the number of premature ventricular complexes. It normalized the contractile function in 2 patients. All the affected subjects carried the c.665G>A transition in the SCN5A gene. Patch-clamp studies of resulting p.Arg222Gln (R222Q) Nav1.5 revealed a net gain of function of the sodium channel, leading, in silico, to incomplete repolarization in Purkinje cells responsible for premature ventricular action potentials. In vitro and in silico studies recapitulated the normalization of the ventricular action potentials in the presence of quinidine. CONCLUSIONS: A new SCN5A-related cardiac syndrome, MEPPC, was identified. The SCN5A mutation leads to a gain of function of the sodium channel responsible for hyperexcitability of the fascicular-Purkinje system. The MEPPC syndrome is responsive to hydroquinidine.
Published: 2012

36. Multifocal ectopic Purkinje-related premature contractions: a new SCN5A-related cardiac channelopathy

Author: Laurent, Gabriel, Saal, Samuel, Amarouch, Mohamed Yassine, Béziau, Delphine M., Marsman, Roos F.J., Faivre, Laurence, Barc, Julien, Dina, Christian, Bertaux, Geraldine, Barthez, Olivier, Thauvin-Robinet, Christel, Charron, Philippe, Fressart, Véronique, Maltret, Alice, Villain, Elisabeth, Baron, Estelle, Mérot, Jean, Turpault, Rodolphe, Coudière, Yves, Charpentier, Flavien, Schott, Jean-Jacques, Loussouarn, Gildas, Wilde, Arthur A.M., Wolf, Jean-Eric, Baró, Isabelle, Kyndt, Florence, Probst, Vincent, Cardiology, Medical Biology, and ACS - Amsterdam Cardiovascular Sciences
Subjects: Adult, Cardiomyopathy, Dilated, Male, Patch-Clamp Techniques, Adolescent, DNA Mutational Analysis, arrhythmia, Sodium Channels, NAV1.5 Voltage-Gated Sodium Channel, Purkinje Fibers, Young Adult, Humans, cardiovascular diseases, Child, SCN5A, Genetic Association Studies, Infant, Newborn, Infant, Arrhythmias, Cardiac, Syndrome, Middle Aged, Myocardial Contraction, Quinidine, Ventricular Premature Complexes, Pedigree, Death, Sudden, Cardiac, Phenotype, Mutation, cardiovascular system, Female, ventricular tachycardia, Electrophysiologic Techniques, Cardiac, Anti-Arrhythmia Agents
Abstract: Objectives The aim of this study was to describe a new familial cardiac phenotype and to elucidate the electrophysiological mechanism responsible for the disease. Background Mutations in several genes encoding ion channels, especially SCN5A, have emerged as the basis for a variety of inherited cardiac arrhythmias. Methods Three unrelated families comprising 21 individuals affected by multifocal ectopic Purkinje-related premature contractions (MEPPC) characterized by narrow junctional and rare sinus beats competing with numerous premature ventricular contractions with right and/or left bundle branch block patterns were identified. Results Dilated cardiomyopathy was identified in 6 patients, atrial arrhythmias were detected in 9 patients, and sudden death was reported in 5 individuals. Invasive electrophysiological studies demonstrated that premature ventricular complexes originated from the Purkinje tissue. Hydroquinidine treatment dramatically decreased the number of premature ventricular complexes. It normalized the contractile function in 2 patients. All the affected subjects carried the c.665G>A transition in the SCN5A gene. Patch-clamp studies of resulting p.Arg222Gln (R222Q) Nav1.5 revealed a net gain of function of the sodium channel, leading, in silico, to incomplete repolarization in Purkinje cells responsible for premature ventricular action potentials. In vitro and in silico studies recapitulated the normalization of the ventricular action potentials in the presence of quinidine. Conclusions A new SCN5A-related cardiac syndrome, MEPPC, was identified. The SCN5A mutation leads to a gain of function of the sodium channel responsible for hyperexcitability of the fascicular-Purkinje system. The MEPPC syndrome is responsive to hydroquinidine. (J Am Coll Cardiol 2012;60:144-56) (C) 2012 by the American College of Cardiology Foundation
Published: 2011

37. Contributions à l'analyse numérique de méthodes de volumes finis, à la modélisation et au calcul en électrocardiologie

