characterisation of the substrate of atrial fibrillation and flutter

294
Characterisation of the Substrate of Atrial Fibrillation and Flutter Martin Kingsland Stiles MB ChB, FRACP Department of Cardiology Royal Adelaide Hospital and Discipline of Medicine University of Adelaide A thesis submitted to the University of Adelaide in fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy August 2008

Upload: khangminh22

Post on 23-Apr-2023

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Title Page 

Characterisation of the Substrate of  

Atrial Fibrillation and Flutter 

 

Martin Kingsland Stiles 

MB ChB, FRACP 

 

Department of Cardiology 

Royal Adelaide Hospital 

and 

Discipline of Medicine 

University of Adelaide 

 

A thesis submitted to the University of Adelaide in 

fulfilment of the requirements for the degree of 

Doctor of Philosophy 

 

August 2008 

  II

Dedication 

 

 

 

To my wife Christina and my children Isabelle and Liam 

  III

Table of Contents 

Abstract .................................................................................. XIII

Declaration ..............................................................................XV

Acknowledgements ................................................................XVI

Publications and Communications to Learned Societies .........XVII

Prizes and Awards during Candidature....................................XXI

Abbreviations ........................................................................XXII 

Chapter 1. Review of the Literature1

1.1 Introduction ................................................................................................... 1

1.1.1 History of Atrial Fibrillation................................................................................... 2

1.1.2 Epidemiology of Atrial Fibrillation ........................................................................ 3

1.1.3 History of Atrial Flutter ......................................................................................... 9

1.1.4 Epidemiology of Atrial Flutter............................................................................. 11

1.2 The Electrophysiological Basis of Atrial Fibrillation....................................... 13

1.2.1 The Multiple Heterotopous Centres Theory....................................................... 13

1.2.2 The Multiple Wavelet Hypothesis ...................................................................... 13

1.2.3 Localised Sources in the Initiation and Maintenance of Atrial Fibrillation ........ 15

1.2.4 The Venous Wave Hypothesis ............................................................................ 19

1.2.5 Rotors and Activation Gradients......................................................................... 21

  IV

1.2.6 Summary ............................................................................................................. 22

1.3 Triggers and Substrate in Atrial Arrhythmia.................................................. 22

1.3.1 Focal Triggers ...................................................................................................... 23

1.3.2 Localised Reentry................................................................................................ 24

1.3.3 Anatomical Structures with Site‐specific Conduction Properties....................... 26

1.3.4 Complex Fractionated Atrial Electrograms......................................................... 29

1.3.5 Dominant Frequency .......................................................................................... 32

1.3.6 The Neural Basis of Atrial Fibrillation ................................................................. 34

1.3.7 Substrate Associated with Atrial Flutter............................................................. 36

1.3.8 Typical and Atypical Atrial Flutter....................................................................... 38

1.4 Inter‐relationships between Atrial Flutter and Atrial Fibrillation .................. 39

1.4.1 Atrial Flutter begets Atrial Fibrillation ................................................................ 40

1.4.2 Atrial Fibrillation begets Atrial Flutter ................................................................ 41

1.5 Rate‐related Remodelling............................................................................. 43

1.5.1 Electrical Remodelling ........................................................................................ 43

1.5.2 Structural Remodelling ....................................................................................... 45

1.6 Atrial Substrate in Conditions Associated with Atrial Arrhythmia ................. 47

1.6.1 Heart Failure ....................................................................................................... 47

1.6.2 Atrial Septal Defects ........................................................................................... 48

1.6.3 Hypertension....................................................................................................... 48

1.6.4 Valvular Heart Disease........................................................................................ 49

1.6.5 Sub‐clinical Atrial Disease in Lone Atrial Fibrillation .......................................... 51

1.7 Sinus Node Disease, Remodelling and Atrial Arrhythmias............................. 52

1.7.1 The Anatomical Sinus Node................................................................................ 52

  V

1.7.2 The Functional Sinus Node Complex .................................................................. 53

1.7.3 Conventional Evaluation of Sinus Node Function .............................................. 56

1.7.4 High‐density Mapping of the Sinus Node ........................................................... 57

1.7.5 Sinus Node Disease............................................................................................. 58

1.7.6 Clinical Conditions Associated with Sinus Node Impairment............................. 59 

Chapter 2. Right and left atrial electrical substrate of lone atrial fibrillation61

2.1 Introduction ................................................................................................. 61

2.2 Methods....................................................................................................... 62

2.2.1 Study Population................................................................................................. 62

2.2.2 Electrophysiological Study and Ablation ............................................................ 63

2.2.3 Electrophysiology Study Protocol ....................................................................... 64

2.2.4 Statistical Analysis............................................................................................... 66

2.3 Results.......................................................................................................... 67

2.3.1 Baseline Details................................................................................................... 67

2.3.2 Atrial Refractoriness ........................................................................................... 67

2.3.3 Atrial Conduction Time ....................................................................................... 68

2.3.4 Site‐Specific Conduction Abnormalities ............................................................. 68

2.3.5 Sinus Node Function ........................................................................................... 69

2.4 Discussion..................................................................................................... 69

2.4.1 Major findings ..................................................................................................... 69

2.4.2 Rate‐Related Electrical Remodelling................................................................... 70

2.4.3 Progression of Atrial Fibrillation ......................................................................... 71

2.4.4 Substrate Predisposing to the Development of Atrial Fibrillation ..................... 72

  VI

2.4.5 Implications......................................................................................................... 74

2.4.6 Limitations .......................................................................................................... 74

2.5 Conclusion.................................................................................................... 75 

Chapter 3. Right and left atrial electroanatomical substrate of lone atrial 

fibrillation‐‐‐‐ ........................................................................... 82

3.1 Introduction ................................................................................................. 82

3.2 Methods....................................................................................................... 83

3.2.1 Study Population................................................................................................. 83

3.2.2 Electrophysiological Study and Ablation ............................................................ 84

3.2.3 Electroanatomical Study Protocol ...................................................................... 85

3.2.4 Statistical Analysis............................................................................................... 87

3.3 Results.......................................................................................................... 88

3.3.1 Baseline Details................................................................................................... 88

3.3.2 Structural and Voltage Abnormalities ................................................................ 88

3.3.3 Abnormalities in Conduction Velocity ................................................................ 89

3.3.4 Complex Electrograms ........................................................................................ 89

3.4 Discussion..................................................................................................... 90

3.4.1 Major findings ..................................................................................................... 90

3.4.2 Structural changes in Atrial Fibrillation .............................................................. 91

3.4.3 Electroanatomical Studies in Atrial Fibrillation and Related Conditions............ 91

3.4.4 Prior Studies Implicating Abnormalities in “Lone” Atrial Fibrillation ................. 93

3.4.5 Implications......................................................................................................... 93

  VII

3.4.6 Limitations .......................................................................................................... 94

3.5 Conclusion.................................................................................................... 94 

Chapter 4. Right atrial electrical substrate of atrial flutter ...................... 100

4.1 Introduction ................................................................................................100

4.2 Methods......................................................................................................101

4.2.1 Study Population............................................................................................... 101

4.2.2 Electrophysiological Study and Ablation .......................................................... 102

4.2.3 Electrophysiology Study Protocol ..................................................................... 102

4.2.4 Statistical Analysis............................................................................................. 104

4.3 Results.........................................................................................................105

4.3.1 Baseline Details................................................................................................. 105

4.3.2 Atrial Refractoriness ......................................................................................... 105

4.3.3 Atrial Conduction Time ..................................................................................... 106

4.3.4 Site‐Specific Conduction Abnormalities ........................................................... 106

4.3.5 Sinus Node Function ......................................................................................... 107

4.4 Discussion....................................................................................................107

4.4.1 Major Findings .................................................................................................. 107

4.4.2 The Inter‐relationship between Atrial Flutter and Atrial Fibrillation ............... 108

4.4.3 Substrate Predisposing to the Development of Atrial Flutter.......................... 109

4.4.4 Substrate in Conditions Predisposed to Atrial Arrhythmia .............................. 110

4.4.5 Implications....................................................................................................... 112

4.4.6 Limitations ........................................................................................................ 112

4.5 Conclusion...................................................................................................113

  VIII

Chapter 5. Right atrial electroanatomical substrate of atrial flutter ........ 118

5.1 Introduction ................................................................................................118

5.2 Methods......................................................................................................119

5.2.1 Study Population............................................................................................... 119

5.2.2 Electrophysiological Study and Ablation .......................................................... 120

5.2.3 Electroanatomical Study Protocol .................................................................... 120

5.2.4 Statistical Analysis............................................................................................. 122

5.3 Results.........................................................................................................123

5.3.1 Baseline Details................................................................................................. 123

5.3.2 Structural and Voltage Abnormalities .............................................................. 123

5.3.3 Abnormalities in Conduction Velocity .............................................................. 124

5.3.4 Complex Electrograms ...................................................................................... 124

5.4 Discussion....................................................................................................125

5.4.1 Major Findings .................................................................................................. 125

5.4.2 Substrate in Clinical Conditions Associated with Atrial Arrhythmia................. 125

5.4.3 Substrate in Experimental Models of Atrial Flutter.......................................... 126

5.4.4 Substrate in Clinical Atrial Flutter ..................................................................... 127

5.4.5 Implications....................................................................................................... 128

5.4.6 Limitations ........................................................................................................ 128

5.5 Conclusion...................................................................................................129 

  IX

Chapter 6. High‐density mapping of the sinus node to characterise the 

remodelling resulting from chronic atrial flutter .................... 134

6.1 Introduction ................................................................................................134

6.2 Methods......................................................................................................135

6.2.1 Study Population............................................................................................... 135

6.2.2 Electrophysiological Study and Ablation .......................................................... 136

6.2.3 Conventional Evaluation of Sinus Node Function ............................................ 137

6.2.4 High‐Density Simultaneous Unipolar Mapping of Sinus Node Function.......... 138

6.2.5 Statistical Analysis............................................................................................. 140

6.3 Results.........................................................................................................141

6.3.1 Baseline Details................................................................................................. 141

6.3.2 Sinus Node Dysfunction and Atrial Remodelling .............................................. 141

6.3.3 Extent and Shift of the Atrial Pacemaker Complex .......................................... 142

6.3.4 Preferential Pathway Conduction..................................................................... 143

6.3.5 Beat‐to‐beat Variation in Sinus Node Function................................................ 143

6.3.6 Crista Terminalis Conduction............................................................................ 144

6.3.7 Voltage Findings................................................................................................ 144

6.4 Discussion....................................................................................................145

6.4.1 Major Findings .................................................................................................. 145

6.4.2 The Sinus Node: Anatomical and Functional Considerations........................... 146

6.4.3 Atrial Remodelling and Sinus Node Function ................................................... 147

6.4.4 Preferential Pathways of Conduction............................................................... 149

6.4.5 Implications....................................................................................................... 151

  X

6.4.6 Limitations ........................................................................................................ 151

6.5 Conclusion...................................................................................................152 

Chapter 7. High‐density mapping of atrial fibrillation to determine the 

optimal recording duration for dominant frequency and 

automated detection of complex fractionated electrograms.. 166

7.1 Introduction ................................................................................................166

7.2 Methods......................................................................................................167

7.2.1 Study Population............................................................................................... 167

7.2.2 Electrophysiological Study ................................................................................ 168

7.2.3 High‐Density Bi‐atrial Mapping......................................................................... 168

7.2.4 Complex Fractionated Atrial Electrograms....................................................... 169

7.2.5 Dominant Frequency ........................................................................................ 170

7.2.6 Statistical Analysis............................................................................................. 171

7.3 Results.........................................................................................................171

7.3.1 Baseline details ................................................................................................. 171

7.3.2 CFE‐mean .......................................................................................................... 172

7.3.3 Dominant Frequency ........................................................................................ 173

7.4 Discussion....................................................................................................173

7.4.1 Major Findings .................................................................................................. 173

7.4.2 Time Domain Analysis....................................................................................... 175

7.4.3 Frequency Domain Analysis.............................................................................. 176

7.4.4 Differences in Effect of Electrogram Duration between CFE‐mean and DF..... 177

  XI

7.4.5 Limitations ........................................................................................................ 178

7.5 Conclusion...................................................................................................178 

Chapter 8. High‐density mapping of atrial fibrillation to determine the 

relationship between activation frequency, complex 

fractionated electrograms and the anatomical substrate....... 187

8.1 Introduction ................................................................................................187

8.2 Methods......................................................................................................188

8.2.1 Study Population............................................................................................... 188

8.2.2 Electrophysiological Study and Ablation .......................................................... 189

8.2.3 Study Protocol................................................................................................... 190

8.2.4 Complex Fractionated Atrial Electrograms....................................................... 191

8.2.5 Activation Frequency ........................................................................................ 192

8.2.6 Relationship between Activation Frequency and Fractionation ...................... 192

8.2.7 Statistical Analysis............................................................................................. 193

8.3 Results.........................................................................................................194

8.3.1 Baseline Details................................................................................................. 194

8.3.2 Complex Fractionated Atrial Electrograms....................................................... 194

8.3.3 Dominant Frequency ........................................................................................ 195

8.3.4 Relationship between CFE‐mean and Dominant Frequency............................ 196

8.4 Discussion....................................................................................................198

8.4.1 Major findings ................................................................................................... 198

8.4.2 Spatial Distribution of Complex Fractionated Atrial Electrograms .................. 199

  XII

8.4.3 Spatial Distribution of Dominant Frequency .................................................... 199

8.4.4 Relationship between Activation Frequency and Fractionation ...................... 201

8.4.5 Clinical Implications .......................................................................................... 202

8.4.6 Limitations ........................................................................................................ 203

8.5 Conclusion...................................................................................................203 

Chapter 9. Summary‐‐‐‐‐.......................................................................... 213 

Chapter 10. Future Directions‐‐‐ ................................................................ 220 

References  ........................................................................... 223

 

  XIII

Abstract 

Atrial  fibrillation  and  atrial  flutter  are  the  most  common  sustained  arrhythmias, 

however  their  underlying mechanisms  are  yet  to  be  fully  characterised.  This  thesis 

evaluates  the  electrophysiological  and  electroanatomical  substrate  of  the  atria  in 

patients with these arrhythmias.  

Experimental  studies  of  atrial  fibrillation  have  demonstrated  effective  refractory 

period shortening and conduction slowing as a result of atrial fibrillation giving rise to 

the concept that “atrial fibrillation begets atrial fibrillation”. However, cardioversion to 

prevent electrical  remodelling does not prevent progression of disease,  suggesting a 

“second  factor” drives  this process. Chapters 2 and 3 evaluate  the atrial substrate  in 

patients  with  “lone”  atrial  fibrillation.  These  studies  demonstrate  such  patients, 

remote  from  an  arrhythmic  event,  have  prolongation  of  atrial  refractoriness, 

conduction slowing, impairment of sinus node function, site‐specific conduction delay, 

lower  voltage  and  a  greater  proportion  of  complex  electrograms  compared  to 

reference patients. These abnormalities constitute  the “second  factor” critical  to  the 

development and progression of atrial fibrillation. 

Atrial  flutter  has  a  close  inter‐relationship with  atrial  fibrillation  and  these  rhythms 

frequently co‐exist. Atrial fibrillation often occurs in patients with heart disease known 

to demonstrate abnormal atrial substrate; whether similar substrate exists in patients 

with  atrial  flutter  to  account  for  the  co‐existence  of  both  arrhythmias  is  unknown. 

Chapters 4 and 5 evaluate  the atrial  substrate  in patients with atrial  flutter,  remote 

from  arrhythmia,  demonstrating  structural  abnormalities  characterised  by  loss  of 

myocardial  voltage,  conduction  slowing  and  impaired  sinus  node  function, without 

  XIV

reduction  in atrial refractoriness. These findings  implicate a common substrate as the 

cause of the close inter‐relationship between these arrhythmias. 

There  is a frequent association between atrial arrhythmia and sinus node disease for 

which  several  mechanisms  have  been  postulated.  In  addition,  there  is  a  size 

discrepancy between the anatomical sinus node and the much  larger functional sinus 

node  complex.  Little  is  known  about  normal  sinus  node  function  or  the  effects  of 

remodelling  due  to  arrhythmia.  Chapter  6  characterises  sinus  node  activation  to 

determine the nature and extent of the functional sinus node complex in patients with 

and without  chronic  atrial  flutter.  The  functional  sinus  node  complex  demonstrates 

dynamic  shifts  in  activation  with  preferential  pathways  of  conduction  to  atrial 

myocardium. Patients with atrial flutter demonstrate lesser voltage, longer conduction 

times along preferential pathways and a smaller functional sinus node complex. These 

findings  provide  insights  into  the  function  of  the  human  sinus  node  in  health  and 

disease. 

Sites of complex fractionated atrial electrograms and highest dominant frequency are 

implicated  in  maintaining  atrial  fibrillation.  Chapter  7  determines  the  minimum 

recording duration that accurately characterises electrogram complexity and activation 

frequency. An electrogram duration of  ≥5  seconds  is  required  to  accurately  identify 

these  sites. Chapter  8  evaluates  the  relationship between  sites of  fractionation  and 

high  frequency  activation  during  atrial  fibrillation.  Greater  fractionation  and  higher 

dominant frequency are seen in persistent atrial fibrillation and left atria. Preferential 

areas of high dominant frequency are observed in paroxysmal but not persistent atrial 

fibrillation. Areas  of  complex  fractionated  atrial  electrograms  are  found  adjacent  to 

sites of high dominant frequency. 

  XV

Declaration 

This work contains no material which has been accepted  for  the award of any other 

degree or diploma in any university or other tertiary institution to Martin Stiles and, to 

the  best  of my  knowledge  and  belief,  contains  no material  previously  published  or 

written by another person, except where due reference has been made in the text. 

I give consent to this copy of my thesis when deposited in the University Library, being 

made available for  loan and photocopying, subject to the provisions of the Copyright 

Act 1968. 

The  author  acknowledges  that  copyright  of  published  works  contained  within  this 

thesis (as listed below) resides with the copyright holder(s) of those works. 

  

Martin Kingsland Stiles ___________________________________________                                       August 2008 

 

Stiles MK, John B, Wong CX, Kuklik P, Brooks AG, Lau DH, Dimitri H, Roberts‐Thomson KC, Wilson L, De Sciscio P, Young GD, Sanders P. Paroxysmal  lone atrial  fibrillation  is associated with  abnormal  atrial  substrate:  Characterising  the  “second  factor”.  J Am Coll Cardiol, in press 

Stiles  MK,  Brooks  AG,  Kuklik  P,  John  B,  Dimitri  H,  Lau  DH,  Wilson  L,  Shashidhar, Roberts‐Thomson  RL, Mackenzie  L,  Young  GD,  Sanders  P.  High‐density mapping  of atrial  fibrillation  in  humans:  Relationship  between  high  frequency  activation  and electrogram fractionation. J Cardiovasc Electrophysiol, 2008;19:1245‐1253 

Stiles MK, Brooks AG, Sanders P. Putting CFAE on the map. J Cardiovasc Electrophysiol 2008;19:904‐906 

Stiles  MK,  Brooks  AG,  John  B,  Shashidhar,  Wilson  L,  Kuklik  P,  Dimitri  H,  Lau  DH, Roberts‐Thomson  RL,  Mackenzie  L,  Willoughby  S,  Young  GD,  Sanders  P.  Effect  of electrogram duration on the quantification of complex fractionated atrial electrograms and dominant frequency. J Cardiovasc Electrophysiol 2008;19:252‐258 

Sanders  P,  Stiles MK,  Young  GD.  Virtual  Anatomy  for  Atrial  Fibrillation  Ablation.  J Cardiovasc Electrophysiol 2006;17:349‐351 

  XVI

Acknowledgements 

I  would  like  to  thank  Professor  Prashanthan  Sanders  and  Dr  Glenn  Young  as  my supervisors and mentors. It has been a privilege and a pleasure to work with them and to  learn  from  them and  I admire  their dedication  to and knowledge of  their  chosen field. I am certain our collaboration and friendship will continue well into the future.  I  am  grateful  to  the  New  Zealand  Heart  Foundation  for  the  Overseas  Training Fellowship which financially supported my first year of study, and the Royal Adelaide Hospital  for  the  Dawes  Scholarship  which  supported  me  subsequently.  I  am  also indebted  to  the  patients  who,  despite  the  anxieties  associated  with  medical intervention, volunteered additional time during their procedure for me to gather the data on which this thesis is based.  I am thankful to the Fellows who made the Electrophysiology Department a delight to work  in, especially to Drs Bobby John, Dennis Lau, Hany Dimitri, Shashidhar, Han Lim, Muayad Alasady, Gautam Sharma and Narayanan Namboodiri. Special thanks goes to Mr Christopher Wong whose many hours of work performing data analysis kept my project  on  time,  and  to  Dr  Anthony  Brooks  whose  hard  work  and  good  humour assisted me to produce this work. I am grateful to Dr Pawel Kuklik who developed the software critical to my data analysis and to the other members of the Cardiovascular Research Centre who provided the essential academic environment to nourish critical thought  and  independent  analysis.  Additional  thanks  to  Mr  Thomas  Sullivan  for statistical  analysis.  I  am  indebted  to  Professor  Jonathan  Kalman whose  expertise  in sinus  node  function  he  shared  to  significantly  improve  Chapter  6.  My  sincere appreciation goes to Dr Graydon Beatty for his help in understanding the complexities of  the non‐contact mapping system and  the mysteries of  the unipolar electrogram.  I acknowledge  the  encouragement  of Associate  Professor Warren  Smith  to  follow  an academic path  in Adelaide.  I would also  like  to  thank  the  staff of  the Cardiovascular Investigation Unit, Royal Adelaide Hospital without whom this research could not have taken place, in particular Ms Lauren Wilson for her encouragement and friendship.  A  special  thanks  to my parents Roger and  Joan whose  support, encouragement and love have always been  there  for me.  It  is because of  them  that our  family has been empowered  to  seek  their own course  in  life and, no matter where  in  the world  this took us, the knowledge of their unqualified support was always there to sustain us.  Most importantly, I wish to thank Christina, Isabelle and Liam whom I love dearly and to  whom  this  thesis  is  dedicated.  Christina  has  travelled  with  me,  literally  and figuratively,  throughout my  journey  of  learning whilst  remaining  understanding  and supportive of the additional demands this has made on us all.  I am sure we will  look back fondly on our time in Adelaide and the friends we made here. 

  XVII

 Publications and Communications to Learned Societies 

Chapter 1 

i) Manuscript: Stiles MK, Brooks AG, Sanders P. Putting CFAE on  the map.  J 

Cardiovasc Electrophysiol 2008;19:904‐906 

ii) Manuscript:  Sanders  P,  Stiles MK,  Young  GD.  Virtual  Anatomy  for  Atrial 

Fibrillation Ablation. J Cardiovasc Electrophysiol 2006;17:349‐351 

iii) Presentation: Invited to present at the Cardiac Society of Australia and New 

Zealand  56th  Scientific  Meeting  August  2008,  Adelaide,  Australia  on 

Complex Electrograms and Dominant Frequency 

 

Chapters 2 and 3 

i) Manuscript:  Stiles MK,  John  B, Wong  CX,  Kuklik  P,  Brooks  AG,  Lau  DH, 

Dimitri H, Roberts‐Thomson KC, Wilson L, De Sciscio P, Young GD, Sanders 

P.  Paroxysmal  lone  atrial  fibrillation  is  associated  with  abnormal  atrial 

substrate: Characterising the “second factor”. J Am Coll Cardiol, in press 

ii) Presentation:  Presented  at  the  Cardiac  Society  of  Australia  and  New 

Zealand  56th  Scientific  Meeting  August  2008,  Adelaide,  Australia  and 

published in abstract form (Heart Lung Circ 2008;17:S120) 

iii) Presentation:  Presented  at  the  Medical  Grand  Round,  Royal  Adelaide 

Hospital,  August  2008.  Finalist  for  the  2008  Nimmo  Prize  for  Full‐Time 

Research 

 

 

 

  XVIII

Chapters 4 and 5 

i) Manuscript:  Stiles MK, Wong  CX,  John  B,  Kuklik  P,  Brooks  AG,  Lau  DH, 

Dimitri H, Wilson  L, Young GD, Sanders P. Atrial  flutter  is associated with 

diffuse  atrial  abnormalities:  Implications  for  the  development  of  atrial 

fibrillation. Submitted for publication 

ii) Presentation:  Presented  at  the  Cardiac  Society  of  Australia  and  New 

Zealand  56th  Scientific  Meeting  August  2008,  Adelaide,  Australia  and 

published in abstract form (Heart Lung Circ 2008;17:S114) 

 

Chapter 6  

i) Manuscript: Stiles MK, Brooks AG, Roberts‐Thomson KC, Kuklik P,  John B, 

Young GD, Kalman JM, Sanders P. High‐density mapping of the sinus node 

in  humans:  role  of  preferential  pathways  and  the  effect  of  remodelling. 

Submitted for publication 

ii) Presentation: Presented at the Heart Rhythm Society 28th Annual Scientific 

Sessions, May 2008, San Francisco, United States of America and published 

in abstract form (Heart Rhythm 2008;5:S278) 

iii) Presentation:  Presented  at  the  Cardiac  Society  of  Australia  and  New 

Zealand  56th  Scientific  Meeting  August  2008,  Adelaide,  Australia  and 

published in abstract form (Heart Lung Circ 2008;17:S121) 

 

 

 

 

  XIX

Chapter 7  

i) Manuscript: Stiles MK, Brooks AG,  John B, Shashidhar, Wilson  L, Kuklik P, 

Dimitri H, Lau DH, Roberts‐Thomson RL, Mackenzie L, Willoughby S, Young 

GD,  Sanders  P.  Effect  of  electrogram  duration  on  the  quantification  of 

complex  fractionated  atrial  electrograms  and  dominant  frequency.  J 

Cardiovasc Electrophysiol 2008;19:252‐258 

ii) Presentation: Presented at the Heart Rhythm Society 28th Annual Scientific 

Sessions, May  2007,  Denver,  United  States  of  America  and  published  in 

abstract form (Heart Rhythm 2007;4:S348) 

iii) Presentation:  Presented  at  the  Cardiac  Society  of  Australia  and  New 

Zealand  55th  Scientific Meeting  August  2007,  Christchurch, New  Zealand 

and published in abstract form (Heart Lung Circ 2007;16:S109) 

 

Chapter 8 

i) Manuscript:  Stiles MK,  Brooks  AG,  Kuklik  P,  John  B,  Dimitri  H,  Lau  DH, 

Wilson  L,  Shashidhar,  Roberts‐Thomson  RL,  Mackenzie  L,  Young  GD, 

Sanders  P.  High‐density  mapping  of  atrial  fibrillation  in  humans: 

Relationship  between  high  frequency  activation  and  electrogram 

fractionation. J Cardiovasc Electrophysiol 2008;19:1245‐1253 

ii) Presentation: Presented at the American College of Cardiology 57th Annual 

Scientific  Sessions,  March  2008,  Chicago,  United  States  of  America  and 

published in abstract form (J Am Coll Cardiol 2008;51:A6) 

  XX

iii) Presentation:  Presented  at  the  Cardiac  Society  of  Australia  and  New 

Zealand  56th  Scientific  Meeting  August  2008,  Adelaide,  Australia  and 

published in abstract form (Heart Lung Circ 2008;17:S120) 

iv) Presentation:  Presented  at  the  Post‐graduate  Research  Expo,  School  of 

Medicine, July 2008 

  XXI

Prizes and Awards during Candidature 

i) New Zealand Heart Foundation Overseas Training Fellowship, 2005‐2006 

ii) New  Zealand  Heart  Foundation  Travel  Grant,  Heart  Rhythm  06,  Boston, 

United States of America, 2006 

iii) Dawes Scholarship, Royal Adelaide Hospital, 2006‐2008 

iv) Cardiac  Society  of  Australia  and  New  Zealand  Annual  Scientific Meeting 

Travelling Scholarship, Canberra, 2006 

v) St  Jude Medical Australia Pacing and Electrophysiology Young  Investigator 

Award, 2006 

vi) Cardiac  Society  of  Australia  and  New  Zealand  Travelling  Scholarship, 

European Society of Cardiology Congress, Barcelona, Spain, 2006 

vii) Best  Moderated  Poster  in  the  Drugs/Ablation/Electrical  Therapy  of 

Arrhythmias section, World Congress of Cardiology, Barcelona, Spain, 2006 

viii) Australian Heart Foundation Travel Grant, Heart Rhythm 07, Denver, United 

States of America, 2007 

ix) University of Adelaide, Postgraduate Travelling Fellowship, 2008 

x) Australian Heart Foundation Travel Grant, Heart Rhythm 08, San Francisco, 

United States of America, 2008 

xi) Finalist for the Nimmo Prize for Full‐Time Research, Adelaide, 2008 

   

   

  XXII

Abbreviations 

CFAE  Complex Fractionated Atrial Electrogram 

CFE‐mean  An automated measure of electrogram complexity 

CI  Confidence Interval   

CSNRT  Corrected Sinus Node Recovery Time 

DF  Dominant Frequency 

EA  Earliest Activation 

ECG  Electrocardiogram 

ERP  Effective Refractory Period 

ICC  Intra‐Class Correlation 

IQR  Inter‐Quartile Range 

OR  Odds Ratio 

SACT  Sino‐Atrial Conduction Time 

SBO  Sinus Break‐Out 

 

Standard international NBG pacing codes are used (e.g. VVI, DDD) 

 

Due to the common initials of atrial flutter and atrial fibrillation, these rhythms are 

not abbreviated  in the text. For some tables and figures, the abbreviation “AF”  is 

used  for atrial  fibrillation. Atrial  flutter  is abbreviated  to  “flutter”  in  some  tables 

and figures. 

  1

Chapter 1.                                                                  Review of the Literature‐__ 

1.1 Introduction 

Atrial fibrillation is a supraventricular tachyarrhythmia characterized by uncoordinated 

atrial activation with  consequent deterioration of atrial mechanical  function. On  the 

electrocardiogram, atrial fibrillation is characterized by the replacement of consistent P 

waves  by  rapid  oscillations  or  fibrillatory waves  that  vary  in  amplitude,  shape  and 

timing,  associated  with  an  irregular  and  often  rapid  ventricular  response  when 

atrioventricular  conduction  is  intact.  The  ventricular  response  to  atrial  fibrillation 

depends  on  electrophysiological  properties  of  the  atrioventricular  node  and  other 

conducting tissues, the level of vagal and sympathetic tone, and the action of drugs. 

ACC/AHA/ESC 2006 Guidelines for the Management of Patients with Atrial Fibrillation 

(Fuster et al. 2006). 

 

Atrial  flutter  is  characterized  by  an  organized  atrial  rhythm  with  a  rate  typically 

between 250 and 350 bpm. Electrophysiological  studies have  shown  that  this  simple 

ECG  definition  includes  tachycardias  using  a  variety  of  reentry  circuits.  The  reentry 

circuits  often  occupy  large  areas  of  the  atrium  and  are  referred  to  as  “macro‐

reentrant.”  The  classic  type  of  atrial  flutter  (i.e.  typical  flutter)  is  dependent  on  the 

cavotricuspid isthmus. 

ACC/AHA/ESC 2003 Guidelines for the Management of Patients with Supraventricular 

Arrhythmias (Blomstrom‐Lundqvist et al. 2003). 

 

  2

The typical form of atrial flutter is characterized by a sawtooth pattern of regular atrial 

activation called flutter (ƒ) waves on the ECG, particularly visible in leads II, III, aVF, and 

V1. If untreated, the atrial rate typically ranges from 240 to 320 beats per minute, with 

ƒ  waves  inverted  in  leads  II,  III,  and  aVF  and  upright  in  lead  V1.  The  direction  of 

activation in the right atrium may be reversed, resulting in upright ƒ waves in leads II, 

III, and aVF and inversion in lead V1.  

ACC/AHA/Physician Consortium 2008 Clinical Performance Measures  for Adults with 

Nonvalvular Atrial Fibrillation or Atrial Flutter (Estes et al. 2008). 

 

1.1.1 History of Atrial Fibrillation 

An  irregular  pulse,  referred  to  as  rebellious  palpitations,  delirium  cordis  and  pulsus 

irregularis  perpetuus,  was  a  cause  of  speculation  by  physicians  since  early  times 

(Silverman 1994). James Mackenzie (1907), a general practitioner  in England, utilising 

an  ink‐writing polygraph to record and  label  jugular venous pulses,  initially set about 

deciphering  normal  and  abnormal  cardiac  rhythms.  His  key  observation  that  the 

jugular "A wave" was lost in a patient who went from a normal to an irregular rhythm 

provided the first insight into the mechanism of auricular fibrillation, as it was initially 

called. The first electrocardiographic recordings of atrial fibrillation came shortly after 

Einthoven  invented  the  string  galvanometer  in  1901. He  published  a  tracing  from  a 

case of pulsus  irregularis that showed QRS complexes with normal appearance; these 

occurred  irregularly  but  had  too  much  background  interference  to  permit  the 

identification  of  atrial  activity  (Einthoven  1906).  Cushny  and  Edmunds  (1907) 

demonstrated  a  connection  between  irregularity  of  the  pulse  and  atrial  fibrillation. 

  3

Hering reporting on the electrocardiograms of patients  in 1908, stated that one could 

see  no  signs  on  the  electrocardiogram  of  action  of  the  auricles,  and  described  “F 

waves”  in  his  recordings  (Flegel  1995).  These  fine waves  between  ventricular  beats 

were  considered  to  be  responsible  for  the  irregular  rhythms whose  pulse  pressure 

tracings  had  been  published  by MacKenzie.  In  1909,  Rothberger  and Winterberg  in 

Vienna, and Lewis  in England were the  first  to establish electrocardiographically  that 

auricular  fibrillation was  the  cause of pulsus  irregularis perpetuus  (Silverman  1994). 

Subsequently, Lewis  (1910) noted  from electrocardiographic  studies  that  the R wave 

was relatively normal in cases of irregular pulse and argued that ventricular contraction 

must  therefore  originate  from  its  usual  starting  point. He  took  the  fine  oscillations 

between  the R waves  to be evidence of  atrial activity  throughout  the  cardiac  cycle. 

From detailed study of the chest leads, Lewis showed that these oscillations originated 

from  the  atria  rather  than  from  the  atrioventricular  node  as was  thought  by  some 

(Flegel  1995).  Technical  advances  in  ECG  recording  allowed  signal  amplification  and 

miniaturisation  of  the  recording  system  (Ernestene  and  Levine  1928) which  set  the 

stage  for  the  subsequent  path  to  understanding  by  way  of  electrophysiological 

investigation of this frequently encountered clinical arrhythmia. 

 

1.1.2 Epidemiology of Atrial Fibrillation 

Atrial fibrillation  is the most common chronic cardiac arrhythmia, estimated to affect 

2.2 million people  in the United States and 4.5 million people  in the European Union 

(Fuster  et  al.  2006).  In  Australia,  it  is  a  major  health  problem  contributing  to  a 

substantial  proportion  of  the  estimated  50,000  strokes  a  year  (National  Heart 

  4

Foundation of Australia 2004; Cadilhac et al. 2007). With ageing of the population and 

improved survival after the occurrence of myocardial  infarction and congestive heart 

failure,  Eugene  Braunwald  (1997)  noted  a  doubling  of  admission  rates  for  atrial 

fibrillation  between  1984  and  1994,  and  described  atrial  fibrillation  as  an  emerging 

epidemic.  In Australia, the  ICD‐10 principal diagnosis of “atrial fibrillation and flutter” 

at discharge from public hospitals increased from 27,245 to 38,296 from 1999 to 2005 

(Australian  Institute of Health  and Welfare 2008).  Lifetime  risks  for development of 

atrial fibrillation are 1 in 4 for men and women over the age of forty years and are still 

high (1 in 6) even in the absence of antecedent congestive heart failure or myocardial 

infarction (Lloyd‐Jones et al. 2004). 

1.1.2.1 Incidence and Prevalence 

The  incidence and prevalence of atrial  fibrillation varies between studies, most  likely 

related  to  study  design  and methods,  but  perhaps  also  to  true  regional  variations. 

Consistently across  the  studies,  the  incidence of atrial  fibrillation  increases with age 

(Benjamin et al. 1994; Psaty et al. 1997; Miyasaka et al. 2006a). In the Cardiovascular 

Health Study, the incidence of atrial fibrillation in the 65‐74 years age group was 18 per 

1000  person‐years  for men  and  10  per  1000  person‐years  for women.  For  the  age 

category  75‐84  years  these  numbers more  than  doubled  to  43/1000  and  22/1000, 

respectively (Psaty et al. 1997). The prevalence of atrial fibrillation  is therefore highly 

age‐related and although the age‐specific prevalence is higher in men (e.g. for ages 65‐

69  years: men  5.9%, women  2.8%),  the  gap  narrows with women  in  the  older  age 

categories.  Furthermore,  as women  on  average  live  longer  than men,  the  absolute 

number  of women with  atrial  fibrillation  actually  exceeds  that  of men making  this 

  5

disease of equal importance to both elderly men and women (Furberg et al. 1994). The 

number  of Australians with  atrial  fibrillation  is  estimated  at  165,000, with  numbers 

expected  to  rise  substantially  due  to  ageing  of  the  population  together  with  the 

increasing prevalence of atrial fibrillation with age (Eikelboom and Hankey 2004). 

1.1.2.2 Associated Conditions  

Key  risk  factors  for  the  development  of  atrial  fibrillation  include  increasing  age, 

hypertension, myocardial infarction, congestive heart failure and valvular heart disease 

(Kannel et al. 1982a; Benjamin et al. 1994; Psaty et al. 1997). Data from the well known 

Framingham cohort showed that, independent of other documented risk factors, each 

decade of age  increased  the probability of developing atrial  fibrillation by 2.1‐fold  in 

men and 2.2‐fold in women. In the same cohort, diabetes (men: 1.4‐fold; women 1.6‐

fold),  underlying  hypertension  (men:  1.5‐fold;  women:  1.4‐fold),  past  myocardial 

infarction (1.4‐fold  in men only), congestive heart failure (men: 4.5‐fold; women: 5.9‐

fold) and valvular disease usually affecting the mitral valve (men: 1.8‐fold; women: 3.4‐

fold) independently increased the likelihood of developing atrial fibrillation (Wolf et al. 

1996). More recent data from the Framingham study reports that the development of 

atrial fibrillation in patients with congestive heart failure is associated with an increase 

in mortality of 2.7‐fold in men and 3.1‐fold in women (Wang et al. 2003). The Renfrew‐

Paisley study from the United Kingdom, found that middle‐aged men and women were 

significantly more  likely  to develop atrial  fibrillation during 25‐year  follow‐up  if  they 

had  cardiomegaly  (13‐fold  increase),  chronic  bronchitis  (2.2‐fold),  left  ventricular 

hypertrophy (4.2‐fold), myocardial ischaemia (4.5‐fold), past history of stroke (3.9‐fold) 

and glucose intolerance (3.1‐fold) (Stewart et al. 2001). Other reported causes include 

  6

pericarditis, alcohol, thyrotoxicosis, hypertrophic cardiomyopathy, myocarditis, severe 

infection  and  disorders  of  the  cardiac  conduction  system  (Aberg  1968;  Fuster  et  al. 

2001;  Stewart  et  al.  2001).  Nevertheless,  despite  multiple  risk  factors  for  atrial 

fibrillation, some of those with the condition are remarkable only  for the absence of 

overt cardiovascular disease or precipitating  illness; so called “lone” atrial  fibrillation 

(Brand et al. 1985; Kopecky et al. 1987). Such patients younger that 65 years of age do 

not  have  the  increased  risk  of  thromboembolism  seen  in  atrial  fibrillation  overall 

(Kopecky et al. 1987; Rostagno et al. 1995; Stewart et al. 2002). In fact, analysis of the 

Framingham  Study data of patients with  lone  atrial  fibrillation  revealed  that  after  a 

mean  follow  up  of  25.2±9.5  years,  cerebrovascular  events  had  only  occurred  in 

patients  who  had  developed  a  least  one  risk  factor  for  thromboembolism  since 

enrolment  (Jahangir  et  al.  2007).  Familial  tendencies  in  lone  atrial  fibrillation  have 

been  described  and  recently  genetic  linkage  analysis  studies  have  indicated 

associations with  specific  chromosomal  loci  (Lai  et  al.  2003).  Brugada  et  al.  (1997) 

reported the first monogenic cause for familial atrial fibrillation, implicating a gene on 

chromosome  10.  These  studies,  together  with  population  studies  of  first  degree 

relatives (Ellinor et al. 2005), show there  is growing evidence that genetic factors are 

important  in  the  pathogenesis  of  atrial  fibrillation.  Nevertheless,  familial  atrial 

fibrillation  has  been  shown  to  be  genetically  heterogeneous  (Darbar  et  al.  2003; 

Volders et al. 2007) and, unlike syndromes such as hypertrophic cardiomyopathy and 

long QT syndrome, the role of genes in the vast majority of people who develop atrial 

fibrillation probably comes second to the role of environmental factors and co‐morbid 

disease. 

