Estimation of Serum Potassium and Calcium Concentrations from Electrocardiographic Depolarization and Repolarization Waveforms
Estimation des niveaux de potassium et calcium dans le sérum par caractérisation des formes d'onde de dépolarisation et de repolarisation de l'électrocardiogramme
Résumé
Chronic kidney disease (CKD), a condition defined by a gradual decline in kidney function over time, has become a global health concern affecting between 11 and 13% of the world population. As renal function declines, CKD patients gradually lose their ability to maintain normal values of potassium concentration ([K+]) in their blood. Elevated serum [K+], known as hyperkalemia, increases the risk for life-threatening arrhythmias and sudden cardiac death.An increase in serum [K+] outside the physiological range is commonly silent and is only detected when hyperkalemia is already very severe or when a blood test is performed. Maintenance and monitoring of [K+] in the blood is an important component in the treatment of CKD patients because therapies for hyperkalemia management in CKD patients are designed to prevent arrhythmias and to immediately lower serum [K+] to safe ranges. However, this is currently only possible by taking a blood sample and is associated with a long analysis time. Therefore it is useful to have a simple, noninvasive method to estimate serum [K+], particularly using the electrocardiogram (ECG). Indeed, variations in serum electrolyte levels have been shown to alter the electrical behavior of the heart and to induce changes in the ECG. However, large inter-individual variability exists in the relationship between ion concentrations and ECG features. Previous attempts to estimate serum [K+] from the ECG have therefore shown limitations, such as not being applicable to some common types of ECG waveforms or relying on specific ECG characteristics that may present large variations not necessarily associated with hyperkalemia.The aim of this thesis is to develop novel estimates of serum [K+] that are robust enough to detect hypokalemia (reduced [K+]) or hyperkalemia in a timely manner to provide life-saving treatment. Additionally, the effect of changes in other electrolyte levels, like calcium concentration ([Ca2+]), and in heart rate are investigated. These aims are achieved by combining novel ECG signal processing techniques with in silico modeling and simulation of cardiac electrophysiology.In conclusion, we identify several markers of ECG morphology, including depolarization and repolarization features, that are highly correlated with serum electrolyte (potassium and calcium) concentrations. ECG morphological variability markers vary significantly with [K+] and [Ca2+] in both simulated and measured ECGs, with a wide range of patterns observed for such relationships. The proportions of endocardial, midmyocardial and epicardial cells have a large impact on ECG markers, particularly for serum electrolyte concentrations out of their physiological levels. This suggests that transmural heterogeneities can modulate ECG responses to changes in electrolyte concentrations in CKD patients. Agreement between actual potassium and calcium levels and their estimates derived from the ECG is promising, with lower average errors than previously proposed markers in the literature. These findings can have major relevance for noninvasive monitoring of serum electrolyte levels and prediction of arrhythmic events in these patients.
L’insuffisance rénale chronique (IRC), caractérisée par un déclin graduel de la fonction rénale, est devenu un problème sanitaire important, affectant entre 11 et 13% de la population mondiale. Lorsque leur fonction rénale décline, les patients affectées d’IRC perdent graduellement leur capacité de maintenir une concentrations sanguine de potassium ([K+]) normale. Une [K+] sanguine élevée, nommée hyperkaliémie, augmente le risque d’arythmie cardiaque engageant le pronostic vital et de mort subite cardiaque.Une augmentation de la [K+] sanguine hors de sa plage physiologique reste le plus souvent inaper¸cue et n’est détectée que si elle est très sévère ou si un prélèvement sanguin est effectué. La maintenance et la surveillance de la [K+] sanguine est un élément important de la prise en charge des patients affectés d’IRC, les thérapies pour la maˆıtrise de l’hyperkaliémie dans ces patients visant la prévention des arythmies et la réduction immédiate de la [K+] vers des valeurs inoffensives. Cependant, de nos jours une telle surveillance n’est possible que par des prélèvements sanguins associées avec un temps d’analyse long. Il serait donc utile d’avoir une méthode simple et noninvasive pour l’estimation de la [K+], notamment en utilisant l’électrocardiogramme (ECG). En effet, il a été démontré que les variations des niveaux d’électrolytes dans le sérum sanguin modifient le comportement électrique du cœur et donc l’ECG. Malheureusement, la rélation entre les concentrations d’électrolytes et les caractéristiques de l’ECG est très variable d’une personne `a l’autre. Des travaux antérieurs ont donc montré des limitations, tels que l’exclusion de certains types d’ECG ou la dépendance sur des caractéristiques présentant une variabilité large et non nécessairement corrélée avec l’hyperkaliémie.L’objectif de cette thèse est de développer des nouveaux marqueurs de la [K+] sanguine suffisamment robustes pour détecter l’hypokaliémie ([K+] anormalement bas) et l’hyperkaliémie assez rapidement pour permettre des interventions potentiellement salvateures. En plus, les effets de changements d’autres concentrations d’électrolytes, tels que le calcium ([Ca2+]) et de la fréquence cardiaque sont étudiés. Ces objectifs sont atteints en combinant des nouvelles techniques de traitement de signal avec la modélisation in silico de l’électrophysiologie cardiaque.En conclusion, nous identifions plusieurs marqueurs morphologiques de l’ECG, incluant des caractéristiques de dépolarisation et de repolarisation, qui sont fortement corrélées avec [K+] et [Ca2+]. Cette corrélation est présente aussi bien dans les ECGs simulées que dans les ECGs mesurées, avec une gamme de morphologies telle qu’observée chez les patients. Les proportions de cellules de type endocardique, mi-myocardique, et épicardique ont un effet important sur les marqueurs de l’ECG, particulièrement pour des concentrations électrolytiques hors de leurs plages physiologiques. Cette observation suggère que ces hétérogénéités peuvent moduler la réponse de l’ECG aux changements des concentrations électrolytiques chez des patients atteints d’IRC. La concordance entre les concentrations estimées et celles mesurées est prometteuse, avec des erreurs moyennes moins grands que celles obtenues avec les méthodes de la littérature. Ces résultats peuvent avoir une grande importance pour la surveillance noninvasive des concentrations d’électrolytes dans le sang et pour la prévision d’arythmies chez les patients atteints d’IRC.
Origine : Version validée par le jury (STAR)