Variability modeling and numerical biomarkers design in cardiac electrophysiology
Modélisation de la variabilité et design de biomarqueurs en électrophysiologie cardiaque
Résumé
This PhD thesis is dedicated to the study of the variability observed in cardiac electrophysiology (i.e. the electrical activity of biological tissues) measurements and to the design of numerical biomarkers extracted from these measurements. The potential applications are numerous, ranging from a better understanding of existing electrophysiology models to the assessment of adverse effects of drugs or the diagnosis of cardiac pathologies. The cardiac electrophysiology models considered in the present work are either ODEs or PDEs depending on whether we focus on the cell scale or the tissue scale. In both cases, these models are highly non-linear and computationally intensive. We proceed as follows: first we develop numerical tools that address general issues and that are applicable beyond the scope of cardiac electrophysiology. Then, we apply those tools to synthetic electrophysiology measurements in various realistic scenarios and, when available, to real experimental data.
In the first part of this thesis, we present a general method for estimating the probability density function (PDF) of uncertain parameters of models based on ordinary differential equations (ODEs) or partial differential equations (PDEs). The method is non-instrusive and relies on offline evaluations of the forward model, making it computationally cheap in practice compared to more sophisticated approaches. The method is illustrated with generic PDE and ODE models. It is then applied to synthetic and experimental electrophysiology measurements.
In the second part of this thesis, we present a method to extract and select biomarkers from models outputs in view of performing classication tasks or solving parameter identification problems. The method relies on the resolution of a sparse optimization problem. The method is illustrated with simple models and then applied to synthetic measurements, including electrocardiogram recordings, and to experimental data obtained from micro-electrode array measurements.
Cette thèse de doctorat est consacrée à l’étude de la variabilité observée dans les mesures d’électrophysiologie (i.e. l’activité électrique des tissus biologiques) cardiaque et à la conception de biomarqueurs numériques extraits de ces mesures. Les applications potentielles sont nombreuses, pouvant aller d’une meilleure compréhension des modèles électrophysiologiques existants à l’évaluations des effets nocifs de médicaments en passant par le diagnostic de pathologies cardiaques. Les modèles d’électrophysiologie cardiaque présentés dans ce travail sont, soit des équations différentielles ordinaires (EDOs), soit des équations aux dérivées partielles (EDPs), selon qu’ils concernent l’échelle cellulaire ou l’échelle du tissu. Dans les deux cas, ces modèles sont hautement non linéaires et nécessitent d’intenses ressources computationnelles. Nous adoptons l’approche suivante : de prime abord, nous développons des outils numériques afin de répondre à des problèmes généraux, au-delà de l’électrophysiologie. Puis, nous appliquons ces outils à des mesures synthétiques d’électrophysiologie dans différents scénarios réalistes et, lorsque cela est possible, à
des mesures expérimentales.
Dans la première partie de cette thèse, nous présentons une méthode générale pour estimer la densité de probabilité de paramètres incertains de modèles basés sur des EDOs ou des EDPs. La méthode est non intrusive et repose sur des évaluations “hors-ligne” du modèle direct, ce qui la rend en pratique computationellement moins dispendieuse que d’autres approches plus sophistiquées. La méthode est illustrée avec des mesures synthétiques et expérimentales d’électrophysiologie.
Dans la seconde partie de cette thèse, nous présentons une méthode de sélection de biomarqueurs à partir des sorties de modèles en vue d’effectuer des tâches de classification ou de résoudre des problèmes d’estimation de paramètres. La méthode repose sur la résolution d’un problème d’optimisation creux. La méthode est illustrée avec des modèles simples et ensuite appliquée à des mesures synthétiques, incluant des enregistrements d’électrocardiogramme, et à des données expérimentales obtenues à partir de mesures de matrices de microélectrodes.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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