Author: Coudière, Yves, Laboratoire de Mathématiques Jean Leray (LMJL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN), Université de Nantes, and Jean-Antoine Désidéri
Subjects: Volumes finis, electrocardiology, convection-diffusion: diffusion anisotrope, reaction-diffusion, anisotropic diffusion, convection-diffusion, [MATH]Mathematics [math], electrophysiology, electrocardiologie, Finite Volumes, electrophysiologie
Abstract: The main motivation of my research in applied mathematics concerns the study of models and numerical methods for the electrophysiology of cardiac tissues. The numerical simulations have applications to medical imaging and bioingeneering problems. The reaction-diffusion system of equations for electrocardiology is degenerate, hard to understand, and can by approximated by finite volumes methods.This document summarizes the main results of my research work in these domains : analysis of the partial differential equations of electrocardiology, numerical experimentation and applications on the one hand; new finite volumes methods and numerical analysis both for anisotropic diffusion equations, reaction-diffusion and convection-diffusion ones and linear hyperbolic systems of equations on the other hand.The main scientific issue is a better understanding of the equations of electrocardiology and generally of the behaviour of an excitable tissue or a whole organ like the heart.; L'étude mathématique des modèles et des méthodes de calcul en électrophysiologie des tissus cardiaques constitue la principale motivation de mes travaux de recherche en mathématiques appliquées. Ces travaux ont trouvé des applications en imagerie médicale et en bioingénierie grâce aux simulations numériques que nous avons rendues possibles. Les équations d'électrocardiologie, de type réaction-diffusion dégénérée, peuvent être discrétisées efficacement par des méthodes de volumes finis. Ce mémoire synthétise l'ensemble des résultats de mes travaux dans ces domaines, c'est à dire : analyse des équations aux dérivées partielles d'électrocardiologie, expérimentation et applications numériques d'une part; introduction de nouveaux schémas et analyse numérique de méthodes de volumes finis pour des problèmes de diffusion anisotrope, de convection-diffusion et des systèmes hyperboliques linéaires d'autre part.Ces travaux visent une meilleure compréhension scientifique des équations de l'électrophysiologie et plus généralement du fonctionnement électrique d'un tissu cardiaque ou du coeur entier.
Published: 2009

38. A 2D/3D Finite Volume Method used to solve the bidomain equations of electrocardiology

Author: Coudière, Yves, Pierre, Charles, Turpault, Rodolphe, Laboratoire de Mathématiques Jean Leray (LMJL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN), Laboratoire de Mathématiques et de leurs Applications [Pau] (LMAP), Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and ANR-07-JCJC-0141,MOMME,MOdèles et Méthodes Mathématiques en Electrocardiologie(2007)
Subjects: ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, [MATH.MATH-NA]Mathematics [math]/Numerical Analysis [math.NA]
Abstract: International audience
Published: 2009

39. Solving the Fully Coupled Heart and Torso Problems of ElectroCardiology with a 3D Discrete Duality Finite Volume Method

Author: Coudière, Yves, Pierre, Charles, Turpault, Rodolphe, Laboratoire de Mathématiques Jean Leray (LMJL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN), Department of Mathematics and Statistics [Ottawa], and University of Ottawa [Ottawa]
Subjects: [MATH.MATH-NA]Mathematics [math]/Numerical Analysis [math.NA]
Abstract: A new 3D finite volume formulation and discretization is presented to simulate the electrocardiograms. It allows for the full coupling relations between the heart and the torso to be computed. Additionally, realistic ionic models are used, with very stiff dynamics. Hence, thousands of iterations are needed, each of which requires to solve a large and sparse linear system. The system is proved to be well-posed. Numerical results are presented, that rely on the choice of a good preconditioning technique.
Published: 2006

40. Assessment of Radio-frequency Ablation of Ventricular Arrhythmias Via Magnetic Resonance Imaging and Computer Modelling

Author: Pop, Mihaela, Sermesant, Maxime, Dick, Alexander, Graham, John, Coudière, Yves, Wright, Graham, Imaging Research [Sunnybrook], University of Toronto-Sunnybrook Health Sciences Centre, Analysis and Simulation of Biomedical Images (ASCLEPIOS), Inria Sophia Antipolis - Méditerranée (CRISAM), Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Laboratoire de Mathématiques Jean Leray (LMJL), Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Department of Medical Biophysics (MBP), University of Toronto, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), and Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)
Subjects: [INFO.INFO-TS]Computer Science [cs]/Signal and Image Processing, [SDV.IB.IMA]Life Sciences [q-bio]/Bioengineering/Imaging, [INFO.INFO-IM]Computer Science [cs]/Medical Imaging, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation, [SPI.SIGNAL]Engineering Sciences [physics]/Signal and Image processing
Abstract: no abstract
Published: 2006

