Estimation des niveaux de potassium et calcium dans le sérum par caractérisation des formes d'onde de dépolarisation et de repolarisation de l'électrocardiogramme

Abstract

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.