  7

1.1.2.3 Consequences of Atrial Fibrillation 

Atrial  fibrillation  is a major cause of morbidity and mortality,  increasing risk of death 

(Benjamin  et  al.  1998; Vidaillet  et  al.  2002),  congestive  heart  failure  (Stewart  et  al. 

2002),  and  embolic  phenomena,  including  stroke  (Wolf  et  al.  1991;  Stewart  et  al. 

2002). Approximately 15% of all strokes are attributable to atrial fibrillation (Wolf et al. 

1987)  and  these  are more debilitating  than other  types of  strokes  (Jorgensen  et  al. 

1996).  Independent  of  stroke,  atrial  fibrillation  has  been  linked  to  cognitive 

dysfunction although the mechanism by which this results is yet to be determined (Ott 

et al. 1997; Miyasaka et al. 2007a). Congestive heart failure is not only a risk factor for 

atrial fibrillation but can also be a consequence of atrial fibrillation. Therefore, whether 

occurring in tandem or in succession these two conditions often co‐exist compounding 

the adverse consequences of each in a “vicious cycle” (Cha et al. 2004). The incidence 

of new congestive heart failure for a patient first diagnosed with atrial fibrillation has 

been  observed  to  be  44  per  1000  person‐years.  Furthermore,  the  age‐  and  sex‐

adjusted mortality  risk  for  patients with  atrial  fibrillation  following  congestive  heart 

failure was estimated at 3.4 times that of those without heart failure (Miyasaka et al. 

2006b). Atrial fibrillation confers an independent mortality risk, most recently shown in 

a  21‐year  community‐based  study  by  the  Framingham  investigators.  Patients  with 

newly diagnosed atrial fibrillation had a hazard ratio for dying of 2.08 over a mean of 

5.3  years  follow‐up,  when  compared  with  the  general  population  of  Minnesota. 

Furthermore, this was markedly more dramatic (hazard ratio 9.62) in the first 4 months 

from  diagnosis,  mainly  from  cardiovascular  causes  (Miyasaka  et  al.  2007b).  In 

Australians  over  the  age  of  60  years  the  relative mortality  of  patients  with  atrial 

fibrillation (adjusted for confounding effects) is 1.92 for all causes and 3.78 for deaths 

  8

from  stroke  (Lake  et  al.  1989).  Thus,  atrial  fibrillation  is  a  disease  that  denotes 

significant  associated  morbidity  and  mortality,  with  a  large  impact  on  both  the 

individual and  the community as a whole.  Importantly,  these associated poor health 

outcomes must be separated from the co‐morbid conditions frequently accompanying 

atrial fibrillation. “Lone” atrial fibrillation has been defined as the absence of structural 

heart disease or  stroke based on history, physical  examination,  chest X‐ray,  routine 

blood  chemistry,  and  trans‐thoracic  as well  as  trans‐oesophageal  echocardiography. 

Additional exclusions to this group are coronary artery disease, significant pulmonary 

disease, hypertension, hyperthyroidism and diabetes (Kopecky et al. 1987; Kumagai et 

al. 1991;  Jaïs et  al. 2000). The  survival  for patients with  “lone” atrial  fibrillation has 

been  repeatedly  shown  to be  comparable  to  the general population  (Kopecky et al. 

1987;  Rostagno  et  al.  1995;  Stewart  et  al.  2002).  Although  traditional  teaching  has 

been  that  atrial  fibrillation  progresses  from  paroxysmal  to  persistent  arrhythmia,  a 

recent Framingham study on the long‐term progression and outcomes of patients with 

lone atrial fibrillation reported that of 71 patients with paroxysmal or persistent atrial 

fibrillation, just 22 had progression to permanent atrial fibrillation over a mean follow‐

up of 25.2±9.5 years  (Jahangir et al. 2007). Overall survival of  the patients with  lone 

atrial  fibrillation was  similar  to  the  survival of  the age‐ and  sex‐matched population. 

Observed survival free of heart failure was slightly worse than expected but the risk for 

cerebrovascular events was similar to that expected. Importantly, all patients who had 

a cerebrovascular event had developed ≥1 risk  factor  for  thromboembolism,  thereby 

were  no  longer  strictly  “lone”  atrial  fibrillation.  While  the  association  and 

consequences of atrial  fibrillation with all  the  factors described above may be clear, 

the mechanisms by which these factors result in arrhythmia is not. 

  9

1.1.3 History of Atrial Flutter 

The first published description of probable atrial flutter dates back to the nineteenth 

century when McWilliam (1886) described regular, rapid excitations of the atrium in an 

animal.  Subsequently,  Einthoven  (1906) made  an  electrocardiographic  recording  of 

atrial  flutter. Distinction between atrial  flutter and atrial  fibrillation by  characteristic 

sawtooth  waves  in  the  inferior  ECG  leads  followed  (Jolly  and  Ritchie  1911).  This 

“common” type of atrial flutter was investigated by Lewis (1913) using a combination 

of epicardial maps  and ECG  recordings  from  a  canine model  induced by  rapid  atrial 

pacing.  Continual  activation  of  at  least  some  part  of  the  atrium  resulted  in  flutter 

waves seen in the surface ECG and the activation sequence was orderly, i.e. the wave‐

front  circulated  in  either  a  cranio‐caudal  or  a  caudo‐cranial  direction  in  the  right 

atrium. From this pioneering experimental work it was concluded that atrial flutter was 

due  to  intra‐atrial  circus movement  around  the  venae  cavae  (Lewis  et  al.  1921b). 

Subsequent works  that  supported  that  atrial  flutter was  due  to  intra‐atrial  reentry 

included  a  crush  injury model  of  this  arrhythmia  by  creating  a  lesion  between  the 

venae cavae (Rosenbleuth and Garcia‐Ramos 1947). Based on the epicardial maps, the 

authors  deduced  that  the  reentry  loop  circled  around  the  atrial  crush  lesion. 

Interestingly,  they  also  noted  that  when  the  crush  lesion  was  extended  from  the 

inferior  vena  cava  to  the  atrioventricular  groove,  the  arrhythmia  disappeared  and 

could  not  be  induced.  This  important  finding  suggested  the  true  circuit may  have 

included  the  cavotricuspid  isthmus.  However,  intra‐atrial  macro‐reentry  as  the 

mechanism of atrial flutter was not universally accepted. Goto et al. (1967) had shown 

that aconitine caused abnormal automaticity at rapid rates  in  the rabbit atria.  It was 

thought  that  if  the  atrial  site  fired  fast  enough,  either  flutter  (1:1  conduction)  or 

  10

fibrillation  (fibrillatory  conduction  because  the  atrial  rate  was  too  fast  and  1:1 

conduction  could not be  supported) occurred. Building on  the work of Rosenbleuth 

and  Garcia‐Ramos,  Frame  et  al.  (1986)  showed  that  the  flutter  reentry  loop  that 

rotated around  the  tricuspid annulus could exist  through creating a “Y”  lesion  in  the 

canine  right  atrium by  extending  the  inter‐caval  crush  lesion  to  the  right  atrial  free 

wall. Subsequent experiments  in various animal models and clinical studies have not 

only  confirmed  that  the mechanism  of  atrial  flutter was  due  to  intra‐atrial macro‐

reentry but  also  allowed  the development of  curative  catheter  ablation  therapy. Of 

particular  importance  are  the  studies  which  described  techniques  of manifest  and 

concealed entrainment,  including  identification of a site  for catheter ablation  (Waldo 

et  al.  1977;  Inoue  et  al.  1981;  Stevenson  et  al.  1995).  Successful  ablation  of  atrial 

flutter  by  radiofrequency  energy  depended  on  the  identification  of  a  vulnerable, 

critical  zone  in  the  reentrant  circuit.  Detailed  analysis  of  intra‐operative  mapping 

studies of patients with persistent atrial flutter demonstrated that the narrowest part 

of the circuit had relatively slow conduction and was localised to the low right atrium, 

between the inferior vena cava and the tricuspid ring (Klein et al. 1986). Furthermore, 

cryosurgical ablation of this critical region and its surrounding tissue prevented short‐

term recurrences of the arrhythmia. This was consistent with earlier work which noted 

that  when  a  crush  lesion  was  extended  from  the  inferior  vena  cava  to  the 

atrioventricular  ring,  the  arrhythmia  could  no  longer  be  induced  (Rosenbleuth  and 

Garcia‐Ramos  1947).  Subsequent  studies  using  direct  current  shocks  to  disrupt  the 

critical  zone and eliminate  the  tachycardia  supported  the prospect  that atrial  flutter 

could  be  permanently  abolished  by  disruption  of  the  isthmus  (Saoudi  et  al.  1990). 

However, one drawback of using direct current shock was that the shock  itself could 

  11

convert  atrial  flutter.  In  the  early  1990’s,  two  groups  independently  found  that 

disruption of  the  isthmus of  the atrial  flutter circuit could be carried out  safely with 

radiofrequency  catheter ablation  (Feld et al. 1992; Cosio et al. 1993).  Subsequently, 

using  activation  and  entrainment  mapping  with  guidance  from  intra‐cardiac 

echocardiography, points in the right atrium that lay within or outside the circuit were 

defined. The posterior barriers  to conduction were  identified as  the crista  terminalis 

and the eustachian ridge (Olgin et al. 1995) and it was demonstrated that the tricuspid 

annulus constitutes an anterior barrier constraining the reentrant wave front of human 

anti‐clockwise atrial  flutter  (Kalman et al. 1996). Experiments  in dogs  show  that  the 

atrial flutter circuit is critically dependent on a line of functional block extending to the 

caval veins (Tomita et al. 2001). This has been confirmed in human studies showing the 

crista terminalis as a line of functional block (Scaglione et al. 2000). Typical atrial flutter 

therefore  is a macro‐reentrant  circuit  in  the  right atrium with an anatomical barrier 

anteriorly  (the  tricuspid  valve)  and  a  functional  barrier  posteriorly  (the  crista 

terminalis). 

 

1.1.4 Epidemiology of Atrial Flutter 

Less data exists on  the epidemiology of  atrial  flutter  than  atrial  fibrillation, perhaps 

because it is less common or because it is often included with atrial fibrillation in data 

analysis,  e.g.  International  Classification  of Diseases,  Tenth  Revision.  Certainly  atrial 

flutter  shares many  clinical  risk  factors with  atrial  fibrillation.  Using  the Marshfield 

Epidemiological  Study  Area  database  of  58,820  residents,  Granada  et  al.  (2000) 

ascertained all new cases of atrial flutter over a 4 year period from 1991. One‐hundred 

  12

and eighty‐one new cases of atrial  flutter were diagnosed  for an overall  incidence of 

88/100,000 person‐years. Incidence rates ranged from 0.005% in those 50 years old to 

0.6% in subjects older than 80. Atrial flutter was 2.5 times more common in men, 3.5 

times  more  common  in  subjects  with  heart  failure  and  1.9  times  more  likely  for 

subjects with chronic obstructive pulmonary disease. Among those with atrial flutter, 

16% were  attributable  to heart  failure  and 12%  to  chronic obstructive  lung disease. 

Three  subjects  (1.7%) without  identifiable predisposing  risks were  labelled as having 

“lone  atrial  flutter”. When  these  figures  are  applied  to  the entire population of  the 

United States, an estimated 200,000 new cases of atrial  flutter occur  there annually. 

With regard to mortality, atrial  flutter appears more benign than atrial  fibrillation, at 

least  initially. Vidaillet et al. (2002) found that for 6 months after diagnosis, mortality 

was 2.5  times higher among  those with atrial  flutter  (5%) than among controls  (2%), 

but 3.4  times  lower  than among patients who had atrial  fibrillation with or without 

atrial flutter (17%). After adjusting for baseline characteristics however, early mortality 

was about seven times higher for patients with atrial fibrillation than for controls. With 

longer  follow‐up  (mean  3.6  years),  overall mortality  was  similar  for  patients  in  all 

arrhythmia  subgroups  –  41%  for  atrial  flutter,  45%  for  atrial  fibrillation  and  47%  in 

patients  with  both  atrial  flutter  and  atrial  fibrillation  –  as  compared  with  22%  in 

controls.  All  three  groups  of  patients with  atrial  fibrillation  or  atrial  flutter  had  an 

approximately two‐fold  increased risk of mortality compared with controls  in models 

that  adjusted  for  other  risk  factors. Mortality  among  patients with  atrial  fibrillation 

trended somewhat higher (1.4‐fold) than among patients with atrial flutter alone. 

  13

1.2 The Electrophysiological Basis of Atrial Fibrillation 

1.2.1 The Multiple Heterotopous Centres Theory 

Initial  theories of  the mechanism of atrial  fibrillation proposed  that each heart  fibre 

becomes independently rhythmic and that each is a focus of its own impulse formation 

as a  result of  increased excitability;  the multiple heterotopous  centres  theory.  Lewis 

and Schleiter  (1912) reasoned  that activity  from one or more heterogeneous centres 

would account for single premature beats, for regular tachycardias and, ultimately, for 

the completely incoordinate activity seen in auricular fibrillation. However, two unique 

observations were made by Garrey (1914). Firstly, when a fibrillating chamber was cut 

into four pieces, each fragment continued to fibrillate; this could not have happened if 

the  fragments  were  dependent  on  a  single  focus.  Secondly,  although  portions  of 

isolated heart muscle were capable of fibrillating, a critical amount of muscle mass was 

necessary.  These  observations  made  the  multiple  heterotopous  centres  theory 

untenable  and  a  competing  theory  of  “circus movement” was  proposed  in which  a 

circuit of muscle could propagate a wave‐front round and round indefinitely, provided 

the length of muscle exceeded the wave‐front length (Lewis et al. 1921b). 

 

1.2.2 The Multiple Wavelet Hypothesis 

The  circus  movement  theory  was  developed  further  to  explain  the  complexity  of 

experimental findings; these developments  included the concept of a single "mother" 

ring that propagated the arrhythmia and gave rise to "daughter" rings and,  finally, to 

multiple  independent  rings  (Moe 1962). This  theory of multiple circus movement, or 

wavelets,  dominated  the  thinking  on  the mechanism  of  atrial  fibrillation  for many 

  14

years. Moe hypothesised that a grossly irregular wave‐front becomes fractionated as it 

divides around islets or strands of refractory tissue and each of the daughter wavelets 

could  then  be  considered  independent  offspring;  the multiple  wavelet  hypothesis. 

However, prior  to  this, Prinzmetal et al.  (1950) had showed  that premature systoles, 

paroxysmal  tachycardia,  atrial  flutter  and  atrial  fibrillation  of  the  left  auricle 

(investigated  in  over  200  dogs  by  high  speed  cinematography,  cathode‐ray 

oscillography  and multiple‐channel  electrocardiography) were  of  unitary  origin  and 

suggested that all may occur from one ectopic focus. They categorically stated there is 

no  circus  movement  and  claimed  their  conception  of  the  auricular  arrhythmias 

simplified the understanding of the mechanism. Subsequent to Moe’s theory however, 

Allessie et al.  (1977) demonstrated  reentrant circuits  in  isolated  rabbit atria by using 

precisely  timed  premature  impulses  to  produce  sustained  tachycardia. Of  particular 

interest as an explanation of atrial fibrillation is the "leading circle” theory in which the 

initiation  of  reentry  takes  place  because  of  non‐uniform  refractory  periods  in  atrial 

fibres  in close proximity to one another. The  initiating  impulse conducts  in fibres with 

short  refractory  periods  and  is  blocked  in  those  with  longer  ones,  forming  the 

conditions  for  reentry before  the  impulse has died out.  Impulses  circulate  around  a 

central  area  that  is  kept  refractory,  and  thereby  blocked,  by  centripetal  wavelets 

arriving from all sides. The size of the circle is determined by the recovery time of the 

tissue  forming  the  circuit,  because  tissue  on  both  sides  is  kept  depolarised  by  the 

leading circle. Further evidence to support this hypothesis came about when Cox et al. 

(1991)  demonstrated  in  an  experimental  dog model, with  supplementary  evidence 

from  intra‐operative  clinical  observations  in  humans,  that macro‐reentrant  circuits 

within  the  atrial  myocardium  were  responsible  for  the  entire  spectrum  of  atrial 

  15

arrhythmias.  Both  the  experimental  study  and  the  clinical  study  demonstrated  that 

multiple  wave  fronts,  non‐uniform  conduction,  bi‐directional  block,  and  macro‐

reentrant circuits occur during atrial  fibrillation. Subsequent work by Allessie’s group 

on conscious dogs underscored  the  importance of slowed conduction and shortened 

refractoriness — a short wavelength, the distance travelled by the depolarisation wave 

during  the  refractory  period —  in  determining  the  onset  of  atrial  fibrillation  during 

rapid  electrical  stimulation  (Rensma  et  al.  1988). Moe’s  original  theory  of multiple 

wavelets was  lent  considerable weight by  the  clinical observation  that  chronic atrial 

fibrillation  could  be  cured  in  some  patients  by  the  placement  of multiple  surgical 

lesions  (the maze procedure)  to compartmentalise  the atria  into  regions presumably 

too small to sustain such wavelets (Cox et al. 1993). Intra‐operative mapping of human 

atrial fibrillation found pivot points where the wavelets turn around at the end of lines 

of functional block, illustrating the complexity of atrial activation (Konings et al. 1994). 

 

1.2.3 Localised Sources in the Initiation and Maintenance of Atrial Fibrillation 

At the time that surgical treatments of atrial fibrillation were being advanced, the first 

direct  evidence  that  the  pattern  of  circulating  wavelets  during  atrial  fibrillation  in 

humans is not entirely random was published (Gerstenfeld et al. 1992). The hypothesis 

that  local  atrial  activation  should  be  influenced  by  the  constant  anatomy  and  the 

receding  tail  of  refractoriness  from  the  previous  activation  was  proven  by 

demonstrating that a tendency  for wave  fronts to  follow paths of previous excitation 

(often termed "linking") was transiently present for the majority of patients with atrial 

fibrillation.  Further  evidence  that  atrial  fibrillation  is  not  random  comes  from more 

  16

recent studies showing repetitive periodic activity demonstrating temporal and spatial 

stability  in  the  left  atrium,  particularly  the  pulmonary  veins  and  posterior  regions 

(Skanes et al. 1998; Mansour et al. 2001). Analysis of the activation frequency at these 

sites is highly suggestive of localised reentry or “rotors” which have been proposed as 

drivers of  the  fibrillatory process  (Jalife et al. 1998; 2002). Mansour  (2001)  reported 

that wave‐fronts propagated from left to right in 80% of sheep atria and that right‐to‐

left  propagation  occurred  in  a  significantly  smaller  percentage  of  cases.  The  cycle 

length of left atrial sources determined the dominant peak in the frequency spectra in 

atrial  fibrillation  and  ablation  of  inter‐atrial  connections  reduces  right  atrial  signal 

frequency  but  not  left.  Human  studies  have  also  suggested  localised  reentry  as  a 

driving mechanism of atrial fibrillation and are discussed further in Section 1.3.2. After 

the leading circle wavelet theory had held sway for decades, Scherf (1947) revived the 

focus theory by applying aconitine focally to the atrium, and  in this way could  induce 

atrial  fibrillation. More  recently,  research  has  similarly  focussed  on  identifying  local 

triggers for atrial fibrillation. It has been observed that atrial fibrillation can ensue from 

the  degeneration  of  other  atrial  tachycardias  such  as  atrial  flutter  or  accessory 

pathway mediated  rhythms,  and  in  fact  ablation  of  such  pathways  can  reduce  the 

incidence  of  atrial  fibrillation  (Haïssaguerre  et  al.  1992).  Focal  atrial  tachycardia  is 

thought to arise from abnormal automaticity of cardiac cells and shows a predilection 

for sites in close proximity to anatomical structures such as the crista terminalis (Chen 

et al. 1994; Kalman et al. 1998), the atrial septum (Chen et al. 2000; Marrouche et al. 

2002),  the  coronary  sinus  (Volkmer  et  al.  2002;  Badhwar  et  al.  2005;  Kistler  et  al. 

2005), the atrioventricular annuli (Morton et al. 2001; Matsuoka et al. 2002; Kistler et 

al. 2003b; Hachiya et al. 2005) and the pulmonary veins (Kistler et al. 2003a; Hachiya et 

  17

al.  2005).  Cells  around  the  tricuspid  annulus  with  nodal  characteristics  have  been 

found  (McGuire  et  al.  1996).  Although  histologically  similar  to  atrial  cells  they 

resembled nodal cells  in  their cellular electrophysiology,  response  to adenosine, and 

connexin expression which suggests that nodal‐like cells capable of sustaining ectopic 

activity exist  in these structures where focal tachycardia has been found to originate. 

Perhaps  the most  important source of ectopy  for  the  initiation of atrial  fibrillation  is 

that arising from the pulmonary veins (Haïssaguerre et al. 2000a). In a landmark study 

94% of the 69 ectopic foci found to  initiate atrial fibrillation  in 45 patients with drug‐

refractory  episodes  were  within  the  pulmonary  veins  (Haïssaguerre  et  al.  1998). 

Furthermore, in the same study, radiofrequency ablation of these same foci kept 62% 

of  these  subjects  free  of  atrial  fibrillation  at  a mean  of  eight months  follow  up.  A 

further study  targeting  the pulmonary veins by a slightly different  technique of wide 

circumferential ablation with good  long term success  lends further weight to the role 

of the pulmonary veins  in the genesis and maintenance of atrial fibrillation (Pappone 

et al. 2000). Anatomical  investigation of the pulmonary veins reveals sleeves of atrial 

myocardium extending into the proximal veins a variable distance (Nathan and Eliakim 

1966; Moubarak et al. 2000), the length of which is greatest in the superior veins (Saito 

et al. 2000). Myocardial bundles can be  seen  to cover  the complete pulmonary vein 

circumference  in  54%  of  veins  examined  1cm  from  the  ostium  (Weiss  et  al.  2002). 

Fibres of muscle  in these ostial regions are variably arranged with one or more layers 

of  longitudinal,  circular,  oblique  or  spiral  fibre  orientation  interwoven  with  non‐

conducting connective tissue, perhaps explaining the observation of the non‐uniform 

breakthrough pattern of pulmonary vein activity into left atrial tissue (Haïssaguerre et 

al. 2000b). Zones of activation delay have been observed  in canine pulmonary veins 

  18

and correlated with abrupt changes in fascicle orientation, perhaps facilitating reentry 

and  arrhythmias  (Hocini  et  al.  2002).  Reports  of  pulmonary  vein  aneurysm  being 

implicated as a trigger for atrial fibrillation (Yamane et al. 2000) lend further weight to 

the  importance of vein  structure  in  the electrical output  to  the  left atrium. There  is 

also evidence to support the existence of important differences in membrane channel 

distribution between the pulmonary veins and the  left atrium (Melnyk et al. 2005) as 

well as greater variation in myocyte size and fibrosis in the pulmonary veins of patients 

with atrial  fibrillation  (Tagawa et al. 2001). The stage may  then be set  for reentry  to 

occur  within  or  around  the  pulmonary  veins  when  triggered  by  short‐coupled 

“automatic”  discharges  (Shah  et  al.  2001).  Study  of  human  embryos  with 

immunohistochemical  staining  of  the  conduction  system  has  shown  specialised 

conduction tissue at areas known to demonstrate abnormal automaticity  in the adult 

(Blom  et  al.  1999).  Electron  microscopy  of  autopsy  specimens  has  suggested  the 

presence of P cells, transitional cells and Purkinje cells  in the pulmonary veins (Perez‐

Lugones et al. 2003). Very recently, histological investigation of pulmonary vein sleeves 

has  identified “interstitial cells of Cajal”; cells known to act as pacemakers  in the gut 

which undoubtedly have the potential to act as a pacemaker through their expression 

of ion channels with If properties (Morel et al. 2008). Clearly, these “triggers” found in 

the pulmonary veins and other sites are important in the initiation of atrial fibrillation, 

as  backed  up  by  evidence  to  show  re‐initiation  of  atrial  fibrillation  following 

cardioversion may  be  a  result  of  local  discharge  from  these  areas  (Lau  et  al.  1999; 

Haïssaguerre et al. 2000c). Why these areas should be predisposed to  initiating atrial 

fibrillation and how  their  independent discharge  should bring about wavelet  reentry 

has been the subject of intense investigation. 

  19

1.2.4 The Venous Wave Hypothesis 

Building on work gone before, Haïssaguerre et al. (2004b) proposed the venous wave 

hypothesis.  This  was  an  alternative  hypothesis  to  the  classical  multiple  wavelet 

mechanism  proposed  by Moe  that  in  at  least  some  patients with  paroxysmal  atrial 

fibrillation  the pulmonary vein  is  the source of  fibrillatory activity  that maintains  the 

atria  in  fibrillation.  Studies  have  shown  that  the  pulmonary  veins  are  capable  of 

automaticity and triggered activity under conditions of rapid atrial pacing or congestive 

heart failure (Chen et al. 2001; Okuyama et al. 2003). The pulmonary veins of patients 

with  atrial  fibrillation  have  been  shown  to  have  distinctive  electrophysiological 

properties when compared  to  those of patients without arrhythmia, and also  to  the 

atria  to which  they  are  attached  (Jaïs  et  al.  2002).  The  specific  architecture  of  the 

muscular sleeves within the pulmonary veins of dogs may facilitate reentry (Hocini et 

al.  2002),  and  indeed  reentry  has been  observed within  human  pulmonary  veins  at 

multi‐electrode  basket  studies  (Kumagai  et  al.  2004).  Pulmonary  veins  identified  as 

initiators of arrhythmia demonstrate periods of short cycle length during ongoing atrial 

fibrillation (O'Donnell et al. 2002). Isolation of such pulmonary veins renders the atria 

less inducible to atrial fibrillation and therefore suggests a dynamic interplay occurring 

between the atria and pulmonary veins (Oral et al. 2002). Chen et al. (1999) reported 

longer  refractory  periods  at  the  proximal  portions  of  the  pulmonary  veins  and  this 

distal‐to‐proximal gradient has been confirmed by others  (Kumagai et al. 2004). This 

may be somewhat protective against more distal rapid activation being conducted to 

the atria, however  this difference was attenuated with  isoprenaline emphasising  the 

dynamic role of the autonomic system in the electrophysiology of the pulmonary veins 

(Chen  et  al.  1999). Rapid  pacing  of  isolated  pulmonary  veins  following  ablation  can 

  20

induce  local  sustained  reentry  and  features  of  decremental  conduction  within  the 

paced  vein  (Takahashi  et  al.  2003). Arora  et  al.  (2003),  performing  optical mapping 

studies of normal canine pulmonary veins, demonstrated that these structures possess 

both  anisotropic  conduction  and  repolarisation  heterogeneity.  With  extrastimulus 

testing  they  observed  regions  of  uni‐directional  conduction  block  and  slowed 

conduction  that  initiated  leading  circle  reentry  which  became  sustained  with 

isoprenaline.  Pulmonary  vein  isolation  has  been  shown  to  produce  a  progressive 

prolongation of the atrial  fibrillation cycle  length, varying  in extent  from vein to vein 

and between individuals, culminating in arrhythmia termination in most patients after 

a  significant  cumulative  increase  in  the  cycle  length  (Haïssaguerre et al. 2004a). The 

distinctive  electrophysiological  properties  of  the  pulmonary  veins  of  patients  with 

atrial fibrillation have been shown to be emphasised by amiodarone therapy and may 

be  responsible  for  heterogeneous  alteration  of  pulmonary  vein  electrophysiology 

(Rostock et al. 2005). Recently, Rostock et al.  (2008) have demonstrated differential 

rate‐adaptation  of  the  electrophysiological  properties  of  the  pulmonary  veins  in 

patients  without  a  history  of  atrial  fibrillation.  They  observed  that  the  effective 

refractory period (ERP) of the pulmonary veins was higher than the ERP in the atria at 

baseline, and that the shortening of ERP in response to 15 minutes of atrial fibrillation 

was greater  in  the pulmonary veins  than  in  the atria. This suggests  that  the changes 

within the pulmonary veins promote the maintenance of atrial fibrillation to a greater 

degree than the atria. Thus, there potentially exists within the pulmonary veins alone 

the electrophysiological milieu necessary  for both  the  initiation  and maintenance of 

atrial  fibrillation.  This  hypothesis  is  further  supported  by  evidence  of  continued 

fibrillatory activity seen in disconnected pulmonary veins (Willems et al. 2003) and the 

  21

common  observation  of  slow  dissociated  pulmonary  vein  activity.  The  venous wave 

hypothesis  therefore  suggests  that  pulmonary  veins  have  heterogeneous 

electrophysiological properties capable of sustaining reentry and that these structures 

are implicated not only as a trigger of atrial fibrillation in patients with the appropriate 

substrate,  but  also  as  a  source  of  “venous  waves/drivers”  that  are  capable  of 

maintaining the atria in fibrillation. 

 

1.2.5 Rotors and Activation Gradients 

Localised regions of high‐frequency activity demonstrating spatio‐temporal periodicity 

have been suggested to act as drivers of atrial fibrillation (Skanes et al. 1998; Jalife et 

al. 2002; Everett et al. 2006; Lin et al. 2006). Jalife et al. (1998) proposed the theory of 

“mother  rotors”  as  drivers  of  atrial  fibrillation,  with  fibrillatory  activity  of  nearby 

myocardium  unable  to  maintain  1:1  conduction  with  the  rapid  site.  Evidence  for 

organisation of atrial fibrillation has come from animal optical mapping studies which 

have used  spectral analysis  to demonstrate  repetitive high  frequency activity during 

atrial fibrillation, consistent with the hypothesis of “driving” rotors (Kalifa et al. 2006). 

Similar findings have also been reported in humans (Wu et al. 2002; Lazar et al. 2004; 

Sahadevan et al. 2004; Sanders et al. 2005a; Haïssaguerre et al. 2006b). Gradients of 

activation  from  the  pulmonary  veins  to  the  remaining  atrium  of  patients  with 

paroxysmal atrial fibrillation have been reported (Sanders et al. 2006). However, such 

specific  patterns  of  activation  gradient  are  less  conclusive  in  persistent  atrial 

fibrillation.  Retrospective  analysis  of  ablation  of  paroxysmal  atrial  fibrillation  shows 

that  atrial  fibrillation  cycle  length  prolongation  and  eventual  termination  occurs  at 

  22

sites of high frequency activation (Sanders et al. 2005a); this has not been shown for 

persistent atrial  fibrillation. Further discussion of  the  identification of high  frequency 

activation sites and their role in the atrial substrate is discussed in Section 1.3.5. 

 

1.2.6 Summary 

Since the first descriptions of atrial fibrillation, our understanding of the nature of this 

rhythm has expanded and the explanations for its occurrence evolved. From the initial 

Multiple Heterotopous Centres Theory, to the Multiple Wavelet Hypothesis, the more 

recent Venous Wave Hypothesis,  and  the  proposed  concept  of  Rotors  driving  atrial 

fibrillation,  it  is  apparent  that  complex  and  varied mechanisms  are  at  play  in  the 

initiation and maintenance of  this  rhythm.  It  is probable  that both  focal activity and 

reentry  are  responsible  for  the  maintenance  of  atrial  fibrillation.  However,  these 

mechanisms may not have to be present in the same person at the same time (Wu et 

al.  2004).  Changes  in  electrophysiological  characteristics  of  the  myocardium  could 

convert multiple wavelet reentry atrial fibrillation into focal discharge atrial fibrillation 

and  vice‐versa.  Alternatively,  a  partnership  between  focal  discharge  and  reentrant 

mechanisms might be necessary  for maintenance of atrial  fibrillation. Much  is still to 

be learnt about the electrophysiological basis of atrial fibrillation. 

 

1.3 Triggers and Substrate in Atrial Arrhythmia 

The concept of triggers,  initiators and perpetuators advanced by Allessie et al. (2001) 

requires that for atrial fibrillation to exist it must be initiated by some trigger and then 

maintained by favourable electroanatomical properties, or substrate. 

  23

1.3.1 Focal Triggers 

Abnormal  impulse  initiation may be divided  into automaticity and  triggered activity. 

Automaticity  is  the  property  of  cardiac  cells  to  undergo  spontaneous  diastolic 

depolarisation and  initiate an electrical  impulse  in  the absence of external electrical 

stimulation (Peters et al. 2000). This is a known property of a variety of cardiac tissues 

including  the sinus node and subsidiary pacemaker sites and  is  thought  to be due  to 

gradual inward net current (If) (Brown et al. 1979). Triggered activity is a term used to 

describe  impulse  initiation dependent on  after‐depolarisations. After‐depolarisations 

are oscillations in membrane potential that follow the upstroke of an action potential 

(Cranefield 1977). Delayed after‐depolarisations occur  following  the  repolarisation of 

an action potential. This can cause triggered activity if the after‐depolarisation reaches 

threshold  for  a  subsequent  action  potential.  The most  widely  recognised  cause  of 

delayed  after‐depolarisation  triggered  activity  is  digitalis  (Ferrier  and Moe  1973).  In 

contrast,  early  after‐depolarisations  occur  prior  to  the  repolarisation  of  an  action 

potential.  These  tend  to  delay  the  repolarisation  phase  and  are  important  in  the 

mechanism  of  the  congenital  long  QT  syndromes. Mutated  genes  such  as  SCN5A, 

KVLQT1  and  HERG  prolong  action  potential  duration  and  allow  early  after‐

depolarisations  (Roden et  al. 1996).  Evidence  supporting  focal  sources  in promoting 

atrial fibrillation comes from studies characterising atrial tachycardia late after ablation 

for atrial fibrillation. Haïssaguerre et al. (2005b) reported on 55 atrial tachycardias of 

which  20  were  characterised  as  focal  in  origin,  27  as  macro‐reentrant  and  the 

remaining  8  (localised  to  the  atrial  septum)  displayed  mixed  mechanistic 

characteristics. Gerstenfeld et al. (2005) reported a small series of 5 patients in whom 

a  focal atrial  tachycardia was present  following  segmental pulmonary  vein  isolation. 

  24

Arentz et al. (2007) performed a sophisticated basket‐mapping study of the pulmonary 

veins  to  characterise  spontaneous  activity  initiating  atrial  fibrillation  and  found  that 

the  first  ectopic  activity  of  all  events  was  of  focal  origin.  Nevertheless,  some 

tachycardias  from  the  distal  pulmonary  veins  of  short  cycle  length  demonstrated 

continuous activity throughout a significant proportion of the tachycardia cycle length 

favouring  some  reentrant  mechanism  occurring  subsequently.  Despite  the  highly 

sophisticated  mapping  techniques  employed  there  remains  some  methodological 

problems in assessing the mechanism of tachycardia in pulmonary veins; entrainment 

mapping  is  difficult  at  high  rates,  pacing  manoeuvres  may  terminate  tachycardia, 

capture of the pulmonary vein without capture of adjacent structures is an issue, and 

rapid pacing of  itself  induces  fractionated electrograms  (Willems and Rostock 2007). 

Markowitz  et  al.  (2007)  have  demonstrated  that  adenosine  can  assist  in  the 

differentiation  between  focal  and  reentrant  tachycardia,  and  furthermore  micro‐

reentrant circuits can also be distinguished from automatic focal atrial tachycardia by 

this means. This also suggests that some focal sources previously thought to be due to 

automaticity or triggered activity may in fact be due to localised reentry. 

 

1.3.2 Localised Reentry 

The requirements for reentry are:  

(i) uni‐directional conduction block, 

(ii) a core of inexcitable tissue around which the wave‐front propagates, and 

(iii) the maintenance of excitable  tissue ahead of  the propagating wave‐front 

(the “excitable gap”) (Peters et al. 2000). 

  25

The  excitable  gap  is  facilitated  by  slowing  of  conduction  and/or  shortening  of  the 

refractory period. The wavelength (in metres) is the product of the conduction velocity 

(in  metres/second)  and  the  refractory  period  (in  seconds).  This  is  critical  to  the 

development of atrial reentry; a shorter wavelength requires less atrial mass to sustain 

reentry.  Or  to  put  it  another way,  a  given  atrial mass  can  sustain more  reentrant 

circuits  if  the  wavelengths  are  shorter.  It  is  important  to  realise  that  the  above 

requirements may be anatomical or functional. The core of  inexcitable tissue may be 

non‐myocardial  tissue  (such  as  a  valve)  or  an  area  of  functional  block  (such  as  the 

crista terminalis) (Yamashita et al. 1992; Tai et al. 1998). The excitable gap will depend 

on the refractory period of the circuit, itself highly influenced by drugs, hormonal and 

autonomic  factors. Sanders et al.  (2005b) demonstrated  local  reentry by performing 

endocardial  mapping  with  a  multi‐spline  catheter  during  focal  atrial  tachycardia. 

Features such as entrainment and a large proportion of cycle length observable within 

the  mapped  area  were  able  to  be  established.  Haïssaguerre  et  al.  (2005b)  have 

reported  similar  observations  during  atrial  fibrillation  organised  by  prior  ablation. 

Indeed, localised reentry can be mapped to sites where the greatest impact of ablation 

on  the atrial  fibrillation cycle  length has been  shown  to occur;  the pulmonary veins, 

the fossa ovalis, the coronary sinus and the base of the left atrial appendage. Although 

these may be  iatrogenic  from  the prior ablation procedure,  the  fact  that  they  share 

common sites with critical regions maintaining atrial fibrillation is evidence that these 

areas of localised reentry are integral to the initiation and maintenance of arrhythmia. 

This group subsequently were able to demonstrate features of small circuits consistent 

with  local  reentry  by  simultaneous mapping with  a multi‐spline  catheter  during  the 

  26

latter  stages  of  the  initial  ablation  procedure  for  atrial  fibrillation when  periods  of 

relative organisation of electrograms can be seen (Haïssaguerre et al. 2006a). 

 

1.3.3 Anatomical Structures with Site‐specific Conduction Properties 

Integral  to  the  theories  of  the  electrophysiological  basis  of  atrial  fibrillation  is  the 

concept of heterogeneous  conduction properties. There are  regions within  the atria 

where predictable alterations in these properties are seen. 

1.3.3.1 Right Atrium 

The crista  terminalis has unique conduction properties; specifically  the gap  junctions 

are  located at  the poles of muscle cells  resulting  in a higher degree of “end‐to‐end” 

connections  than  other myocardial  tissue  (Saffitz  et  al.  1997).  This  confers  a  high 

degree  of  anisotropy  to  this  structure,  resulting  in  conduction  velocities  10  times 

greater  in  the  longitudinal  than  the  transverse  direction  (Saffitz  et  al.  1994).  This 

feature of preferential conduction has been studied for some time (Spach et al. 1981) 

and had  led some  investigators  to conclude  that specialised conduction exists within 

the  atria,  despite  no  histological  evidence  of  Purkinje‐equivalent  fibres  (Liebman 

1985). Numerous  studies have explored  the  functional  conduction properties of  the 

crista terminalis (Olgin et al. 1995; 1996; Tai et al. 1998; 2004). In addition, site‐specific 

conduction delays in the low right atrial myocardium and the presence of non‐uniform 

anisotropic  characteristics  of  the  posterior  triangle  of  Koch  have  been  suggested  as 

critical substrate for induction of atrial fibrillation (Papageorgiou et al. 1996). This area 

of  the  atrium  has  been  shown  to  have  complex  electrophysiological  properties  and 

  27

multiple  inputs to the atrioventricular node (McGuire et al. 1993) which may account 

for its unique conduction characteristics. 

1.3.3.2 Inter‐atrial Connections 

The inter‐atrial connections are regions where the electrical wave‐front traverses from 

right  to  left  during  sinus  rhythm.  The most  important  and well  studied  of  these  is 

Bachmann’s bundle which  is  located  superiorly on  the  anterior  surface of  the  inter‐

atrial septum. This connection has been demonstrated in animal experiments to have 

differing conduction properties than other atrial myocardium (velocity of conduction is 

faster  and  ERP  is  higher),  representing  a  potential  substrate  for  reentry  to  occur 

(Platonov  2007).  In  humans,  left  atrial  mapping  studies  have  demonstrated 

Bachmann’s bundle as well as posterior and  inferior connections  in the vicinity of the 

coronary sinus (De Ponti et al. 2002; Markides et al. 2003; Betts et al. 2004; Lemery et 

al. 2007). Most of these studies have been conducted in patients with atrial fibrillation 

during sinus rhythm and demonstrate Bachmann’s bundle as critical, however for atrial 

ectopic beats occurring  from  the posterior  left atrium  it  is easy  to propose how  the 

inferior connections may contribute to initiation of arrhythmia. In addition, fibro‐fatty 

degeneration of Bachmann’s bundle has been  reported  as  common  among patients 

with a history of atrial fibrillation (Becker 2004). Recently, a study of 84 post‐mortem 

hearts  has  confirmed  inter‐atrial  muscular  connections  present  anteriorly  at 

Bachmann’s bundle, posteriorly between right pulmonary veins and inferiorly between 

the  coronary  sinus  and  right  inferior pulmonary  vein  (Platonov  et  al.  2008).  Several 

investigators have used  the knowledge of  the anatomy of  inter‐atrial connections  to 

guide  placement  of  an  atrial  pacemaker  lead  with  the  aim  of  shortening  atrial 

  28

activation  and  thereby  reducing  atrial  fibrillation  (Bailin  et  al.  2001;  Padeletti  et  al. 