41. Aid of Computer Modelling to Identify Ventricular Reentries due to Infarct Scars

Author: Pop, Mihaela, Sermesant, Maxime, Dick, Alexander, Graham, John, Coudière, Yves, Wright, Graham, Imaging Research [Sunnybrook], University of Toronto-Sunnybrook Health Sciences Centre, Analysis and Simulation of Biomedical Images (ASCLEPIOS), Inria Sophia Antipolis - Méditerranée (CRISAM), Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Laboratoire de Mathématiques Jean Leray (LMJL), Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Department of Medical Biophysics (MBP), University of Toronto, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Nantes - UFR des Sciences et des Techniques (UN UFR ST), and Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)
Subjects: [INFO.INFO-TS]Computer Science [cs]/Signal and Image Processing, [SDV.IB.IMA]Life Sciences [q-bio]/Bioengineering/Imaging, [INFO.INFO-IM]Computer Science [cs]/Medical Imaging, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation, [SPI.SIGNAL]Engineering Sciences [physics]/Signal and Image processing
Abstract: no abstract
Published: 2006

42. Progress towards an Electro-Mechanical Model of the Heart for Cardiac Image Analysis

Author: Sermesant, Maxime, Coudière, Yves, Delingette, Hervé, Ayache, Nicholas, Medical imaging and robotics (EPIDAURE), Inria Sophia Antipolis - Méditerranée (CRISAM), and Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
Subjects: electromechanical model, [INFO.INFO-TS]Computer Science [cs]/Signal and Image Processing, [SDV.IB.IMA]Life Sciences [q-bio]/Bioengineering/Imaging, segmentation, [INFO.INFO-IM]Computer Science [cs]/Medical Imaging, Heart, medical images, motion tracking, 4D, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation, [SPI.SIGNAL]Engineering Sciences [physics]/Signal and Image processing, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS
Abstract: International audience; no abstract
Published: 2002

43. Validation of a sequential data assimilation method applied to cardiac electrophysiology

Author: Gérard, Antoine, Collin, Annabelle, Coudière, Yves, Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux], Modélisation Mathématique pour l'Oncologie (MONC), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Bergonié [Bordeaux], UNICANCER-UNICANCER-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Bergonié [Bordeaux]
Subjects: [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Abstract: International audience; Improved electroanatomical recordings and imaging capabilities prompts for trying to personalize cardiac electrical models. Though it is challenging, data assimilation is a family of methods relevant to this problem. It consists in estimating the state of the system thanks to observations. Among the two main approaches, variationnal and sequential, we choose to investigate the possibilities of a sequential method based on an atrial model and atrial electroanatomical maps. The method combines a state observer and a Kalman filter to estimate some parameters in the model.

44. Cardiac displacement tracking with data assimilation combining a biomechanical model and an automatic contour detection

Author: Gautier Bureau, Dominique Chapelle, Jürgen Weese, Jaroslav Tintera, Radomir Chabiniok, Alexandra Groth, Philippe Moireau, Mathematical and Mechanical Modeling with Data Interaction in Simulations for Medicine (M3DISIM), Laboratoire de mécanique des solides (LMS), École polytechnique (X)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Saclay - Ile de France, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), King‘s College London, Philips Research [Germany], Philips Research, Institute for Clinical and Experimental Medicine (IKEM), Zemzemi, Nejib, Ozenne, Valéry, Vigmond, Edward, Coudière, Yves, École polytechnique (X)-Mines Paris - PSL (École nationale supérieure des mines de Paris), and Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)-Mines Paris - PSL (École nationale supérieure des mines de Paris)
Subjects: Computational model, Computer science, business.industry, [SDV.IB.IMA]Life Sciences [q-bio]/Bioengineering/Imaging, 0206 medical engineering, 02 engineering and technology, Tracking (particle physics), 020601 biomedical engineering, Biophysical heart modeling, cine MRI, Displacement (vector), Bottleneck, 030218 nuclear medicine & medical imaging, Term (time), Cine mri, 03 medical and health sciences, 0302 clinical medicine, Data assimilation, Computer vision, Artificial intelligence, business, [SDV.IB.BIO]Life Sciences [q-bio]/Bioengineering/Biomaterials, Cardiac imaging
Abstract: International audience; Data assimilation in computational models represents an essential step in building patient-specific simulations. This work aims at circumventing one major bottleneck in the practical use of data assimilation strategies in cardiac applications, namely, the difficulty of formulating and effectively computing adequate data-fitting term for cardiac imaging such as cine MRI. We here provide a proof-of-concept study of data assimilation based on automatic contour detection. The tissue motion simulated by the data assimilation framework is then assessed with displacements extracted from tagged MRI in six subjects, and the results illustrate the performance of the proposed method, including for circumferential displacements, which are not well extracted from cine MRI alone.
Published: 2019

