Local Impedance Characterization for Scar and Fibrosis Detection - Towards a New Substrate Assessment for Atrial Mapping

Vorhofflimmern (VHF) ist eine Herzerkrankung, die eine unregelmäßige und abnorm schnelle Herzfrequenz verursacht.
Beim VHF handelt sich um eine multifaktorielle und fortschreitende Erkrankung, die sich bei jedem Patienten unterschiedlich manifestiert. Die Therapie dieser Erkrankung stellt nach wie vor eine Herausforderung dar, insbesondere bei Patienten mit stark verändertem Herzgewebe. Da fibrotisches und vernarbtes Gewebe als potenzielle Auslöser von VHF identifiziert sind, erfolgt die Behandlung standardmäßig durch die Ablation der betroffenen Gewebebereiche. Hochauflösende Kartierungstechniken können wertvolle Informationen über Bereiche mit niedriger Spannung und langsamer Reizleitung liefern, welche beide Charakteristika von arrhythmogenem Gewebe sind. ... mehrAllerdings zeigt die Analyse dieser Modalitäten Inkonsistenzen bezüglich der Lokalisation und Ausdehnung des arrhythmogenen Gewebes. Aus diesem Grund hat die Messung der lokalen Impedanz (LI) in letzter Zeit immer mehr an Bedeutung gewonnen. Eine neue Generation von Ablationskathetern bietet die Möglichkeit der LI-Messung als eine neue Methode zur Charakterisierung des Prozesses der Läsionsbildung. Es wird davon ausgegangen, das mit dieser Methode unabhängig vom Vorhofrhythmus zwischen gesundem und vernarbtem Gewebe unterschieden werden kann, wodurch das Verständnis der zugrunde liegende Substratveränderungen verbessert wird. Um ein praktikables Kartierungssystem für diese neue Funktion zu implementieren, benötigt man umfassende Kenntnisse über den Einfluss verschiedener Faktoren auf die LI-Messung. Deshalb wurden in dieser Arbeit zwei Ansätze verfolgt: in silico-Simulationen verschiedener Katheter und Gewebeeinstellungen, sowie in vitro-Experimente zur Unterstützung klinischer und simulierter Studien. Durch die Durchführung von in silico-Studien, konnten wir vorhersagen und verstehen, wie verschiedene Faktoren zu den gemessenen LI-Werten beitragen. Ein 3D-Modell des Ablationskatheters mit der DirectSense Technologie wurde in verschiedenen klinisch relevanten Szenarien eingesetzt. Es wurde beispielsweise die Einführung des Katheters in eine steuerbare Hülle oder die Variation des Abstands zwischen Katheter und Gewebe, des Winkels, sowie der Kraft berücksichtigt. Die Validierung der Simulationen erfolgte anhand von Patientendaten des Städtischen Klinikums Karlsruhe. Später wurde die in silico-Analyse auf die Betrachtung von Multielektrodenkathetern erweitert. Es wurden verschiedene Designparameter von LI, wie bipolare Injektions- und Messpaare, Elektrodenabstand, -form und -größe sowie Katheteranordnung, simuliert, um die Gewebeleitfähigkeiten unter Berücksichtigung fibrotischer Strukturen zu rekonstruieren. Im nächsten Schritt wurden die in silico-Erkenntnisse aufin vitro-Experimente übertragen. Es wurden Kontaktexperimente mit einem Multielektrodenkatheter und einem Gewebephantom durchgeführt. Dabei zeigten sich statistisch signifikante Unterschiede in den Impedanzmessungen von Elektroden in direktem Kontakt mit dem Gewebe und ohne Kontakt. Zusammenfassend wurden mit dieser Arbeit die potenziellen Vorzüge von LI-Messungen demonstriert und dazu beigetragen, den Weg für den Einsatz von LI-Messungen in der Herzkartierung von narbem Gewebe, ergänzend zur Auswertung von Elektrogrammen, zu ebnen.

Atrial Fibrillation (AF) is a heart condition that causes an irregular and abnormally fast heart rate, as well as a multifactorial and progressive cardiac disease with different manifestations in each patient. The treatment of such illness remains a challenge, especially on those patients showing severe remodelling of the cardiac substrate. Regions of scar and fibrotic tissue have been identified as a potential driving region of arrhythmic activity during (AF), so the ablation of these areas represents a standard treatment. High density mapping techniques can provide important information about low voltage and slow conduction zones, both characteristics of arrhythmogenic areas. ... mehrHowever, these modalities remain showing discordances in the location and extent of arrhythmogenic areas. Recently, Local Impedance (LI) measurements have gained attention as they are expected to distinguish between healthy and scar tissue independently from the atrial rhythm, which can improve the understanding of underlying substrate modifications. A new generation of ablation catheters incorporates the option of LI recordings as a novel technique to characterize the process of lesion formation.
To extend this technology towards a mapping system implementation, a better understanding on how different factors are influencing LI measurements is needed. For that, two approaches were followed during this work: in silico investigations with different catheters and tissue settings, and in vitro experiments to support simulated studies. By performing in silico studies that can relate to commonly seen clinical scenarios, we were able to predict and understand how different factors contribute to measured LI values.
A 3D model of the ablation catheters with the DirectSense technology was employed in different scenarios reported in the clinics, such as the introduction of the catheter in a steerable sheath, or the variation of the catheter-tissue distance, angle, and force. LI data from recruited patients at the Städtisches Klinikum Karlsruhe allowed the validation of the simulation setting. Later, this in silico setting was extended to multielectrode catheters. Simulating the impact of several design parameters in LI, such as stimulation and measurement bipolar pairs, inter-electrode distance, or electrode shape and size, tissue conductivities were reconstructed to account for scarred tissue patterns. Lately, in vitro experiments with a mapping catheter were performed built on the previous simulated findings. Various contact impedance recordings in tissue phantom demonstrated statistical significance when comparing the measurements between electrodes in direct catheter-tissue contact and floating in saline. During this work, the potential capabilities of LI measurements were proven and paved the way towards its use as a surrogate for detection of fibrotic areas in cardiac mapping, complementing commonly used techniques based on EGM analysis.