2001;  Hermida  et  al.  2004;  de  Voogt  et  al.  2007).  The  results  of  these  studies  are 

mixed, perhaps due  to  varying positions of  the pacing  lead  and  accompanying  anti‐

arrhythmic  pacing  algorithms,  as well  as  heterogeneity within  the  atrial  fibrillation 

population  itself. Nevertheless,  it  remains  a promising  area of  research  for patients 

with sick sinus syndrome, a group in whom atrial fibrillation is common. 

1.3.3.3 Left Atrium 

In the  left atrium, several structures (besides the pulmonary veins; see Sections 1.2.3 

and  1.2.4)  have  been  investigated  for  their  site‐specific  properties.  The  left  lateral 

ridge  (the  infolding  of myocardium  between  the  left  pulmonary  vein  antra  and  the 

appendage) is an area of interest due to the close proximity of the vein of Marshall and 

the ganglionic plexus epicardially (Cabrera et al. 2008). It is also a challenging area for 

ablation,  due  to  its  narrow  superior  aspect making  catheter  stability  difficult.  The 

septopulmonary  bundle  is  of  recent  interest  as  a  left  atrial  “crista‐equivalent”. 

Markides  et  al.  (2003)  demonstrated  by  non‐contact  mapping  a  vertical  line  of 

functional block in the posterior left atrium corresponding to a region of abrupt change 

in fibre orientation seen in 10 post‐mortem hearts. High‐resolution mapping in a sheep 

model  has  demonstrated  wave‐break  occurring  at  the  regions  along  the 

septopulmonary  bundle  that  showed  sharp  changes  in  fibre  direction  and  abrupt 

increases  in  myocardial  thickness  (Klos  et  al.  2008).  Waves  propagating  from  the 

pulmonary veins  into  the posterior  left atrium  triggered  reentry and atrial  fibrillation 

by  breaking  at  boundaries  along  this  bundle.  Roberts‐Thomson  et  al.  (2008)  have 

described  a  vertical  line  of  functional  conduction  delay  in  a  consistent  anatomical 

  29

location  in  the  posterior  left  atrium  of  patients with  structural  heart  disease, most 

markedly with atrial dilatation. This  line  facilitates circuitous wave‐front propagation, 

suggesting a potential role in arrhythmogenesis. 

 

1.3.4 Complex Fractionated Atrial Electrograms 

One of the characteristic features of the underlying substrate of atrial fibrillation is the 

presence  of  complex  fractionated  atrial  electrograms  (CFAE).  CFAE  observed  during 

intra‐operative mapping of human atrial fibrillation are found mostly  in areas of slow 

conduction and/or at pivot points where the wavelets turn around at the end of arcs of 

functional  block  (Konings  et  al.  1994).  Results  from  this  pivotal  publication  by  the 

laboratory  of  Allessie  and  colleagues were  confirmed  by  later  studies  in which  the 

morphology  of  electrograms  during  atrial  fibrillation  reflected  the  occurrence  of 

various  specific patterns of conduction  (Konings et al. 1997). The authors postulated 

that  electrogram  morphology  might  be  used  to  identify  regions  with  structural 

conduction disturbances involved in the perpetuation of atrial fibrillation. Prior to this, 

Cosio  et  al.  (1986)  had  identified  complex  electrograms  as  important  in  the 

determination  of  abnormal  conduction  in  atrial  flutter.  Jaïs  et  al.  (1996)  initially 

described regional bi‐atrial disparities in endocardial fractionation in paroxysmal atrial 

fibrillation and found that complex electrical activity was more frequently found in the 

septal  and  posterior  regions  of  both  atria,  with more  regular  activity  seen  in  the 

trabeculated atria. These  findings  led Nademanee et al.  (2004) to hypothesise that  if 

CFAE were  to be  selectively eliminated by  catheter ablation, wavelet  reentry  should 

stop, thereby preventing atrial  fibrillation perpetuation. The earlier observations that 

  30

led  to  the multiple wavelet  theory as  the underlying mechanism  for atrial  fibrillation 

(random  reentry with meandering wavelets)  is at odds with  the observation of  site‐

specific reentry. Possible explanations include the linking phenomenon (Gerstenfeld et 

al.  1992), which may  explain maintenance  of  the  direction  of wavelet  propagation 

during  atrial  fibrillation,  and  the  existence  of  adverse  electrical  remodelling  with 

repeated episodes of atrial fibrillation (Wijffels et al. 1995). By targeting sites of CFAE 

for  ablation, Nademanee  et  al.  (2004)  reported  70%  of  a  balanced  paroxysmal  and 

persistent  cohort  were  arrhythmia‐free  off medication  one  year  following  a  single 

ablation procedure. Furthermore, with a mean of 1.24 ablation procedures and a small 

minority still on anti‐arrhythmic drugs, 91% were  free of atrial  fibrillation. The  inter‐

atrial septum was the most common site  for CFAE  in this study; other common sites 

were the pulmonary veins, left atrial roof and proximal coronary sinus. It is important 

to  note  that while many  previous  studies  have  used  an  epicardial  approach where 

areas such as  the septum, pulmonary veins and coronary sinus os are not accessible 

(Cox  et  al.  1991;  Gerstenfeld  et  al.  1992),  these were  precisely  the  sites  found  to 

contain CFAE at endocardial mapping. CFAE may be seen more  frequently at sites of 

known  site‐specific  conduction  abnormalities  (Roberts‐Thomson  et  al.  2008).  In 

addition,  an  association  between  CFAE  and  atrial  fibrillation  cycle  length  was 

demonstrated  by  Rostock  et  al.  (2006) who  observed  a  shortening  in  cycle  length 

preceding  the  development  of  maximum  fractionation  at  91%  of  mapped  sites, 

suggesting a functional nature to these electrograms. More recently, Nademanee et al. 

(2008)  have  published  long‐term  outcomes  for  high‐risk  patients  ablated  by  this 

technique. For a mean of 1.68 procedures per patient, 81% of these challenging cases 

were  in sinus rhythm at an average of 2.3 years  follow up.  Just 13% of those  free of 

  31

atrial  fibrillation required anti‐arrhythmic agents to maintain sinus rhythm. However, 

these results have not been reproduced by operators seeking to emulate this success. 

Although most  investigators  have  incorporated  CFAE‐targeted  ablation  into  a multi‐

faceted  ablation  approach  (Takahashi  et  al.  2007;  Porter  et  al.  2008;  Verma  et  al. 

2008), Oral et al. performed solely CFAE‐targeted ablation in 100 patients with chronic 

atrial  fibrillation  and  reported modest  success of 33% maintenance of  sinus  rhythm 

without  drugs  at  14 months  mean  follow‐up.  Perhaps  one  reason  for  the  lack  of 

reproducible  outcomes  by  this  method  is  that  operators  have  been  reliant  on 

subjective  analysis  of  CFAE  classification  as  guided  by  the  published  definitions. 

Definitions for CFAE are plentiful and varied, and include: 

(i) electrograms  with  an  FF  interval  <100ms  or  continuous  activity  (Jaïs  et  al. 

1996), 

(ii) fractionated  electrograms  composed  of  ≥2  deflections,  perturbation  of  the 

baseline with continuous deflection of a prolonged activation complex, or atrial 

electrograms with a cycle length ≤120ms (Nademanee et al. 2004), 

(iii) fractionated  potentials  with  ≥3  deflections  from  the  isoelectric  line  or 

continuous activity as their criteria for CFAE (Rostock et al. 2006), and 

(iv) electrograms with a cycle length ≤120ms or shorter than the coronary sinus, or 

those that were fractionated or displayed continuous electrical activity (Oral et 

al. 2007). 

It  is  perhaps  the  variability  of  these  descriptions  that  accounts  for  some  of  the 

inconsistent  results  reported  across  different  centres  using  CFAE‐targeted  ablation. 

Takahashi et al. (2008) attempted to define the characteristics of electrograms which 

  32

identified  successful ablation by measuring  the effect of ablation on change  in atrial 

fibrillation  cycle  length.  They  found  that  electrograms  with  a  temporal  activation 

gradient  of  >70ms  or  continuous  activity  indicated  favourable  sites  for  effective 

ablation.  Algorithms  for  quantification  of  electrogram  fractionation  have  become 

commercially  available  and  the  use  of  such  algorithms  to  complement  established 

ablation  strategies  should  aim  to  target  critical  sites maintaining  fibrillation,  while 

sparing  bystander  atrium.  The  first  publication  using  an  automated  fractionation 

detection tool to describe ablation outcomes has taken advantage of the reproducible 

nature of automated algorithms allowing  it  to guide ablation  in a  consistent  fashion 

across  three  centres  to  demonstrate  an  incremental  success  rate  over  historical 

controls  (Verma  et  al.  2008).  While  there  is  mounting  evidence  to  suggest  that 

mapping  CFAE  by  automatic  techniques  identifies  critical  ablation  sites,  the 

effectiveness  of  CFAE‐targeted  ablation  is  yet  to  be  widely  demonstrated. 

Nevertheless,  a  consistent  approach  to  characterise  fractionation  is  the  first  step 

towards establishing a  reproducible method on which  trials designed  to address  the 

efficacy of CFAE‐guided ablation may rely. 

 

1.3.5 Dominant Frequency 

Analysis of electrograms within  the  time domain has  led  to  identification of  features 

such as automatic activity and complex fractionation, however due to the apparently 

chaotic  nature  of  electrical  activity  during  atrial  fibrillation  it  is  difficult  to  see 

underlying  patterns  of  depolarisation  that  may  be  important  in  the  substrate 

maintaining  atrial  fibrillation.  This  has  led  to  the  analysis  of  electrograms  in  the 

  33

frequency domain by  fast  fourier  transform. Using  this  technique,  information about 

local activation may be distilled from an electrogram otherwise too complex or noisy 

to  be  appreciated  in  the  time  domain.  The  atrial  electrograms  obtained  during 

fibrillation are often such electrograms and hence fast fourier transform “unlocks” that 

information  for  analysis.  The  fast  fourier  transform  attempts  to  reduce  a  complex 

electrogram to its constituent sine wave components and plots the frequency of these 

waves against  the amplitude of  the wave power  to represent  the electrogram  in  the 

frequency domain. The frequency value demonstrating peak power in this spectrum is 

termed  the  dominant  frequency  (DF).  A  strong  correlation  has  been  shown 

experimentally between DF  and  atrial  rotor  frequency observed by optical mapping 

(Sarmast et al. 2003). Sites demonstrating high DF have been proposed as “drivers” of 

atrial  fibrillation  (Jalife  et  al.  1998;  Berenfeld  et  al.  2000;  Sanders  et  al.  2005a). 

Evidence  for organisation of atrial  fibrillation  from optical mapping  in animal studies 

has  used  spectral  analysis  to  demonstrate  repetitive  high  frequency  activity  with 

temporal and spatial periodicity during atrial fibrillation (Skanes et al. 1998; Kalifa et al. 

2006). Similar findings by alternative, lower‐resolution techniques have been reported 

in humans  (Wu et al. 2002;  Lazar et  al. 2004;  Sahadevan et al. 2004;  Sanders et  al. 

2005a). Higher DF has been  reported  in  the  left atrium of patients with paroxysmal 

atrial fibrillation (Lazar et al. 2004; Lin et al. 2006). Furthermore, the maximal DF has 

been reported  in the pulmonary veins  in patients with paroxysmal but not persistent 

atrial fibrillation (Sanders et al. 2006). Persistent atrial fibrillation has a less conclusive 

pattern of DF distribution. Although some publications have shown a higher mean DF 

in the left atria, particularly around the pulmonary veins (Wu et al. 2002), others have 

shown  that  this distinction disappears  for  longstanding atrial  fibrillation where other 

  34

sites are observed to predominate (Lazar et al. 2004; Atienza et al. 2006; Sanders et al. 

2006; Stiles et al. online early). Isolation of the pulmonary veins abolishes this left‐to‐

right  gradient  in  paroxysmal  atrial  fibrillation  and,  for  the  subset  of  patients  with 

persistent  atrial  fibrillation  in  whom  a  left‐to‐right  gradient  exists,  success  of 

pulmonary  vein  isolation  alone  exceeds  that  of  persistent  atrial  fibrillation without 

such gradient (Lazar et al. 2006). Retrospective analysis of ablation of paroxysmal atrial 

fibrillation  shows  that  atrial  fibrillation  cycle  length  prolongation  and  eventual 

termination occurs at sites of high DF (Sanders et al. 2005a). This has not been shown 

for persistent atrial  fibrillation where DF  is distributed more evenly throughout atrial 

regions, prompting  a more  aggressive multi‐region  approach  to be  advocated when 

ablating  longstanding  persistent  atrial  fibrillation  (Haïssaguerre  et  al.  2005a).  The 

precise  role  of  DF  analysis  to  guide  ablation  clinically,  like  that  of  CFAE  and 

ganglionated plexi, is yet to be established. 

 

1.3.6 The Neural Basis of Atrial Fibrillation 

An additional dimension to the substrate of atrial fibrillation is that of the influence of 

the autonomic nervous system. It has long been observed that electrical stimulation of 

the autonomic nerves to the heart could  induce atrial  fibrillation  (Lewis et al. 1921a; 

Hoff and Geddes 1955). Atrial  fibrillation has been proposed to be a consequence of 

disordered autonomic tone (Coumel 1994). Neural influences on the atria mediated via 

the autonomic ganglia found in the epicardial fat pads have been hypothesised to play 

an  important  role  in  converting ectopic activity  into atrial  fibrillation  (Scherlag et al. 

2005a). This  is based on  the  findings  that during  stimulation of  canine atrial ganglia 

  35

fewer  ectopic  beats were  required  to  initiate  atrial  fibrillation  and,  conversely,  that 

blockade of neural elements by  lignocaine  inhibits  inducibility  to atrial  fibrillation by 

ectopic beats. Applying this knowledge clinically, Scherlag et al. (2005b) added ablation 

of  the  left  atrial  ganglionated plexi  to  the usual  strategy of pulmonary  vein  antrum 

isolation  in  33  of  60  patients with  paroxysmal or  persistent  atrial  fibrillation.  Those 

receiving  atrial  denervation  had  less  recurrence  of  atrial  fibrillation  at  short‐term 

follow up  (median 5 months). Techniques by which  to  identify ganglionated plexi  for 

subsequent  ablation  have  since  been  published.  Using  high‐frequency  electrical 

stimulation, an autonomic ganglion  is  identified by profound ventricular rate slowing 

and subsequent ablation of the same area renders the stimulation response negative 

on re‐testing (Lemery et al. 2006). Pappone et al. (2004) have published a 99% success 

rate  at  12  months  follow  up  for  patients  who  demonstrated  complete  vagal 

denervation  at  their  ablation  procedure.  Additionally,  failure  to  achieve  vagal 

denervation was predictive for recurrence of atrial fibrillation. Takahashi et al. (2006) 

characterised  the  change  in  atrial  fibrillation  cycle  length  occurring  with  vagally‐

mediated atrioventricular block during pulmonary vein  isolation and  found a greater 

decrease  in  the  cycle  length  of  pulmonary  vein  activity  than  in  the  coronary  sinus, 

suggesting  that  vagal  excitation  enhances  the  driving  role  of  pulmonary  veins. 

Recently, animal data  linking the action of ganglionated plexi to complex fractionated 

electrograms  (Lin  et  al.  2007)  and  frequency  gradient  (Lu  et  al.  2008)  have  been 

published. Convincing outcome data on the use of this technique to assist ablation  is 

yet to be published, but this remains a promising area of research. 

  36

1.3.7 Substrate Associated with Atrial Flutter 

Experimental models of atrial  flutter have shown abnormal electrical substrate  to be 

present. Morton et  al.  (2002) demonstrated  in  a  sheep model  that prolonged  atrial 

flutter resulted in abrupt‐onset reduction in refractoriness and slower‐onset reduction 

in conduction velocity. Much work on atrial  flutter has been performed  in the sterile 

pericarditis dog model which has been shown to dependably produce atrial flutter in a 

time course similar  to  the post‐bypass arrhythmias seen clinically. The  inducibility of 

atrial  flutter  in  this model  is  independent of differences  in  ERP,  conduction  time or 

threshold  (Page et al. 1986). More  recently,  the  role of  inflammation  in atrial  flutter 

has been highlighted in a study in which the usually reliable induction of atrial flutter in 

this model was  abolished by pre‐treatment with prednisone  (Goldstein et  al. 2008). 

Interestingly,  this  observation  of  no  atrial  flutter with  steroid was  accompanied  by 

lower  ERP  compared  to  the 11 untreated pericarditis dogs,  strongly  suggesting  that 

this  aspect  of  electrical  remodelling  is  neither  integral  to  the  initiation  nor 

maintenance of  atrial  flutter. Histological  and  gross  inspection of  the  atria  revealed 

marked structural changes of  inflammation  in  the untreated group, all of whom  (bar 

one  with  atrial  fibrillation)  developed  atrial  flutter.  Therefore,  suppression  of 

inflammation by corticosteroid is able to prevent subsequent arrhythmia in dogs given 

sterile  pericarditis  which  has  intriguing  implications  for  patients  following  cardiac 

surgery.  Patients  with  chronic  atrial  flutter  have  been  observed  to  have  electrical 

remodelling by way of shortened monophasic action potential durations with impaired 

rate adaptation compared to control patients  (Franz et al. 1997). Sparks et al. (2000) 

studied  patients  with  paroxysmal  atrial  flutter  and  observed  a  reduction  in  ERP 

immediately  after  5‐10  minutes  of  induced  atrial  flutter,  followed  by  a  return  to 

  37

baseline ERP over a period of minutes. In patients with chronic atrial flutter however, 

ERP remained low out to 30 minutes and was seen to recover only when re‐tested at 3 

weeks.  These  patients  also  demonstrated  an  improvement  in  corrected  sinus  node 

recovery time (CSNRT) over the 3 week period suggesting sinus node dysfunction as a 

direct  result of  chronic atrial  flutter. Further evidence  for  remodelling of  sinus node 

function with atrial flutter is reported by Daoud et al. (2002) who studied patients with 

chronic  atrial  flutter  following  ablation  and  observed  impaired  sinus  node  function 

which recovered over a 3 month period. Differences  in the underlying substrate seen 

in atrial  flutter between  young and old have been published, with  younger patients 

tending  toward  slowest  conduction  in  the  lateral  isthmus  while  older  patients 

demonstrate a low voltage zone and slowest conduction in the medial isthmus (Huang 

et al. 2008). The substrate predisposing  to atrial  flutter may differ  from  that seen  in 

atrial  fibrillation  alone.  Patients with  typical  atrial  flutter  in  addition  to  paroxysmal 

atrial  fibrillation have been  shown  to have more  frequent  recurrence of  arrhythmia 

following pulmonary vein cryoisolation with accompanying isthmus line (Moreira et al. 

2007). This suggests non‐pulmonary vein sites are more important to the maintenance 

of  atrial  fibrillation  in  patients  with  co‐existent  atrial  flutter.  This  may  reflect  the 

observation that an increase in the dispersion of refractoriness predicts the inducibility 

of  atrial  fibrillation  in patients undergoing  ablation  for  atrial  flutter  (Ramanna et  al. 

2005). 

 

  38

1.3.8 Typical and Atypical Atrial Flutter 

Electrophysiological studies have shown that the simple ECG definition of an organised 

atrial  rhythm with  a  rate  typically between  250  and  350  beats  per minute  includes 

many atrial tachycardias using a variety of reentry circuits. The reentry circuits often 

occupy large areas of the atrium and are referred to as “macro‐reentrant” (Blomstrom‐

Lundqvist et al. 2003). Most early work on atrial flutter focussed on the more common 

typical anti‐clockwise flutter;  i.e. atrial flutter characterised by negative flutter waves 

in  the  inferior  ECG  leads  and  a  circuit moving  in  an  anti‐clockwise  direction when 

viewed  from  the  left  anterior  oblique  radiographic  view.  This  classic  type  of  atrial 

flutter  is dependent on  the  cavotricuspid  isthmus. Other  forms of atrial  flutter have 

been described,  including  clockwise  flutter  and  true  atypical  flutter. Clockwise  atrial 

flutter uses  the  same circuit with  the  same endocardial barriers as  its anti‐clockwise 

counterpart and is best considered a form of typical atrial flutter (Kalman et al. 1997). 

It  is  amenable  to  the  same  ablation  treatment  as  anti‐clockwise  atrial  flutter;  i.e. 

cavotricuspid  isthmus ablation. Clockwise  isthmus‐dependent atrial  flutter shows  the 

opposite ECG pattern to the anti‐clockwise form – positive flutter waves in the inferior 

leads and wide, negative  flutter waves  in  lead V1,  transitioning  to positive waves  in 

lead V6. Olgin et al.  (1997)  showed  that even  in patients with  clinical anti‐clockwise 

atrial  flutter,  clockwise  atrial  flutter  is  frequently  induced  before  ablation  and  is 

dependent on the site of induction; pacing from the smooth right atrium induces anti‐

clockwise  atrial  flutter, whereas  pacing  from  the  trabeculated  right  atrium  induces 

clockwise atrial flutter. Atrial flutter caused by macro‐reentry circuits that do not use 

the  cavotricuspid  isthmus  are  less  common. Most  are  related  to  an  atrial  scar  that 

creates conduction block and a central obstacle  for  reentry  (Blomstrom‐Lundqvist et 

  39

al. 2003). Prior cardiac surgery involving the atrium (such as repair of congenital heart 

disease,  mitral  valve  surgery  or  the  atrial  maze  procedure)  is  a  common  cause 

(Nakagawa et al. 2001; Triedman et al. 2001), as  is  (more  latterly) ablation  for atrial 

fibrillation. True atypical atrial flutters usually show heterogeneous ECG morphologies, 

shorter cycle  lengths  than  typical atrial  flutter, and  frequent  transitions  from and  to 

atrial  fibrillation  (Kalman  et  al.  1997).  Ablation  of  these  macro‐reentrant  loops  is 

particularly challenging as each circuit is unique to each patient. Furthermore, patients 

with substantial atrial scarring may not demonstrate the ECG features of typical flutter 

when  cavotricuspid  isthmus‐dependent  flutter  is  indeed  present,  and  conversely  an 

atypical flutter circuit may manifest on the surface ECG as common‐type atrial flutter 

(Chugh et al. 2006). 

 

1.4 Inter‐relationships between Atrial Flutter and Atrial Fibrillation 

Atrial  flutter  has  a  close  inter‐relationship  with  atrial  fibrillation;  the  two  rhythms 

frequently  co‐exist  (Halligan  et  al.  2004)  and  share many  of  the  same  aetiological 

factors  (Vidaillet  et  al.  2002).  The  inter‐relationship  is  further  distorted,  in  that  for 

some  epidemiological  reports  the  two  conditions  are  reported  together  (Australian 

Institute of Health and Welfare 2008). The substrate of atrial fibrillation however has 

been more extensively  investigated than that of atrial  flutter and whether these two 

arrhythmias share this substrate is unknown. 

 

  40

1.4.1 Atrial Flutter begets Atrial Fibrillation 

The  incidence of atrial  fibrillation episodes prior  to atrial  flutter ablation  is, perhaps 

not  surprisingly,  a  strong  predictor  for  the  occurrence  of  atrial  fibrillation  after  the 

procedure  (Da Costa et al. 2002; Hsieh et al. 2002; Ramanna et al. 2005). However, 

ablation of atrial  flutter has been observed  to  significantly  reduce  the occurrence of 

atrial  fibrillation  at  496±335  days  post‐ablation  from  55%  to  33%  (Schmieder  et  al. 

2003). Despite this reduction a significant proportion, perhaps even the majority with 

long‐term follow‐up, eventually develop atrial fibrillation (Chinitz et al. 2007; Meissner 

et al. 2007; Moreira et al. 2008). Paydak et al. (1998) reported that 20±9 months after 

atrial  flutter  ablation,  25%  of  patients  have  atrial  fibrillation;  Hsieh  et  al.  (2002) 

published a  series of 333 patients  in which 31% of patients had occurrence of atrial 

fibrillation  at  29±17 months  follow  up;  and  Ellis  et  al.  (2007)  described  new  atrial 

fibrillation in 82% at 39±11 months follow up. Independent factors predictive of atrial 

fibrillation  within  6 months  following  ablation  for  atrial  flutter  are  left  ventricular 

ejection  fraction  and,  for  those  without  prior  atrial  fibrillation,  degree  of  mitral 

regurgitation  (Paydak et al. 1998; Da Costa et al. 2002). Yang et al.  (2003)  reported 

mechanisms of transition from flutter to fibrillation observed  in the  laboratory during 

atrial  flutter  ablation  procedures  as  lower  or  upper  loop  reentry,  and  focal  ectopic 

activity  (including  pulmonary  vein  discharge).  After  4  weeks  of  experimental  atrial 

flutter,  conversion  to  atrial  fibrillation  has  been  demonstrated  to  be  dependent  on 

critically  timed  extra‐stimuli,  as  demonstrated  by Morton  et  al.  (2002)  in  a  sheep 

model.  It  is  being  increasingly  recognised  that macro‐reentry may  be  a  significant 

contributor  to  the  maintenance  of  long‐standing  persistent  atrial  fibrillation 

(Haïssaguerre et al. 2005b). Indeed, ablation of conduction gaps in the crista terminalis 

  41

can  result  in  atrial  fibrillation  organising  to  atrial  flutter  (Liu  et  al.  2002).  In  the 

subgroup of patients with atrial  fibrillation  in whom  the administration of a class 1C 

anti‐arrhythmic  agent  converts  them  to  atrial  flutter,  it  has  been  shown  that  atrial 

flutter ablation, together with continuation of the drug, results  in satisfactory control 

of both arrhythmias (Schumacher et al. 1999). 

 

1.4.2 Atrial Fibrillation begets Atrial Flutter 

Key  to  the  understanding  of  the  close  inter‐relationship  of  atrial  flutter  and  atrial 

fibrillation  is  the  recognition  that  typical  atrial  flutter  almost  always  develops  from 

antecedent atrial fibrillation of variable duration. The classic model of reentry seen  in 

clinical practice is that of atrioventricular reentry tachycardia. In this reentry circuit, a 

critically timed extra‐stimulus encounters block in one limb of the circuit which is then 

able to subsequently conduct in the opposite direction, thereby setting up a circuit. In 

atrial  flutter  this  pre‐existing  circuit  may  not  exist,  therefore  more  than  a  simple 

ectopic is required for its initiation. The line of functional inter‐caval block needs to be 

created by a burst of rapid atrial rhythm for stable atrial flutter to ensue (Shimizu et al. 

1991). Some patients have a fixed inter‐caval line of block and others have been shown 

to have at  least  some degree of  functional block  (Olgin et al. 1995),  therefore atrial 

flutter may develop without preceding atrial fibrillation only in those with fixed block. 

Waldo  and  Cooper  (1996)  observed  triggers  in  post‐bypass  patients  that  led  to 

transitional atrial  fibrillation and  then atrial  flutter. Roithinger et al.  (1997) observed 

regular right atrial activation during atrial fibrillation which slowed and organised into 

atrial flutter. If the pre‐requisite  inter‐caval functional block  is not achieved however, 

  42

either the atrial fibrillation will spontaneously revert to sinus rhythm or it will persist as 

fibrillation rather than become atrial flutter. In short, there is no atrial flutter if the line 

of functional block between the venae cavae does not form. It would therefore seem 

that atrial fibrillation of variable duration (very brief to prolonged episodes) precedes 

the onset of atrial flutter. The best evidence of this association is perhaps the study by 

Ortiz  et  al.  (1994)  in  the  sterile  pericarditis model  on  the  association  between  the 

length  of  inter‐caval  block  and  atrial  rhythm.  During  all  episodes  of  stable  pacing‐

induced  atrial  flutter,  a  line  of  functional  block with  a mean  length  of  24mm was 

localised  on  the  right  atrial  free wall. When  the  previously  stable  line  of  functional 

block decreased to a mean of 16mm the line of functional block was not long enough 

to maintain  stable  atrial  flutter  and  conversion  to  atrial  fibrillation  resulted. When 

sustained atrial fibrillation evolved to stable atrial flutter, there was reformation of a 

long line of functional block, long enough (≥ prior length) to create a stable reentrant 

circuit.  Thus,  the  atrial  rhythm  was  shown  to  depend  directly  on  the  length  of 

functional block between the inferior and superior venae cavae. Testing the hypothesis 

that atrial fibrillation facilitates development of the line of functional conduction block 

along  the  crista  terminalis  required  to  sustain  atrial  flutter,  the  effect  of  trigger 

elimination  by  performing  pulmonary  vein  isolation  without  cavotricuspid  isthmus 

ablation was studied by Wazni et al. (2003). In 59 patients with both atrial fibrillation 

and  atrial  flutter,  32  of  these  patients  developed  episodes  of  atrial  flutter  acutely. 

However, only 3 had sustained atrial flutter after 8 weeks suggesting that, without the 

antecedent atrial  fibrillation, atrial  flutter was unable  to be  initiated. This concept of 

treating  fibrillation  to  cure  flutter  still  requires  further  evaluation  before  becoming 

mainstream  therapy. Thus,  it can be  seen  that atrial  flutter and atrial  fibrillation are 

  43

closely  inter‐related  and  that  the  features previously  shown  in  the underlying  atrial 

substrate of atrial fibrillation are likely to be also present in atrial flutter, even in those 

in whom no clinical history of atrial fibrillation is noted. Critical to our management of 

patients  with  both  atrial  flutter  and  atrial  fibrillation  is  an  understanding  of  the 

interactions and shared characteristics of these rhythms. 

 

1.5 Rate‐related Remodelling 

1.5.1 Electrical Remodelling 

Wijffels et al. (1995) observed that in normal goats,  induction of atrial fibrillation was 

relatively  difficult  and  lasted  for  just  a  few  seconds.  With  repetitive  induction  of 

arrhythmia however, the cycle  length of the atrial fibrillation shortened and episodes 

became  sustained.  This  led  to  the  notion  that  “atrial  fibrillation  begets  atrial 

fibrillation”  by means  of  shortening  in  atrial  ERP  after  periods  of  atrial  fibrillation. 

Further experimental studies have confirmed this finding  in dogs (Morillo et al. 1995; 

Elvan  et  al.  1996;  Goette  et  al.  1996)  with  the  additional  observations  that  atrial 

fibrillation caused an increase in the heterogeneity of refractoriness (Fareh et al. 1998) 

and maladaption of refractoriness to rate (Lee et al. 1999). While initial studies did not 

observe conduction abnormalities,  subsequent canine  studies by Gaspo et al.  (1997) 

demonstrated  that progressively  longer episodes of atrial  fibrillation also  resulted  in 

conduction slowing. Attenuation of conduction velocity was maximal at 6 weeks, and 

lagged  behind  that  of maximum  reduction  in  ERP  at  7  days,  suggesting  that  these 

abnormalities  are  mediated  by  different  mechanisms.  Morton  et  al.  (2002) 

demonstrated  a  reduction  in  atrial  refractoriness  in  a  sheep model with  sustained 

  44

atrial  flutter.  Again  a  reduction  in  conduction  velocity was  seen  to  develop  over  a 

slower time course. Thus, the mechanism by which electrical remodelling of the atria 

lends  toward  the perpetuation of arrhythmia  in  response  to atrial  fibrillation  is by a 

shortening of the reentrant “wavelength”. Human studies of patients with recent atrial 

arrhythmia have also been shown to have shorter ERP than control groups, as well as 

conduction delay and sinus node dysfunction (Cosio et al. 1983; Kumagai et al. 1991). 

Yu  et  al.  (1999)  demonstrated  shorter  ERP  with  impaired  rate  adaptation  and 

depressed conduction  following cardioversion  for  longstanding atrial  fibrillation, with 

the  ERP  gradually  increasing  after  4  days  of  sinus  rhythm.  Garratt  et  al.  (1999) 

evaluated  the  effect  of  repeated  episodes  of  atrial  fibrillation  on  atrial  electrical 

remodelling.  While  marked  remodelling  was  observed  with  five  days  of  atrial 

fibrillation,  two  days  of  sinus  rhythm  was  adequate  to  reverse  all  abnormalities. 

Despite  repetitive  episodes  of  atrial  fibrillation,  there  were  no  additive  changes 

observed in atrial electrical remodelling. Sparks et al. (2000) documented the changes 

in atrial ERP following ablation for chronic atrial flutter and observed a recovery in ERP 

over a 3 week period. In the same study, 10 minutes of induced atrial flutter in a group 

of patients presenting  in sinus  rhythm  for  their  flutter ablation  reduced ERP but  this 

recovered within  15 minutes.  To  investigate  the  possibility  that  early  and  repeated 

cardioversion  of  atrial  fibrillation  could  avoid  the  cycle  of  adverse  electrical 

remodelling, Fynn et al. (2002) evaluated this strategy in the clinical setting. Despite an 

aggressive  protocol  to  achieve  and  maintain  sinus  rhythm,  frequent  cardioversion 

failed to prevent the progression to more atrial fibrillation. This occurred despite a well 

documented increase in atrial ERP at successive cardioversions indicating that reversal 

of electrical remodelling was in fact taking place. Indeed, their findings suggest that in 

  45

patients with a history of atrial fibrillation, sinus rhythm does not beget sinus rhythm. 

In addition to the effects on ERP and conduction, several  investigators have observed 

remodelling of the sinus node that develops soon after the initiation of arrhythmia and 

reverses after restoration of sinus rhythm. Kumagai et al. (1991) reported significantly 

longer sino‐atrial conduction time (SACT) and CSNRT in patients recently cardioverted 

from  chronic  lone  atrial  fibrillation  compared  to  controls.  Elvan  et  al.  (1996) 

demonstrated  in dogs  that atrial  fibrillation was  responsible  for  impaired  sinus node 

function which partially reversed when sinus rhythm was restored. Other investigators 

have confirmed the prolongation of CSNRT in patients following cardioversion for atrial 

fibrillation compared to control patients (Tse et al. 1999) and furthermore this finding 

may be associated with a trend to recurrence of atrial fibrillation (Manios et al. 2001). 

This  phenomenon  of  sinus  node  remodelling  does  not  appear  unique  to  atrial 

fibrillation  but  has  also  been  demonstrated  with  atrial  flutter  (Sparks  et  al.  2000; 

Daoud  et  al.  2002).  Hocini  et  al.  (2003)  demonstrated  in  20  patients  with  a 

documented >3 second pause post‐termination of atrial fibrillation that isolation of the 

pulmonary veins and  linear atrial ablation  improved sinus node function as measured 

by  ambulatory  heart  rate  parameters  and  CSNRT  at  2  years.  19  of  these  patients 

avoided  the  implantation  of  a  pacemaker,  including  1  with  ongoing  infrequent 

episodes of atrial fibrillation. 

 

1.5.2 Structural Remodelling 

While the above electrical changes observed due to atrial arrhythmia are a relatively 

recent  finding,  Davies  and  Pomerance  (1972)  were  the  first  to  suggest  structural 

  46

change due to atrial fibrillation  itself. After post‐mortem examination of 100 patients 

with  atrial  fibrillation,  they described  loss of  atrial myocardium  in  the  region of  the 

sinus node  and nodal artery  stenosis  in patients with  long‐term atrial  fibrillation, as 

compared to the  lack of such features  in patients  in whom arrhythmia had only been 

present within  the  last 2 weeks of  their  life. Additional data  from  tissue of patients 

taken  at  cardiac  bypass  operations  reported  degenerative  changes  in  the  atria  of 

patients with arrhythmias (Mary‐Rabine et al. 1983). Further characterisation of atrial 

tissue  from  patients  undergoing  cardiac  surgery  has  revealed  apoptotic  death  of 

myocytes  in  those  with  atrial  fibrillation,  suggesting  some  degree  of  irreversible 

remodelling  (Aimé‐Sempé et al. 1999). Other changes at  the cellular  level have been 

observed  in  the distribution of  connexin  sub‐types  in patients with  atrial  fibrillation 

(Kostin et al. 2002).  In patients with sinus rhythm, gap  junction proteins are  localised 

to  the  intercalated  discs,  whereas  in  patients  with  atrial  fibrillation  there  is 

lateralisation  of  these  proteins  and  a  preferential  expression  of  connexin  40  over 

connexin 43. Ausma et al.  (2003) have observed  that ultrastructural  changes evolve 

over a much longer time frame than the electrical remodelling of the atria in response 

to  rate, and alterations  in ultrastructure are not  completely  resolved as  late as  four 

months  after  return  to  sinus  rhythm  from  prolonged  atrial  fibrillation.  These  slowly 

resolving  alterations  have  been  characterised  as  an  increase  in  myolysis  and  the 

fraction of extracellular matrix per myocyte, as well as changes  in  the expression of 

structural  proteins.  It  is  these  structural  changes  associated  with  atrial  fibrillation 

occurring  over  a  slower  time‐course  than  that  of  electrical  remodelling which  have 

been  proposed  as  the  critical  factors  in  the  “domestication”  of  atrial  fibrillation 

(Allessie et al. 2002). 

  47

1.6 Atrial Substrate in Conditions Associated with Atrial Arrhythmia 

As discussed in Sections 1.1.2 and 1.1.4, several clinical conditions have been shown to 

have an association with atrial fibrillation and atrial flutter. Study of the atrial substrate 

in  conditions  predisposing  to  atrial  arrhythmia  may  give  insights  into  the  factors 

promoting rhythm disturbance. 

 

1.6.1 Heart Failure 

In patients with symptomatic heart  failure,  the prevalence of atrial  fibrillation  ranges 

from 10 to 30 percent, with the highest  incidence among those with the most severe 

heart  failure  (Stevenson  and  Stevenson  1999).  The  electrophysiological  substrate  of 

the atria present  in heart  failure has been  studied extensively. Boyden et al.  (1984) 

demonstrated  large  amounts  of  interstitial  fibrosis,  cellular  hypertrophy  and 

degeneration, and  thickened basement membranes  in  the atria of a  feline model of 

cardiomyopathy.  Power  et  al.  (1998)  showed  in  a  ventricular  pacing‐induced  sheep 

model  of  heart  failure,  that  larger  left  atria were  increasingly  susceptible  to  atrial 

fibrillation. Li et al. (1999) published findings from a canine model of heart failure that 

showed  an  increase  in  the  heterogeneity  of  conduction  associated with  histological 

changes  of  marked  interstitial  fibrosis,  and  furthermore  that  these  changes  are 

mediated via significant alterations in cellular electrophysiology (Li et al. 2000). Clinical 

studies  of  heart  failure  have  demonstrated  that  electrophysiological  and  structural 

remodelling is present even in a cohort without known atrial fibrillation (Sanders et al. 

2003). Studies of the right atrium showed that voltage reduction and areas of electrical 

silence were more apparent  in  the heart  failure group when  compared  to a  control 

  48

group, and  that atrial  refractoriness was  increased  in  the diseased atria. Conduction 

delay  was  recorded  not  only  in  global  measures  and  regional  analysis,  but  also 

specifically  at  the  crista  terminalis  in  the  heart  failure  group  who  were  more 

susceptible to atrial fibrillation. 

 

1.6.2 Atrial Septal Defects 

Patients with haemodynamically‐significant atrial  septal defects are  characterised by 

chronic  right  atrial  volume  overload  and  are  at  increased  risk  of  atrial  arrhythmia; 

furthermore  this  risk persists despite  correction of  the underlying anatomical defect 

(Murphy et al. 1990). Morton et al.  (2003),  in  studying 13 patients with atrial  septal 

defects, demonstrated  an  increase  in  right  atrial  refractoriness,  conduction delay  at 

the  crista  terminalis  and  sinus  node  dysfunction  compared  to  a  control  group. 

Importantly, re‐study  in 4 of  these patients at >6 months  following correction of  the 

defect  showed  that  site‐specific  conduction  delay  persisted  while  there  was  no 

significant  change  in  the  electrical  parameters,  perhaps  explaining  why  risk  of 

arrhythmia has been shown to persist. 

 

1.6.3 Hypertension 

Hypertension is the most common contributor to the burden of atrial fibrillation in the 

developed world, simply due  to  its high prevalence  in Western society  (Kannel et al. 