45. Minimally-invasive estimation of patient-specific end-systolic elastance using a biomechanical heart model

Author: Radomir Chabiniok, Dominique Chapelle, Fabrice Vallée, Arthur Le Gall, Mathematical and Mechanical Modeling with Data Interaction in Simulations for Medicine (M3DISIM), Laboratoire de mécanique des solides (LMS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École polytechnique (X)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École polytechnique (X)-Inria Saclay - Ile de France, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École polytechnique (X), Service d'Anesthésie-Réanimation [AP-HP Hôpitaux Saint-Louis Lariboisière], Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Hôpital Lariboisière-Fernand-Widal [APHP], Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP), School of Biomedical Engineering & Imaging Sciences [London], Guy's and St Thomas' Hospital [London]-King‘s College London, ANAESTASSIST, École polytechnique (X)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Saclay - Ile de France, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), King‘s College London-Guy's and St Thomas' Hospital [London], Coudière, Yves, Ozenne, Valéry, Vigmond, Edward, Zemzemi, Nejib, École polytechnique (X)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Saclay - Ile de France, École polytechnique (X)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (APHP)-Hôpital Lariboisière-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7), École polytechnique (X)-Mines Paris - PSL (École nationale supérieure des mines de Paris), and Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)-Mines Paris - PSL (École nationale supérieure des mines de Paris)
Subjects: Time-varying elastance, Linear function (calculus), [SDV]Life Sciences [q-bio], 0206 medical engineering, Patient-specific biophysical modelling, 02 engineering and technology, State (functional analysis), Function (mathematics), 030204 cardiovascular system & hematology, Patient specific, 020601 biomedical engineering, Confidence interval, [SHS]Humanities and Social Sciences, Combinatorics, 03 medical and health sciences, 0302 clinical medicine, End systolic elastance, Time-varying elastan, End-systolic elastance estimation, Sensitivity (control systems), Uniqueness, [SDV.MHEP]Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology, Mathematics
Abstract: The end-systolic elastance (\(E_{\text {es}}\)) – the slope of the end-systolic pressure-volume relationship (ESPVR) at the end of ejection phase – has become a reliable indicator of myocardial functional state. The estimation of \(E_{\text {es}}\) by the original multiple-beat method is invasive, which limits its routine usage. By contrast, non-invasive single-beat estimation methods, based on the assumption of the linearity of ESPVR and the uniqueness of the normalised time-varying elastance curve \(E^N(t)\) across subjects and physiology states, have been applied in a number of clinical studies. It is however known that these two assumptions have a limited validity, as ESPVR can be approximated by a linear function only locally, and \(E^N(t)\) obtained from a multi-subject experiment includes a confidence interval around the mean function. Using datasets of 3 patients undergoing general anaesthesia (each containing aortic flow and pressure measurements at baseline and after introducing a vasopressor noradrenaline), we first study the sensitivity of two single-beat methods—by Sensaki et al. and by Chen et al.—to the uncertainty of \(E^N(t)\). Then, we propose a minimally-invasive method based on a patient-specific biophysical modelling to estimate the whole time-varying elastance curve \(E^{\text {model}}(t)\). We compare \(E^{\text {model}}_{\text {es}}\) with the two single-beat estimation methods, and the normalised varying elastance curve \(E^{N,\text {model}}(t)\) with \(E^{N}(t)\) from published physiological experiments.
Published: 2019

