Analyses théoriques et numériques de la méthode de factorisation pour les problèmes inverses en électrocardiographie.
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University of Tlemcen
Abstract
In this work, we provide a new mathematical formulation
for the inverse problem in electrocardiographic imaging. The novelty in this ap-
proach is that we account for missing measurements on the body surface. The
electrocardiography imaging inverse problem is formulated as a data completion
problem for the Laplace equation. The Neumann boundary condition is given at
the whole body surface. The di¢ culty comes from the fact that the Dirichlet boun-
dary condition is only given on a part of the body surface and thus an incomplete
boundary is adjacent to a complete boundary. In order to construct the electri-
cal potential on the heart surface, we use an optimal control approach where the
unknown potential at the external boundary is also part of the control variables.
We theoretically compare this case to the case where the a Dirichlet boundary
condition is given on the full accessible surface. We then compare both cases and
based on the distribution of noise in the measurements, we conclude whether or
not it is worth to use all the data. We use the method of factorization of ellip-
tic boundary value problems combined with the nite element method. The idea
is to embed the initial problem into a family of similar problems on subdomains
bounded by a moving boundary (along a axis of evolution that we de ne) from the
torso skin to the epicardium surface. Regarding the inverse problem, mathematical
analysis allows to write an optimal estimation of the epicardial potential based on
a quadratic criterion. Then, we can analyse the ill-posed behaviour of the inverse
problem and propose a better regularization and discretization of the problem.
We illustrate the theoretical results by some numerical simulations in a cylindrical
domain. We numerically study the e¤ect of the size of the missing data zone and
the noise distribution on the accuracy of the inverse solution.
Description
Dans ce travail, nous proposons une nouvelle formulation ma-
thématique du problème inverse en imagerie électrocardiographique. La nouveauté
de cette approche est que nous prenons en compte les mesures manquantes sur la
surface du corps. Le problème inverse de l imagerie par électrocardiographie est for-
mulé comme un problème de complétions des données pour l équation de Laplace.
La condition aux limites de Neumann est indiquée sur toute la surface du corps. La
di¢ culté vient du fait que la condition aux limites de Dirichlet n est donnée que sur
une partie de la surface du corps et qu une frontière incomplète est donc adjacente
à une frontière complète. A n de construire le potentiel électrique sur la surface
cardiaque, nous utilisons une approche de contrôle optimale où le potentiel inconnu
à la frontière externe fait également partie des variables de contrôle. Nous compa-
rons théoriquement ce cas au cas où la condition au limite de Dirichlet est donnée
sur la surface entièrement accessible. Nous comparons ensuite les deux cas et sur
la base de la distribution du bruit dans les mesures, nous concluons si cela vaut la
peine d utiliser toutes les données. Nous utilisons la méthode de factorisation des
problèmes aux limites elliptiques combinée à la méthode des éléments nis. Ceci
revient à plonger le problème initial en une famille de problèmes similaires sur des
sous domaines limités par une frontière mobile balayant le thorax depuis la peau
jusqu à l épicarde. Dans le cadre du problème inverse cette analyse permet d écrire
directement avant discrétisation l équation véri ée sur l épicarde par l estimation
optimale du potentiel épicardiaque au sens d un critère quadratique. Elle permet
d analyser le caractère mal posé du problème inverse et donc de discrétiser et de
régulariser au mieux ce problème. Un des avantages de cette méthode est que si
l on souhaite calculer le potentiel à di¤érents temps du cycle cardiaque, il n est pas
nécessaire de refaire la résolution de toutes les équations à chaque instant. Nous
illustrons les résultats théoriques par des simulations numériques dans un domaine
cylindrique. Nous étudions numériquement l e¤et de la taille de la zone de données
manquante et de la distribution du bruit sur la précision de la solution inverse.
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