1982a).  Increases  in  left  atrial  dimension  and  left  ventricular  mass  as  well  as 

prolongation of the maximum duration and dispersion of the P wave, and reduced A‐

wave  velocity  are  predictors  for  the  onset  of  atrial  fibrillation  in  the  hypertensive 

  49

population (Ciaroni et al. 2000). Kistler et al. (2006) demonstrated in an ovine model of 

hypertension  that  widespread  conduction  abnormalities  and  shortening  of  atrial 

wavelength were present when compared to controls. The increase in atrial fibrillation 

that  they  observed  occurred  despite  no  significant  change  in  refractoriness.  Atrial 

myocyte  hypertrophy  and myolysis  were  seen  in  all  hypertensive  sheep  and  focal 

scarring  in many. Mitochondrial  and  nuclear  enlargement was  seen  under  electron 

microscopy in hypertensive sheep but not in any controls. 

 

1.6.4 Valvular Heart Disease 

Mitral  regurgitation  is  associated  both  with  atrial  fibrillation  and  congestive  heart 

failure;  furthermore  onset  of  arrhythmia  often  heralds  haemodynamic 

decompensation  (Grigioni  et  al.  2002). Animal models  of mitral  incompetence  have 

shown  that while  conduction  is  unchanged  after  chronic  atrial  volume  overload,  a 

uniform  increase  in  atrial  refractoriness  is  observed  suggesting  that  electrical 

remodelling  is not  the means by which atrial  fibrillation  is  inclined  to develop  in  this 

disease  (Verheule  et  al.  2003).  Similarly,  mitral  stenosis  predisposes  to  atrial 

fibrillation. Boyden et al. (1982) studied 23 dogs with spontaneous mitral valve fibrosis 

and  left  atrial  enlargement.  Although  these  animals  demonstrated  no  difference  in 

action potential duration it was noted that there were reduced numbers of muscle cell 

layers  and  an  unusually  large  amount  of  connective  tissue  between  greatly 

hypertrophied cells. Atrial fibrillation is a disease with which rheumatic mitral stenosis 

is not only frequently associated, but is in fact a potentially disastrous complication of, 

leading to a 17‐fold increase in the risk of thromboembolism (Wolf et al. 1978). Fan et 

  50

al. (2002) performed electrophysiological evaluation of the right atrium in 31 patients 

at  the  time  of  mitral  commissurotomy  for  rheumatic  mitral  stenosis.  Following 

cardioversion of atrial fibrillation, these patients demonstrated shorter ERP, sinus node 

dysfunction  and no difference  in  atrial  conduction  compared  to  those patients who 

presented for the procedure  in sinus rhythm. Soylu et al. (2004) evaluated right atrial 

ERP  before  and  after mitral  commissurotomy  in  25  patients with mitral  stenosis  in 

sinus rhythm. This study observed an acute increase in ERP immediately after relief of 

mitral stenosis. However, neither of these studies  included a normal control group to 

determine the effects of mitral stenosis  independent of the effects of the arrhythmia 

itself or provided  left atrial data. Recently, John et al. (online early) have described in 

detail the electrophysiological substrate of both the right and left atria of a group with 

severe  mitral  stenosis  undergoing  mitral  valvuloplasty.  This  study  demonstrated 

widespread and severe atrial remodelling when compared to a control group with left 

sided  accessory  pathways,  despite  not  having  previously  had  atrial  fibrillation.  This 

suggests  that  it was  the  structural  remodelling,  in  this case characterised by voltage 

reduction,  conduction  slowing  and  sinus  node  dysfunction,  which  predisposed  this 

group to their  increased susceptibility to atrial  fibrillation during ERP testing.  Indeed, 

the ERP testing revealed an increase in atrial refractoriness which runs counter to the 

electrical remodelling seen following episodes of atrial fibrillation (Wijffels et al. 1995) 

and is more in keeping with the “atrial remodelling of a different sort” first reported by 

Li et al. (1999) in another condition predisposed to atrial fibrillation. 

  51

1.6.5 Sub‐clinical Atrial Disease in Lone Atrial Fibrillation 

Frustaci  et  al.  (1997)  reported  abnormal  atrial  histology  including  inflammatory 

infiltrates and patchy fibrosis  in all of 12 patients studied with paroxysmal  lone atrial 

fibrillation, and  in none of 11 control patients. Excess fibrosis has been characterised 

as an increased concentration of collagen type I in patients with lone atrial fibrillation 

compared to controls and this  increase has been observed to be attenuated  in those 

patients receiving angiotensin converting enzyme inhibitors (Boldt et al. 2006). Further 

evidence  that  inflammation  plays  a  role  in  atrial  fibrillation  comes  from  the 

observation  that C‐reactive protein  is elevated  in patients with  lone atrial  fibrillation 

(Chung  et  al.  2001).  Diastolic  dysfunction  diagnosed  by  transeptal  haemodynamic 

evaluation  of  left  atria  has  been  demonstrated  to  be  present  in  patients with  lone 

atrial fibrillation (Jaïs et al. 2000).  In addition, there  is some evidence to suggest that 

patients with  lone  atrial  fibrillation  have microvascular  dysfunction  in  the  coronary 

circulation  (Skalidis  et  al.  2008).  Thus,  it  is  feasible  that  patients  without  overt 

structural  heart  disease  may  have  fibrosis,  inflammation,  structural  change  and 

vascular  dysfunction  that  contribute  to  the  underlying  atrial  substrate.  In  addition, 

when considering the atrial substrate encountered in diseases known to be associated 

with the subsequent development of atrial arrhythmia some unifying features can be 

seen to emerge. Atrial refractoriness is either unchanged or increased, while structural 

abnormalities,  conduction  delay  and  sinus  node  dysfunction  become  increasingly 

apparent. Cellular and ultrastructural alteration underpins these gross and  functional 

changes and the end result of such abnormal substrate is an increase in the likelihood 

of initiation and maintenance of atrial arrhythmia. 

  52

1.7 Sinus Node Disease, Remodelling and Atrial Arrhythmias 

“The sinus node  is the essence of  life” – Bruno Kisch, co‐founder and president of the 

American College of Cardiology, 1951‐1953. 

Remodelling  of  the  sinus  node  is  known  to  develop  soon  after  the  initiation  of 

arrhythmia  and  reverse  after  restoration  of  sinus  rhythm  (see  Section  1.5.1). 

Irrespective of  the mechanism by which  sinus node  remodelling occurs due  to  rapid 

atrial rates, an increase in the time window due to sinus bradycardia can facilitate the 

development  of  atrial  fibrillation  by  increasing  atrial  ectopy  and  the  dispersion  of 

refractoriness  (Luck  and  Engel  1979).  Therefore,  the  frequent  co‐existence  of  atrial 

arrhythmia  and  sinus  node  disease  may  be  due  to  a  slow  sinus  rate  increasing 

vulnerability  to  atrial  fibrillation,  a  common  disease  substrate,  and/or  arrhythmia 

directly impairing sinus node function; all 3 possibilities have evidence to support them 

(Rubenstein et al. 1972; Moss and Davis 1974; Gomes et al. 1981). 

 

1.7.1 The Anatomical Sinus Node 

The anatomical sinus node is located at the junction of the superior vena cava with the 

right atrium (James 1977; Anderson et al. 1979). The sinus node consists of specialised 

nodal  cells  lying  immediately  sub‐epicardially  at  the  superior  pole  of  the  sulcus 

terminalis  of  the  right  atrium  which,  under  autonomic  influence,  spontaneously 

depolarise  at  a  variable  rate  to  match  heart  rate  to  physiological  demand.  The 

endocardial  aspect  of  the  sulcus  terminalis  is marked  by  the  crista  terminalis;  the 

structure demarcating the embryonic junction of the anterior trabeculated appendage 

and the posterior smooth‐walled venous component. In a study of 47 adult hearts, the 

  53

histological  sinus  node  has  been  shown  to  be  crescent‐shaped  with  the  long  axis 

parallel  to  the crista  terminalis and has a mean  length of 13.5mm  (range 8‐21.5mm) 

(Sanchez‐Quintana  et  al.  2005).  Histological  sectioning  of  the  atria  by  a  range  of 

investigators has failed to  identify  islands of nodal cells separate from the sinus node 

itself.  Indeed, all  such  studies have demonstrated  that  the  sinus node has a defined 

and consistent anatomical  location (James 1977; Anderson et al. 1979; Boineau et al. 

1980;  Sanchez‐Quintana  et  al.  2005).  No  insulating  tract  is  seen  and  nodal  tissue 

radiates for short distances  into the surrounding working myocardium. In comparison 

to contractile cardiac myocytes, nodal cells are smaller cells that are packed within a 

dense matrix of connective tissue. The lack of intercalated discs and poorly developed 

sarcoplasmic  reticulum are proposed  reasons  for slow  intra‐nodal conduction  (James 

et  al.  1966).  Recent  immunohistochemical  studies  on  the  sinus  node  have  revealed 

regional  differences  in  connexin  expression.  Kwong  et  al.  (1998)  showed  that  the 

canine  sinus  node  was  composed  of  mainly  connexin  43‐negative  cells,  with  the 

majority  expressing  connexin  40.  The  one‐third  of  cells  expressing  connexin  43 

however,  abutted working  atrial myocardium  and  it  is hypothesised  that  these  cells 

form bridges for the propagation of the action potential from the centre of the sinus 

node to the atrial muscle. 

 

1.7.2 The Functional Sinus Node Complex 

Shifts  in  the  origin  of  the  sinus  node  impulse  along  the  sulcus  terminalis  under 

autonomic  influences were  first  observed  by  Lewis  et  al.  (1910)  and  by Meek  and 

Eyster  (1914)  early  last  century.  The  advent  of medium‐density  epicardial mapping 

  54

using  multi‐polar  epicardial  plaques  confirmed  the  initial  observations,  with  the 

functional  sinus  node  demonstrating  complex  activity  under  autonomic  control 

(Bouman et  al. 1968; Geesbreght  and Randall 1971; Goldberg 1975; Goldberg et  al. 

1981). Boineau  and  colleagues  (1978; 1980) performed medium‐density mapping of 

the  right  atrial  epicardium  with  simultaneous  endocardial  mapping  in  a  subset, 

together  with  some  histological  analysis,  under  conditions  of  sympathetic  and 

parasympathetic  stimulation and  following overdrive pacing. They observed  that  the 

sinus  P wave may  arise  from  a  ‘pacemaker  complex’,  distributed  over  an  extensive 

extra‐nodal area spanning the superior vena cava ‐ right atrial junction to the  inferior 

vena cava. These studies of the canine functional sinus node complex have  identified 

that  the  area of  the origin of  cardiac depolarisation exceeds  that of  the  anatomical 

sinus node area by 3 to 4‐fold. A strong correlation between heart rate and functional 

sinus origin was observed with vagal stimulation and isoprenaline infusion resulting in 

inferior  and  supero‐anterior  shifts,  respectively.  This  study  reported  several  seminal 

observations;  (i) at  least  three anatomically  fixed  (in contrast  to diffusely wandering) 

areas  of  sinus  node  origin were  present,  each  of which  became  dominant within  a 

specific  range  of  heart  rates,  (ii)  after  intramural  disconnection  of  the  origins  they 

maintained their normal function  in their respective heart rate ranges, and (iii) origin 

points  were  mapped  to  the  same  anatomical  location  using  both  epicardial  and 

endocardial mapping, which  suggested  a  lack  of  intramural  preferential  conduction. 

However, in conflict with their proposition was the histological absence of specialised 

nodal cells at the extra‐nodal sinus origins. On the weight of evidence, Boineau et al. 

(1980) concluded that the multi‐centric nature of functional sinus origin was mediated 

through a complex system of separate atrial pacemakers with differential sensitivities 

  55

to  autonomic  control.  Boineau  et  al.  (1988)  extended  their  studies  to  humans  to 

elegantly  describe  the  functional  sinus  node  origin(s)  using  156  bipole  epicardial 

plaques  in  14  patients  undergoing  open‐heart  surgery  for  the  ablation  of  accessory 

pathways. They  reported uni‐focal nodal and extra‐nodal  sinus origins  in addition  to 

multi‐centric origins over two to four widely distributed pacemaker sites. The similarity 

in anatomical origin of escape beats after overdrive pacing compared to that  in sinus 

rhythm supported the role of extra‐nodal sites in healthy sinus function. The functional 

sinus pacemaker complex in humans was estimated to exist over a zone centred about 

the long axis of the sulcus terminalis encompassing a 7.5 by 1.5cm area, with a cranial 

and  caudal border  consisting of  the  superior  and  inferior  venae  cavae,  respectively. 

Alternative hypotheses for extra‐nodal sinus origins proposed by Boineau et al. (1988) 

include;  (i) the existence of specialised conduction tracts  from the anatomically  fixed 

nodal  source  to  remote  exit  sites,  and  (ii)  a  coordinated  exchange  of  dominance 

amongst  competing  pacemakers  via  autonomic  modulation.  For  the  former 

explanation, the presence of nodal radiations into adjacent atrial myocardium through 

electrically  isolating  connective  tissue  supports  this  theory,  however  no  insulated 

rapidly  conducting  tissue  analogous  to  that  found  in  the  ventricles  has  been 

conclusively demonstrated  (Anderson et al. 1981a). Supporting  the  latter hypothesis, 

autonomically mediated  shifts  in  activation  sites  appear  linked  to  changes  in  heart 

rate,  however  the mechanism  by which  a  stable  rate  is maintained without  faster 

pacemakers dominating is yet to be shown. These considerations led to a hybrid model 

being  proposed  where  neural  and  hormonal  factors  influence  both  the  site  of 

pacemaker  activation  and  the  point  of  exit  from  the  sinus  node  (Schuessler  et  al. 

1996).  Additional  canine  right  atrial  studies  have  shown  that  transmembrane 

  56

potentials  from  sinus  node  pacemaker  cells  do  not  show  a  temporal  or  spatial 

relationship with  atrial extracellular potentials  (Bromberg et  al. 1995). This  suggests 

relative  electrical  isolation  of  the  sinus  node  from  surrounding  working  atrial 

myocardium with the earliest extracellular potentials representing the exit points from 

the  node.  Further  evidence  of  a  multi‐centric  and  widely  distributed  functional 

pacemaker  complex  comes  from  clinical  studies  that  have  aimed  to  modify  sinus 

activity  in  patients  with  inappropriate  sinus  tachycardia.  Inappropriate  sinus 

tachycardia is a non‐paroxysmal tachyarrhythmia characterised by an increased resting 

heart rate and/or an exaggerated heart rate response to minimal exertion or a change 

in body posture (Still et al. 2005). In contrast to a single uni‐focal lesion, procedures for 

the treatment of  inappropriate sinus tachycardia require extensive ablation along the 

entire length of the crista terminalis to achieve functional inhibition of the sinus node 

(Kalman et al. 1995; Lee et al. 1995). 

 

1.7.3 Conventional Evaluation of Sinus Node Function 

Conventional  tests of  sinus node  automaticity  and  sino‐atrial  coupling  are based on 

indirect surrogate measures and as such, are thought to contain  limited clinical value 

(Tonkin and Heddle 1984). Sinus node automaticity has traditionally been assessed by 

the duration of the first return cycle after cessation of sinus overdrive pacing (Mandel 

et al. 1971; Narula et al. 1972). The CSNRT adjusts for the preceding sinus cycle length 

before overdrive pacing, however neither the raw measure nor CSNRT provide a pure 

assessment  of  sinus  node  automaticity  and  both  are  confounded  by  extrinsic 

influences. Consequently, there is poor inter‐laboratory agreement for ‘normal’ ranges 

  57

of CSNRT  (Kulbertus  et  al.  1975; Breithardt  et  al.  1977; Alboni  et  al.  1982)  and  the 

positive predictive accuracy in patients with suspected sinus node dysfunction is as low 

as  30%  (Yee  and  Strauss  1987).  Methods  to  evaluate  sino‐atrial  conduction  have 

included  indirect measures  (Strauss  et  al.  1973;  Narula  et  al.  1978)  and  the  direct 

method by the recording of a sinus node electrogram (Hariman et al. 1980). However, 

as  with measures  of  automaticity,  the  positive  predictive  value  of  these  tests  for 

identification of clinical sinus node disease has been too low to warrant routine clinical 

use. Nevertheless, due to their widespread use within the body of  literature on sinus 

node disease, these measures retain a degree of utility for research on the mechanism 

of sinus node dysfunction. 

 

1.7.4 High‐density Mapping of the Sinus Node 

Initial mapping  studies of  the  functional  sinus node  complex utilised multi‐electrode 

plaques  placed  epicardially  or  endocardially  at  surgery  (Boineau  et  al.  1978).  The 

subsequent development of 3‐dimensional endocardial mapping systems has allowed 

less  invasive  assessment  of  sinus  node  activity,  although  high‐density  has  been 

achieved  using  analysis  of many  sequential  beats  rather  than  single‐beat mapping 

(Sanders et al. 2004b). The advent of non‐contact mapping has facilitated high‐density 

simultaneous  endocardial  mapping  of  cardiac  depolarisation.  The  morphology  of 

unipolar  electrograms  provides measurable  information  of  the  depolarisation wave‐

front direction, speed and width of the approaching or retreating wave.  In an animal 

model,  virtual  unipolar  electrograms  from  non‐contact  mapping  were  able  to 

differentiate between endocardial and  sub‐endocardial pacing origins  thus providing 

  58

information  on  the  intramural  depth  of  impulse  origin  (Kroll  et  al.  2003).  The 

morphology  characteristics  of  virtual  electrograms  have  been  shown  to match with 

high  reliability  those  of  conventional  contact  unipolar  electrograms  (Schilling  et  al. 

1998; Kadish et al. 1999; Schilling et al. 2000; Thiagalingam et al. 2004a; Earley et al. 

2006). Higa et al. (2004) have shown insights into the additional information provided 

via  the  utilisation  of  high  density  unipolar mapping  during  atrial  tachycardia.  Non‐

contact mapping showed that in many cases the traditionally mapped origin – the site 

from which centrifugal activation occurs to spread activation to the remaining atria – 

was  indeed  a  break‐out  point.  Detailed  inspection  of  the  unipolar  electrograms 

demonstrated an earlier site of origin (“QS” morphology) with a preferential pathway 

of  conduction  to  the  break‐out  point.  These  investigators were  able  to  confirm  the 

existence  of  an  alternate  origin with  a  preferential  conduction  pathway  by  curative 

ablation of the tachycardia at both the origin and also along the preferential pathway. 

Whether similar pathways exist in the non‐diseased atrium, including within the sinus 

node, is yet to be reported. 

 

1.7.5 Sinus Node Disease 

Sinus node disease is thought to result from disordered impulse generation within the 

sinus  node  or  impaired  conduction  of  the  impulse  to  the  surrounding  atrial  tissue 

(Ferrer 1968). While differentiation between these two potential aetiologies has been 

difficult owing  to  the absence of an appropriate experimental model,  Sanders et al. 

(2004a) have performed point‐by‐point atrial mapping  studies  in patients with  sinus 

node  disease  and  found  evidence  of  a  diffuse  atrial myopathy.  Compared  to  age‐

  59

matched controls, patients with sinus node disease demonstrated an increase in atrial 

refractoriness,  atrial  conduction  time  and  P wave  duration.  Interestingly,  the  sinus 

node  complex  in disease was more often uni‐centric  and  localised  to  the  low  crista 

terminalis with evidence of regional conduction slowing and scar. These data suggest 

that  impulse  conduction  rather  than  impulse  generation  are  responsible  for  the 

manifestations of sinus node disease. 

 

1.7.6 Clinical Conditions Associated with Sinus Node Impairment 

An association with sinus node dysfunction  is seen  for many disease states. This not 

only  includes  the  direct  relationship  between  atrial  arrhythmia  and  sinus  node 

remodelling, but  also  conditions  (e.g. heart  failure)  that demonstrate an  association 

with both atrial arrhythmia and impairment of sinus node function. Elvan et al. (1996) 

demonstrated  significant  prolongation  of  CSNRT  and  the  intrinsic  sinus  cycle  length 

after two to six weeks of atrial fibrillation in dogs. In humans, short durations of rapid 

atrial pacing  resulted  in similar sinus node  inhibition  (Hadian et al. 2002) and CSNRT 

was  significantly  longer  in  patients  cardioverted  from  chronic  lone  atrial  fibrillation 

compared  to  controls  (Kumagai  et  al.  1991;  Tse  et  al.  1999; Manios  et  al.  2001). 

Manios et al. (2001) also reported that sinus node inhibition improved within 24 hours 

after cardioversion. Sinus node dysfunction as measured by traditional parameters has 

been  reported after  reversion  to sinus  rhythm  from atrial  flutter  (Sparks et al. 2000; 

Daoud  et  al.  2002).  A  decrement  in  sinus  node  function  has  been  reported  during 

clinically induced atrial stretch. In a prospective randomised comparison, Sparks et al. 

(1999)  reported  that  long‐term  (3 months)  VVI  pacing  resulted  in  increased  atrial 

  60

refractoriness, a prolongation of P wave duration and  longer CSNRT  in comparison to 

DDD  pacing.  They  further  highlighted  that  the  changes  observed  in  the  VVI  pacing 

group were  reversed with  three months of DDD pacing.  Similar  increases  in P wave 

duration  and  CSNRT  have  been  reported  in  patients  with  atrial  stretch  due  to 

significant  atrial  septal  defects  (Morton  et  al.  2003)  and  congestive  heart  failure 

(Sanders et al. 2004b). For the latter, Sanders et al. reported a more caudal localisation 

of  sinus  origin  and  greater  structural  remodelling  of  the  crista  terminalis  in  heart 

failure patients when compared to age‐matched controls. Structural remodelling was 

represented  by  a  loss  of  voltage,  demonstration  of  conduction  delay  at  the  crista 

terminalis  and  circuitous  propagation  of  the  sinus  impulse.  These  findings  raise  the 

possibility  that  dysfunction  of  the  sinus  node  may  have  been  a  consequence  of 

structural change associated with atrial stretch. 

  61

Chapter 2.                                                                  Right and left atrial electrical substrate of lone atrial fibrillation 

2.1 Introduction 

Atrial  fibrillation arises as a  result of a  complex  interaction of  triggers, perpetuators 

and  substrate  (Allessie  et  al.  2001).  Experimental  studies  of  atrial  fibrillation  have 

demonstrated  shortening of  the  ERP  and  slowing of  conduction  as  a  result of  atrial 

fibrillation and have suggested that these factors combine to promote continuing atrial 

fibrillation, giving  rise  to  the concept  that “atrial  fibrillation begets atrial  fibrillation” 

(Morillo et al. 1995; Wijffels et al. 1995; Goette et al. 1996; Gaspo et al. 1997; Fareh et 

al. 1998). Clinical studies have shown reversal of electrical remodelling over time after 

termination of arrhythmia  (Yu et al. 1999; Hobbs et al. 2000). However, strategies of 

prompt termination of atrial fibrillation to avoid this cycle of adverse remodelling have 

failed  to  show  benefit  (Fynn  et  al.  2002).  In  fact,  the  natural  history  of  paroxysmal 

atrial fibrillation is one of increasing frequency and duration of episodes (Kopecky et al. 

1987). These observations have led to the search for a “second factor” integral to the 

development and progression of atrial fibrillation (Garratt et al. 1999). 

We  hypothesised  that  patients  with  paroxysmal  “lone”  atrial  fibrillation  have  an 

abnormal  atrial  substrate  that  determines  disease  progression.  In  order  to  evaluate 

the substrate predisposing to atrial fibrillation, free of the electrical remodelling effects 

of the arrhythmia  itself, we evaluated the electrophysiological characteristics of atria 

in  patients  with  paroxysmal  “lone”  atrial  fibrillation,  remote  in  time  from  the 

arrhythmia. 

 

  62

2.2 Methods 

2.2.1 Study Population 

This study comprised 13 patients undergoing  first‐time ablation  for paroxysmal atrial 

fibrillation  and  a  reference  group  of  13  patients  with  structurally  normal  hearts 

undergoing radiofrequency ablation  for atrioventricular reentry tachycardia with  left‐

sided  accessory pathways  and no  history of  atrial  fibrillation.  Patients  for  the  study 

group were excluded  if  they had  atrial  fibrillation during  the week prior  to  ablation 

(established by continuous monitoring) or any of  the criteria  that would prohibit  the 

diagnosis of  “lone”  atrial  fibrillation, previously defined  as  the  absence of  structural 

heart disease or  stroke based on history, physical  examination,  chest X‐ray,  routine 

blood  chemistry,  and  trans‐thoracic  as well  as  trans‐oesophageal  echocardiography 

(Kopecky et al. 1987; Kumagai et al. 1991; Jaïs et al. 2000). Coronary artery disease was 

excluded  by  clinical,  ECG  or  stress  test  criteria.  Pulmonary  disease,  hypertension, 

hyperthyroidism and diabetes were eliminated by appropriate tests. Paroxysmal atrial 

fibrillation  was  defined  according  to  the  Expert  Consensus  Statement  as  recurrent 

atrial  fibrillation  that  terminates  spontaneously within  7  days  (Calkins  et  al.  2007). 

Thus, of 109 patients with highly symptomatic atrial fibrillation presenting for ablation 

screened, 13 patients were suitable to be included in this study. 

 All anti‐arrhythmic medication was ceased ≥5 half‐lives prior to the study. No patient 

had received amiodarone. All patients provided written informed consent to the study 

protocol which was approved by the Human Research Ethics Committee of the Royal 

Adelaide Hospital.  

 

  63

2.2.2 Electrophysiological Study and Ablation 

 Electrophysiological study was performed  in  the post‐absorptive state with sedation 

utilising midazolam and fentanyl.  In patients with atrial fibrillation the study protocol 

was  performed  before  ablation,  while  in  the  reference  group  this  was  done  after 

accessory  pathway  ablation.  The  left  atrium was  accessed  using  a  single  transeptal 

puncture  following  which  repeated  bolus  unfractionated  heparin  was  utilised  to 

maintain the activated clotting time between 300‐350 seconds.  

Following the study protocol, patients with atrial fibrillation underwent circumferential 

pulmonary vein ablation with an end‐point of  isolation confirmed by circumferential 

mapping  (Lasso,  Biosense‐Webster)  with  either  elimination  or  dissociation  of 

pulmonary venous potentials. Ablation of the pulmonary veins was performed using a 

delivered  power  of  30W  with  irrigation  rates  of  30mL/min  (Thermocool,  Biosense 

Webster).  Additional  substrate  modification  was  performed  in  patients  with  an 

episode  of  atrial  fibrillation  ≥48  hours  or  with  a  left  atrial  size  ≥57mm  (longest 

diameter). This took the form of  linear ablation along the  left atrial roof with an end‐

point of linear double potentials and conduction block demonstrated by an activation 

detour during pacing of the left atrial appendage. Cavotricuspid isthmus ablation with 

an  endpoint  of  bi‐directional  isthmus  block was  performed  only  in  patients with  a 

history of typical flutter or  if mapping confirmed typical flutter during the procedure. 

Linear ablation was performed with a delivered power of 30‐35W with irrigation rates 

of 30‐60mL/min. 

 

  64

2.2.3 Electrophysiology Study Protocol 

The following catheters were positioned for the study protocol: (i) a 10‐pole catheter 

(2‐5‐2mm  inter‐electrode  spacing, Daig  Electrophysiology) within  the  coronary  sinus 

with the proximal bipole at the coronary sinus ostium as determined in the best septal 

left anterior oblique position; (ii) a 20‐pole “crista” catheter (1‐3‐1mm inter‐electrode 

spacing,  Biosense‐Webster)  placed  along  the  crista  terminalis  with  the  distal  tip 

superiorly such that the second bipole lay at the junction of the superior vena cava and 

right atrium, stabilised by a long sheath (CSTA, Daig Electrophysiology) to ensure close 

apposition to this structure; (iii) a 20‐pole catheter (2‐5‐2mm  inter‐electrode spacing, 

Daig Electrophysiology) placed along the lateral right atrium; and (iv) a roving 10‐pole 

catheter  (2‐5‐2mm  inter‐electrode spacing, Biosense‐Webster) was positioned within 

the left atrium via trans‐septal puncture (Figure 2‐1). This catheter was stabilised with 

the use of  a  long  sheath  (Preface, Biosense‐Webster or  SL0, Daig Electrophysiology) 

and sequentially positioned as follows at the: (i) left atrial roof; (ii) inferior left atrium; 

(iii) mid‐posterior left atrium; (iv) left atrial appendage and (v) high right atrial septum, 

as previously described  (John et al. online early). Electrophysiological evaluation was 

performed as detailed below. 

2.2.3.1 Effective Refractoriness 

Atrial ERP was evaluated at twice diastolic threshold at cycle lengths of 600 and 450ms 

using an 8‐beat drive followed by an extra‐stimulus, starting with a coupling interval of 

150ms increasing in 10ms increments. ERP was defined as the longest coupling interval 

failing to propagate to the atrium. At each site the ERP was measured 3 times at each 

cycle length and averaged. If ERP varied by >10ms an additional 2 measurements were 

  65

made and the total number averaged. ERP was measured from the following sites: (i) 

distal coronary sinus; (ii) proximal coronary sinus; (iii) low‐lateral right atrium; (iv) high‐

lateral  right  atrium;  (v) high‐septal  right  atrium;  (vi)  left  atrial  appendage;  (vii) mid‐

posterior  left  atrium;  (viii)  inferior  left  atrium;  (ix)  junction  of  the  left  superior 

pulmonary  vein  with  the  left  atrial  roof;  and  (x)  junction  of  the  right  superior 

pulmonary vein with the left atrial roof. Atrial fibrillation induced by ERP testing lasting 

>5  minutes  was  considered  sustained;  when  this  occurred,  no  further  data  was 

acquired. 

2.2.3.2 Atrial Conduction 

Atrial conduction time was assessed along linearly placed catheters by pacing the distal 

bipole (1,2) and determining the conduction time to a proximal bipole (9,10) at the left 

atrial roof, inferior left atrium, coronary sinus and lateral right atrium. Conduction time 

at each site was averaged over 10 beats during stable capture at 600 and 450ms cycle 

lengths.  

P wave duration was determined as a marker of global conduction by the average of 

10 beats on ECG lead II. 

2.2.3.3 Site‐specific Conduction Abnormalities at the Crista Terminalis 

The number of bipoles on the crista terminalis catheter with discrete double potentials 

separated by an isoelectric interval or complex fractionated activity of ≥50ms duration, 

and  the  maximum  electrogram  duration  were  determined  during  sinus  rhythm, 

constant  pacing  and  for  the  shortest‐coupled  captured  extra‐stimulus  from  the 

  66

proximal  coronary  sinus,  low‐lateral  right  atrium,  inferior  left  atrium  and  left  atrial 

appendage. 

2.2.3.4 Sinus Node Function 

Sinus  node  function  was  evaluated  as  follows:  (i)  Baseline  sinus  cycle  length  was 

determined over 10 consecutive sinus cycles; (ii) SACT was determined after an 8‐beat 

pacing  train  [using  the  formula  SACT =  (return  ‐ basic  cycle  length)/2]  (Narula et al. 

1978) 3 times and averaged; and  (iii) CSNRT was determined after a 30‐second drive 

train at  cycle  lengths of 600 and 450ms,  correcting  for  the baseline  cycle  length. At 

each cycle length, CSNRT was determined 3 times and averaged. 

 

2.2.4 Statistical Analysis 

Continuous variables are reported as mean ± standard deviation or median and inter‐

quartile  range  as  appropriate.  Categorical  variables  are  reported  as  number  and 

percentage.  Proportions  were  compared  using  Fisher’s  Exact  test.  Comparisons 

between  means  were  analysed  using  paired  or  unpaired  t  tests  as  appropriate. 

Comparisons with adjustment  for multiple  sampling within patients were performed 

using a Mixed  Linear Model  for  continuous data or a  logistic Generalised Estimating 

Equation for categorical data. Statistical tests were performed using SPSS 15 (SPSS Inc) 

and statistical significance was set at p<0.05. 

 

  67

2.3 Results 

2.3.1 Baseline Details 

Baseline  patient  characteristics  are  summarised  in  Table  2.1.  Patients  with  atrial 

fibrillation had a median arrhythmia history of 72 months and a mean longest episode 

of  2.8±1.9  days.  Groups  were  well  matched  for  age,  gender,  left  ventricular  wall 

thickness and function. However, patients with atrial fibrillation had significantly larger 

left atria (p=0.004). None of the patients with atrial fibrillation had atrial arrhythmias 

(>30 seconds) by continuous monitoring in the 7 days prior to the procedure. 

 

2.3.2 Atrial Refractoriness 

For patients with atrial fibrillation, the mean ERP across all sites was greater than that 

of reference patients (at 600ms: 255±25 versus 222±16ms, p<0.001; at 450ms: 234±20 

versus 212±14ms, p=0.004). Figure 2‐2 demonstrates  the ERP at  the  ten  sites  tested 

following 600 and 450ms drive trains in patients with atrial fibrillation versus reference 

patients,  and  indicates  those  areas  where  significant  differences  were  seen.  The 

differences in ERP between patients with atrial fibrillation and reference patients were 

not  uniform  across  all  sites  (p=0.02).  At  each  site,  patients  with  atrial  fibrillation 

demonstrated either an  increase or no  significant  change  in ERP when  compared  to 

the  reference group. The ERP was higher  following a 600ms drive  train  than after a 

450ms  drive  train  for  both  patients with  atrial  fibrillation  (p<0.001)  and  reference 

patients  (p=0.02);  that  is,  there was preservation of physiological  rate‐adaptation of 

ERP in both groups (p=0.1). 

  68

2.3.3 Atrial Conduction Time  

The  conduction  time  along  the  catheters  at  the  left  atrial  roof,  inferior  left  atrium, 

coronary sinus and  lateral  right atrium was significantly  longer  in patients with atrial 

fibrillation  compared  to  the  reference  group  (57±18  versus  47±10ms,  p=0.01). 

However,  there  was  no  significant  interaction  between  patient  group  and  site  of 

conduction measurement (p=0.3), suggesting a homogenous slowing of conduction  in 

patients with atrial fibrillation. 

The  P  wave  duration  was  significantly  prolonged  in  patients  with  atrial  fibrillation 

compared to reference patients (128±8 versus 95±10ms, p<0.001). 

 

2.3.4 Site‐Specific Conduction Abnormalities 

Site‐specific  conduction  abnormalities  at  the  crista  terminalis  during  sinus  rhythm 

were more apparent  in patients with atrial fibrillation than reference patients. During 

sinus  rhythm,  patients  with  atrial  fibrillation  had  a  greater  number  of  bipoles 

demonstrating  double  potentials  or  fractionated  signals  on  the  crista  terminalis 

catheter  than  reference  patients  (4.9±1.8  versus  0.7±0.8,  p<0.001)  of  which  the 

maximum electrogram duration was  longer  (84±15 versus 52±11ms, p<0.001). These 

differences were even more marked during pacing and  increased  further with extra‐

stimulus  (Figures  2‐3  and  2‐4).  These  data  highlight  the  functional  nature  of  the 

conduction delay at  the  crista  terminalis,  as evidenced by  variation  in  the extent of 

conduction abnormalities depending on the rate and site of stimulation. 

 

  69

2.3.5 Sinus Node Function 

Patients with atrial fibrillation had a longer baseline sinus cycle length (975±131 versus 

762±129ms, p<0.001), SACT  (154±58 versus 83±31ms, p<0.001) and CSNRT at 600ms 

(265±57 versus 185±60ms, p=0.002) but not 450ms (261±96 versus 241±76ms, p=0.6) 

compared to reference patients. 

 

2.4 Discussion 

2.4.1 Major findings 

This  study utilised electrophysiological mapping  to demonstrate new  information on 

the nature of abnormalities within the atria of patients with paroxysmal “lone” atrial 

fibrillation, remote from an arrhythmic event.  

The major findings are as follows: 

(i) Conduction  abnormalities  characterised  by  prolongation  of  conduction 

times  along  linearly  placed  catheters,  longer  P  wave  duration  and  site‐

specific conduction delay. 

(ii) Impaired sinus node function indicated by prolonged SACT and CSNRT. 

(iii) An increase in ERP, which is consistent with prior studies evaluating clinical 

substrates  for  atrial  fibrillation  but  is  in  contrast  to  the  remodelling 

attributed to atrial fibrillation itself.  

Thus,  this  suggests  that  patients  with  paroxysmal  lone  atrial  fibrillation  have  an 

abnormal  atrial  electrophysiological  substrate.  We  posit  that  these  abnormalities 

  70

contribute  to  the “second  factor”  that promotes progression of atrial  fibrillation and 

why sinus rhythm does not beget sinus rhythm. 

 

2.4.2 Rate‐Related Electrical Remodelling 

The seminal observations by Wijffels et al.  (1995) that “atrial  fibrillation begets atrial 

fibrillation”  has  as  its  central  tenet  the  observation  of  reduction  in  atrial  ERP  by 

repeated  induction  of  atrial  fibrillation  thereby  allowing  atrial  fibrillation  to  sustain 

itself. Many  experimental  studies  have  confirmed  this  finding  (Morillo  et  al.  1995; 

Elvan et al. 1996; Goette et al. 1996; Fareh et al. 1998; Lee et al. 1999). While these 

initial  studies  fail  to  observe  any  conduction  abnormalities,  subsequent  studies  by 

Gaspo  et  al.  (1997)  demonstrated  that  progressively  longer  episodes  of  atrial 

fibrillation also resulted  in conduction slowing. Thus, the electrical remodelling of the 

atria in response to atrial fibrillation lends toward the perpetuation of arrhythmia by a 

shortening of the reentrant “wavelength”.  In addition, several  investigators have also 

observed  remodelling  of  the  sinus  node  that  develops  soon  after  the  initiation  of 

arrhythmia and reverses after restoration of sinus rhythm (Kumagai et al. 1991; Elvan 

et al. 1996; Hocini et al. 2003). 

Clinical  studies have also observed  similar effects of  rate on  the atria. Patients with 

recent atrial fibrillation have been shown to have shorter ERP than control groups, as 

well as sinus node dysfunction and conduction delay (Cosio et al. 1983; Kumagai et al. 

1991). Yu et al.  (1999) demonstrated shorter ERP with  impaired  rate adaptation and 

depressed conduction  following cardioversion  for  longstanding atrial  fibrillation, with 

the  ERP  gradually  increasing  after  4  days  of  sinus  rhythm.  Kojodjojo  et  al.  (2007) 

  71

studied  patients  with  paroxysmal  and  persistent  atrial  fibrillation  at  their  ablation 

procedure and demonstrated a reduction  in ERP at 3 sites compared to patients with 

no atrial fibrillation. In this study, patients with persistent atrial fibrillation had just 10 

minutes of sinus rhythm prior to study and those with paroxysmal atrial fibrillation had 

a mean atrial fibrillation burden of 3.2±3.7 hours in the preceding 72 hours. However, 

with the known experimental evidence of rate‐related remodelling,  it  is unclear  if the 

abnormalities  observed  in  such  patients with  atrial  fibrillation  form  the  underlying 

substrate for or are a consequence of atrial fibrillation.  

 

2.4.3 Progression of Atrial Fibrillation 

Garratt et al. (1999) evaluated the effect of repeated episodes of atrial fibrillation on 

atrial electrical remodelling. While marked remodelling was observed with five days of 

atrial fibrillation, two days of sinus rhythm was adequate to reverse all abnormalities. 

Despite  repetitive  episodes  of  atrial  fibrillation,  there  were  no  additive  changes 

observed  in atrial electrical  remodelling. Fynn et al.  (2002) evaluated  the strategy of 

repeated  cardioversion of atrial  fibrillation  in  the  clinical  setting. Early and  repeated 

cardioversion  was  performed  to  maintain  sinus  rhythm  but  failed  to  prevent  the 

progression to more atrial fibrillation. Indeed, their findings suggest that sinus rhythm 

does not beget sinus rhythm in patients with a history of atrial fibrillation. 

These findings have led Allessie and co‐workers to propose the existence of a “second 

factor” for the initial substrate and subsequent progression of atrial fibrillation (Garratt 

et  al.  1999).  To  identify  this  factor we  studied  patients with  paroxysmal  lone  atrial 

fibrillation who were  remote  from an episode of atrial  fibrillation  (thereby  removing 

  72

the  effects  of  acute  rate‐related  remodelling).  When  studied  distant  from  an 

arrhythmic event, patients with lone atrial fibrillation demonstrate an increase in atrial 

refractoriness, widespread and site‐specific conduction abnormalities, and evidence of 

sinus node remodelling. We put forward that these changes in conduction seen in lone 

paroxysmal atrial fibrillation, when studied remote from arrhythmia, contribute to the 

“second factor” which plays an important role in the development and progression of 

atrial fibrillation. 

 

2.4.4 Substrate Predisposing to the Development of Atrial Fibrillation 

Although  the abnormalities  that have been observed  to  result  from atrial  fibrillation 

itself have been proposed as the mechanisms by which atrial fibrillation begets atrial 

fibrillation,  it  is  not  likely  that  rate‐related  remodelling  forms  the  substrate 

predisposing  to  the  development  of  atrial  fibrillation  in  the  first  place.  This  has  led 

several  investigators to evaluate the atrial abnormalities  in conditions predisposed to 

the development of atrial fibrillation. 