46. Model-based indices of early-stage cardiovascular failure and its therapeutic management in Fontan patients

Author: Radomir Chabiniok, Bram Ruijsink, Konrad Zugaj, Kuberan Pushparajah, King‘s College London, Imaging Sciences and Biomedical Engineering Division [London], Guy's and St Thomas' Hospital [London]-King‘s College London, Mathematical and Mechanical Modeling with Data Interaction in Simulations for Medicine (M3DISIM), Laboratoire de mécanique des solides (LMS), École polytechnique (X)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)-MINES ParisTech - École nationale supérieure des mines de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Saclay - Ile de France, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), The authors acknowledge financial support from the Department of Health through the National Institute for Health Research (NIHR) comprehensive Biomedical Research Centre award to Guy’s & St Thomas’ NHS Foundation Trust in partnership with King’sCollege London and the NIHR Cardiovascular MedTech Co-operative (previously existing as the Cardiovascular Healthcare Technology Co-operative 2012–2017), the support of Wellcome/EPSRC Centre for Medical Engineering [WT 203148/Z/16/Z], and from the Inria Associated team ToFMOD. The views expressed are those of the author(s)and not necessarily those of the NHS, the NIHR or the Department of Health. In addition, the authors would like to acknowledge Philippe Moireau and Dominique Chapelle, Inria research team MΞDISIM, for providing the cardiac simulation software CardiacLab under a Royalty-fee software lice., École polytechnique (X)-Mines Paris - PSL (École nationale supérieure des mines de Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)-Mines Paris - PSL (École nationale supérieure des mines de Paris), Ozenne, Valéry, Vigmond, Edward, Coudière, Yves, and Zemzemi, Nejib
Subjects: medicine.medical_specialty, congenital, hereditary, and neonatal diseases and abnormalities, [SDV.IB.IMA]Life Sciences [q-bio]/Bioengineering/Imaging, Heart failure, 030204 cardiovascular system & hematology, 01 natural sciences, Fontan circulation, Contractility, 03 medical and health sciences, 0302 clinical medicine, [SDV.MHEP.CSC]Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology/Cardiology and cardiovascular system, Internal medicine, Medicine, Pulmonary vascular resistance, 0101 mathematics, Stage (cooking), Dobutamine stress, medicine.diagnostic_test, business.industry, Magnetic resonance imaging, medicine.disease, 3. Good health, Cardiovascular physiology, 010101 applied mathematics, Pulmonary vasodilation therapy, medicine.anatomical_structure, Vascular resistance, Cardiology, cardiovascular system, Biomechanical model, business
Abstract: International audience; Investigating the causes of failure of Fontan circulation in individual patients remains challenging despite detailed combined inva-sive cardiac catheterisation and magnetic resonance (XMR) exams at rest and during stress. In this work, we use a biomechanical model of the heart and Fontan circulation with the components of systemic and pulmonary beds to augment the diagnostic assessment of the patients undergoing the XMR stress exam. We apply our model in 3 Fontan patients and one biventricular "control" case. In all subjects, we obtained important biophysical factors of cardiovascular physiology-contractil-ity, contractile reserve and changes in systemic and pulmonary vascular resistance-which contribute to explaining the mechanism of failure in individual patients. Finally, we used the patient-specific model of one Fontan patient to investigate the impact of changes in pulmonary vas-cular resistance, aiming at in silico testing of pulmonary vasodilation treatments.
Published: 2019

47. SMOD − Data Augmentation Based on Statistical Models of Deformation to Enhance Segmentation in 2D Cine Cardiac MRI

Author: Hao Xu, Pablo Lamata, Vicente Grau, Alfonso Bueno-Orovio, Ernesto Zacur, Jorge Corral Acero, Rina Ariga, Coudière, Yves, Zemzemi, Nejib, Ozenne, Valéry, and Vigmond, Edward
Subjects: Long axis, Training set, Data augmentation, business.industry, Computer science, Deep learning, Hypertrophic cardiomyopathy, Pattern recognition, Dice, Statistical model, 030204 cardiovascular system & hematology, medicine.disease, Data availability, 030218 nuclear medicine & medical imaging, 03 medical and health sciences, 0302 clinical medicine, Segmentation, medicine, Artificial intelligence, business, Cardiac MRI, Endocardium, Models of deformation
Abstract: Deep learning has revolutionized medical image analysis in recent years. Nevertheless, technical, ethical and financial constraints along with confidentiality issues still limit data availability, and therefore the performance of these approaches. To overcome such limitations, data augmentation has proven crucial. Here we propose SMOD, a novel augmentation methodology based on Statistical Models of Deformations, to segment 2D cine scans in cardiac MRI. In brief, the shape variability of the training set space is modelled so new images with the appearance of the original ones but unseen shapes within the space of plausible realistic shapes are generated. SMOD is compared to standard augmentation providing quantitative improvement, especially when the training data available is very limited or the structures to segment are complex and highly variable. We finally propose a state-of-art, deep learning 2D cardiac MRI segmenter for normal and hypertrophic cardiomyopathy hearts with an epicardium and endocardium mean Dice score of 0.968 in short and long axis.
Published: 2019

48. Solution to the Unknown Boundary Tractions in Myocardial Material Parameter Estimations

Author: Nasopoulou, Anastasia, Nordsletten, David A., Niederer, Steven A., Lamata, Pablo, Ozenne, Valéry, Vigmond, Edward, Coudière, Yves, and Zemzemi, Nejib
Abstract: Passive material parameter estimation can facilitate the in vivo assessment of myocardial stiffness, an important biomarker for heart failure stratification and screening. Parameter estimation strategies employing biomechanical models of various degrees of complexity have been proposed, usually involving a significant number of cardiac mechanics simulations. The clinical translation of these strategies however is limited by the associated computational cost and the model simplifications. A simpler and arguably more robust alternative is the use of data-based approaches, which do not involve mechanical simulations and can be based for example on the formulation of the energy balance in the myocardium from imaging and pressure data. This approach however requires the estimation of the mechanical work at the myocardial boundaries and the strain energy stored, tasks that are challenging when external loads are unknown - especially at the base which deforms extensively within the cardiac cycle. In this work we employ the principle of virtual work in a strictly data-based approach to uniquely identify myocardial material parameters by eliminating the effect of the unknown boundary tractions at the base. The feasibility of the method is demonstrated on a synthetic data set using a popular transversely isotropic material model followed by a sensitivity analysis to modelling assumptions and data noise.
Published: 2019