Li et al. (1999) developed a canine model of congestive heart failure to evaluate effects 

on atrial remodelling and demonstrated "atrial remodelling of a different sort" to that 

seen due to atrial fibrillation alone. A significant increase in ERP at short cycle lengths 

associated with an increase in the heterogeneity of conduction and marked interstitial 

fibrosis  was  seen.  Despite  the  increase  in  ERP,  these  abnormalities  resulted  in  a 

significant increase in the duration of atrial fibrillation. Verheule et al. (2003) observed 

a propensity for atrial fibrillation despite an increase in ERP in a canine model of mitral 

  73

regurgitation,  again  due  to  abnormalities  in  conduction  and  profound  structural 

remodelling.  

Clinical  studies of  the  atrial  substrate  in patients  known  to be predisposed  to  atrial 

fibrillation  but  without  antecedent  arrhythmia  have  demonstrated  similar 

observations. Morton et al.  (2003)  studied  the  right atrial  substrate  in patients with 

atrial septal defects and observed prolonged ERP and delayed conduction across  the 

crista terminalis compared to reference patients. Sanders et al. showed similar findings 

of  prolonged  ERP  with  widespread  and  site‐specific  conduction  abnormalities  in 

patients with congestive heart failure (2003) and sinus node disease (2004a). Kistler et 

al.  (2004) demonstrated  such  changes  in  a progressive manner with  increasing  age. 

While  these  findings  have  been  restricted  to  right  atria,  comparable  results  have 

recently been observed  in  the  left  atria of patients with mitral  stenosis  (John  et  al. 

online early). 

In  patients  with  atrial  fibrillation  there  is  a  paucity  of  clinical  electrophysiological 

studies performed outside the context of recent arrhythmia. In order to minimise the 

confounding  effects  of  electrical  remodelling,  we  have  undertaken  meticulous 

screening to identify patients who were in sinus rhythm for a minimum of 7 days prior 

to their ablation procedure. Using such stringent enrolment criteria, the observations 

of the current study are remarkably consistent with the findings observed in the above 

conditions  on  the  substrate  predisposing  to  atrial  fibrillation.  Taken  together,  these 

studies provide compelling evidence that the significant contributors giving rise to the 

substrate underlying atrial fibrillation are not the changes in refractoriness, but rather 

the conduction abnormalities discussed above. 

  74

2.4.5 Implications 

The electrical remodelling seen in conjunction with ongoing arrhythmia and thought to 

perpetuate atrial fibrillation is known to normalise within days of sinus rhythm (Garratt 

et al. 1999). However, strategies of repeated cardioversion have not been successful in 

retarding progression of disease (Fynn et al. 2002). By studying patients remote in time 

from the arrhythmia itself, we have been able to show that a significant contributor to 

the underlying substrate in patients with atrial fibrillation is in fact that of conduction 

abnormalities, which may account for the progression of the atrial fibrillation disease. 

Future  strategies  to  treat atrial  fibrillation  should  therefore  focus on modification of 

atrial conduction. Finally, while pulmonary vein isolation is currently considered to be 

highly successful for the majority of patients with paroxysmal atrial fibrillation, there is 

yet  to  be  definitive  long‐term  data  on  outcome.  This  study  showing  an  abnormal 

substrate  in  lone  atrial  fibrillation  raises  the  possibility  of  progressive  disease 

continuing despite early procedural success. 

 

2.4.6 Limitations  

While  the  abnormalities  observed  in  this  study  are  proposed  to  constitute  the 

substrate predisposing to atrial fibrillation, the development of clinical atrial fibrillation 

is complex and depends not only on substrate but also on other factors such as triggers 

and perpetuators that were not addressed by this study. Patients with persistent atrial 

fibrillation were not studied and may differ in substrate, however many patients with 

persistent atrial  fibrillation start with paroxysms  initially. Finally, while we monitored 

patients for a week prior to the procedure to ensure our evaluation was remote from 

  75

an episode of atrial fibrillation, we cannot exclude an effect of rate‐related remodelling 

from previous episodes. However, prior studies have demonstrated no additive effects 

of episodic atrial  fibrillation and  resolution of  remodelling within days  (Garratt et al. 

1999). 

 

2.5 Conclusion 

Patients with paroxysmal  lone atrial  fibrillation,  remote  from an arrhythmic episode, 

demonstrate electrophysiological abnormalities characterised by widespread and site‐

specific  conduction  abnormalities,  altered  sinus  node  function  and  prolonged  atrial 

refractoriness.  These  abnormalities  contribute  to  the  “second  factor”  critical  to  the 

development and progression of atrial fibrillation. 

  76

Table 2.1 

Patient characteristics 

 

  AF (n=13) 

Reference (n=13) 

p value   

Age (years)  54±11  53±8  0.7  

Male gender (%)  69  46  0.4  

Median AF history (months)  72  0  n/a  

Longest AF duration (days)  2.8±1.9  0  n/a  

Left atrial parasternal size (mm)  42±7  34±5  0.004  

Interventricular septum (mm)  11±2  11±1  0.7  

Left Ventricular ejection fraction (%)  54±9  58±8  0.7  

 

 

 

 

  77

Figure 2‐1 

Catheter positions on fluoroscopy 

    

Left  anterior  oblique  views  of  a  decapolar  catheter  in  the  coronary  sinus,  a 

duodecapolar  catheter  along  the  crista  terminalis  with  its  stabilising  sheath,  a 

duodecapolar catheter along the lateral right atrium and a decapolar catheter with its 

stabilising sheath in the left atrium. The left atrial catheter was sequentially positioned 

by looping the catheter to record along the left atrial roof (left) and then withdrawn to 

record  the  inferior  left  atrium  (right).  Subsequently,  the  decapolar  catheter  was 

positioned  at  the  left atrial  appendage, posterior  left  atrial wall  and  the high‐septal 

right atrium (not shown). 

 

  78

Figure 2‐2 

Regional effective refractoriness 

 

 

 

Figure legend overleaf.

  79

Figure 2‐2 (previous page) 

Mean (+ standard deviation) ERP at the ten sites tested following a 600ms drive train 

(top) and a 450ms drive train (bottom) in patients with atrial fibrillation and reference 

patients. All values  for 600ms are higher than the same patient group and site value 

for 450ms.  The difference  in mean  ERP between patients with  atrial  fibrillation  and 

reference  patients  varied  significantly  according  to  the  region  of  measurement 

(p=0.02). 

 

*p<0.001, †p=0.01, ‡p<0.05 for post‐hoc comparisons. 

 

dCS – distal coronary sinus 

pCS – proximal coronary sinus 

LLRA – low lateral right atrium 

HLRA – high lateral right atrium 

HRAS – high right atrial septum 

LSPV – junction of left superior pulmonary vein with left atrium 

RSPV – junction of right superior pulmonary vein with left atrium 

InfLA – inferior left atrium. LAA – left atrial appendage 

PostLA – posterior left atrium. 

  80

Figure 2‐3 

Conduction characteristics at the crista terminalis 

Number of abnormal electrograms 

 

 

Mean (+ standard deviation) number of double potentials or fractionated signals along 

the crista  terminalis during pacing at 600ms  (S1,  top) and with  the earliest captured 

extra‐stimulus  (S2, bottom)  from 4 sites  in the atria  in patients with atrial  fibrillation 

and reference patients. *p<0.001, †p<0.01. pCS – proximal coronary sinus. LLRA – low 

lateral right atrium. InfLA – inferior left atrium. LAA – left atrial appendage. 

  81

Figure 2‐4  

Conduction characteristics at the crista terminalis 

Maximum duration of abnormal electrograms 

 

Mean  (+  standard  deviation)  of  the  maximum  duration  of  double  potentials  or 

fractionated  signals along  the crista  terminalis during pacing at 600ms  (S1) and with 

the earliest captured extra‐stimulus (S2) from 4 sites in the atria in patients with atrial 

fibrillation and reference patients. *p<0.001, †p<0.01. pCS – proximal coronary sinus. 

LLRA – low lateral right atrium. InfLA – inferior left atrium. LAA – left atrial appendage. 

  82

Chapter 3.                                                                  Right and left atrial electroanatomical substrate of lone atrial 

fibrillation‐‐‐‐ 

3.1 Introduction 

The  initiation  and  maintenance  of  atrial  fibrillation  is  brought  about  by  intricate 

interactions between triggers and perpetuators within the atrial substrate (Allessie et 

al. 2001). The perpetuation of atrial  fibrillation  is aided by  the electrical  remodelling 

undergone  by  the  atria  and  demonstrated  repeatedly  in  the  experimental  setting 

(Morillo et al. 1995; Wijffels et al. 1995; Goette et al. 1996; Gaspo et al. 1997; Fareh et 

al. 1998). However, while  this electrical  remodelling  is seen clinically,  the effects are 

reversible  once  sinus  rhythm  is  restored  (Yu  et  al.  1999;  Hobbs  et  al.  2000). 

Nevertheless,  policies  of  early  and  repeated  cardioversion  to  avoid  self‐sustaining 

arrhythmia  have  not  halted  the  progression  of  disease  (Fynn  et  al.  2002).  This 

observation has prompted the hunt for a “second factor” promoting the evolution and 

advancement of atrial fibrillation. 

The  structural and electrical changes associated with atrial  fibrillation are difficult  to 

differentiate  from that due to the affiliated conditions that may be giving rise to the 

arrhythmia;  conditions  such  as  heart  failure  and  hypertension.  Patients with  “lone” 

atrial  fibrillation  however,  are  defined  as  a  group  without  overt  concomitant 

conditions  (Kopecky et  al.  1987; Kumagai  et  al.  1991;  Jaïs  et  al.  2000)  and  study of 

these  individuals may provide  insight  into the underlying substrate of the arrhythmia 

itself. Furthermore, the arrhythmia alone can lead to alterations in the atrial structure 

which may tend to perpetuate atrial fibrillation (Ausma et al. 2003). Studying patients 

with  lone atrial  fibrillation, after allowing sufficient  time  for electrical  remodelling  to 

  83

reverse,  would  allow  conclusions  to  be  drawn  about  the  structural  and  electrical 

changes  seen  in  the  atrial  substrate  predisposing  to  atrial  fibrillation,  without  the 

effects of associated heart disease and rate‐related remodelling. 

We  hypothesised  that  the  disease  progression  of  patients  with  paroxysmal  “lone” 

atrial  fibrillation  is determined by abnormal atrial substrate.  In order to evaluate the 

substrate  predisposing  to  atrial  fibrillation,  we  evaluated  the  electroanatomical 

characteristics of atria  in patients with paroxysmal “lone” atrial fibrillation, remote  in 

time from the arrhythmia. 

 

3.2 Methods 

3.2.1 Study Population 

This study comprised 12 patients undergoing  first‐time ablation  for paroxysmal atrial 

fibrillation  and  a  reference  group  of  12  patients  with  structurally  normal  hearts 

undergoing radiofrequency ablation  for atrioventricular reentry tachycardia with  left‐

sided  accessory  pathways  and  no  history  of  atrial  fibrillation.  Patients  in  the  study 

group were excluded  if  they had  atrial  fibrillation during  the week prior  to  ablation 

(established by continuous monitoring) or any of  the criteria  that would prohibit  the 

diagnosis of  “lone”  atrial  fibrillation, previously defined  as  the  absence of  structural 

heart disease or  stroke based on history, physical  examination,  chest X‐ray,  routine 

blood  chemistry,  and  trans‐thoracic  as well  as  trans‐oesophageal  echocardiography 

(Kopecky et al. 1987; Kumagai et al. 1991; Jaïs et al. 2000). Coronary artery disease was 

excluded  by  clinical,  ECG  or  stress  test  criteria.  Pulmonary  disease,  hypertension, 

  84

hyperthyroidism and diabetes were eliminated by appropriate tests. Paroxysmal atrial 

fibrillation  was  defined  according  to  the  Expert  Consensus  Statement  as  recurrent 

atrial  fibrillation  that  terminates  spontaneously within  7  days  (Calkins  et  al.  2007). 

Thus, of 106 patients with highly symptomatic atrial fibrillation presenting for ablation 

screened, 12 patients were suitable to be included in this study. 

 All anti‐arrhythmic medication was ceased ≥5 half‐lives prior to the study. No patient 

had received amiodarone. All patients provided written informed consent to the study 

protocol which was approved by the Human Research Ethics Committee of the Royal 

Adelaide Hospital.  

 

3.2.2 Electrophysiological Study and Ablation 

 Electrophysiological study was performed  in  the post‐absorptive state with sedation 

utilising midazolam and fentanyl.  In patients with atrial fibrillation the study protocol 

was  performed  before  ablation,  while  in  the  reference  group  this  was  done  after 

accessory  pathway  ablation.  The  left  atrium was  accessed  using  a  single  transeptal 

puncture  following  which  repeated  bolus  unfractionated  heparin  was  utilised  to 

maintain the activated clotting time between 300‐350 seconds.  

Following the study protocol, patients with atrial fibrillation underwent circumferential 

pulmonary vein ablation with an end‐point of  isolation confirmed by circumferential 

mapping  (Lasso,  Biosense‐Webster)  with  either  elimination  or  dissociation  of 

pulmonary venous potentials. Ablation of the pulmonary veins was performed using a 

delivered  power  of  30W  with  irrigation  rates  of  30mL/min  (Thermocool,  Biosense 

Webster).  Additional  substrate  modification  was  performed  in  patients  with  an 

  85

episode  of  atrial  fibrillation  ≥48  hours  or  with  a  left  atrial  size  ≥57mm  (longest 

diameter). This took the form of  linear ablation along the  left atrial roof with an end‐

point of linear double potentials and conduction block demonstrated by an activation 

detour during pacing of the left atrial appendage. Cavotricuspid isthmus ablation with 

an  endpoint  of  bi‐directional  isthmus  block was  performed  only  in  patients with  a 

history of typical flutter or  if mapping confirmed typical flutter during the procedure. 

Linear ablation was performed with a delivered power of 30‐35W with irrigation rates 

of 30‐60mL/min. 

 

3.2.3 Electroanatomical Study Protocol 

Electroanatomical maps  were  created  of  both  atria  during  sinus  rhythm  using  the 

CARTO mapping  system  (Biosense‐Webster).  The  electroanatomical mapping  system 

has been previously described  in detail; the accuracy of the sensor position has been 

previously validated and  is 0.8mm and 5 degrees  (Gepstein et al. 1997).  In brief,  the 

system records the surface ECG and bipolar electrograms filtered at 30‐400Hz from the 

mapping  and  reference  catheters.  Endocardial  contact  during  point  acquisition was 

facilitated by electrogram  stability,  fluoroscopy and  the  catheter  icon on  the CARTO 

system. Points were acquired  in the auto‐freeze mode  if the stability criteria  in space 

(≤6mm) and  local activation time (≤5ms) were met. Mapping was performed with an 

equal  distribution  of  points  using  a  fill‐threshold  of  15mm.  Editing  of  points  was 

performed off‐line. Local activation  time was manually annotated  to  the peak of  the 

largest  amplitude  deflection  on  bipolar  electrograms;  in  the  presence  of  double 

potentials  this  was  annotated  at  the  largest  potential.  If  the  bipolar  electrogram 

  86

displayed  equivalent  maximum  positive  and  negative  deflections,  the  maximum 

negative deflection on the simultaneously acquired unipolar electrogram was used to 

annotate  the  local activation  time. Points not conforming  to  the surface ECG P wave 

morphology  or  <75%  of  the maximum  voltage  of  the  preceding  electrogram  were 

excluded.  Regional  atrial  bipolar  voltage  and  conduction  velocity were  analysed  as 

previously described and are detailed below  (Sanders et al. 2003; Kistler et al. 2004; 

Sanders et al. 2004a; John et al. online early). 

3.2.3.1 Voltage Analysis 

For  the  purposes  of  evaluating  regional  voltage  differences,  each  atrium  was 

segmented using previously  validated offline  software  (Kuklik et  al. 2004). The  right 

atrium  was  segmented  as  the  high‐  and  low‐lateral  right  atrium,  high‐  and  low‐

posterior right atrium, high‐ and low‐septal right atrium, and anterior right atrium. The 

left  atrium was  segmented  as  posterior  left  atrium,  anterior  left  atrium,  septal  left 

atrium, inferior left atrium, lateral left atrium and left atrial roof. The voltage of points 

identified by region was then exported for analysis. Low voltage points were defined as 

point with  a  bipolar  voltage  ≤0.5mV  and  electrically  silent  points  as  the  absence  of 

recordable  activity  or  a  bipolar  voltage  amplitude  ≤0.05mV  (the  noise  level  of  the 

system). 

3.2.3.2 Conduction Velocity Analysis 

Isochronal  activation maps  (5ms  intervals)  of  the  atria  were  created  and  regional 

conduction velocity determined  in the direction of  the wave‐front propagation  (least 

isochronal  crowding).  An  approximation  of  conduction  velocity was  determined  by 

expressing  the distance between  two points  as  a  function of  the difference  in  local 

  87

activation  time.  Mean  conduction  velocity  for  each  region  was  determined  by 

averaging  the conduction velocity between 5 pairs of points, as previously described 

(Sanders et al. 2003; Kistler et al. 2004; Sanders et al. 2004a; John et al. online early). 

For  the  purposes  of  evaluating  regional  conduction  differences,  each  atrium  was 

segmented as above.  

3.2.3.3 Complex Electrograms 

The proportion of points demonstrating complex electrograms was determined using 

the following definitions: (i) Fractionated signals – complex activity of ≥50ms duration; 

and (ii) Double potentials – potentials separated by an isoelectric interval where total 

electrogram duration was ≥50ms. 

 

3.2.4 Statistical Analysis 

Continuous variables are reported as mean ± standard deviation or median and inter‐

quartile  range  as  appropriate.  Categorical  variables  are  reported  as  number  and 

percentage.  Proportions  were  compared  using  Fisher’s  Exact  test.  Comparisons 

between  means  were  analysed  using  paired  or  unpaired  t  tests  as  appropriate. 

Comparisons with adjustment  for multiple  sampling within patients were performed 

using a Mixed  Linear Model  for  continuous data or a  logistic Generalised Estimating 

Equation for categorical data. Statistical tests were performed using SPSS 15 (SPSS Inc) 

and statistical significance was set at p<0.05. 

 

  88

3.3 Results 

3.3.1 Baseline Details 

Baseline  patient  characteristics  are  summarised  in  Table  3.1.  Patients  with  atrial 

fibrillation had a median arrhythmia history of 60 months and a mean longest episode 

of  3.2±2.6  days.  Groups  were  well  matched  for  age,  gender,  left  ventricular  wall 

thickness and function. However, patients with atrial fibrillation had significantly larger 

left atria  (p=0.01). None of  the patients with atrial  fibrillation had atrial arrhythmias 

(>30 seconds) by continuous monitoring in the 7 days prior to the procedure. 

A total of 193±62 points per patient were analysed in the left atrium and right atrium 

using electroanatomical mapping.  

 

3.3.2 Structural and Voltage Abnormalities 

Both  right  and  left  atrial  volumes  by  electroanatomical mapping were  significantly 

greater in patients with atrial fibrillation compared to reference patients; right atrium: 

94±18 versus 69±9mL, p=0.003 and left atrium: 99±19 versus 77±17mL, p=0.006.  

The mean bipolar voltage was reduced  in patients with atrial fibrillation compared to 

reference patients (right atrium: 1.7±0.4 versus 2.9±0.4mV; left atrium: 1.7±0.7 versus 

3.3±0.7mV,  p<0.001).  The  difference  in mean  log  bipolar  voltage  between  patients 

with atrial fibrillation and reference patients varied significantly by Mixed Linear model 

according  to  the  region of measurement  (right atrium: p=0.002;  left atrium: p=0.03). 

Regional  differences  in  bipolar  voltage  with  significant  differences  indicated  are 

illustrated  in  Figure 3‐1. Additionally, points  in patients with  atrial  fibrillation  at  the 

  89

high‐lateral right atrium, posterior left atrium and the left atrial roof were more likely 

to be low voltage (≤0.5mV) (OR 2.9, 95% CI 1.4‐6.3; OR 1.7, 95% CI 1.1‐2.6; OR 3.3, 95% 

CI  1.8‐6.3,  respectively).  No  significant  areas  of  electrical  silence  (≤0.05mV)  were 

observed  in  this  cohort  of  patients.  Representative  examples  of  electroanatomical 

maps in representative patients are shown in Figure 3‐2. 

 

3.3.3 Abnormalities in Conduction Velocity 

Patients  with  atrial  fibrillation  had  a  significantly  slower mean  conduction  velocity 

during  sinus  rhythm  compared  to  reference  patients  (right  atrium:  1.3±0.3  versus 

2.1±0.5mm/ms;  left  atrium:  1.2±0.2  versus  2.2±0.4mm/ms,  p<0.001).  Regional 

differences  in conduction velocity with significant differences  indicated are  illustrated 

in  Figure 3‐3.  The  total  atrial  activation  time was  significantly prolonged  in patients 

with  atrial  fibrillation  compared  to  reference  patients  (128±17  versus  89±10ms, 

p<0.001). 

 

3.3.4 Complex Electrograms 

Patients with atrial  fibrillation demonstrated a significantly greater number of points 

with  double  potentials  or  fractionated  signals  than  reference  patients  (27±8  versus 

8±5%, p<0.001). Patients with atrial fibrillation were more likely to have a point with a 

double potential or fractionated signal in any region than reference patients (p<0.02). 

These  points were  distributed  throughout  both  atria with  a  clustering  at  the  high‐

  90

posterior and high‐septal  regions of  the  right atrium, and  the  left atrial  septum and 

roof (Figure 3‐2). 

 

3.4 Discussion 

3.4.1 Major findings 

This study utilised electroanatomical mapping to demonstrate new information on the 

nature  of  abnormalities  within  the  atria  of  patients  with  paroxysmal  “lone”  atrial 

fibrillation, remote from an arrhythmic event.  

The major findings are as follows: 

(i) Structural abnormalities characterised by atrial dilatation and  lower mean 

atrial voltage suggesting the loss of atrial myocardium. 

(ii) Slower conduction velocities. 

(iii) An  increase  in  the  proportion  of  electrograms  characterised  as  double 

potentials or fractionated signals. 

Thus, these findings suggest that patients with paroxysmal lone atrial fibrillation have 

an  abnormal  electroanatomical  atrial  substrate. We  posit  that  these  abnormalities, 

contribute  to  the “second  factor”  that promotes progression of atrial  fibrillation and 

why sinus rhythm does not beget sinus rhythm. 

 

  91

3.4.2 Structural changes in Atrial Fibrillation 

Despite the early occurrence and reversibility of electrical remodelling of the atria  in 

response  to  rate,  Ausma  et  al.  (2003)  have  observed  that  ultrastructural  changes 

evolve over a much longer time frame and are not completely resolved as late as four 

months  after  return  to  sinus  rhythm  from  prolonged  atrial  fibrillation.  These  slowly 

resolving  alterations  have  been  characterised  as  an  increase  in  myolysis  and  the 

fraction of extracellular matrix per myocyte, as well as changes  in  the expression of 

structural  proteins.  These  observations  were  associated  with  longer  episodes  of 

induced atrial fibrillation when compared to baseline inductions. 

Recent  studies  in  patients  with  atrial  fibrillation  undergoing  ablation  have 

demonstrated  the  presence  of  areas  of  low  voltage  and  electrical  silence  (Lo  et  al. 

2007; Marcus et al. 2007), and have  implicated this substrate as a marker of a worse 

outcome following an ablation procedure (Verma et al. 2005). However, these studies 

have  included  patients  with  structural  heart  disease  and  recent  arrhythmia,  and 

therefore may  reflect  the effects of  the associated heart disease and/or  remodelling 

due to atrial fibrillation itself. 

 

3.4.3 Electroanatomical Studies in Atrial Fibrillation and Related Conditions 

In  patients  with  atrial  fibrillation  there  has  been  little  clinical mapping  performed 

outside the context of recent arrhythmia. For example, Kojodjojo et al. (2007) studied 

the  electroanatomical  maps  of  patients  with  paroxysmal  and  persistent  atrial 

fibrillation  created  at  their  ablation  procedure  and  demonstrated  slowing  of wave‐

front propagation velocity compared to patients with no atrial fibrillation. In this study, 

  92

patients with persistent atrial fibrillation had  just 10 minutes of sinus rhythm prior to 

study and  those with paroxysmal atrial  fibrillation had a mean arrhythmia burden of 

3.2±3.7 hours  in  the preceding 72 hours.  It  is  therefore uncertain how much of  this 

observed  change  is  due  to  electrical  remodelling  from  recent  arrhythmia  and  how 

much it is reflecting the actual underlying substrate. 

One of  the mechanisms by which atrial  fibrillation begets atrial  fibrillation has been 

suggested to be rate‐related remodelling. However, it is unlikely that the abnormalities 

that  have  been  observed  to  result  from  atrial  fibrillation  itself  form  the  substrate 

predisposing to the development of atrial fibrillation in the first instance. Insights into 

the  underlying  substrate  can  be  gained  from  looking  at  the  atrial  abnormalities 

reported  in  conditions  known  to be predisposed  to  atrial  fibrillation. Many of  these 

studies have used electroanatomical maps to illustrate such characteristics in patients 

with  conditions  associated  with  atrial  fibrillation,  but  without  atrial  fibrillation 

themselves. Sanders et al. studied the right atrial substrate of patients with congestive 

heart failure (2003) and sinus node disease (2004a) and reported areas of low voltage 

and electrical silence in association with conduction abnormalities. Kistler et al. (2004) 

demonstrated progressive changes  in older patients without significant heart disease, 

when  compared  to  younger  cohorts  of  patients.  While  these  findings  have  been 

restricted  to  the right atrium, recently similar characteristics have been observed via 

electroanatomical mapping in the left atria of patients with mitral stenosis (John et al. 

online early). 

 

  93

3.4.4 Prior Studies Implicating Abnormalities in “Lone” Atrial Fibrillation 

Although  patients  with  “lone”  atrial  fibrillation  are  defined  as  a  group  with  no 

structural  heart  disease,  there  is  accumulating  evidence  of  occult  abnormalities. 

Frustaci  et  al.  (1997)  found  abnormal  atrial  histology  including  patchy  fibrosis  and 

inflammatory infiltrates in all of 12 patients with paroxysmal lone atrial fibrillation, and 

in  none  of  11  control  patients.  The  fibrosis  has  been  characterised  as  an  increased 

concentration of  collagen  type  I  in patients with  lone  atrial  fibrillation  compared  to 

controls  and  this  increase  has  been  observed  to  be  attenuated  in  those  patients 

receiving angiotensin converting enzyme inhibitors (Boldt et al. 2006). There is further 

evidence that  inflammation plays a role  in atrial fibrillation, with the observation that 

C‐reactive protein is elevated in patients with lone atrial fibrillation (Chung et al. 2001). 

Jaïs  et  al.  (2000)  have  demonstrated  by  transeptal  haemodynamic  evaluation  that 

diastolic dysfunction  is present  in patients with  lone atrial fibrillation. Finally, there  is 

some evidence to suggest that patients with lone atrial fibrillation have microvascular 

dysfunction  in  the  coronary  circulation  (Skalidis et  al. 2008). Thus,  it  is  feasible  that 

patients  without  overt  structural  heart  disease  may  have  fibrosis,  inflammation, 

structural change and vascular dysfunction; all  features  that are consistent with and 

contribute to our observations of an abnormal substrate in “lone” atrial fibrillation. 

 

3.4.5 Implications 

Our understanding of the atrial substrate predisposing to atrial fibrillation is extended 

by this study. We have been able to show that the predominant underlying substrate 

in  patients  with  atrial  fibrillation  is  slowing  in  regional  conduction,  together  with 

  94

structural change reflected by  lower voltage and  larger atria. Importantly, this data  is 

from  patients without  overt  structural  heart  disease  and  remote  in  time  from  the 

remodelling effect of recent arrhythmia in order to minimise the effects of associated 

heart conditions and the arrhythmia  itself. Future strategies to treat atrial  fibrillation 

should  therefore  focus on atrial myocardial structure and conduction. While  there  is 

yet to be definitive long‐term data on the outcome of ablation treatments for patients 

with  paroxysmal  atrial  fibrillation,  this  study  raises  the  possibility  of  progressive 

disease  continuing  despite  apparent  procedural  success  due  to  the  continuing 

evolution of abnormal substrate in lone atrial fibrillation. 

 

3.4.6 Limitations  

Patients with persistent atrial fibrillation were not studied and may differ in substrate, 

however  many  patients  with  persistent  atrial  fibrillation  have  progressed  from 

paroxysms  initially. While  the  abnormalities  observed  in  this  study  are  proposed  to 

constitute the substrate predisposing to atrial fibrillation, the development of clinical 

atrial  fibrillation  is  complex  and  depends  not  only  on  substrate  but  also  on  other 

factors such as triggers and perpetuators that were not addressed by this study.  

 

3.5 Conclusion 

Patients with paroxysmal  lone atrial  fibrillation demonstrate  structural abnormalities 

characterised by loss of myocardial voltage, conduction slowing and an increase in the 

  95

proportion of  complex electrograms.  These  abnormalities  contribute  to  the  “second 

factor” critical to the development and progression of atrial fibrillation. 

 

  96

Table 3.1 

Patient characteristics 

 

  AF (n=12) 

Reference (n=12) 

p value   

Age (years)  51±7  47±9  0.2  

Male gender (%)  92  75  0.6  

Median AF history (months)  60  0  n/a  

Longest AF duration (days)  3.0±2.6  0  n/a  

Left atrial parasternal size (mm)  41±6  34±4  0.01  

Interventricular septum (mm)  11±2  11±1  0.6  

Left Ventricular ejection fraction (%)  55±9  57±9  0.8  

 

 

 

 

  97

Figure 3‐1 

Regional bipolar voltage 

 

 

 

Mean (+ standard deviation) bipolar voltage of the 7 right and 6 left atrial regions from 

the electroanatomical map. 

*p<0.001, †p<0.01, ‡p<0.05. RA – right atrium. LA – left atrium. H – high. L – low. 

 

  98

Figure 3‐2 

Example electroanatomical bipolar voltage maps  

 

Representative  CARTO  maps  of  a  patient  with  atrial  fibrillation  (bottom)  and  a 

reference patient (top). Both atria are oriented in the posterior‐anterior projection and 

are  of  the  same  scale.  The  colour  scale  is  identical  in  both  images  with  red 

representing  voltage  ≤0.5mV  and  purple  being  voltage  ≥5mV.  In  addition  to  having 

greater  regions  of  low  voltage  (red),  the  patient  with  atrial  fibrillation  has  more 

evidence of  conduction  abnormalities  in  the  form of  fractionated  signals  (pink  tags) 

and double potentials (blue tags). 

  99

Figure 3‐3 

Regional conduction velocity 

 

Mean (+ standard deviation) conduction velocity in the 7 right and 6 left atrial regions 

from the electroanatomical map. 

*p<0.001, †p=0.01, ‡p<0.05. RA – right atrium. LA – left atrium. H – high. L – low. 

 

 

 

  100

Chapter 4.                                                                   Right atrial electrical substrate of atrial flutter 

4.1 Introduction  

The circuit of typical atrial flutter has been well characterised with the crista terminalis 

and  the  tricuspid annulus defined as  the posterior and anterior  conduction barriers, 

respectively (Cosio et al. 1988; Olgin et al. 1995; Kalman et al. 1996; Nakagawa et al. 

1996). Ablation of the cavotricuspid  isthmus  is a highly successful treatment for atrial 

flutter,  however  a  significant  proportion  subsequently  develop  atrial  fibrillation 

(Paydak et al. 1998; Chinitz et al. 2007; Ellis et al. 2007).  Indeed, atrial  flutter has a 

close  inter‐relationship with atrial fibrillation and the two rhythms frequently co‐exist 

(Halligan et  al. 2004). Key  to  the understanding of  this  relationship  are  the  seminal 

observations by Waldo and colleagues that typical atrial flutter almost always develops 

from antecedent atrial fibrillation of variable duration (Shimizu et al. 1991; Waldo and 

Cooper 1996). One of  the postulates  for  this observation has been  that  a period of 

atrial  fibrillation  facilitates the development of the  functional conduction block along 

the crista terminalis required for atrial flutter to sustain.  

It  is  well  recognised  that  atrial  fibrillation  occurs  in  patients  with  structural  heart 

disease and an abnormal atrial substrate (Kannel et al. 1982b). The atrial substrate has 

been extensively characterised in conditions predisposed to the development of atrial 

fibrillation such as heart failure, hypertension, valvular heart disease, congenital heart 

disease, sinus node disease and ageing (Li et al. 1999; Morton et al. 2003; Sanders et 

al. 2003; Verheule et al. 2003; Kistler et al. 2004; Sanders et al. 2004a; Kistler et al. 

2006; John et al. online early). Whether similar such abnormal atrial substrate exists in 

  101

patients  with  atrial  flutter  to  account  for  the  frequent  co‐existence  of  both 

arrhythmias is not known. 

We  hypothesised  that  patients  with  atrial  flutter  would  demonstrate  an  abnormal 

atrial substrate to account for the frequent development of atrial fibrillation. In order 

to evaluate the substrate without the electrical remodelling effects of the arrhythmia 

itself, we performed electrophysiological mapping of right atrium remote in time from 

the arrhythmia. 

 

4.2 Methods 

4.2.1 Study Population 

This  study  comprised  8  patients  without  antecedent  atrial  fibrillation  undergoing 

ablation  for  typical  atrial  flutter  and  a  reference  group  of  12  patients  undergoing 

radiofrequency  ablation  for  atrioventricular  reentry  tachycardia  or  atrioventricular 

nodal  reentry  tachycardia.  Patients with  atrial  flutter were  selected  on  the  basis  of 

having  ≥2  previous  episodes  of  typical  atrial  flutter  confirmed  on  a  12‐lead 

electrocardiogram.  These  patients  were  documented  to  be  in  sinus  rhythm  and 

described  no  symptoms  attributable  to  atrial  flutter  for  at  least  1 month  prior  to 

ablation. In addition, all patients underwent continuous monitoring for 7 days prior to 

the  study  and  were  excluded  if  they  had  evidence  of  any  atrial  arrhythmia  >30 

seconds. 

All anti‐arrhythmic medication was ceased ≥5 half‐lives prior to the study. No patient 

had received amiodarone. All patients provided written informed consent to the study 

  102

protocol which was approved by the Human Research Ethics Committee of the Royal 

Adelaide Hospital.  

 

4.2.2 Electrophysiological Study and Ablation 

Electrophysiological  study was performed  in  the post‐absorptive  state with  sedation 

utilising midazolam and fentanyl. In patients with atrial flutter the study protocol was 

performed before ablation, while in the reference group this was done after ablation. 

Following  the  study  protocol,  patients  with  atrial  flutter  underwent  cavotricuspid 

isthmus ablation with a delivered power of 35W with  irrigation rates of 30‐60mL/min 

and an endpoint of bi‐directional isthmus block. 

 

4.2.3 Electrophysiology Study Protocol 

The following catheters were positioned for the study protocol: (i) a 10‐pole catheter 

(2‐5‐2mm  inter‐electrode  spacing, Daig  Electrophysiology) within  the  coronary  sinus 

with the proximal bipole at the coronary sinus ostium as determined in the best septal 

left anterior oblique position; (ii) a 20‐pole “crista” catheter (1‐3‐1mm inter‐electrode 

spacing,  Biosense‐Webster)  placed  along  the  crista  terminalis  with  the  distal  tip 

superiorly such that the second bipole lay at the junction of the superior vena cava and 

right atrium, stabilised by a long sheath (CSTA, Daig Electrophysiology) to ensure close 

apposition  to  the postero‐lateral  right  atrium;  and  (iii)  a 20‐pole  catheter  (2‐5‐2mm 

inter‐electrode spacing, Daig Electrophysiology) placed  initially along  the  lateral  right 

  103

atrium  and  then moved  to  the  high  right  atrial  septum  (Figure  4‐1).  The  following 

parameters were determined: 

4.2.3.1 Effective Refractoriness 

Atrial ERP was evaluated at twice diastolic threshold at cycle lengths of 600 and 450ms 

using an 8‐beat drive followed by an extra‐stimulus, starting with a coupling interval of 

150ms increasing in 10ms increments. ERP was defined as the longest coupling interval 

failing to propagate to the atrium. At each site the ERP was measured 3 times at each 

cycle length and averaged. If ERP varied by >10ms an additional 2 measurements were 

made and the total number averaged. ERP was measured from the following sites: (i) 

distal coronary sinus; (ii) proximal coronary sinus; (iii) low‐lateral right atrium; (iv) high‐

lateral right atrium; and (v) high‐septal right atrium. Atrial fibrillation  induced by ERP 

testing  lasting >5 minutes was  considered  sustained; when  this occurred, no  further 

data was acquired. 

4.2.3.2 Atrial Conduction 

  Atrial conduction  time was assessed along  linearly placed catheters by pacing 

the distal bipole (1,2) and determining the conduction time to a proximal bipole (9,10) 

at  the  coronary  sinus  and  lateral  right  atrium.  Conduction  time  at  each  site  was 

averaged over 10 beats during stable capture at 600 and 450ms cycle lengths.  

  P  wave  duration  was  determined  as  a marker  of  global  conduction  by  the 

average of 10 beats on ECG lead II. 

  104

4.2.3.3 Site‐specific Conduction Abnormalities at the Crista Terminalis 

The number of bipoles on the crista terminalis catheter with discrete double potentials 

separated by an isoelectric interval or complex fractionated activity of ≥50ms duration, 

and  the  maximum  electrogram  duration  were  determined  during  sinus  rhythm, 

constant  pacing  and  for  the  shortest‐coupled  captured  extra‐stimulus  from  the 

proximal coronary sinus and low‐lateral right atrium. 

4.2.3.4 Sinus Node Function 

Sinus  node  function  was  evaluated  as  follows:  (i)  Baseline  sinus  cycle  length  was 

determined over 10 consecutive sinus cycles; (ii) SACT was determined after an 8‐beat 

pacing  train  using  the  formula  [SACT  =  (return  ‐  basic  cycle  length)/2]  3  times  and 

averaged; and (iii) CSNRT was determined after a 30‐second drive train at cycle lengths 

of 600 and 450ms, correcting for the baseline cycle length. At each cycle length, CSNRT 

was determined 3 times and averaged. 

 

4.2.4 Statistical Analysis 

Continuous variables are reported as mean ± standard deviation or median and inter‐

quartile  range  as  appropriate.  Categorical  variables  are  reported  as  number  and 

percentage.  Proportions  were  compared  using  Fisher’s  Exact  test.  Comparisons 

between means were analysed using analysis of variance and paired or unpaired t tests 

as  appropriate.  Comparisons with  adjustment  for multiple  sampling within  patients 

were  performed  using  a  Mixed  Linear  Model  for  continuous  data  or  a  logistic 

  105

Generalised Estimating Equation for categorical data. Statistical tests were performed 

using SPSS 15 (SPSS Inc) and statistical significance was set at p<0.05. 

 

4.3 Results 

4.3.1 Baseline Details 

Baseline patient characteristics are summarised in Table 4.1. Patients with atrial flutter 

had  a median  atrial  flutter  history  of  6.5 months  (IQR  3‐13),  however  they  had  no 

history of any arrhythmia for at  least 1 month (range 1‐8 months) prior to the study. 

Groups were well matched for age, left ventricular dimensions and hypertrophy, while 

differences in atrial size did not reach significance on trans‐thoracic echocardiogram. 

 

4.3.2 Atrial Refractoriness 

For patients with atrial flutter, the mean ERP across all sites trended to be greater than 

that  of  reference  patients  (at  600ms:  244±25  versus  227±15ms,  p=0.07;  at  450ms: 

232±29  versus  213±12ms,  p=0.06).  At  each  site  patients  with  atrial  flutter 

demonstrated equal or higher ERP when compared  to  the reference group, however 

this difference was only statistically significant at one site, the high‐lateral right atrium 

(Figure 4‐2). The ERP was higher following 600ms drive trains than after 450ms drive 

trains  for  both  patients  with  atrial  flutter  (244±25  versus  235±30,  p=0.02)  and 

reference  patients  (227±15  versus  213±12,  p<0.001);  no  difference  in  physiological 

rate‐adaptation of ERP was observed between groups (p=0.7). 

  106

4.3.3 Atrial Conduction Time  

The conduction time along linear catheters at the lateral right atrium and the coronary 

sinus  was  significantly  longer  in  patients  with  atrial  flutter  when  compared  with 

reference patients (p=0.04) and this difference depended on the site of measurement 

(p<0.001  for  interaction).  Post  hoc  tests  performed  within  the  statistical  model 

revealed  slower  conduction observed  along  the  lateral  right  atrium  in patients with 

atrial  flutter  than  the  reference  group  (67±4  versus  47±3ms,  p<0.001)  and  no 

difference in conduction time at the coronary sinus (45±4 versus 46±3ms, p=0.8). 

The  P  wave  duration  was  significantly  prolonged  in  patients  with  atrial  flutter 

compared to reference patients (122±18 versus 102±11ms, p=0.007). 

 

4.3.4 Site‐Specific Conduction Abnormalities 

Site‐specific  conduction  abnormalities  at  the  crista  terminalis  during  sinus  rhythm 

were more apparent  in patients with atrial  flutter  than  in  reference patients. During 

sinus  rhythm,  patients  with  atrial  flutter  had  a  greater  number  of  bipoles 

demonstrating  double  potentials  or  fractionated  signals  on  the  crista  terminalis 

catheter  than  reference  patients  (4.1±2.6  versus  1.0±1.1  respectively,  p=0.001)  of 

which  the  maximum  electrogram  duration  was  longer  (80±26  versus  53±7ms 

respectively, p=0.004). These differences were even more marked during pacing and 

increased further with extra‐stimulus (Figure 4‐3). These data highlight the functional 

nature of the conduction delay at the crista terminalis, as evidenced by variation in the 

extent of conduction abnormalities depending on the rate and site of stimulation. 

  107

4.3.5 Sinus Node Function 

Patients with  atrial  flutter  had  a  longer  baseline  sinus  cycle  length  than  reference 

patients (1019±184 versus 777±137ms, p=0.003) and longer CSNRT at 450ms (318±71 

versus 203±94ms, p=0.02). Differences  in SACT  (107±53 versus 82±35ms, p=0.2) and 

CSNRT at 600ms (266±113 versus 194±74ms, p=0.1) did not reach significance.  

 

4.4 Discussion 

4.4.1 Major Findings 

This  study utilised electrophysiological mapping  to demonstrate new  information on 

the nature of atrial abnormalities in patients with typical atrial flutter, remote from an 

arrhythmic event. The major findings are as follows: 

(i) Conduction  abnormalities  characterised  by  prolongation  of  lateral  right 

atrial conduction time, longer P wave duration and site‐specific conduction 

delay.  

(ii) Impairment of sinus node function. 

(iii) An  increase or no  change  in ERP,  consistent with prior  studies evaluating 

clinical  substrates  for atrial arrhythmia but  in contrast  to  the  remodelling 

attributed to atrial arrhythmia itself.  

Thus, the present study suggests that patients with atrial flutter, studied remote from 

an arrhythmic event, have widespread and persistent abnormal atrial  substrate. We 

  108

posit  that  these  diffuse  atrial  abnormalities  are  partly  responsible  for  the  frequent 

development of atrial fibrillation in patients with atrial flutter. 

 

4.4.2 The Inter‐relationship between Atrial Flutter and Atrial Fibrillation 

Ablation of atrial  flutter has been observed  to significantly  reduce  the occurrence of 

atrial  fibrillation  at  496±335  days  post‐ablation  from  55%  to  33%  (Schmieder  et  al. 

2003). Despite this reduction, reports from patient cohorts followed up after ablation 

for  atrial  flutter  describe  subsequent  atrial  fibrillation  rates  ranging  from  25%  after 

20±9 months surveillance (Paydak et al. 1998) to 82% at 39±11 months follow up (Ellis 

et  al.  2007).  Thus,  it  is  clear  that  although  atrial  flutter  may  be  the  only  clinical 

arrhythmia initially apparent, progression to atrial fibrillation is not uncommon. 

The atrial arrhythmias of atrial  flutter and atrial  fibrillation  share many of  the  same 

aetiological factors and often co‐exist in the same patient (Vidaillet et al. 2002). Liu et 

al. (2002) observed that ablation of conduction gaps in the crista terminalis can result 

in  the  organisation  of  atrial  fibrillation  to  atrial  flutter.  Shimizu  et  al.  (1991) 

demonstrated in dogs that the onset of atrial flutter in the sterile pericarditis model is 

preceded by atrial fibrillation. Ortiz et al. (1994) provided insights into the mechanism 

of atrial flutter by demonstrating that maintenance of stable atrial flutter was directly 

dependent on sufficient length of functional block being present in the right atrial free 

wall. The  further observation  that  triggers  in post‐bypass patients  led  to  transitional 

atrial  fibrillation  and  then  atrial  flutter  supported  the  notion  that  atrial  fibrillation, 

however  short‐lived,  was  integral  to  the  development  of  the  necessary  functional 

block (Waldo and Cooper 1996). Roithinger et al. (1997) subsequently observed regular 

  109

right atrial activation during atrial  fibrillation which  slowed and organised  into atrial 

flutter, thereby implicating atrial fibrillation in the generation of atrial flutter. 

Testing  the  hypothesis  that  atrial  fibrillation  was  indeed  necessary  for  subsequent 

atrial flutter, Wazni et al. (2003) studied the effect of trigger elimination by performing 

pulmonary  vein  isolation without  cavotricuspid  isthmus  ablation  in  59 patients with 

both atrial  fibrillation and atrial  flutter and  found  that although 32 of  these patients 

developed episodes of atrial flutter acutely, only 3 had sustained atrial flutter after 8 

weeks. Indeed, patients undergoing ablation for atrial fibrillation in whom atrial flutter 

has not been documented clinically or at electrophysiology study have no difference in 

outcome with or without cavotricuspid  isthmus  line  (Shah et al. 2007). Patients with 

typical  atrial  flutter  in  addition  to  paroxysmal  atrial  fibrillation have been  shown  to 

have more frequent recurrence of arrhythmia following pulmonary vein cryoisolation 

with accompanying  isthmus  line than patients with atrial fibrillation alone, suggesting 

that  the  substrate  of  patients with  atrial  flutter  harbours  important  non‐pulmonary 

vein sites of arrhythmogenesis (Moreira et al. 2007). 

 

4.4.3 Substrate Predisposing to the Development of Atrial Flutter 

Experimental models have shown the development of an abnormal electrical substrate 

with  atrial  flutter. Morton  et  al.  (2002)  demonstrated  that  prolonged  atrial  flutter 

resulted in an abrupt reduction in refractoriness and a slower reduction in conduction 

velocity. Additionally, this study underlined the  importance of critically‐timed triggers 

in the conversion of atrial flutter to atrial fibrillation after the necessary substrate was 

allowed to develop after 4 weeks of atrial flutter.  

  110

Patients with chronic atrial flutter have been observed to have electrical remodelling 

by  way  of  shortened  monophasic  action  potential  durations  with  impaired  rate 

adaptation  compared  to  control  patients  (Franz  et  al.  1997). Ramanna  et  al.  (2005) 

have shown that an increase in the dispersion of refractoriness predicts the inducibility 

of atrial fibrillation in patients undergoing ablation for atrial flutter. Sparks et al. (2000) 

studied  patients  with  paroxysmal  atrial  flutter  and  observed  a  reduction  in  ERP 

immediately following 5‐10 minutes of  induced atrial flutter with a return to baseline 

ERP  over  a  period  of minutes.  In  patients with  chronic  atrial  flutter  however,  ERP 

remained  low out  to 30 minutes but was  seen  to  recover  (in addition  to  sinus node 

function) when  retested  at  3 weeks.  Further  evidence  for  remodelling  of  the  sinus 

node with atrial  flutter  is reported by Daoud et al.  (2002) who studied patients with 

chronic  atrial  flutter  following  ablation  and  observed  impaired  sinus  node  function 

which recovered over a 3 month period.  

These reports of electrical remodelling as a result of atrial flutter characterised by ERP 

shortening and impairment of sinus node function have underlined the importance of 

recent arrhythmia  in generating  these  features. Whether  such  features persist when 

tested remote from an episode of atrial flutter is critical when elucidating the features 

of the underlying atrial substrate (rather than the effects of rate related remodelling) 

that may aid the progression of arrhythmia to atrial fibrillation. 

 

4.4.4 Substrate in Conditions Predisposed to Atrial Arrhythmia 

While  studies  have  implicated  the  role  of  shortened  ERP  resulting  from  arrhythmia 

itself  in  the development and maintenance of atrial arrhythmia  (Morillo et al. 1995; 

  111

Wijffels et  al. 1995), evaluation of  conditions predisposed  to  atrial  flutter  and  atrial 

fibrillation  (but without arrhythmia) have provided evidence  to  the contrary. Li et al. 

(1999) developed a canine model of congestive heart failure and demonstrated "atrial 

remodelling of a different sort" to that seen due to atrial fibrillation alone. An increase 

in  ERP  at  short  cycle  lengths  associated  with  an  increase  in  the  heterogeneity  of 

conduction  resulted  in  longer  durations  of  atrial  fibrillation  despite  the  increase  in 

refractoriness. Verheule et al. (2003) observed an increase in ERP but a propensity for 

atrial  fibrillation  in  a  canine model  of mitral  regurgitation,  presumed  to  be  due  to 

abnormalities in conduction and structural remodelling. In humans, patients with atrial 

septal defects have demonstrated prolonged ERP and delayed conduction across  the 

crista  terminalis  compared  to  reference patients  (Morton et al. 2003). Patients with 

congestive heart  failure similarly have significant conduction abnormalities and sinus 

node dysfunction in association with prolonged ERP (Sanders et al. 2003). Kistler et al. 

(2004) have demonstrated widespread and site‐specific conduction abnormalities in a 

progressive manner with  increasing  age.  Similar  changes have been documented by 

Sanders et al. (2004a) and John et al. (online early) in patients with sinus node disease 

and rheumatic mitral stenosis, respectively.  

These  experimental  and  clinical  studies  provide  compelling  evidence  that  the 

predominant  electrophysiological  features  of  the  substrate  for  atrial  arrhythmias, 

excluding  the  effect  of  arrhythmia  itself,  are  related  to  conduction  abnormalities 

rather  than  changes  in  refractoriness.  In  the  current  study  we  have  shown  that 

patients  with  atrial  flutter,  studied  remote  from  arrhythmia,  have  right  atrial 

conduction  abnormalities  and  sinus  node  dysfunction, without  obvious  reduction  in 

  112

refractoriness.  These  findings  are  consistent with  the  studies  to have  evaluated  the 

substrate predisposing to atrial fibrillation. 

 

4.4.5 Implications 

This  study has  confirmed  the existence of  significant widespread  remodelling of  the 

atria  in patients with atrial flutter remote from an arrhythmic event characterised by 

increased linear conduction times, sinus node dysfunction and site‐specific conduction 

abnormalities.  Patients were  studied  remote  in  time  from  the  arrhythmia  itself  to 

evaluate  the  underlying  substrate  without  the  known  confounding  effects  of 

arrhythmia  itself, which may well further perpetuate atrial arrhythmia. These findings 

strongly  argue  that  patients with  atrial  flutter  have  a  pre‐existing  diffuse  substrate 

which may contribute  to both  the  frequent co‐existence of atrial  fibrillation and  the 

development of atrial fibrillation after ablation for atrial flutter. 

 

4.4.6 Limitations  

While  the  abnormalities  observed  in  this  study  may  constitute  the  substrate 

predisposing  to  atrial  fibrillation,  the  development  of  clinical  atrial  fibrillation  is 

complex and depends not only on substrate but also on other factors such as triggers 

and perpetuators that were not addressed by this study (Allessie et al. 2001). Access to 

the left atrium was not mandated by the clinical procedure therefore no left atrial data 

could  be  collected.  Finally,  although  no  patient  had  symptoms  for  a  month  and 

patients were monitored  for a week prior to the procedure to ensure our evaluation 

  113

was remote from an episode of atrial flutter, we cannot exclude an additive effect of 

rate‐related  remodelling,  although  there  is  a  substantial  amount  of  evidence  that 

electrical remodelling reverses within a short time after restoration of atrial flutter to 

sinus rhythm (Sparks et al. 2000). 

 

4.5 Conclusion 

Patients  with  atrial  flutter,  remote  from  an  arrhythmic  episode,  demonstrate 

conduction abnormalities and altered sinus node function, without reduction  in atrial 

refractoriness.  These  findings  suggest  that  the  cause  of  the  observed  close  inter‐

relationship  of  atrial  flutter  and  atrial  fibrillation  may  be  reflected  in  this  atrial 

substrate. 

 

  114

Table 4.1 

Patient characteristics 

 

  Atrial Flutter 

(n=8) 

Reference 

(n=12) 

p value 

 

Age (years)  66±8  59±12  0.2 

Structural heart disease, n (%)  2 (25)  1 (8)  0.5 

Left atrial parasternal size (mm)  41±8  38±7  0.5 

Left atrial area (cm2)  22±5  19±4  0.3 

Right atrial area (cm2)  19±3  13±6  0.1 

LV end‐diastolic dimension (mm)  49±4  46±6  0.3 

LV end‐systolic dimension (mm)  30±7  30±5  0.9 

Interventricular septum (mm)  10±2  11±1  0.2 

 

LV = left ventricular. 

  115

Figure 4‐1 

Catheter positions on fluoroscopy 

 

 

 

Left  anterior  oblique  view  of  a  decapolar  catheter  in  the  coronary  sinus,  a 

duodecapolar  catheter  along  the  crista  terminalis  with  its  stabilising  sheath  and  a 

duodecapolar catheter along the lateral right atrium. Subsequently, the duodecapolar 

catheter was positioned at the high‐septal right atrium for ERP testing (not shown). 

  116

Figure 4‐2 

Regional effective refractoriness 

 

Mean  (+  standard  deviation)  effective  refractory  period  at  the  five  sites  tested 

following a 600ms drive train (top) and a 450ms drive train (bottom)  in patients with 

atrial  flutter  and  reference patients. All  values  for 600ms  are higher  than  the  same 

patient group and site value for 450ms. 

*p<0.05. dCS – distal coronary sinus. pCS – proximal coronary sinus. LLRA – low lateral 

right atrium. HLRA – high lateral right atrium. HRAS – high right atrial septum. 

  117

Figure 4‐3 

Conduction characteristics at the crista terminalis 

 

 

 

Mean (+ stand

ard de

viation) num

ber (le

ft) and maxim

um duration (right) of dou

ble po

tentials or fractio

nated 

signals alon

g the crista terminalis during pacing

 (S1) at 600ms (top

) and 450m

s (bottom) and with

 the

 earliest 

captured

 extra‐stim

ulus (S2) at the proxim

al coron

ary sinu

s (pCS) a

nd low‐la

teral right atrium (LLRA) in patie

nts with

 

atrial flutter a

nd referen

ce patients. p<0.03 for all com

parisons between atrial flutter a

nd referen

ce patients. 

  118

Chapter 5.                                                                  Right atrial electroanatomical substrate of atrial flutter 

5.1 Introduction 

The underlying substrate of  typical atrial  flutter  is not  fully understood. Atrial  flutter 

has a close inter‐relationship with atrial fibrillation and the two rhythms frequently co‐

exist (Halligan et al. 2004). Ablation of atrial flutter has been observed to significantly 

reduce  the occurrence of atrial  fibrillation  in  the short  term  (Schmieder et al. 2003). 

Despite  this  reduction a significant proportion, perhaps even  the majority with  long‐

term follow‐up, eventually develop atrial fibrillation (Paydak et al. 1998; Chinitz et al. 

2007;  Ellis  et  al.  2007;  Meissner  et  al.  2007;  Moreira  et  al.  2008).  Key  to  the 

understanding of  the  close  inter‐relationship  for atrial  flutter and atrial  fibrillation  is 

the  recognition  that  typical  flutter  almost  always  develops  from  antecedent  atrial 

fibrillation  of  variable  duration  (Shimizu  et  al.  1991;  Waldo  and  Cooper  1996; 

Roithinger  et  al.  1997).  Emerging  evidence  implicates  abnormal  atrial  structural 

remodelling and its resultant electrophysiological milieu in clinical conditions known to 

be predisposed  to atrial  fibrillation  (Li et al. 1999; Morton et al. 2003; Sanders et al. 

2003; Verheule et al. 2003; Kistler et al. 2004; Sanders et al. 2004a; Kistler et al. 2006; 

John  et  al.  online  early).  Whether  patients  with  atrial  flutter  also  demonstrate 

abnormal  substrate  outside  of  the well  characterised  circuit  of  typical  flutter  is  not 

known.  

Critical to our management of patients with both atrial flutter and atrial fibrillation  is 

an  understanding  of  the  interactions  and  shared  characteristics  of  these  rhythms. 

Importantly, electrical characteristics of patients with atrial arrhythmia are known  to 

  119

be affected by recent arrhythmia (Wijffels et al. 1995). We hypothesised that patients 

with atrial flutter would demonstrate an abnormal atrial substrate to account for the 

frequent  development  of  atrial  fibrillation.  In  order  to  evaluate  this we  performed 

high‐density  electroanatomical  mapping  of  the  right  atrium  to  assess  voltage  and 

conduction  characteristics  of  the  atrial  flutter  substrate,  remote  from  recent 

arrhythmia. 

 

5.2 Methods 

5.2.1 Study Population 

This  study  comprised  12  patients  without  antecedent  atrial  fibrillation  undergoing 

ablation  for  typical  atrial  flutter  and  a  reference  group  of  9  patients  undergoing 

radiofrequency  ablation  for  atrioventricular  reentry  tachycardia  or  atrioventricular 

nodal  reentry  tachycardia.  Patients with  atrial  flutter were  selected  on  the  basis  of 

having  ≥2  previous  episodes  of  typical  atrial  flutter  confirmed  on  a  12‐lead 

electrocardiogram.  These  patients  were  documented  to  be  in  sinus  rhythm  and 

described  no  symptoms  attributable  to  atrial  flutter  for  at  least  1 month  prior  to 

ablation. In addition, all patients underwent continuous monitoring for 7 days prior to 

the  study  and  were  excluded  if  they  had  evidence  of  any  atrial  arrhythmia  >30 

seconds. 

All anti‐arrhythmic medication was ceased ≥5 half‐lives prior to the study. No patient 

had received amiodarone. All patients provided written informed consent to the study 

  120

protocol which was approved by the Human Research Ethics Committee of the Royal 

Adelaide Hospital.  

 

5.2.2 Electrophysiological Study and Ablation 

Electrophysiological  study was performed  in  the post‐absorptive  state with  sedation 

utilising midazolam and fentanyl. In patients with atrial flutter the study protocol was 

performed before ablation, while in the reference group this was done after ablation. 

Following  the  study  protocol,  patients  with  atrial  flutter  underwent  cavotricuspid 

isthmus ablation with a delivered power of 35W with  irrigation rates of 30‐60mL/min 

and an endpoint of bi‐directional isthmus block. 

 

5.2.3 Electroanatomical Study Protocol 

Electroanatomical maps were created of the right atrium during sinus rhythm using the 

CARTO mapping  system  (Biosense‐Webster).  The  electroanatomical mapping  system 

has been previously described  in detail; the accuracy of the sensor position has been 

previously validated and  is 0.8mm and 5 degrees  (Gepstein et al. 1997).  In brief,  the 

system records the surface ECG and bipolar electrograms filtered at 30‐400Hz from the 

mapping  and  reference  catheters.  Endocardial  contact  during  point  acquisition was 

facilitated by electrogram  stability,  fluoroscopy and  the  catheter  icon on  the CARTO 

system. Points were acquired  in the auto‐freeze mode  if the stability criteria  in space 

(≤6mm) and  local activation time (≤5ms) were met. Mapping was performed with an 

equal  distribution  of  points  using  a  fill‐threshold  of  15mm.  Editing  of  points  was 

  121

performed off‐line. Local activation  time was manually annotated  to  the peak of  the 

largest  amplitude  deflection  on  bipolar  electrograms;  in  the  presence  of  double 

potentials  this  was  annotated  at  the  largest  potential.  If  the  bipolar  electrogram 

displayed  equivalent  maximum  positive  and  negative  deflections,  the  maximum 

negative deflection on the simultaneously acquired unipolar electrogram was used to 

annotate  the  local activation  time. Points not conforming  to  the surface ECG P wave 

morphology  or  <75%  of  the maximum  voltage  of  the  preceding  electrogram  were 

excluded.  Regional  atrial  bipolar  voltage  and  conduction  velocity were  analysed  as 

previously described and are detailed below  (Sanders et al. 2003; Kistler et al. 2004; 

Sanders et al. 2004a; John et al. online early).  

5.2.3.1 Voltage Analysis 

For  the  purposes  of  evaluating  regional  voltage  differences,  each  atrium  was 

segmented using previously  validated offline  software  (Kuklik et  al. 2004). The  right 

atrium  was  segmented  as  the  high‐  and  low‐lateral  right  atrium,  high‐  and  low‐

posterior right atrium, high‐ and  low‐septal right atrium, and anterior right atrium. At 

each of these regions an average voltage of 10 points was determined. The voltage of 

points identified by region was exported for analysis. Low voltage points were defined 

as points with a bipolar voltage ≤0.5mV and electrically silent points as the absence of 

recordable  activity  or  a  bipolar  voltage  amplitude  ≤0.05mV  (the  noise  level  of  the 

system). 

5.2.3.2 Conduction Velocity Analysis 

Isochronal  activation maps  (5ms  intervals)  of  the  atria  were  created  and  regional 

conduction velocity determined  in the direction of  the wave‐front propagation  (least 

  122

isochronal  crowding).  An  approximation  of  conduction  velocity was  determined  by 

expressing  the distance between  two points  as  a  function of  the difference  in  local 

activation  time.  Mean  conduction  velocity  for  each  region  was  determined  by 

averaging  the conduction velocity between 5 pairs of points, as previously described 

(Sanders et al. 2003; Kistler et al. 2004; Sanders et al. 2004a; John et al. online early). 

For  the  purposes  of  evaluating  regional  conduction  differences,  each  atrium  was 

segmented as above.  

5.2.3.3 Complex Electrograms 

The proportion of points demonstrating complex electrograms was determined using 

the following definitions: (i) Fractionated signals – complex activity of ≥50ms duration; 

and (ii) Double potentials – potentials separated by an isoelectric interval where total 

electrogram duration was ≥50ms. 

 

5.2.4 Statistical Analysis 

Continuous variables are reported as mean ± standard deviation or median and inter‐

quartile  range  as  appropriate.  Categorical  variables  are  reported  as  number  and 

percentage.  Proportions  were  compared  using  Fisher’s  Exact  test.  Comparisons 

between means were analysed using analysis of variance and paired or unpaired t tests 

as  appropriate.  Comparisons with  adjustment  for multiple  sampling within  patients 

were  performed  using  a  Mixed  Linear  Model  for  continuous  data  or  a  logistic 

Generalised Estimating Equation for categorical data. Statistical tests were performed 

using SPSS 15 (SPSS Inc) and statistical significance was set at p<0.05. 

  123

 

5.3 Results 

5.3.1 Baseline Details 

Baseline patient characteristics are summarised in Table 5.1. Patients with atrial flutter 

had  a median  atrial  flutter  history  of  16 months  (IQR  8‐22),  however  they  had  no 

history of any arrhythmia for at  least 1 month (range 1‐7 months) prior to the study. 

Groups  were  well  matched  for  age,  left  ventricular  dimensions  and  hypertrophy, 

however patients with atrial flutter had significantly  larger  left atria on trans‐thoracic 

echocardiogram. 

A  total  of  97±19  points  per  patient  were  analysed  in  the  right  atrium  using 

electroanatomical mapping. 

 

5.3.2 Structural and Voltage Abnormalities 

Mean  right  atrial  volume  by  electroanatomical  map  was  significantly  greater  in 

patients with atrial  flutter compared  to  reference patients  (121±30 versus 83±24mL, 

p=0.005).  The mean  right  atrial  bipolar  voltage was  reduced  in  patients with  atrial 

flutter compared to reference patients (2.1±0.5 versus 3.0±0.5mV, p<0.001). Regional 

differences  in  bipolar  voltage  are  illustrated  in  Figure  5‐1;  significant  differences 

between patients with atrial  flutter and reference patients were seen  in high‐lateral, 

high‐posterior  and  anterior  regions. Additionally, points  at  the high‐posterior  region 

were more  likely to be  low voltage (≤0.5mV)  in patients with atrial flutter (odds ratio 

3.7, 95% CI 2.1‐6.7). No significant areas of electrical silence (≤0.05mV) were observed. 

  124

Illustrative examples of electroanatomical maps  in representative patients are shown 

in Figure 5‐2. 

 

5.3.3 Abnormalities in Conduction Velocity 

Patients with atrial  flutter had slower mean conduction velocity during sinus  rhythm 

compared  to  reference patients  (1.2±0.2 versus 2.1±0.6mm/ms, p<0.001). Figure 5‐3 

illustrates  regional  conduction  velocities, which were  significantly  slower  in patients 

with  atrial  flutter  compared  to  reference  patients  at  the  high‐lateral,  low‐posterior, 

low‐septal and anterior right atrium. 

The right atrial activation time was significantly prolonged in patients with atrial flutter 

compared to reference patients (107±23 versus 85±14ms, p=0.02). 

 

5.3.4 Complex Electrograms 

Patients with atrial flutter demonstrated a significantly greater number of points with 

double potentials or fractionated signals than reference patients (16±4 versus 10±6%, 

p=0.006). These points were distributed throughout both atria with a clustering at the 

high‐posterior, high‐lateral and high‐septal regions of the right atrium (Figure 5‐2). 

 

  125

5.4 Discussion 

5.4.1 Major Findings 

This study utilised electroanatomical mapping to demonstrate new information on the 

nature  of  atrial  abnormalities  in  patients with  typical  atrial  flutter,  remote  from  an 

arrhythmic event. The major findings are as follows: 

(i) Structural abnormalities characterised by atrial dilatation and  lower mean 

right atrial voltage suggesting the loss of atrial myocardium. 

(ii) Slower conduction velocities. 

(iii) An  increase  in  the  proportion  of  electrograms  characterised  as  double 

potentials or fractionated signals. 

Thus, the present study suggests that patients with atrial flutter, studied remote from 

an arrhythmic event, have widespread and persistent abnormal atrial  substrate. We 

posit  that  these  diffuse  atrial  abnormalities  are  partly  responsible  for  the  frequent 

development of atrial fibrillation in patients with atrial flutter. 

 

5.4.2 Substrate in Clinical Conditions Associated with Atrial Arrhythmia 

Sanders et al. have demonstrated significant electroanatomical remodelling with areas 

of low voltage and electrical scar with associated widespread conduction abnormalities 

in  patients  with  congestive  heart  failure  (2003)  and  sinus  node  disease  (2004a) 

compared  to  control  groups.  Kistler  et  al.  (2004)  have  demonstrated  by 

electroanatomical mapping studies that ageing is associated with progressive regional 

  126

conduction slowing and structural changes that  include areas of  low voltage. Perhaps 

the most marked changes have been shown in patients with rheumatic mitral stenosis 

in whom  striking  differences  in  voltage,  conduction  velocity  and  the  proportion  of 

complex electrograms are seen when compared to controls (John et al. online early). In 

addition to  the clinical studies, animal models of such diseases have revealed similar 

features  in the abnormal substrate contributing to the potential for arrhythmia (Li et 

al. 1999; Verheule et al. 2003; Kistler et al. 2006). 

These studies provide compelling evidence  that  the predominant contributors  to  the 

substrate for atrial arrhythmias are diffuse structural and conduction abnormalities. In 

the current study we have shown that patients with atrial flutter, studied remote from 

arrhythmia,  have  right  atrial  structural  remodelling  with  associated  conduction 

abnormalities. These  findings are  thus consistent with  the  studies  to have evaluated 

the clinical substrate predisposing to atrial fibrillation. 

 

5.4.3 Substrate in Experimental Models of Atrial Flutter 

Early work to create atrial flutter in animals included a crush injury model by creating a 

lesion between the venae cavae (Rosenbleuth and Garcia‐Ramos 1947). Based on the 

epicardial maps,  the authors deduced  that  the  reentry  loop circled around  the atrial 

crush lesion. Much work on atrial flutter has been performed in the sterile pericarditis 

dog model which  has  been  shown  to  dependably  produce  this  arrhythmia  to  allow 

characterisation  of  the  circuit  (Page  et  al.  1986).  One  of  the  critical  features 

demonstrated by this model  is that a sufficient  length of functional block  is critical to 

the maintenance of atrial  flutter  (Ortiz et al. 1994).  Interestingly,  the  time course of 

  127

atrial flutter developing is similar to that of the post‐bypass arrhythmias seen clinically 

(Waldo and Cooper 1996); this underscores the role of pericardial inflammation in the 

genesis  of  arrhythmia  in  cardiac  surgery  patients.  More  recently,  the  role  of 

inflammation  in  atrial  flutter  has  been  highlighted  in  a  study  in which  the  usually 

reliable induction of atrial flutter in the sterile pericarditis model was abolished by pre‐

treatment with prednisone (Goldstein et al. 2008). Histological and gross inspection of 

the  atria  revealed marked  structural  changes of  inflammation only  in  the untreated 

group, all of whom (bar one with atrial fibrillation) developed atrial flutter as expected. 

A sheep model of atrial flutter demonstrated that sustained atrial flutter for 4 weeks 

allows the development of atrial substrate such that conversion to atrial fibrillation  is 

achieved by extra‐stimuli and that this new rhythm  is able to be maintained (Morton 

et al. 2002). 

 

5.4.4 Substrate in Clinical Atrial Flutter 

Studies of human atrial flutter have been mainly concerned with elucidating the typical 

flutter circuit within  the  right atrium. This has now been well characterised with  the 

posterior and anterior barriers  to  the circuit defined as  the crista  terminalis and  the 

tricuspid valve, respectively (Olgin et al. 1995; Kalman et al. 1996). Differences  in the 

atrial  flutter  circuit  between  young  and  old  have  been  published,  with  younger 

patients tending toward slowest conduction in the lateral isthmus while older patients 

demonstrate a low voltage zone and slowest conduction in the medial isthmus (Huang 

et al. 2008). The substrate of patients with both atrial fibrillation and atrial flutter may 

differ  from  that  seen  in  atrial  fibrillation  alone. Patients with  typical  atrial  flutter  in 

  128

addition  to  paroxysmal  atrial  fibrillation  have  been  shown  to  have more  frequent 

recurrence  of  arrhythmia  following  pulmonary  vein  isolation  with  accompanying 

isthmus  line  (Moreira  et  al.  2007).  This  suggests  that  non‐pulmonary  vein  sites  are 

more  important  to  the maintenance of  atrial  fibrillation  in patients with  co‐existent 

atrial  flutter and supports  the view that  the atrial substrate  in atrial  flutter  is  indeed 

diffuse throughout the atria. 

 

5.4.5 Implications 

This study has confirmed the existence of significant diffuse remodelling of the atria in 

patients with atrial flutter remote from an arrhythmic event characterised by regional 

slowing in conduction and structural change reflected in lower voltage, larger atria and 

widespread conduction abnormalities. Patients were studied remote  in time from the 

arrhythmia itself to evaluate the underlying substrate without the known confounding 

effects of arrhythmia itself, which may well further perpetuate atrial arrhythmia. These 

findings  strongly  argue  that  patients  with  atrial  flutter  have  a  pre‐existing  diffuse 

substrate which may contribute to both the frequent co‐existence of atrial fibrillation 

and the development of atrial fibrillation after ablation for atrial flutter. 

 

5.4.6 Limitations  

Access to the left atrium was not mandated by the clinical procedure therefore no left 

atrial  data  could  be  collected. While  the  abnormalities  observed  in  this  study may 

constitute the substrate predisposing to atrial fibrillation, the development of clinical 

  129

atrial  fibrillation  is  complex  and  depends  not  only  on  substrate  but  also  on  other 

factors  such  as  triggers  and  perpetuators  that  were  not  addressed  by  this  study 

(Allessie et al. 2001).  

 

5.5 Conclusion 

Patients with atrial flutter, remote from an arrhythmic episode, demonstrate structural 

abnormalities characterised by  loss of myocardial voltage, conduction slowing and an 

increase  in the proportion of abnormal electrograms. These findings suggest that the 

cause of the observed close inter‐relationship of atrial flutter and atrial fibrillation may 

be reflected in this atrial substrate. 

  130

Table 5.1 

Patient characteristics 

 

  Atrial Flutter 

(n=12) 

Reference 

(n=9) 

p value 

 

Age (years)  55±10  59±15  0.5 

Structural heart disease, n (%)  2 (17)  1 (11)  1.0 

Left atrial parasternal size (mm)  41±4  34±4  0.001 

Left atrial area (cm2)  24±6  17±1  0.047 

Right atrial area (cm2)  19±4  17±4  0.5 

LV end‐diastolic dimension (mm)  52±4  50±6  0.5 

LV end‐systolic dimension (mm)  30±6  34±5  0.2 

Interventricular septum (mm)  12±5  10±2  0.5 

 

LV = left ventricular. 

  131

Figure 5‐1 

Regional bipolar voltage  

 

 

 

Mean  (+  standard  deviation)  bipolar  voltage  of  the  7  right  atrial  regions  from  the 

electroanatomical map. 

*p<0.05. H – high. L – low. 

  132

Figure 5‐2 

Example electroanatomical bipolar voltage maps 

 

 

Representative  CARTO maps  of  a  patient with  atrial  flutter  (right)  and  a  reference 

patient  (left).  Both  are  oriented  in  the  posterior‐anterior  projection  and  are  of  the 

same scale. The colour scale  is  identical  in both  images with red representing voltage 

≤0.5mV and purple being voltage ≥5mV.  In addition  to having greater regions of  low 

voltage (red), the patient with atrial flutter has evidence of conduction abnormalities 

in the form of fractionated signals (pink tags) and double potentials (blue tags). 

  133

Figure 5‐3 

Regional conduction velocity  

 

Mean (+ standard deviation) conduction velocity  in the 7 right atrial regions from the 

electroanatomical map. 

*p<0.05. H – high. L – low. 

 

  

 

 

  134

Chapter 6.                                                                   High‐density mapping of the sinus node to characterise the 

remodelling resulting from chronic atrial flutter 

6.1 Introduction 

The anatomical sinus node is a small localised structure that is located at the junction 

of the superior vena cava with the right atrium (James 1977; Anderson et al. 1979). In 

contrast, studies of the canine functional sinus node complex have identified that the 

area of initial cardiac depolarisation exceeds that of the anatomical sinus node by 3 to 

4‐fold  (Boineau  et  al.  1980).  Although  this  implicates  the  existence  of  widely 

distributed nodal cells capable of automaticity, histological sectioning of the region by 

a range of  investigators has failed to  identify  islands of nodal cells separate from the 

sinus  node  itself  (James  1977;  Anderson  et  al.  1979;  Boineau  et  al.  1980;  Sanchez‐

Quintana et al. 2005).  Boineau  et  al.  (1988)  undertook  several  of  the  early  seminal 

evaluations of the sinus node and have proposed two alternative hypotheses for extra‐

nodal sinus complex origins; (i) the existence of specialised conduction tracts from the 

anatomically fixed nodal source to remote exit sites, and (ii) a coordinated exchange of 

dominance amongst competing pacemakers via autonomic modulation. For the former 

explanation, the presence of nodal radiations into adjacent atrial myocardium through 

electrically  isolating  connective  tissue  supports  this  theory,  however  no  insulated 

rapidly‐conducting  tissue  analogous  to  that  found  in  the  ventricles  has  been 

conclusively demonstrated  (Anderson et al. 1981a). Supporting  the  latter hypothesis, 

autonomically‐mediated shifts in activation sites appear linked to changes in heart rate 

(Littmann  et  al.  1990),  however  the  mechanism  by  which  a  stable  heart  rate  is 

maintained without faster pacemakers dominating is yet to be demonstrated.  

  135

The observations above were based on  conventional mapping  techniques. However, 

newer mapping  technology has provided novel  insights  into arrhythmia mechanisms 

not previously  afforded using  conventional  techniques. Higa  et  al.  (2004) used non‐

contact mapping, and demonstrated “preferential pathways”  from earliest activation 

to the site where break‐out occurs to the remaining atria in ectopic atrial tachycardia. 

Whether  similar  pathways  exist  to  account  for  the  discrepancy  between  the 

anatomical and functional sinus node complex is not known.  

This study aimed to characterise the electrical properties of the functional sinus node 

complex  in the normal heart. To further explore the sinus node complex activity, the 

same characterisation was performed  in a group known to have  impaired sinus node 

function (Sparks et al. 2000; Daoud et al. 2002) to establish how sinus node activity is 

affected by atrial remodelling. The anatomical and electrical resolution provided by the 

three‐dimensional,  simultaneous, high‐density EnSite Array mapping  system  (St  Jude 

Medical) provides the ability to examine the extent and variability of endocardial sinus 

activation with detail not previously available. 

 

6.2 Methods 

6.2.1 Study Population 

Fifteen  patients with  structurally  normal  hearts  undergoing  radiofrequency  ablation 

for atrioventricular nodal  reentry  tachycardia were  studied as a  reference group. To 

evaluate  the  effects  of  remodelling,  a  further  16  patients  undergoing  ablation  for 

chronic  typical  atrial  flutter  (median  8 months,  IQR  6‐23) were  studied.  The  latter 

  136

group was  selected  on  the  basis  of  the well  documented  occurrence  of  sinus  node 

dysfunction with  atrial  flutter  in  previous  studies  (Sparks  et  al.  2000;  Daoud  et  al. 

2002). 

All anti‐arrhythmic medication  including beta‐blockers and calcium channel blockers, 

were ceased  ≥5 half‐lives prior  to  the study. No patient had  received amiodarone  in 

the preceding 6 months. All patients provided written  informed consent to the study 

protocol  that was  approved by  the Human Research Ethics Committee of  the Royal 

Adelaide Hospital.  

 

6.2.2 Electrophysiological Study and Ablation 

 Electrophysiological study was performed  in  the post‐absorptive state with sedation 

utilising  midazolam  and  fentanyl.  After  confirming  the  arrhythmia  mechanism, 

reference group patients underwent slow pathway ablation and patients with  flutter 

underwent  cavotricuspid  isthmus  ablation with  an  end‐point  of  bi‐directional  block 

confirmed  by  activation  mapping.  The  study  protocol  was  conducted  immediately 

following ablation for the clinical arrhythmia. 

The following catheters were used for the study protocol: (i) a 10‐pole catheter (2‐5‐

2mm  inter‐electrode  spacing, Daig Electrophysiology) positioned within  the coronary 

sinus with the proximal bipole at the coronary sinus ostium as determined in the best 

septal  left  anterior  oblique  position;  (ii)  a  20‐pole  “crista”  catheter  (1‐3‐1mm  inter‐

electrode  spacing, Biosense‐Webster) placed with  the distal  tip  superiorly  such  that 

the second bipole lay at the superior vena cava‐right atrial junction, stabilised by a long 

sheath  (CSTA,  Daig  Electrophysiology)  to  ensure  close  apposition  along  the  crista 

  137

terminalis; (iii) a roving 4mm ablation catheter (Celsius, Biosense‐Webster); and (iv) a 

multi‐electrode  array  (EnSite  Array,  St  Jude Medical) mounted  on  a  7.5mL  balloon 

positioned  in  the  superior  right atrium  (Figure 6‐1). Maps were  created of  the  right 

atrial geometry using  the  roving  catheter  to  trace  the endocardial  surface while  the 

EnSite  system  recorded  its  three‐dimensional  position,  as  previously  described 

(Schilling et al. 1998). Intra‐cardiac echocardiography (Ultra ICE, Boston Scientific) was 

used to standardise catheter positioning and also to  localise the crista terminalis and 

superior vena cava‐right atrial junction (Figure 6‐2). 

 

6.2.3 Conventional Evaluation of Sinus Node Function 

6.2.3.1 Baseline Sinus Cycle Length 

The baseline sinus cycle length was determined over 10 consecutive sinus cycles after 

10 minutes of rest. 

6.2.3.2 Sino‐atrial Conduction Time 

The SACT was determined after an 8‐beat pacing train according to the formula: SACT 

= (return ‐ basic cycle length)/2 (Narula et al. 1978). SACT was determined 3 times and 

averaged. 

6.2.3.3 Corrected Sinus Node Recovery Time 

The CSNRT was determined after a 30‐second drive train at cycle  lengths of 600 and 

450ms,  correcting  for  the  baseline  cycle  length.  At  each  cycle  length,  CSNRT  was 

determined 3 times and averaged. 

  138

6.2.3.4 Conduction Properties at the Crista Terminalis 

Site‐specific  conduction  properties  at  the  crista  terminalis  were  quantified  by 

recording  the presence of electrograms with discrete double potentials separated by 

an  isoelectric  interval  or  complex  fractionated  activity  of  ≥50ms  duration  on  each 

recording  bipole  of  the  crista  terminalis  catheter.  Both  the  number  of  bipoles 

demonstrating  these  conduction  characteristics  and  the  maximum  electrogram 

duration were determined over ten beats  in sinus rhythm and one beat  immediately 

after the cessation of each pacing train. 