49. Optimisation du ciblage des noyaux gris centraux en neurochirurgie stéréotaxique

Author: ENGELHARDT, Julien, STAR, ABES, Cuny, Emmanuel, Coudière, Yves, Karachi, Carine, and Haegelen, Claire
Subjects: Targeting, Artificial intelligence, Tremblement essentiel, Stimulation cérébrale profonde, Maladie de Parkinson, Parkinson's disease, Stéréotaxie, [SCCO.NEUR] Cognitive science/Neuroscience, Deep brain stimulation, Essential tremor, Intelligence artificielle, Ciblage, Stereotactic procedure
Abstract: Deep brain stimulation (DBS) is a surgical treatment for some forms of Parkinson's disease, essential tremor and dystonia. The main step in this procedure is the targeting of the brain structure in which the current will be delivered by the implanted electrodes (target). Targets of the SCP are of the order of a millimeter, corresponding to sub-parts of basal ganglia (subthalamic nucleus - STN, globus pallidus internal - GPi, ventral intermediate nucleus of the thalamus - VIM) or regions around these nuclei in which pass the white fibers destined for these nuclei. Magnetic resonance imaging (MRI) allows viewing some of these nuclei, but with insufficient resolution to guide accurate implantation of electrodes to the STN and the VIM, making for some authors essential intraoperative electrophysiology. On the other hand, the anatomic target definition is controversial and the nature of the target structure varies between different centers. These elements are sources of error in targeting and can account for the lack of efficiency of the surgery, or its partial effectiveness in some patients. The objective of this work was to optimize targeting in DBS by setting a functional target and non-anatomically: for a given patient, to find the position of a target whose stimulation will lead to an excellent clinical outcome. For this, we resolved a reverse problem through statistical learning methods. The training base was formed by the position of the electrodes implanted in patients with an excellent postoperative clinical result on the one hand, and the position of anatomical structures nearby visible on an MRI at 1.5 Tesla in these same patients, on the other hand. We used three machine-learning approches: RKHS (Reproducing Kernel Hilbert Space), SVR (support vector regression) as well as deep neural networks. 15 patients with an essential tremor (29 electrodes) operated with an excellent result have been included to the definition of a 'VIM' target. 18 points of reference by hemisphere have been defined in the region of the basal ganglia. The prediction model has been validated by calculating the Euclidean distance between the predicted target and the 'real' target distance, which is the center of the active contact of the implanted electrode. The validation was done according to leave-one-out cross-validation approach. We also normalized the position of active contacts and targets predicted on an average brain (MNI template) and have calculated the minimum distance between the predicted target and the VIM given by an atlas (Ewert) normalized on this template, on the one hand, and between the active contact and the VIM of this atlas on the other hand. We were able to compare the distances predicted targets - VIM and active contact - VIM. In parallel, we developed a software (OptimDBS), to visualize directly the target predicted from landmarks on the MRI of any patient to be operated on. Finally, we set up and started a multi-center prospective study to validate the "VIM" target on essential tremor. It is planned to include 22 patients in 2 years who will be operated under general anesthesia without intraoperative electrophysiology using the target developed in this work to implant the electrode., La stimulation cérébrale profonde (SCP) constitue un traitement chirurgical validé pour certaines formes de maladie de Parkinson, de tremblement essentiel ou de dystonies.La principale étape de cette procédure est le ciblage de la structure cérébrale dans laquelle sera délivré le courant par les électrodes implantées (cible). Les cibles de la SCP sont de l’ordre du millimètre, correspondant à des sous-parties de noyaux gris centraux (noyaux sous-thalamique – NST, globus pallidus interne – GPi, noyau ventral-intermédiaire du thalamus – VIM) ou à des régions autour de ces noyaux dans lesquelles transitent les faisceaux de fibres blanches à destination de ceux-ci. L’imagerie par résonnance magnétique (IRM) permet de visualiser certains de ces noyaux, mais avec une résolution insuffisante pour guider avec précision l’implantation des électrodes pour ce qui est du STN et du VIM, rendant pour certains auteurs l’électrophysiologie peropératoire indispensable. D’autre part, la définition anatomique des cibles est sujette à controverses et la nature même de la structure visée varie entre les différents centres. Ces éléments constituent des sources d’erreur dans le ciblage et peuvent rendre compte de l’absence d’efficacité de la procédure, ou de son efficacité partielle, chez certains patients. L’objectif de ce travail était d’optimiser le ciblage en SCP en définissant une cible non pas anatomique mais fonctionnelle : pour un patient donné, trouver la position d’une cible dont la stimulation aboutira à un excellent résultat clinique.Pour cela, nous avons résolu un problème inverse, grâce à des méthodes d’apprentissage statistique. La base d’entrainement était constituée par la position des électrodes implantées chez des patients ayant un excellent résultat clinique post-opératoire d’une part, et la position de structures anatomiques avoisinantes visibles sur une IRM à 1,5Tesla chez ces mêmes patients, d’autre part. Trois approches d’apprentissage ont été utilisées : la régression de type RKHS, puis les SVR (support vector régression) et les réseaux de neurones (apprentissage profond). 15 patients atteints d’un tremblement essentiel (29 électrodes) opérés avec un excellent résultat ont été inclus pour la définition d’une cible « VIM ». 18 points de repères par hémisphère ont été définis dans la région des noyaux gris centraux.Les modèles de prédiction ont été validés en calculant la distance euclidienne entre la cible prédite et la cible « réelle », à savoir le centre du contact actif de l’électrode implantée. Ensembles d’apprentissage et de validation étaient partitionnés de manière itérative selon la méthode de validation croisée type leave-one-out. Nous avons également normalisé la position des contacts actifs et des cibles prédites sur un cerveau moyen (MNI template) et avons calculé la distance minimale entre la cible prédite et le VIM donné par un atlas (Ewert) normalisé sur ce template, d’une part, et entre le contact actif et le VIM de cet atlas d’autre part. Nous avons ainsi pu comparer les distance cibles prédites – VIM et contact actif – VIM.En parallèle, nous avons développé un logiciel (Optim DBS), permettant de visualiser directement la cible prédite à partir des points de repères sur l’IRM de n’importe quel patient devant être opéré.Enfin, nous avons mis en place et démarré une étude prospective multicentrique permettant de valider la cible « VIM » sur le tremblement essentiel. Il est prévu d’inclure22 patients en 2 ans et de les opérer sous anesthésie générale sans électrophysiologie peropératoire en utilisant la cible développée dans ce travail pour implanter l’électrode.
Published: 2019