 

6.2.4 High‐Density Simultaneous Unipolar Mapping of Sinus Node Function 

Mapping of the sinus node complex was performed during baseline sinus rhythm and 

also  after  pace  suppression  of  sinus  pacemaker  activity  following  30‐second  drive 

trains at 600 and 450ms. Sinus node activation was characterised by determining the 

positions of earliest activation (EA) and sinus break‐out (SBO). EA was defined as the 

earliest  unipolar  electrogram  displaying  a  “QS”  pattern  and  SBO  as  the  earliest 

unipolar  electrogram  displaying  an  “RS”  pattern  and  a  sudden  increase  in  dV/dt 

indicating  rapid  depolarisation  of  surrounding myocardium,  as  previously  described 

(Higa et al. 2004). For review of the recorded data the high‐pass filter was set to 1Hz to 

allow  for  slow  conduction  of  the  activation wave‐front.  The  position  of  the  virtual 

electrodes  in  the  region  of  interest  was  repeatedly  adjusted  to  find  the  points  of 

interest.  The  following  parameters  were  evaluated  from  simultaneous  unipolar 

recordings of right atrial activation from the balloon array. 

 

  139

6.2.4.1 Location of Points of Earliest Activation and Sinus Break‐out  

 The location of the EA and SBO were determined to define the position of sinus origin 

relative to the superior vena cava‐right atrial junction and the crista terminalis during 

baseline  sinus  rhythm  and  following  pace  suppression  of  the  sinus  node  at  cycle 

lengths of 600 and 450ms on three occasions each. The superior vena cava‐right atrial 

junction was defined as the  lateral confluence of the superior vena cava, right atrium 

and  right  atrial  appendage,  as  previously  described  (Callans  et  al.  1999).  This  was 

confirmed  using  intra‐cardiac  echocardiography  demonstrating,  at  this  level,  the 

superior  lateral  crista  terminalis  in  proximity  with  the  orifice  of  the  right  atrial 

appendage (Figure 6‐2). The crista terminalis was then marked along its length with a 

vertical reference  line from the superior vena cava‐right atrial  junction to the  inferior 

vena cava. The parallel distance from the origin of this line to the point of interest was 

recorded, as was the perpendicular distance (Figure 6‐2). This gave a position  in both 

the supero‐inferior and antero‐posterior dimensions. In the rare case of a multi‐centric 

SBO point (Movie 6.1), the more cranial was measured. 

6.2.4.2 Preferential Conduction Pathways 

The path between the EA and SBO was defined as the route of preferential conduction 

(Figure  6‐3),  as  previously  described  (Higa  et  al.  2004). We  determined  the  time  to 

conduct between EA and  SBO,  and  the direction  taken. The  activation pattern  from 

SBO  to  the  right  atrial  in  relation  to  the  crista  terminalis,  including  transverse 

conduction  through  the  crista,  was  observed  and  atrial  propagation  qualitatively 

assessed. Additionally,  right  atrial  activation  time  from  EA  to  final  discernable  right 

atrial activation as recorded by the balloon array was determined. 

  140

6.2.4.3 Voltage in the Right Atrium and Crista Terminalis 

Unipolar voltage at  the points of EA and SBO was  recorded. Electrograms  for 100ms 

following EA were exported  from  the EnSite Array  for  further analysis. This  included 

256 evenly distributed electrograms throughout the right atrium and 10 evenly spaced 

electrograms  along  the  length  of  the  crista  terminalis.  From  these  exports,  peak 

negative unipolar voltage of the entire right atrium and along the crista terminalis was 

determined. Additionally, right atrial surface area and distance to the array was able to 

be determined from the exported geometry. 

 

6.2.5 Statistical Analysis 

Continuous variables are reported as mean ± standard deviation or median and inter‐

quartile range as appropriate to  its distribution. Categorical variables are reported as 

number  and  percentage.  Comparisons  between  groups  were  performed  using 

unpaired t tests or Mann‐Whitney U tests. Proportions were compared using Fisher’s 

Exact  test. Comparisons with adjustment  for multiple  sampling within patients were 

performed using a Mixed Linear Model  for continuous data or a  logistic Generalised 

Estimating Equation  for categorical data. Statistical  tests were performed using SPSS 

15 (SPSS Inc) and statistical significance was set at p<0.05. 

 

  141

6.3 Results 

6.3.1 Baseline Details 

Baseline patient characteristics are summarised  in Table 6.1. Mean distance from the 

array to the right atrial geometry was 30±3mm and the crista terminalis was 23±3mm, 

well within the reported  limits of accuracy (Thiagalingam et al. 2004b). Baseline sinus 

cycle length did not differ significantly between reference patients and those recently 

ceasing chronic flutter (775±104ms versus 784±193ms, p=0.9). Differences were seen 

between  the  reference  group  and  patients  with  flutter  in  right  atrial  surface  area 

(132±12  versus  163±34cm2,  p=0.003),  P  wave  duration  (109±13  versus  147±13ms, 

p<0.001),  inter‐caval  distance  (70±7  versus  87±8mm,  p<0.001),  and  right  atrial 

activation time (92±12 versus 120±15ms, p<0.001). 

 

6.3.2 Sinus Node Dysfunction and Atrial Remodelling 

Reference  patients  had  normal  measures  of  sinus  node  function,  including  SACT 

(83±33ms)  and  CSNRT  (at  600ms:  245±88ms;  at  450ms:  253±96ms).  Patients  with 

flutter demonstrated  longer SACT (150±100ms, p=0.03) and  longer CSNRT (at 600ms: 

339±151ms,  p=0.04;  at  450ms:  498±409ms,  p=0.03).  Site‐specific  conduction 

abnormalities at the crista terminalis during sinus rhythm were significantly less in the 

reference  group  than  in  patients  with  flutter  (Figure  6‐4):  the  number  of  double 

potentials  or  fractionated  electrograms  was  2.1±1.8  versus  5.4±2.9,  p=0.002;  the 

maximum  duration  of  such  signals  was  60±15  versus  72±14ms,  p=0.04.  These 

  142

differences  were  even  more  marked  during  and  immediately  following  30‐second 

pacing trains (Table 6.2). 

 

6.3.3 Extent and Shift of the Atrial Pacemaker Complex 

As  determined  by  the multi‐polar  array,  the mean  distance  from  the  superior  vena 

cava‐right atrial junction to the point of EA was 4±4mm and SBO 9±6mm in reference 

patients.  The mean  distance  from  the  crista  terminalis  in  an  anterior  direction was 

8±11mm for EA and 14±8mm for SBO. For patients with flutter, the distance inferiorly 

from the superior vena cava‐right atrial junction was greater (EA: 15±12mm, p=0.003; 

SBO: 23±11mm, p<0.001). The distance from the crista terminalis anteriorly to the EA 

(5±14mm,  p=0.5)  or  SBO  (16±7mm,  p=0.5)  did  not  differ  for  patients  with  flutter. 

Normalised  to mean  inter‐caval  distance  for  this  group with  larger  right  atria,  the 

distance  inferiorly to EA (p=0.007) and SBO (p=0.003) remained significantly different 

from the reference group. 

Following 30‐second pacing trains the mean distance from the superior vena cava‐right 

atrial  junction  to EA and SBO points  changed  significantly  for  reference patients  (EA 

4±4 to 13±8mm, p=0.006; SBO 9±6 to 16±10mm, p=0.02); representing a mean caudal 

shift  for  EA of  10±9mm  and  for  SBO of  7±8mm.  For patients with  flutter  the mean 

distance  from  the  superior vena cava‐right atrial  junction  to EA and SBO points also 

changed  significantly  (EA  15±12  to  19±12mm,  p=0.045;  SBO  23±11  to  28±9mm, 

p=0.02).  However,  caudal  shift  was  markedly  diminished  in  patients  with  flutter 

compared  to  the  reference  group;  EA was  4±7mm  and  SBO  4±6mm.  The  change  in 

distance from the crista terminalis anteriorly to the EA or SBO following pacing did not 

  143

significantly differ for either patient group. Figure 6‐5 demonstrates the mean location 

and caudal shift of the physiological pacemaker complex and a representative example 

is shown in Figure 6‐6. The median number of beats for activation to resume baseline 

position was 2 (IQR 1 to 4, range 1 to 28 beats) and did not significantly differ between 

patient groups. 

 

6.3.4 Preferential Pathway Conduction 

The mean time to conduct along the preferential pathway from EA to SBO was 15±5ms 

for  the  reference  group.  Patients  with  flutter  took  significantly  longer  (23±8ms, 

p=0.005) to conduct between the two points. While the SBO was located at or anterior 

to the crista terminalis in all patients, the preferential pathway between the EA to the 

SBO was directed inferiorly in 63%, anteriorly in 22%, posteriorly in 10% and superiorly 

in 5% of beats analysed; no difference was seen between patient groups.  

 

6.3.5 Beat‐to‐beat Variation in Sinus Node Function 

The beat‐to‐beat site of EA ranged within an  individual  from 0 to 41mm  (median 19, 

IQR 7‐31) from the superior vena cava‐right atrial junction suggesting the capacity for 

multi‐centric activation. We did not observe simultaneously occurring multi‐centric EA 

points.  Beat‐to‐beat  variation  of  SBO  ranged within  an  individual  from  0  to  33mm 

(median 12, IQR 8‐23). In contrast to EA, there were 3 controls who demonstrated dual 

near‐simultaneous SBO points during a single beat (Movie 6.1). In all 3  instances, one 

of the SBO points was on the crista terminalis.  

  144

6.3.6 Crista Terminalis Conduction 

More  frequent  transverse  conduction  through  the  crista  terminalis was  seen during 

sinus rhythm beats in the reference group than in the patients with flutter (38% versus 

4%, p=0.003), almost  invariably through the superior third of the crista near the  level 

of the SBO point. For those beats analysed in which there was no conduction through 

the crista terminalis, the delay between anterior and posterior activation of the crista 

was 17±6ms for reference patients and 24±7ms for patients with flutter (p=0.02). The 

circuitous activation pattern subsequent  to SBO  in such patients was  in 2 directions: 

inferiorly down the anterior border of the crista terminalis to the anterior right atrium, 

and  supero‐posteriorly  over  the  basal  appendage  and  then  inferiorly  down  the 

posterior right atrium (Figure 6‐7). 

 

6.3.7 Voltage Findings 

For  reference  patients, mean  unipolar  voltage was  1.8±0.6mV  for  the  right  atrium, 

1.9±0.6mV along the crista terminalis, 0.12±0.10mV at the point of EA and 3.2±1.5mV 

at the point of SBO. The average maximum unipolar voltage recorded was 5.0±1.8mV 

for  the  right  atrium  and  3.5±1.4mV  along  the  crista  terminalis. Patients with  flutter 

trended to  lower mean right atrial voltage (1.4±0.6mV, p=0.1), while mean voltage at 

the  crista  (1.3±0.6mV,  p=0.009)  and  point  of  SBO  (1.5±1.4mV,  p=0.005)  was 

significantly  lower compared to reference patients. Voltage at the point of EA did not 

differ  (0.12±0.13mV,  p=0.9).  As with mean  voltage, maximum  voltage  for  the  right 

atrium  trended  to  lower  for  patients  with  flutter  (3.9+2.1mV,  p=0.2)  and  was 

  145

significantly  less  at  the  crista  terminalis  (2.2±1.2mV,  p=0.01). Differences  in  voltage 

parameters are shown in Table 6.3. 

 

6.4 Discussion 

6.4.1 Major Findings 

This  study  utilised  high‐density  simultaneous  endocardial  unipolar mapping  of  sinus 

rhythm  to describe  the characteristics of  the  functional  sinus node complex and  the 

effects of remodelling due to chronic atrial flutter. The major findings are as follows: 

(i)  The sinus node complex in normal hearts displays a dynamic range of activation 

sites along the postero‐lateral right atrium. 

(ii)  Preferential pathways of conduction exist between the sinus node and the exit 

of sinus activity to the atria. 

(iii)   There were multiple origins of sinus activation  (EA) and exit sites  to  the atria 

(SBO), providing evidence of multi‐centricity of the sinus node complex. 

(iv)  Remodelled  atria  demonstrate  structural  change  reflected  by  loss  of  voltage 

that was associated with more caudal activation, slower conduction time along 

preferential pathways, only modest shifts of the functional pacemaker complex 

and more frequent conduction block across the crista terminalis with resultant 

circuitous conduction of the sinus impulse. 

  146

These  findings  extend  our  knowledge  of  the  function  of  the  highly  complex  human 

sinus  node  by  demonstrating  the  presence  of  preferential  pathways  of  conduction 

within the functional sinus node complex. 

 

6.4.2 The Sinus Node: Anatomical and Functional Considerations 

The sinus node consists of specialised nodal cells lying immediately sub‐epicardially at 

the superior pole of the sulcus terminalis of the right atrium and has a mean length of 

13.5mm  (range  8‐21.5mm)  (Sanchez‐Quintana  et  al.  2005).  The  variability  of  the 

functional sinus node position exceeds that of the histologically defined sinus node by 

a  factor of  three  to  four  (Boineau et al. 1980). Shifts  in  the origin of  the  sinus node 

impulse along  the sulcus  terminalis under autonomic  influences have been observed 

by  several  investigators  since  early  last  century  (Lewis  et  al.  1910; Geesbreght  and 

Randall 1971). 

Further evidence of a widely distributed  functional pacemaker  complex  comes  from 

clinical studies that have aimed to modify sinus activity in patients with inappropriate 

sinus  tachycardia.  In  contrast  to  the  single  lesions  effective  for  ectopic  atrial 

tachycardia treatment, these procedures require extensive ablation along the length of 

the crista terminalis to achieve functional inhibition of the sinus node (Lee et al. 1995). 

Boineau  et  al.  (1978;  1980;  1984)  performed  detailed  epicardial mapping  of  animal 

hearts and observed  that  the  sinus P wave may arise  from a  “pacemaker  complex”, 

distributed over an extensive extra‐nodal area spanning  the superior vena cava‐right 

atrial  junction to the  inferior vena cava. A strong correlation between heart rate and 

functional sinus origin was observed with vagal stimulation and  isoprenaline  infusion 

  147

resulting  in  inferior  and  supero‐anterior  shifts,  respectively.  The  authors  concluded 

that  the  multi‐centric  nature  of  functional  sinus  origin  was  mediated  through  a 

complex  system  of  separate  atrial  pacemakers  with  differential  sensitivities  to 

autonomic  control  (Boineau et al. 1980). However, while dismissing  the presence of 

specialised  conduction  tissue,  they  acknowledged  the  potential  role  of  preferential 

pathways  for  the  rapid  dispersion  of  the  sinus  impulse.  In  humans,  Boineau  et  al. 

(1988)  reported  uni‐focal  nodal  and  extra‐nodal  sinus  origins  in  addition  to multi‐

centric  origins  over  two  to  four widely  distributed  pacemaker  sites.  The  functional 

sinus pacemaker complex in humans was estimated to exist over a zone centred about 

the long axis of the sulcus terminalis encompassing a 75 by 15mm area, with a cranial 

and caudal border of the superior and inferior vena cava, respectively. They suggested 

a model where  neural  and  hormonal  factors  influence  both  the  site  of  pacemaker 

activation and the point of exit from the sinus node, a hypothesis further supported by 

studies suggesting relative electrical isolation of the sinus node from surrounding atrial 

myocardium with distinct exit points from the node (Bromberg et al. 1995). Consistent 

with  these observations,  in  the  current  study we observed dynamic  variation  in  the 

position of atrial activation  in  the  reference group  in  response  to pacing, with early 

activation  and break‐out points  to  surrounding myocardium noticeably more  caudal 

following pacing. 

 

6.4.3 Atrial Remodelling and Sinus Node Function 

Sinus node disease is thought to result from disordered impulse generation within the 

sinus  node  or  impaired  conduction  of  the  impulse  to  the  surrounding  atrial  tissue 

  148

(Ferrer 1968). While differentiation between these two potential aetiologies has been 

difficult owing  to  the absence of an appropriate experimental model,  Sanders et al. 

(2004a) have performed atrial mapping studies in patients with sinus node disease and 

found evidence of a diffuse atrial myopathy as evidenced by low atrial voltage, slowed 

atrial  conduction  and  prolonged  P  wave  duration.  Interestingly,  the  sinus  node 

complex was more  often  uni‐centric  and  localised  to  the  low  crista  terminalis with 

evidence  of  regional  conduction  slowing  and  scar.  While  this  study  showed  that 

patients  with  advanced  sinus  node  dysfunction  have  evidence  of  structural  atrial 

remodelling,  other  studies  have  shown  that  sinus  node  remodelling may  occur  in 

response  to  short  duration  atrial  pacing  or  atrial  arrhythmias  and  under  these 

circumstances  may  be  reversible.  Elvan  et  al.  (1996)  demonstrated  significant 

prolongation  of  CSNRT  and  the  sinus  cycle  length  after  two  to  six weeks  of  atrial 

fibrillation in dogs. In humans, short durations of rapid atrial pacing resulted in similar 

sinus  node  inhibition  (Hadian  et  al.  2002)  and  CSNRT  was  significantly  longer  in 

patients  cardioverted  from  chronic  lone  atrial  fibrillation  compared  to  controls 

(Kumagai et al. 1991). Manios et al. (2001) also reported that sinus node inhibition did 

not  revert  within  24  hours  after  cardioversion.  However,  Hocini  et  al.  (2003) 

demonstrated  reversibility of  sinus  impairment  in patients  in whom atrial  fibrillation 

was cured by pulmonary vein isolation when follow‐up was continued out to 6 months.  

Remodelling of  the  sinus node has  also been  reported  in  clinical  conditions  such  as 

asynchronous ventricular pacing  (Sparks et al. 1999), atrial septal defects  (Morton et 

al. 2003) or congestive heart failure (Sanders et al. 2004b). For the latter, Sanders et al. 

reported  a more  caudal  localisation  of  sinus  node  complex  and  greater  structural 

remodelling  at  the  crista  terminalis  in  heart  failure  patients  when  compared  to 

  149

controls, raising the possibility that the sinus node remodelling may be a consequence 

of  these changes via disruption of preferential pathways or  loss of  tissue capable of 

automaticity.  

In the current study we have observed significant  impairment of sinus node  function 

following  a median  8 months  of  continuous  atrial  flutter,  consistent with  previous 

reports.  The  findings were  of  similar  type, with  impairment  of  sinus  node  function 

associated with structural change, slowed conduction and caudal displacement of the 

sinus node complex, albeit to a lesser extent than that described in sinus node disease 

(Sanders  et  al.  2004a).  In  addition,  these  findings  extend  previous  observations  by 

demonstrating caudal  shift of both  sites of EA and SBO with  longer conduction  time 

within  regions  of  preferential  conduction  in  patients with  atrial  remodelling  due  to 

persistent arrhythmia. 

 

6.4.4 Preferential Pathways of Conduction 

Preferential  conduction  exists  in  the  atria  due  to  rapid  conduction  parallel  to  the 

orientation  of  non‐specialised myocardial  cell  fibre  bundles  (Anderson  et  al.  1981b; 

Spach and Dolber 1986; Saffitz et al. 1994). Higa et al. (2004) used the EnSite array to 

demonstrate  that  in  some  patients with  atrial  tachycardia  the  traditionally mapped 

origin – the site from which centrifugal activation occurs to the remaining atria – was 

indeed  the  break‐out  point.  Detailed  inspection  of  the  unipolar  electrograms 

demonstrated  a  site  of  earliest  activation  (“QS”  morphology)  with  a  preferential 

pathway  of  conduction  to  the  break‐out  point.  These  investigators  were  able  to 

confirm the existence of the origin with a preferential pathway by curative ablation of 

  150

the tachycardia at EA and/or along the proximal portion of the path to the break‐out 

point.  It  is  tempting  to  draw  parallels  between  the  preferential  pathways  found  in 

atrial tachycardia, 57% of which were found at the crista terminalis, and those we have 

demonstrated in the sinus node complex. With no histological evidence of specialised 

atrial conduction tissue, the mechanisms of preferential pathways in atrial tachycardia 

and  in  the  sinus node complex  is  therefore  likely  to be “functional”  relying on weak 

cell‐to‐cell  coupling  to  allow  conduction  of  intrinsic  activity  in  an  environment 

electrically isolated from the surrounding myocardium. This would provide an essential 

degree  of  redundancy  to  the  pacemaker  complex,  so  that  while  spontaneous 

depolarisation  at  a  physiologically  appropriate  rate  continues,  several  potential  exit 

sites  exist  to  convey  the  wave‐front  to  the  myocardium,  perhaps  with  varying 

conduction  properties  determined  by  the  degree  of  cell‐to‐cell  coupling.  The 

mechanism  by  which  more  caudal  activation  is  seen  with  atrial  remodelling,  as 

demonstrated  in this study and others (Sanders et al. 2004b; Sanders et al. 2004a),  is 

uncertain.  We  hypothesise  that  a  global  remodelling  process  may  affect 

proportionately more of a shorter superior preferential pathway than a longer inferior 

pathway,  leaving  superior  pathways  more  susceptible  to  early  development  of 

conduction abnormalities. This  study has demonstrated marked atrial  remodelling  in 

chronic  atrial  flutter  with  site‐specific  conduction  delay  and  significant  voltage 

reduction uniformly along  the crista  terminalis. Although  it  is  feasible  that  the more 

caudal activation is due to impaired automaticity at the superior crista terminalis, this 

would require selective remodelling  in this region which was not seen  in the current 

study. 

 

  151

6.4.5 Implications 

This  study  demonstrates  that  the  functional  sinus  node  complex  is  a  dynamic  and 

intricate entity. This complexity  is required to balance the need  for relative electrical 

isolation  in  order  to  generate  an  intrinsic  heart  beat  without  the  influence  of 

surrounding myocardium, against the need to conduct such activity to the atrium in a 

reliable and consistent fashion. The hypothesis of Boineau et al. (1988) whereby neural 

and hormonal factors influence both the site of pacemaker activation and the point of 

exit from the sinus node  is further supported by our observation of shifting points of 

initial  activity  and  exit  sites  in  response  to  pacing.  This  study  extends  the 

understanding  of  the  sinus  node  complex  by  demonstrating  the  existence  of 

preferential pathways of conduction contributing to the diffuse sinus node complex. In 

addition,  it demonstrates  that patients known  to have  impaired  sinus node  function 

(Sparks et al. 2000; Daoud et al. 2002) have structural  remodelling which diminishes 

sinus  node  variability,  slows  conduction  time  along  preferential  pathways,  inhibits 

conduction across the crista terminalis and results in circuitous conduction of the sinus 

impulse. 

 

6.4.6 Limitations  

Several  studies  have  now  validated  the  morphology  characteristics  of  virtual 

electrograms  determined  from  the  EnSite mapping  system  demonstrating  them  to 

match  with  high  reliability  those  of  conventional  contact  unipolar  electrograms 

(Schilling et al. 1998; Thiagalingam et al. 2004b). The technology employed has specific 

  152

limitations addressed by previous studies and this study has endeavoured to minimise 

any inaccuracy by staying within reported limits of accuracy. 

 

6.5 Conclusion 

The  functional  sinus node  complex displays a dynamic  range of activation along  the 

postero‐lateral  right  atrium.  Preferential  pathways  between  the  site  of  earliest 

activation and conduction  to atrial myocardium exist. Remodelled atria demonstrate 

more caudal activity,  longer conduction time along preferential pathways, diminished 

shifts  in activation along a constrained functional sinus node complex,  lower voltage, 

transverse conduction block along the crista terminalis and resultant circuitous wave‐

front propagation.  These  findings provide  additional  insight  into  the  function of  the 

highly complex human sinus node in both health and disease. 

  153

Table 6.1 

Patient characteristics 

  Reference (n=15) 

Flutter (n=16) 

p value   

Age (years)  56.9±7.4  60.1±5.2  0.2  

Structural heart disease, n (%)  1 (7)  4 (25)  0.3  

Left atrial parasternal size (mm)  38±6  46±7  0.006  

Left atrial area (cm2)  18.8±4.5  24.8±5.7  0.01  

Right atrial area (cm2)  15.1±2.8  20.2±4.5  0.01  

Interventricular septum (mm)  11±2  11±2  0.3  

LV end diastolic diameter (mm)  49±6  53±8  0.2  

 LV = left ventricular 

  154

Table 6.2 

Electrogram characteristics at the crista terminalis catheter under various conditions 

  Type of beat  Reference (n=15) 

Flutter (n=16) 

 

p value  

Sinus rhythm  

2.1±1.8  5.4±2.9  0.002

Pacing at 600ms  

1.8±1.5  6.4±3.0  <0.001

Pacing at 450ms  

2.1±1.8  6.7±3.1  <0.001

Immediately following 600ms drive train  

1.9±1.5  6.1±3.0  <0.001

Immediately following 450ms drive train  

1.8±1.6  6.4±3.2  <0.001

Number of bipoles demonstrating double potentials or fractionated electrograms on the crista terminalis catheter 

With shortest captured extra‐stimulus  

4.0±2.6  6.7±3.4  0.03

Sinus rhythm  

60.3±14.7  72.4±14.3  0.04

Pacing at 600ms  

55.5±10.2  97.2±31.3  <0.001

Pacing at 450ms  

58.9±11.4  96.5±30.7  0.001

Immediately following 600ms drive train  

59.2±13.3  76.2±13.3  0.002

Immediately following 450ms drive train  

59.7±15.0  80.1±18.5  0.004

Maximum duration of the longest electrogram on the crista terminalis catheter (ms) 

With shortest captured extra‐stimulus  

91.2±61.7  104±30.8  0.5

  155

Table 6.3 

Unipolar voltage recorded by the multi‐polar balloon array 

  Reference (n=15) 

Flutter (n=16) 

 

p value 

Mean right atrial voltage (mV)  1.78±0.63  1.36±0.63  0.1  

Maximum right atrial voltage (mV)  4.96±1.84  3.88±2.07  0.2  

Mean voltage at crista (mV)  1.94±0.62  1.28±0.61  0.009  

Maximum voltage at crista (mV)  3.50±1.39  2.16±1.20  0.01  

Mean voltage at point of EA (mV)  0.12±0.10  0.12±0.13  0.9  

Mean voltage at point of SBO (mV)  3.20±1.52  1.54±1.37  0.005  

 

  156

Figure 6‐1 

Catheter positions on fluoroscopy  

  

Right  anterior  oblique  view  of  the  multi‐polar  balloon  array  in  the  superior  right 

atrium,  the decapolar catheter  in  the  coronary  sinus and  the duodecapolar  catheter 

along the crista terminalis with its stabilising sheath. 

  157

Figure 6‐2 

Method of measuring the position of Earliest Activation and Sinus Break‐Out 

 

Figure legend overleaf. 

  158

Figure 6‐2 (previous page)  

A right anterior oblique view showing 3 cross‐sectional  intra‐cardiac ultrasound views 

at the indicated levels of the right atrium. The superior vena cava‐right atrial junction 

was defined using ultrasound at the level where the superior lateral crista terminalis is 

in  proximity  to  the  orifice  of  the  right  atrial  appendage  (middle  panel).  The  crista 

terminalis was  then marked along  its  length with vertical  line. Vertical measurement 

from  the  superior end of  the  crista  terminalis parallel  to  this  line gives  the distance 

from  the  superior  vena  cava‐right  atrial  junction.  Horizontal  measurement 

perpendicular to this line gives the anterior distance. 

 

CT – crista terminalis, FO – fossa ovalis, LA – left atrium, RAA – right atrial appendage, 

RA – right atrium, SVC – superior vena cava. 

  159

Figure 6‐3 

Example preferential pathway of conduction 

 

Composite map of wave‐front activation from earliest activation (1) via a preferential 

pathway (2,3) to sinus break‐out (4) then diverging to the remaining atrium in a patient 

with flutter. Electrograms demonstrate a QS pattern at (1) and an RS pattern at (4). 

  160

Figure 6‐4 

Electrograms from the crista terminalis 

  

 

Example electrograms from a reference patient (left) and a patient with flutter (right) 

demonstrating  the  extent  and  duration  of  electrograms with  fractionated  signals  or 

double potentials. 

 

II – Surface ECG lead II. CT – crista terminalis. CS – coronary sinus. 

  161

Figure 6‐5 

Distance from superior vena cava ‐ right atrial junction to Earliest Activation and 

Sinus Break‐Out points at baseline and following pacing 

 

For  the  reference  group,  both  Earliest  Activation  and  Sinus  Break‐Out  points  are 

relatively  superior  during  sinus  rhythm.  Immediately  following  pace‐suppression  a 

caudal shift is noted  in both parameters. For the remodelled group with atrial flutter, 

Earliest Activation and Sinus Break‐Out points are  located more caudally during sinus 

rhythm and the caudal shift is diminished. *p<0.05 for comparisons indicated. 

  162

Figure 6‐6 

Example right atrial maps of Earliest Activation and Sinus Break‐Out 

 

Left map shows earliest activation (1) and sinus break‐out (4) during sinus rhythm with 

accompanying electrograms demonstrating a QS morphology at electrogram 1 and an 

RS morphology at 4. Right map shows the same for the beat  immediately following a 

30‐second pacing train  in the same patient. Note the caudal displacement of earliest 

activation and sinus break‐out. 

  163

Figure 6‐7 

Right atrial circuitous depolarisation pattern 

 

Figure legend overleaf.

II

II

1 2

3 4

  164

Figure 6‐7 (previous page) 

Typical  activation  sequence of  the  circuitous depolarisation pattern  seen  in patients 

without transverse conduction through the crista terminalis. Following break‐out from 

the  sinus node  complex, activation proceeds down  the anterior border of  the  crista 

terminalis and then down the posterior border due to the conduction barrier. 

1 (top left)  Earliest activation (QS) at virtual electrode 1 

2 (top right)  Sinus break‐out (RS) at virtual electrode 4 

3 (bottom left)  Bi‐directional depolarisation both inferiorly and supero‐posteriorly 

4 (bottom right)  Continuing inferior movement of depolarisation either side of crista 

terminalis (note linear double potentials at crista terminalis) 

  165

Movie 6.1 

Example of near‐simultaneous dual Sinus Break‐Out points 

 

Please  see  files on CD  supplied entitled Movie 6.1. This movie has been provided  in 

.mpg,  .avi and  .wmv formats. The  latter  is the original version and plays with highest 

quality. 

 

The initiation of 3 consecutive beats is shown. Virtual electrograms 1 to 4 placed along 

the  preferential  pathway  from  EA  are  displayed  below  the  geometry.  The  “tracking 

virtual”  feature of  the EnSite  tracks  the  instantaneous peak negative potential along 

this  path  for  illustrative  purposes.  Break‐out  to  the  atrial  myocardium  is  seen  at 

position 4 and, within 5ms, at position 1 on the crista terminalis near‐simultaneously. 

 

 

 

  166

Chapter 7.                                                                  High‐density mapping of atrial fibrillation to determine the optimal recording duration for dominant frequency and 

automated detection of complex fractionated electrograms 

7.1 Introduction 

The understanding of  the pathophysiology of atrial  fibrillation has evolved  such  that 

ablation  targeting  the  pulmonary  veins  is  highly  effective  in  treating many  patients 

with paroxysmal atrial fibrillation. However, some patients with paroxysmal and most 

patients with persistent atrial fibrillation still require considerable additional substrate 

modification  to  improve  ablation  outcomes.  Areas  of  CFAE  and  high  DF  have  been 

proposed  as  critical  regions  maintaining  atrial  fibrillation  (Berenfeld  et  al.  2000; 

Nademanee  et  al.  2004;  Sanders  et  al.  2005a;  Lin  et  al.  2006).  CFAE  have  been 

implicated as identifying areas acting as pivot points, slowed conduction or anisotropy 

all capable of sustaining reentry (Cosio et al. 1986; Spach and Dolber 1986; Konings et 

al. 1994). Similarly,  localised regions of high  frequency activity demonstrating spatio‐

temporal  periodicity  have  been  suggested  to  act  as  drivers  of  atrial  fibrillation 

(Karagueuzian et al. 1998; Skanes et al. 1998;  Jalife et al. 2002; Everett et al. 2006). 

Thus,  identifying  such  electrograms may  allow more  targeted  ablation  to  improve 

outcomes.  To date  the evaluation of CFAE has been  subjective  and development of 

automated  analysis  is  paramount  for  reproducible  and  objective  assessment. 

Algorithms for quantification of electrogram fractionation and real‐time DF calculation 

have  become  available  and  it  is  desirable  that  these  process  a  sufficient  density  of 

points  without  unduly  delaying  the  ablation  procedure.  The  ideal  duration  of 

electrograms  required  to  reproducibly  identify  sites  of  CFAE  or  highest  DF  is  not 

  167

known. Prior studies have used  lengths of electrogram recordings between 2 and 10 

seconds to determine these measures (Mansour et al. 2001; Wu et al. 2002; Lazar et al. 

2004; Sahadevan et al. 2004; Ravelli et al. 2005; Sanders et al. 2005a; Lin et al. 2006; 

Narayan et al. 2006; Ng et al. 2006; Rostock et al. 2006; Ryu et al. 2006; Sanders et al. 

2006; Schuessler et al. 2006; Scherr et al. 2007). While  longer electrogram recordings 

extend  the  data  collection  process  unnecessarily,  shorter  durations may  provide  an 

inaccurate representation of the true degree of fractionation or frequency. This study 

aimed  to  determine  the minimum  duration  of  electrogram  recording  that  provides 

accurate data without unduly lengthening the data collection process, by exploring the 

degree of correlation between progressively shorter electrogram recordings with  the 

longest exportable data sample length.  

 

7.2 Methods 

7.2.1 Study Population 

The  study  comprised  14  patients with  symptomatic  drug‐refractory  atrial  fibrillation 

undergoing  catheter  ablation.  All  anti‐arrhythmic  drugs,  with  the  exception  of 

amiodarone, were  ceased  ≥5  half‐lives  before  the  study.  Prior  to  the  procedure  all 

patients  received  anticoagulation with warfarin  (International Normalised Ratio  2‐4) 

for ≥6 weeks and underwent trans‐oesophageal echocardiography to exclude left atrial 

thrombus. The study protocol was approved by the institutional Clinical Research and 

Ethics  Committee  and  all  patients  provided  written  informed  consent  for  the 

procedure. 

  168

7.2.2 Electrophysiological Study 

 Electrophysiological study was performed  in  the post‐absorptive state with sedation 

utilising midazolam and fentanyl. The following catheters were utilised for mapping: (i) 

10 pole catheter (2‐5‐2mm inter‐electrode spacing, Daig Electrophysiology) positioned 

within  the  coronary  sinus with  the  proximal  bipole  at  the  coronary  sinus  ostium  as 

determined  in  the  best  septal  left  anterior  oblique  position;  (ii)  5‐spline,  20  pole 

catheter  (1mm  electrodes  separated  by  4‐4‐4  inter‐electrode  spacing;  PentaRay; 

Biosense‐Webster). The PentaRay catheter was stabilised using a long vascular sheath 

(Preface,  Biosense‐Webster  or  SL0  Braided,  St  Jude  Medical);  and  (iii)  3.5mm  tip 

externally irrigated ablation catheter (Celsius Thermocool; Biosense‐Webster). The left 

atrium was  accessed using  a  single  transeptal puncture.  Following  transeptal  access 

bolus  unfractionated  heparin  was  utilised  to  maintain  the  activated  clotting  time 

between 250‐350 seconds. Following the mapping, patients underwent tailored, step‐

wise ablation comprising pulmonary vein  isolation ±  linear ablation  lines ± CFAE  site 

ablation. 

 

7.2.3 High‐Density Bi‐atrial Mapping 

Mapping was performed during spontaneous  (n=8) or  induced  (n=6) atrial  fibrillation 

of ≥10 minutes duration. Three‐dimensional reconstructions of the right and left atria 

were made  using  the NavX  (Version  6.0R,  St  Jude Medical)  navigation  system. High 

density  mapping  of  both  atria  was  performed  using  the  PentaRay  catheter  by 

sequentially acquiring 15 simultaneous bipolar electrograms. After ensuring adequate 

endocardial contact by fluoroscopy the catheter was held stationary for 8 seconds; this 

  169

duration  for  comparator  electrogram was  chosen  as  this  is  the maximum  duration 

electrogram exportable from the system used and is towards the high end of the range 

used in previous studies. These 8 second electrograms were sampled at 1200Hz, band 

pass  filtered  between  30‐500Hz  and  their  location  on  the  3‐dimensional  map 

annotated using the Diagnostic Landmark Mapping feature of the system. This ensured 

all areas of the atria, venae cavae and pulmonary veins were visited at least once and 

the  spread  of  points was  equal  throughout  both  chambers.  All  electrograms were 

manually  reviewed offline with  those demonstrating an unacceptable  signal  to noise 

ratio excluded. 

 

7.2.4 Complex Fractionated Atrial Electrograms 

CFAE were defined as fractionated potentials exhibiting multiple deflections from the 

isoelectric  line and were  characterised using  the NavX  "CFE‐mean"  contact mapping 

tool.  CFE‐mean  is  defined  as  the  average  time  duration  between  consecutive 

deflections during  a  specific  time period  set by  the user  and  recorded  at  each  site. 

Deflections are identified by a detection algorithm and annotated on the electrogram 

with yellow "tick‐marks"  (Figure 7‐1). Detection  is based on three criteria, set by  the 

user,  in which  the deflection must: 1) exceed an adaptive  "Peak‐to‐Peak Sensitivity" 

threshold  that  is set at a  reference‐amplitude slightly greater  than  the magnitude of 

baseline  noise;  2)  possess  a  "downstroke" morphology  in  which  the  leading  local‐

maximum and  the  trailing  local‐minimum amplitude occurs within a  time "Duration" 

that  is set to avoid detection of broad,  far‐field events; and 3) exceed a "Refractory" 

period from the previous detection that is set to avoid multiple detections on a single 

  170

deflection. When all three of these criteria are met, a yellow tick‐mark is placed on the 

electrogram at the instant of maximum‐negative slope on the downstroke (Figure 7‐1). 

In our study, CFE‐mean values were calculated from the maximum possible recording 

duration  of  8  seconds  and  exported  for  analysis  by  an  external  computer  program. 

Also,  7,  6,  5,  4,  3,  2  and  1  second  recordings were  sub‐sampled  and  exported  for 

comparison  with  the  original  8  second  recordings.  Our  user  settings  included  a 

Refractory Period of 30ms, a Peak‐to‐Peak Sensitivity  typically between 0.05 and 0.1 

mV and a Duration of 10ms. Sites with a CFE‐mean value within the range of 40 and 

250ms  were  included  for  analysis.  This  wide  range  was  selected  to  determine 

comparative accuracy across the entire spectrum of potentially physiologically relevant 

values at differing electrogram durations. 

 

7.2.5 Dominant Frequency 

All electrograms were exported  at 1200Hz  to perform  spectral  analysis using offline 

custom  designed  software.  The  electrograms  were  initially  rectified,  filtered  using 

Butterworth  filters  (Low pass 20Hz, High pass 1Hz) and edge‐tapered with a Hanning 

window.  Frequency  spectra  were  calculated  by  Fast  Fourier  Transform  and  zero‐

padded  for  shorter  electrogram  durations,  giving  a  consistent  spectral  resolution  of 

0.07Hz.  DF  was  defined  as  the  frequency  containing  maximum  power  within  the 

frequency domain 3‐15Hz  (Figure 7‐2). Points with a Regularity  Index  (defined as the 

ratio of the power within a 0.75Hz band at the DF to total power over 3‐15Hz) of less 

than 0.2 calculated from 8 second electrograms were excluded from analysis (Sanders 

  171

et al. 2005a). DF values were calculated from the entire 8 second sample and from 7, 

6, 5, 4, 3, 2 and 1 second sub‐samples for comparison. 

 

7.2.6 Statistical Analysis 

Variables are  reported as mean ±  standard deviation.  Left and  right atrial CFE‐mean 

data were compared using an  independent  samples  t  test. Comparison of CFE‐mean 

data  from 7, 6, 5, 4, 3, 2, and 1  second electrograms with CFE‐mean data  from  the 

index 8 second electrograms  from  the same points were compared using analysis of 

variance with Scheffe’s post hoc comparison. Correlation of CFE‐mean values from 7, 

6, 5, 4, 3, 2 and 1 second electrograms with the CFE‐mean values of the index 8 second 

electrograms  from  the  same  points  were  quantified  using  Intraclass  Correlation 

Coefficients (ICC). Left and right atrial DF comparisons and correlation of sub‐sampled 

values with  index electrogram values were compared  in  the same  fashion. Statistical 

tests were performed using SPSS 13.0 (SPSS Inc). 

 

7.3 Results 

7.3.1 Baseline details 

Baseline  patient  characteristics,  echocardiographic  data  and  medications  are 

summarised  in  Table  7.1.  Electrograms  from  a  total  of  6967  points  (498±174 

points/patient)  were  analysed;  228±102  points/patient  in  the  right  and  270±86 

points/patient in the left atria. Bi‐atrial mapping took 37±13 minutes to complete. 