50. Modélisation mathématique multi-échelle des hétérogénéités structurelles en électrophysiologie cardiaque

Author: DAVIDOVIĆ, Andjela, Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Modélisation et calculs pour l'électrophysiologie cardiaque (CARMEN), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-CHU Bordeaux [Bordeaux], Université de Bordeaux, Yves Coudière, Clair Poignard, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), IHU-LIRYC, Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-CHU Bordeaux [Bordeaux]-Institut de Mathématiques de Bordeaux (IMB), Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1-Université de Bordeaux (UB)-Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Bordeaux - Sud-Ouest, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Magali Ribot [Président], Piero Colli Franzone [Rapporteur], Maxime Sermesant [Rapporteur], Muriel Boulakia, Pierre Jais, Coudière, Yves, Poignard, Clair, Ribot, Magali, Colli Franzone, Piero, Sermesant, Maxime, Boulakia, Muriel, and Jais, Pierre
Subjects: Homogenization, Électrophysiologie cardiaque, Modélisation multi-échelle, Asymptotic analysis, Jonctions communicantes, Modélisation basée sur des images, Cardiac electrophysiology, Modèle bidomaine, Analyse asymptotique, Bidomain model, Two-scale convergence, Image-based modelling, [MATH.MATH-GM]Mathematics [math]/General Mathematics [math.GM], Homogénéisation, Convergence à deux échelles, Numerical simulations, Multi-scale modelling, Gap junctions, Simulations numériques
Abstract: In this thesis we addressed two problems in mathematical modelling of propagation of electrical signals in the heart: tissue scale propagation with presence of tissue heterogeneities and cell scale propagation with non-linear gap junctions. Diffusive inclusions. The standard model used in cardiac electrophysiology is the bidomain model. It is an averaged model derived from the microscopic properties of the tissue.The bidomain model assumes that the electrically active myocytes are present uniformly everywhere in the heart. While this is a reasonable assumption for healthy hearts, it fails insome pathological cases where significant changes in the tissue structure occur, for examplein ischaemic and rheumatic heart disease, inflammation, hypertrophy, or infarction. These tissue heterogeneities are often taken into account through an ad-hoc tuning of model parameters. The first aim of this thesis consisted in generalizing the bidomain equations to the case of structural heart diseases.We assumed a periodic alternation of healthy (bidomain model) and altered (diffusive inclusion) tissue patches. Such a model may be simulated directly, at the high computational cost of a very fine discretisation. Instead we derived a homogenized model at the macroscopic scale, using a rigorous two-scale analysis. We recovered a bidomain-type model with modified conductivity coefficients, and performed a 2D numerical verificationof the convergence of the microscopic model towards the homogenized one.In the second part we quantified the effects of different shapes and sizes of diffusive inclusions on the effective conductivity coefficients and their anisotropy ratios in 2D and3D. Additionally, we ran simulations on 2D patches of tissue with modified conductivity coefficients. We observed changes in the propagation velocity as well as in the shape of the depolarization wave-front.In the third part, based on high-resolution MR images of a rat heart we simulated 3D propagations with the homogenized model. Using image analysis software tools we assessed the structural properties of the tissue, that we used afterwards as parameters inthe homogenized model. Non-linear gap junctions. In the last part of this thesis, we studied the effects of nonlineargap junction channels on the signal propagation at the cell scale. In existing models, the gap junction channels, if modelled, are assumed to have a linear behaviour, while from experimental data we know that they have a time- and voltage-dependent non-linear behaviour. Firstly, we stated a non-linear 0D model for the gap junctional current, and secondly fitted the model to available experimental data. Finally, we proposed a 2D mathematical model that describes the electrical interaction of cardiac myocytes on the cell scale. It accounts for the gap junctional current as "the direct link" between the adjacent cells.; Dans cette thèse, nous avons abordé deux problèmes de modélisation mathématique pour la propagation des signaux électriques cardiaques : la propagation à l’échelle tissulaire en présence d’hétérogénéités et la propagation à l’échelle cellulaire avec des jonctions communicantes non linéaires. Inclusions diffusives. Le modèle standard utilisé en électrocardiologie est le modèle bidomaine. Il est déduit par homogénéisation des propriétés microscopiques du tissu. Pour cela, on suppose que les myocytes électriquement actifs sont uniformément répartis dans le coeur. Bien que ce soit une hypothèse raisonnable pour des coeurs sains, ce n’est plus vrai dans certains cas pathologiques où des changements importants dans la structure tissulaire se produisent. C’est le cas, par exemple des maladies cardiaques ischémiques, rhumatismales et inflammatoires, de l’hypertrophie ou de l’infarctus. Ces hétérogénéités tissulaires sont souvent prises en compte à l’aide d’un ajustement ad hoc des paramètres du modèle. Le premier objectif de cette thèse consistait à généraliser les équations du modèle bidomaine au cas des pathologies cardiaques structurelles.Nous avons supposé une alternance périodique d’éléments de tissus sains (modèle bidomaine) et modifiées (inclusions diffusives). La simulation numérique directe d’un tel modèle nécessite une discrétisation très fine, et entraîne un coût de calcul élevé. Pour éviter cela, nous avons construit un modèle homogénéisé à l’échelle macroscopique en utilisant une analyse à deux échelles. Nous avons retrouvé un modèle de type bidomaine avec des coefficients de conductivité modifiés, dits effectifs. En complément, nous avons effectué une vérification numérique de la convergence du modèle microscopique vers celui homogénéisé, dans une situation bidimensionnelle.Dans la deuxième partie, nous avons quantifié les effets de différentes formes d’inclusions diffusives sur les coefficients de conductivité effectifs et leur anisotropie en 2D et 3D. De plus, nous avons effectué des simulations sur des domaines représentant des morceaux de tissu 2D avec ces coefficients de conductivité modifiés. Nous avons observé des changements de la vitesse de propagation et de la forme du front de l’onde de dépolarisation. Dans la troisième partie, nous avons simulé le modèle homogénéisé en 3D, à partir d’images par résonance magnétique (IRM) à haute résolution d’un coeur de rat. Nous avons évalué les propriétés structurelles du tissu en utilisant des outils d’analyse d’image.Nous avons ensuite utilisés ces évaluations pour construire les paramètres dans le modèle homogénéisé. Jonctions communicantes non linéaires. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons étudié les effets du comportement non linéaires des jonctions communicantes sur la propagation du signal à l’échelle cellulaire. Dans les modèles existants, les jonctions communicantes sont supposées avoir un comportement linéaire, lorsqu’elles sont modélisées.Cependant les données provenant des expériences montrent que ceux-ci ont un comportement non linéaire dépendant du temps et de la différence de potentiel entre cellules voisines. D’abord, nous avons présenté un modèle non linéaire 0D du courant dans les jonctions communicantes. Ensuite, nous avons recalé le modèle sur les données expérimentales.Enfin, nous avons proposé un modèle mathématique 2D qui décrit l’interaction électrique des myocytes cardiaques à l’échelle cellulaire. Ce modèle utilise le courant dans les jonctions communicantes comme une liaison directe entre des cellules adjacentes.
Published: 2016

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