  172

7.3.2 CFE‐mean  

For  the  index  8  second  samples  CFE‐mean  was  114±20ms  for  the  right  atria  and 

102±17ms for the left atria (p=0.01). Bi‐atrial mean values for all electrogram durations 

are shown  in Figure 7‐3A. A  trend  to decrease with shorter electrograms  is seen but 

these are not significantly different to the index mean for all points of 109ms (p=0.2). 

However, it is point‐by‐point accuracy that is more important for CFE‐mean and under‐

estimations  tend  to  cancel out over‐estimations  in mean values. The mean absolute 

differences between 8 second electrogram index CFE‐mean and the 7, 6, 5, 4, 3, 2 and 

1 second CFE‐mean are therefore shown in Figure 7‐3B. The increase in the magnitude 

of  absolute  difference  as  electrogram  duration  decreases  reflects  the  poorer 

correlation  of  each  shorter  sub‐sampled  electrogram  value with  its  index  8  second 

value. The percentage of  sub‐sampled electrograms where CFE‐mean deviated  from 

the 8 second  index CFE‐mean by more than 10%  is shown  in Figure 7‐4. Progressively 

more  points  demonstrate  >10%  difference  from  the  index  value  as  electrogram 

duration  shortens.  Scatter  plots  of  CFE‐mean  for  the  index  8  second  value  (y  axis) 

versus the CFE‐mean for the same point derived from the 7, 6, 5, 4, 3, 2 and 1 second 

sub‐samples  (x axes) are  shown  in  Figure 7‐5A.  Intraclass Correlation Coefficients of 

sub‐sampled electrogram CFE‐mean as compared  to  the  index 8 second electrogram 

CFE‐mean quantify this weakening relationship as the electrogram duration becomes 

shorter. 

 

  173

7.3.3 Dominant Frequency 

For the index 8 second samples DF was 5.7±0.8Hz for the right atria and 6.0±0.8Hz for 

the left atria (p=0.02). Bi‐atrial mean values for all electrogram durations are shown in 

Figure 7‐3A. Means for 4 second samples or shorter are significantly different to the 8 

second  index mean  for all points of 5.9Hz  (p<0.001). The mean absolute differences 

between 8 second electrogram  index DF and the 7, 6, 5, 4, 3, 2 and 1 second DF are 

shown  in  Figure  7‐3B.  Similarly,  the  increase  in  mean  absolute  difference  as 

electrogram duration decreases  reflects  the poorer  correlation of  each  shorter  sub‐

sampled  electrogram  value  with  its  index  8  second  value.  The  percentage  of  sub‐

sampled electrograms where DF deviated  from  the 8 second  index DF by more  than 

10%  is  shown  in Figure 7‐4. Progressively more points demonstrate >10% difference 

from  the  index  value  as  electrogram  duration  shortens.  Scatter  plots  of DF  for  the 

index 8 second value (y axis) versus the DF for the same point derived from the 7, 6, 5, 

4,  3,  2  and  1  second  sub‐samples  (x  axes)  are  shown  in  Figure  7‐5B.  Intraclass 

Correlation Coefficients of  sub‐sampled electrogram DF  as  compared  to  the  index 8 

second  electrogram  DF  quantify  this  weakening  relationship  as  the  electrogram 

duration becomes shorter. 

 

7.4 Discussion 

7.4.1 Major Findings 

This  study presents new  information  about  the duration of electrogram  required  to 

efficiently and accurately determine the degree of fractionation and DF. Recordings of 

  174

shorter durations were compared to the maximum duration recordable by the system 

using the following criteria:  i) mean values,  ii) mean absolute differences of >10ms or 

0.5Hz,  iii) proportion of points deviating >10% from the  index value, and  iv)  ICC. CFE‐

mean  values derived  from  electrogram durations of  3  seconds or  less have  a mean 

absolute error of more than 10ms (Fig 3B) and for electrogram durations of 4 seconds 

or  less,  at  least  1  in  5  points  deviate more  than  10%  from  the  index  value  (Fig  4). 

Intraclass Correlation Coefficients for CFE‐mean demonstrate “substantial agreement” 

(ICC>0.8)  for all sub‐samples except 1 second electrograms. Visual  inspection of CFE‐

mean  scatter  plots  suggests  electrograms  of more  than  4  seconds  approximate  the 

index 8 second electrogram value  (Fig 5A). Mean DF derived  from electrograms of 4 

seconds or less differ significantly from the index 8 second mean (Fig 3A) and DF values 

from electrogram durations of 4 seconds or  less have a mean absolute error of more 

than 0.5Hz (Fig 3B). With electrogram durations of 3 seconds or less, for at least 1 in 5 

points DF deviates more than 10% from the  index value (Fig 4).  Intraclass Correlation 

Coefficients  for DF  demonstrate  “substantial  agreement”  for  7  second  sub‐samples, 

“moderate agreement” (ICC 0.6‐0.8) for 6 and 5 second sub‐samples, and only fair or 

poor  agreement  for  shorter  electrograms.  Visual  inspection  of  DF  scatter  plots 

suggests  electrograms  of  more  than  4  seconds  approximate  the  index  8  second 

electrogram value (Fig 5B).  

These observations, based on  the above criteria, suggest a minimum of 5 seconds  is 

required  to  achieve  accuracy  comparable  to  the maximum  recordable  sample  of  8 

seconds. 

 

  175

7.4.2 Time Domain Analysis 

The  postulated mechanisms  that  bring  about  CFAE  include  anisotropic  propagation 

(Spach and Dolber 1986), areas of slowed conduction (Cosio et al. 1983) and multiple 

wavelets leading to random or leading circle reentry. CFAE are observed at pivot points 

where wavelets  rotate  at  zones  of  functional  block  (Konings  et  al.  1994).  Selective 

elimination of CFAE by catheter ablation has been proposed  to halt wavelet reentry, 

thereby preventing perpetuation of atrial fibrillation (Nademanee et al. 2004; Oral et 

al.  2007).  Previous  reports  of  CFAE  mapping  have  used  descriptive  terms  to 

subjectively determine which electrograms fit these criteria. Nademanee et al. (2004) 

defined CFAE as  fractionated electrograms composed of  ≥2 deflections, perturbation 

of the baseline with continuous deflection of a prolonged activation complex, or atrial 

electrograms  with  a  cycle  length  ≤120ms.  Rostock  et  al.  (2006)  used  fractionated 

potentials with ≥3 deflections  from  the  isoelectric  line or continuous activity as  their 

criteria for CFAE. Oral et al. (2007) targeted electrograms with a cycle length ≤120ms or 

shorter  than  the  coronary  sinus;  or  those  that  were  fractionated  or  displayed 

continuous electrical activity. Few studies have tried to automate this procedure and 

the  minimum  electrogram  duration  required  to  accurately  determine  electrogram 

complexity is unknown. Ravelli et al. (2005) studied fibrillatory wave complexity using 

an automated wave similarity algorithm calculated over 5 second windows. Narayan et 

al. (2006) used a “gold‐standard” of manually measured atrial fibrillation cycle  length 

to  validate  an  autocorrelation  method  of  determining  local  cycle  length.  Atrial 

fibrillation cycle length estimates were more stable performed over 10 seconds rather 

than 2 seconds due  to short  term cycle  length  fluctuations. Scherr et al.  (2007) have 

recently used another automated algorithm of 2.5 second recordings to classify 86% of 

  176

1904  left  atrial  sites  from  19  patients  as  exhibiting  CFAE,  one  third  of which were 

deemed “highly  repetitive”. No comparison between different electrogram durations 

was made. 

 

7.4.3 Frequency Domain Analysis 

Regions of high frequency activations demonstrating spatio‐temporal periodicity have 

been  suggested as  local drivers of atrial  fibrillation. Such  “rotors” or  “focal  sources” 

would  be  identifiable  by  fast  activity  and may  be  constantly  present.  These  drivers 

have  been  suggested  to  be  present  where  structural  remodelling  of  the  atria  has 

occurred,  and  absent where  atrial  fibrillation  is  due  to  electrical  remodelling  alone 

where multiple wavelets predominate (Everett et al. 2006). Further evidence for atrial 

fibrillation  spatial  organisation  comes  from  optical mapping  in  animals  using  DF  to 

demonstrate areas of periodic high  frequency  (Skanes et al. 1998; Kalifa et al. 2006). 

Retrospective  analysis  of  ablation  of  paroxysmal  atrial  fibrillation  shows  that  cycle 

length prolongation and eventual termination occurs at sites of high DF (Sanders et al. 

2005a).  Prior  studies  to  localise  DF  sites  have  used  electrogram  sample  lengths  of 

between  2  to  10  seconds  (Mansour  et  al.  2001; Wu  et  al.  2002;  Lazar  et  al.  2004; 

Sanders et al. 2005a;  Lin et al. 2006; Narayan et al. 2006; Ng et al. 2006; Ryu et al. 

2006;  Sanders  et  al.  2006;  Schuessler  et  al.  2006).  Ng  et  al.  (2007)  reported  good 

correlation  for DF  calculated  from 2  second  sub‐samples with  atrial  activation  rates 

calculated in the time domain from 4 second recordings. Correlation between 1 and 4 

second samples was less satisfactory, therefore a 2 second minimum electrogram was 

recommended.  Additionally,  the  mean  DF  of  4  sequential  4  second  electrograms 

  177

showed  improved correlation with activation  rates compared  to  the DF of a single 4 

second electrogram, both for simulated and clinical electrograms (Ng et al. 2006). 

Harmonics  in  the  frequency spectrum are a source of error  in  the estimation of  true 

atrial activation rate in the highly fractionated signal (Ng et al. 2006; Ryu et al. 2006). 

The use of indices such as the Regularity Index used here has sought to eliminate such 

conflicting information from analysis (Sanders et al. 2005a). 

 

7.4.4 Differences in Effect of Electrogram Duration between CFE‐mean and DF 

For DF, shorter electrogram durations tend to over‐estimate the value, predominantly 

due to more prominent harmonics in the frequency spectra. This can be seen in Figure 

7‐5B where  an  additional  “line”  at half  the  slope  to  the  right of  the  regression  line 

becomes more prominent as electrograms shorten. This explains the poorer ICC values 

for  DF  than  CFE‐mean;  a  significant  number  of  points  have  twice  the  index  value, 

whereas CFE‐mean errors are more homogenously distributed around  the regression 

line  (Figure  7‐5A).  The  harmonics  also  explain why  shorter  electrograms  provide  a 

significantly  higher mean DF, whereas  the  average  CFE‐mean  does  not  significantly 

change with  shorter  electrogram durations. Despite better  ICC, CFE‐mean has more 

points  deviating  >10%  from  the  index  value  for  electrograms  of  5  seconds  or  less, 

compared  with  DF  (Figure  7‐4).  This  suggests  that  although  errors  in  DF  are  less 

common from shorter electrograms, they are likely to be greater in magnitude. 

 

  178

7.4.5 Limitations 

The results of this study pertain to the specific algorithms and pre‐processing methods 

employed. CFAE‐guided  ablation  has  been  established  as  an  effective  treatment  for 

atrial  fibrillation,  but  the  definitions  of  targets  differ.  The  CARTO  system  (Biosense‐

Webster) has recently added an automated fractionation detection algorithm to allow 

real‐time  annotation of  fractionated  sites  (CFAE  Software Module) using  a  fixed  2.5 

second  interval  (Scherr  et  al.  2007).  This  algorithm  differs  to  that  employed  in  this 

study,  in  that  it  includes  both  low  and  high  voltage  thresholds  (default  0.05  and 

0.15mV),  alternative  interval  thresholds (default  70  to  120ms),  and  indicates  the 

degree  of  fractionation  by  Interval  Confidence  Level  (intervals  detected  per  2.5 

seconds). Given the differences between this algorithm and the one employed  in this 

study, extrapolation of this study’s results regarding minimum electrogram duration to 

other CFAE detection algorithms may not be accurate. Finally, while this study aimed 

to  determine  the  ideal  recording  duration  for  CFAE  and  DF  analysis,  it  was  not 

designed  to evaluate  the clinical efficacy of  these parameters  (or  software)  to guide 

ablation. 

 

7.5 Conclusion 

The  minimum  electrogram  duration  for  accurate  analysis  of  CFAE  and  DF  by  the 

methods described  is 5  seconds.  This  is based on  the  comparison of  values derived 

from electrograms of 1 to 7 seconds and their comparison with 8 second electrogram 

values.  Electrograms  of  4  seconds  or  less  have  unacceptable  rates  of  error  by  the 

  179

methods used  and may be misleading  in  the  ablation of  atrial  fibrillation  guided by 

these parameters. 

  180

Table 7.1 

Patient characteristics 

 Number of Patients  14 

Age (years)  57±11 

History of atrial fibrillation (months)  68±50 

Type of atrial fibrillation: Paroxysmal/Persistent  5/9 

Structural heart disease   

Ischaemic heart disease  1 

Hypertrophic cardiomyopathy  1 

Hypertension  3 

Left atrial dimension (mm)  48±6 

Left atrial area (cm2)  29±6 

Right atrial area (cm2)  24±7 

Inter‐ventricular septal thickness (mm)  11±2 

Left ventricular end diastolic dimension (mm)  52±5 

Left ventricular ejection fraction (%)  57±9 

Anti‐arrhythmic preceding electrophysiology study   

Amiodarone  4 

Sotalol  5 

Flecainide  2 

 

 

 

 

 

  181

Figure 7‐1 

Composite image of bi‐atrial high‐density CFE‐mean colour map, surface ECG and 

bipolar atrial electrograms 

 

 

Figure legend overleaf. 

  182

Figure 7‐1 (previous page) 

A  short example electrogram  (centre)  is given demonstrating 2 yellow  tick‐marks on 

downstrokes between leading local‐maximum and trailing local‐minimum points. Tick‐

marks along a  full 8  second electrogram  (bottom)  indicate annotations of deflection 

events  in  the  electrogram  according  to  the  Refractory,  P‐P  sensitivity  and Duration 

criteria  defined  in  the  text.  CFE‐mean  is  the  average  time  duration  between 

annotations and the value for each point is displayed along a colour spectrum on the 3‐

dimensional geometry (top). 

 

AP  –  antero‐posterior, PA  – postero‐anterior,  SVC  –  superior  vena  cava,  LSPV  –  left 

superior  pulmonary  vain,  RSPV  –  right  superior  pulmonary  vein,  LAA  –  left  atrial 

appendage, LIPV –  left  inferior pulmonary vein, RIPV –  right  inferior pulmonary vein, 

IVC – inferior vena cava, LA – left atrium, RA – right atrium. 

  183

Figure 7‐2 

Example electrogram with accompanying frequency spectra 

 

 

Frequency spectra from 3 to 15Hz derived by Fast Fourier Transform analysis from 8, 7, 

6, 5, 4, 3, 2 and 1 second samples of the 8 second bipolar electrogram shown at top. 

Dominant frequency is the frequency with the highest power (y axis). 

DF – dominant frequency, RI – regularity index. 

  184

Figure 7‐3 

Effect of electrogram duration on CFE‐mean and DF 

(A) 

5.8

6.0

6.2

6.4

6.6

8s 7s 6s 5s 4s 3s 2s 1s106

107

108

109

110

111

DFCFE-mean

Dom

inan

t Fre

quen

cy (H

z)

Time (s)

CFE-m

ean (ms)

**

*

*

 

(B) 

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

7s 6s 5s 4s 3s 2s 1s0

5

10

15

20

25

DFCFE-mean

Dom

inan

t Fre

quen

cy (H

z)

Time (s)

CFE-m

ean (ms)

 

Effect of  electrogram duration  for CFE‐mean  and DF  (mean  ±  standard  error of  the 

mean)  for  (A) mean values and  (B) mean absolute differences between sub‐sampled 

electrogram values and index 8 second values. 

*p<0.001 for comparison with index 8 second mean. 

  185

Figure 7‐4 

Effect of electrogram duration on accuracy 

 

0

10

20

30

40

50

60

7s 6s 5s 4s 3s 2s 1s

CFE-mean Dominant Frequency

%

Time (s) 

Percentage of electrograms deviating by more than 10% from the index 8 second value 

for CFE‐mean and DF. Both parameters show a greater proportion of inaccurate values 

as electrogram duration shortens. 

  186

Figure 7‐5 

Scatter plots of CFE‐mean and DF 

                     (A)                                               (B) 

                             

Scatter plots of Inde

x 8 second

 value

s (y axis) versus the values fo

r the same po

int d

erived

 from

 the 7, 6, 5, 4, 3, 2

 and

 

1 second

 sub

‐sam

ples (x axes) for (A) CFE‐mean and (B) DF. Note the de

creasing

 Intraclass Correlatio

n Co

efficients 

(ICC) with

 sho

rter electrogram

 durations. A

 value

 of 1

 indicates pe

rfect a

greemen

t and

 0 indicates no

 agreemen

t. 

  187

Chapter 8.                                                                   High‐density mapping of atrial fibrillation to determine the 

relationship between activation frequency, complex fractionated electrograms and the anatomical substrate 

8.1 Introduction 

There have been significant advances  in our understanding of the pathophysiology of 

atrial  fibrillation  over  the  last  decade.  These  have  led  to  ablation  targeting  the 

pulmonary veins being able  to abolish atrial  fibrillation  in a  significant proportion of 

patients with paroxysmal atrial  fibrillation. However,  some patients with paroxysmal 

and most patients with persistent atrial fibrillation still require considerable additional 

substrate modification  to  improve outcomes. Areas of CFAE and high DF have been 

proposed  as  critical  regions  maintaining  atrial  fibrillation  (Berenfeld  et  al.  2000; 

Nademanee et al. 2004; Sanders et al. 2005a). The postulated mechanisms that bring 

about  CFAE  include  anisotropic  propagation,  areas  of  slowed  conduction, multiple 

wavelets  leading  to  random  or  leading  circle  reentry,  pivot  points where wavelets 

rotate about sites of  functional block and out of phase activation  (Cosio et al. 1983; 

Spach and Dolber 1986; Konings et al. 1994). Selective elimination of CFAE by catheter 

ablation  has  been  proposed  to  halt  wavelet  reentry,  thereby  preventing  the 

perpetuation of atrial fibrillation (Nademanee et al. 2004; Oral et al. 2007; Schmitt et 

al. 2007; Nademanee et al. 2008). Similarly, localised regions of high frequency activity 

demonstrating  spatio‐temporal  periodicity  have  been  suggested  to  act  as  drivers  of 

atrial  fibrillation  (Skanes et al. 1998;  Jalife et al. 2002; Everett et al. 2006;  Lin et al. 

2006). Thus, identifying electrograms with these features may allow targeted ablation 

to  improve  success  rates.  However,  there  is  a  paucity  of  data  on  the  relationship 

  188

between CFAE and DF.  In particular  it  is not known whether they are markers of the 

same or provide complementary information on the pathogenesis of atrial fibrillation. 

Understanding  the  relationship  between  these  targets  may  be  useful  in  guiding 

radiofrequency  ablation.  In  this  clinical  study we  aimed  to examine  the  relationship 

between sites of high frequency activation and fractionation during atrial fibrillation. 

 

8.2 Methods 

8.2.1 Study Population 

The  study  comprised  20  patients with  symptomatic  drug‐refractory  atrial  fibrillation 

undergoing  catheter  ablation.  All  anti‐arrhythmic  drugs,  with  the  exception  of 

amiodarone, were  ceased  ≥5 half‐lives before  the  study.  Prior  to  the procedure,  all 

patients  received  anticoagulation with warfarin  (International Normalised Ratio  2‐4) 

for ≥6 weeks and underwent trans‐oesophageal echocardiography to exclude left atrial 

thrombus. The study protocol was approved by the institutional Clinical Research and 

Ethics  Committee  and  all  patients  provided  written  informed  consent  for  the 

procedure. 

For the purposes of the study atrial fibrillation was defined in accordance with the HRS 

Expert  Consensus  Statement  (Calkins  et  al.  2007);  paroxysmal  atrial  fibrillation was 

defined as atrial fibrillation episodes that terminate spontaneously within 7 days and 

persistent as having greater than 7 days of atrial fibrillation.  Indeed, all patients with 

persistent atrial fibrillation in this study had a minimum of 6 months continuous atrial 

fibrillation at some point prior to their study. 

  189

8.2.2 Electrophysiological Study and Ablation 

Electrophysiological  study was performed  in  the post‐absorptive  state with  sedation 

utilising midazolam and fentanyl. The following catheters were utilised for mapping: (i) 

10 pole catheter (2‐5‐2mm inter‐electrode spacing, Daig Electrophysiology) positioned 

within  the  coronary  sinus with  the  proximal  bipole  at  the  coronary  sinus  ostium  as 

determined  in  the  best  septal  left  anterior  oblique  position;  (ii)  5‐spline,  20  pole 

catheter  (1mm electrodes  separated by 4‐4‐4mm  inter‐electrode  spacing; PentaRay; 

Biosense‐Webster). The PentaRay catheter was stabilised using a long vascular sheath 

(Preface,  Biosense‐Webster  or  SL0  Braided,  St  Jude  Medical);  and  (iii)  3.5mm  tip 

externally irrigated ablation catheter (Celsius Thermocool, Biosense Webster). The left 

atrium was accessed using a  single  transeptal puncture. Following  transeptal access, 

bolus  unfractionated  heparin  was  utilised  to  maintain  the  activated  clotting  time 

between 250‐350 seconds.  

After mapping, patients underwent  circumferential pulmonary  vein ablation with an 

end‐point  of  isolation  confirmed  by  circumferential  mapping  (Lasso,  Biosense‐

Webster)  with  either  elimination  or  dissociation  of  pulmonary  venous  potentials. 

Ablation of the pulmonary veins was performed using a delivered power of 30 W with 

irrigation rates of 30mL/min. Additional substrate modification by linear ablation (roof‐

line or mitral isthmus ablation) or targeting regions of CFAE was performed in patients 

with  atrial  fibrillation  episodes persisting  for  >  48 hours,  structural heart disease or 

with marked  left  atrial  dilatation  (longest  diameter  >57mm).  Cavotricuspid  isthmus 

ablation  with  an  endpoint  of  bi‐directional  isthmus  block  was  performed  only  in 

patients with  a history of  typical  atrial  flutter or  if mapping  confirmed  typical  atrial 

  190

flutter  during  the  procedure.  The  endpoint  of  substrate  modification  was  either 

electrophysiologically  confirmed  linear  conduction  block  established  via  pacing 

manoeuvres  or  the  elimination  of  local  fractionation.  Substrate  modification  was 

performed using a delivered power of 30‐35 W with  irrigation rates of 30‐60mL/min. 

Detailed DF or CFE‐mean analyses were not available to guide the procedure. 

 

8.2.3 Study Protocol 

Mapping  was  performed  during  spontaneous  or  induced  (n=9)  sustained  atrial 

fibrillation  of  >10 minutes  duration.  Three‐dimensional  reconstructions  of  the  right 

and  left  atria were made using  the NavX navigation  system  (Version 6.0R or 7.0,  St 

Jude Medical). High‐density mapping of both atria was performed using the PentaRay 

catheter  by  sequentially  acquiring  15  simultaneous  bipolar  electrograms.  After 

ensuring  adequate  endocardial  contact  by  fluoroscopy  the  catheter  was  held 

stationary for 8 seconds. These 8 second electrograms were sampled at 1200Hz, band 

pass  filtered  between  30‐500Hz  and  their  location  on  the  3‐dimensional  map 

annotated using the Diagnostic Landmark Mapping feature of the system. This ensured 

all areas of the atria, venae cavae and pulmonary veins were visited at least once and 

aimed to have the spread of points equal throughout both chambers. All electrograms 

were manually  reviewed offline with  those demonstrating an unacceptable  signal  to 

noise ratio excluded from analysis. For the purpose of regional evaluation, points were 

designated  as belonging  to one  of  4  right  atrial  areas  (anterior,  septal, posterior or 

lateral)  or  8  left  atrial  areas  (roof,  anterior,  septum,  lateral,  posterior,  inferior, 

pulmonary  veins  or  appendage)  using  previously  validated  software  (Coperniqs, 

  191

Medicalgorithmics)  (Kuklik  et  al.  2004).  Points  designated  at  pulmonary  veins were 

well within  the veins, not at  the ostia or antra which were considered part of a  left 

atrial area. 

The baseline atrial fibrillation cycle length within the coronary sinus was determined as 

previously  described  by  averaging  intervals  over  1  minute  using  automated  cycle 

length monitoring  software  (Bard  Electrophysiology).  Inter‐electrogram  intervals  of 

<100ms and  continuous electrical activity were  counted as a  single  interval. At each 

time point, the automated annotation was manually verified and corrected with online 

calipers at a paper speed of 100mm/s (Sanders et al. 2005a). 

 

8.2.4 Complex Fractionated Atrial Electrograms 

CFAE were defined as fractionated potentials exhibiting multiple deflections from the 

isoelectric  line.  For  the  purposes  of  the  study,  CFAE  were  quantified  using  the 

automated  NavX  "CFE‐mean"  contact  mapping  tool,  recently  shown  to  effectively 

guide  CFAE‐targeted  ablation  (Verma  et  al.  2008),  which  provided  a  measure  of 

electrogram  fractionation  as  the  average  time  duration  between  consecutive 

deflections  during  the  8  second  electrogram.  Deflections  were  identified  by  a 

detection  algorithm  and  annotated  on  the  electrogram  with  yellow  "tick‐marks". 

Detection  is  based  on  three  user‐defined  criteria  in  which  the  deflection must:  1) 

exceed an adaptive "Peak‐to‐Peak Sensitivity" threshold set at a reference‐amplitude 

slightly greater  than baseline noise; 2) possess a "downstroke" morphology  in which 

the  leading  local‐maximum and the trailing  local‐minimum amplitude occurs within a 

time "Duration" that is set to avoid detection of broad, far‐field events; and 3) exceed 

  192

a  "Refractory"  period  from  the  previous  detection  that  is  set  to  avoid  multiple 

detections on  a  single deflection. When  all  three of  these  criteria are met, a  yellow 

tick‐mark  is placed on  the electrogram at  the  instant of maximum‐negative slope on 

the downstroke  (Figure 8‐1). Our user  settings were  a Refractory Period of 30ms,  a 

Peak‐to‐Peak  Sensitivity  of  0.1mV  and  a Duration  of  10ms.  Points with  a  CFE‐mean 

value from the minimum of 40ms (Refractory + Duration) up to 250ms were  included 

for analysis to ensure inclusion of all potentially relevant data. 

 

8.2.5 Activation Frequency 

All electrograms were exported  at 1200Hz  to perform  spectral  analysis using offline 

software  (Coperniqs).  The  electrograms  were  initially  rectified,  filtered  using 

Butterworth  filters  (Low pass 20Hz, High pass 1Hz) and edge‐tapered with a Hanning 

window. Frequency spectra were calculated by Fast Fourier Transform with a spectral 

resolution  of  0.07Hz. DF was  defined  as  the  frequency  containing maximum  power 

within  the  frequency domain 3‐15Hz. Points with  a Regularity  Index  (defined  as  the 

ratio of the power within a 0.75Hz band at the DF to total power over 3‐15Hz) of less 

than 0.2 were excluded from analysis (Sanders et al. 2005a). 

 

8.2.6 Relationship between Activation Frequency and Fractionation 

The relationship between CFAE and DF were evaluated as follows: (i) Point‐by‐point, to 

explore correlation at each sample location in every patient; (ii) Patient‐by‐patient, to 

explore correlation between medians of CFE‐mean and DF for a bi‐atrial map; and (iii) 

  193

Spatial distribution, to examine the relative positions of fractionation to high DF points. 

The latter was determined by displaying the 20 highest DF points for each patient and 

grouping them in clusters (for points <5mm apart) showing a frequency gradient to the 

surrounding  atria  as  previously  described  (Sanders  et  al.  2005a).  The  distance  from 

these  clusters  to  areas  of  low  CFE‐mean  (multiple  contiguous  points  within  5mm 

demonstrating  CFE‐mean<80ms)  was  measured  on  the  3‐dimensional  maps.  In 

addition,  activation  mapping  was  performed  on  the  15  simultaneously  acquired 

PentaRay  bipolar  electrograms  at  sites  of  high  DF.  Activation  mapping  was  only 

performed  during  periods  of  organised  atrial  fibrillation  as  previously  described 

(Haïssaguerre et al. 2006b).  Local activation was manually annotated  to  the peak or 

trough of the largest amplitude deflection on the bipolar contact electrogram. 

 

8.2.7 Statistical Analysis 

Continuous variables are reported as mean ± standard deviation or median and inter‐

quartile  range  as  appropriate.  Categorical  variables  are  reported  as  number  and 

percentage. Proportions were compared using Fisher’s Exact  test. Comparisons were 

analysed using paired or unpaired t tests, or the Mann‐Whitney U test as appropriate. 

To  analyse  differences  in  CFE‐mean  or  DF  according  to  atrial  fibrillation  type  and 

region,  a  linear  mixed  effects  model  was  fitted  to  the  data.  In  the  model,  atrial 

fibrillation type, region, and the interaction between atrial fibrillation type and region 

were fitted as fixed effects. Random effects were included in the model to account for 

the dependence  in observations both within a patient and within a given region of a 

patient,  following which post‐hoc pair‐wise  comparisons were performed within  the 

  194

model. Correlation between variables was measured by Pearson’s r statistic. Statistical 

significance was set at p<0.05. 

 

8.3 Results 

8.3.1 Baseline Details 

There  were  10  patients  with  paroxysmal  and  10  with  persistent  atrial  fibrillation. 

Baseline patient characteristics are summarised  in Table 8.1. Structural heart disease 

was  present  in  2  patients,  1  with  ischaemic  and  the  other  with  hypertrophic 

cardiomyopathy.  In  addition,  5  patients  had  hypertension,  2  had  prior  transient 

cerebrovascular  events  and  1 had  obstructive  sleep  apnoea.  Left  atrial  size  and  left 

ventricular hypertrophy were greater  in the persistent compared to paroxysmal atrial 

fibrillation group.  

Electrograms  from  a  total of 10,133 points were  analysed  (507±150 points/patient); 

238±79 points/patient  in the right and 268±102 points/patient  in the  left atria. Atrial 

fibrillation  cycle  length as measured  in  the coronary  sinus at  the commencement of 

the  study was 174±20ms  (184±20ms  for paroxysmal  atrial  fibrillation, 163±14ms  for 

persistent atrial fibrillation, p=0.02). 

 

8.3.2 Complex Fractionated Atrial Electrograms 

Median CFE‐mean was 103ms (IQR 76‐143ms) for right atrial points and 98ms (IQR 72‐

139ms) for left atrial points (p<0.001). Median CFE‐mean was 117ms (IQR 85‐161ms) in 

  195

paroxysmal atrial  fibrillation and 92ms  (IQR 70‐127ms)  in persistent atrial  fibrillation 

(p<0.001).  Figure  8‐2A  demonstrates  the  regional  variation  in  CFE‐mean, with  high 

CFE‐mean  values  indicating  less  fractionation.  CFE‐mean  was  significantly  lower  in 

persistent atrial fibrillation compared to those with paroxysmal atrial fibrillation for all 

12 regions  (p=0.009). The difference between regions was not dependent on type of 

atrial  fibrillation  by  the  statistical model  employed  (p=0.7),  hence  the  comparisons 

presented  between  areas  for  CFE‐mean  are  across  all  patients,  regardless  of  atrial 

fibrillation  type.  The  areas  of  greatest  fractionation within  the  left  atrium were  the 

roof,  septum,  posterior,  anterior  and  inferior  walls.  All  right  atrial  regions 

demonstrated a higher CFE‐mean than these areas (p<0.05, Figure 8‐2A). 

Areas  containing multiple  points with  low  (<80ms;  lowest  quartile)  CFE‐mean were 

located on the 3‐dimensional maps (Off et al. 2008). The mean number of such areas 

per patient was 10.3±4.2 and these areas were compared in location to clusters of high 

DF points (see below). More areas of low CFE‐mean per patient were seen in persistent 

compared to paroxysmal atrial fibrillation (13±3.5 versus 7.5±3.5; p=0.002).  

Median CFE‐mean  correlated moderately with  atrial  fibrillation  cycle  length  (r=0.47, 

p=0.04) and  there was an  inverse  correlation  (r=‐0.45, p<0.05) between mean atrial 

fibrillation cycle length and the number of areas of low CFE‐mean. 

 

8.3.3 Dominant Frequency 

Median DF was 5.49Hz (IQR 4.91‐6.15) for right atrial points and 5.57Hz (IQR 4.91‐6.23) 

for  left  atrial  points  (p=0.02). Median DF was  5.27Hz  (IQR  4.69‐5.71)  in  paroxysmal 

atrial  fibrillation  patients  and  5.93Hz  (IQR  5.35‐6.67)  in  persistent  atrial  fibrillation 

  196

patients  (p<0.001). Regional differences  in DF  are  illustrated  in  Figure  8‐2B. DF was 

higher  in  persistent  atrial  fibrillation  for  all  regions  compared  to  paroxysmal  atrial 

fibrillation  (Figure  8‐2B).  The  differences  between  regions  across  type  of  atrial 

fibrillation  were  not  uniform  (p=0.01),  hence  the  comparisons  presented  between 

regions are made only within paroxysmal or within persistent atrial fibrillation groups. 

For paroxysmal atrial fibrillation the DF of pulmonary veins,  left atrial appendage and 

roof was significantly higher than in the inferior and lateral left atrial regions (p<0.05, 

Figure  8‐2B).  For  persistent  atrial  fibrillation  no  significant  differences  were  seen 

between  left atrial areas, except that the  inferior  left atrium had  lower DF than the 3 

highest  areas;  lateral  and  posterior  left  atrium,  and  left  atrial  appendage  (p<0.05, 

Figure 8‐2B).  

The 20 highest DF points  for each patient were  located on  the 3‐dimensional maps. 

These  20  highest DF  points were  clustered  such  that  the mean  number  of  high DF 

clusters was 5.2±1.7 per patient. These clusters were compared in location to areas of 

low CFE‐mean. Of 104 clusters, 68 (65%) were within the  left atria, of which 24 were 

located in the pulmonary veins.  

Median  DF  correlated  well  with  atrial  fibrillation  cycle  length  (r=‐0.67,  p=0.001); 

however,  there was no  significant  correlation between atrial  fibrillation  cycle  length 

and the number of high DF clusters (p=0.3). 

 

8.3.4 Relationship between CFE‐mean and Dominant Frequency 

Correlation  of  CFE‐mean  and  DF  on  a  patient‐by‐patient  basis  shows  a  moderate 

inverse correlation (r=‐0.50, p=0.03; Figure 8‐3), suggesting that for a given patient the 

  197

degree  of  fractionation  (as  indicated  by  low  CFE‐mean)  increases  with  the  DF. 

However,  point‐by‐point  correlation  between  CFE‐mean  and  DF  reveals  a  poorer 

correlation (r=‐0.17, p<0.001; Figure 8‐3), suggesting that these two parameters, while 

not the same, may co‐exist within a common area. To further explore the relationship 

between  these measures,  the  spatial  relationship  of  the  104  clusters  of  high DF  to 

CFAE areas were evaluated. The median distance between DF clusters and CFAE areas 

was 5mm  (IQR 2‐10). Eighty percent of DF clusters were at or  less  than 10mm  from 

fractionation  and  in  a  further  10%  they were  found  between  10‐20mm.  Figure  8‐4 

shows a representative example of the spatial relationship of fractionation to a high DF 

site.  It  shows  the  electrograms  and  their  frequency  spectra  from  high  DF  points, 

together with  the  electrograms  from  nearby  low  CFE‐mean  areas.  The  high DF  site 

demonstrates  a  frequency  gradient  to  the  surrounding  tissue  with  adjacent 

electrograms demonstrating more fractionation. In this example, the distance from the 

high DF site to the most fractionated electrogram shown was 7mm. 

To  further  determine  the  relationship  between  sites  of  high  DF  and  CFAE  we 

performed activation mapping where possible using simultaneous electrograms  from 

the PentaRay catheter at sites of high DF. Figure 8‐5 demonstrates activation mapping 

at high DF cluster sites and reveals that during organised activity, varying patterns of 

wave‐front activation and  isochronal crowding are seen adjacent  to  the high DF site. 

Electrogram  fractionation  is observed  to occur  in  close proximity  to high DF  sites  in 

these examples. 

 

 

  198

8.4 Discussion 

8.4.1 Major findings 

This  study  utilised high‐density  endocardial mapping of  atrial  fibrillation  to describe 

the relationship of activation frequency and electrogram fractionation within the atria. 

The major findings are as follows: 

(i)  The  left atrium  is more highly  fractionated than the right atrium and patients 

with persistent atrial  fibrillation demonstrate a higher degree of  fractionation 

than those with paroxysmal atrial fibrillation.  

(ii)  Activation  frequency  is  higher  in  the  left  atrium  than  the  right  atrium  and 

higher  in  persistent  atrial  fibrillation  than  paroxysmal  atrial  fibrillation.  In 

paroxysmal  atrial  fibrillation  regional  analysis  demonstrated  significant 

variation  in  frequency,  but  these  regional  differences were  less  apparent  in 

persistent atrial fibrillation. 

(iii)  Fractionation  and  activation  frequency  correlate  with  atrial  fibrillation  cycle 

length. While these variables do not demonstrate a relationship on a point‐by‐

point basis, within an  individual a moderate relationship  is observed between 

them. 

(iv) Exploration of their spatial relationship suggests that electrogram fractionation 

is  observed  in  close  proximity  to  sites  of  high  frequency  activation  and  is 

further  supported  by  high‐density  simultaneous  activation mapping  at  these 

sites. 

 

  199

8.4.2 Spatial Distribution of Complex Fractionated Atrial Electrograms 

The  finding  of  a  higher  degree  of  fractionation  in  the  left  atrium  than  the  right  is 

consistent with previous reports. Jaïs et al.  (1996)  initially described regional bi‐atrial 

disparities in endocardial fractionation in paroxysmal atrial fibrillation, at a time when 

much  of  the  data were  from  epicardial  studies.  They  found  that  complex  electrical 

activity was more  frequently  found  in  the septal and posterior  regions of both atria, 

with more regular activity seen  in the trabeculated atria. This group has further gone 

on  to  describe  the  characteristics  of  CFAE  predictive  of  favourable  ablation  targets 

(Takahashi et al. 2008). Proponents of CFAE‐targeted ablation have found fractionation 

predominantly  in  left atrial sites: the pulmonary vein ostia;  inter‐atrial septum; mitral 

annulus;  basal  left  atrial  appendage;  left  atrial  roof;  and  the  posterior  left  atrium 

(Nademanee et al. 2004; Oral et al. 2007; Schmitt et al. 2007; Porter et al. 2008). They 

reported  that  such  sites were  found more widely  spread amongst  those with  longer 

duration  atrial  fibrillation,  consistent  with  the  greater  number  of  electrogram 

fractionation areas found in the patients with persistent atrial fibrillation in the current 

study.  

 

8.4.3 Spatial Distribution of Dominant Frequency 

The initial evidence for organisation of atrial fibrillation came from optical mapping in 

animal studies which used spectral analysis to demonstrate repetitive high frequency 

activity with  temporal and spatial periodicity during atrial  fibrillation, consistent with 

the  hypothesis  of  “driving”  rotors  (Skanes  et  al.  1998;  Kalifa  et  al.  2006).  More 

recently, similar  findings have been reported  in humans  (Wu et al. 2002; Lazar et al. 

  200

2004;  Sahadevan  et  al.  2004;  Sanders  et  al.  2005a; Haïssaguerre  et  al.  2006b). Our 

finding of higher DF in the left atrium in humans is consistent with previous published 

reports  on  paroxysmal  atrial  fibrillation  (Lazar  et  al.  2004;  Lin  et  al.  2006). 

Furthermore,  the maximal DF has been  reported  in  the pulmonary  veins  in patients 

with  paroxysmal  atrial  fibrillation  (Sanders  et  al.  2006).  However,  persistent  atrial 

fibrillation had a less conclusive regional pattern of DF distribution. Although previous 

publications have  shown  a higher mean DF  in  the  left  atria, particularly  around  the 

pulmonary veins (Wu et al. 2002), others have shown that this distinction disappears 

for  longstanding  atrial  fibrillation  where  other  sites  are  observed  to  predominate 

(Lazar et al. 2004; Atienza et al. 2006). Isolation of the pulmonary veins abolishes this 

left‐to‐right gradient in paroxysmal atrial fibrillation and for the subset of patients with 

persistent  atrial  fibrillation  in  whom  a  left‐to‐right  gradient  exists,  success  of 

pulmonary  vein  isolation  alone  exceeds  that  of  persistent  atrial  fibrillation without 

such gradient (Lazar et al. 2006). Retrospective analysis of ablation of paroxysmal atrial 

fibrillation  shows  that  atrial  fibrillation  cycle  length  prolongation  and  eventual 

termination occurs at sites of high DF (Sanders et al. 2005a). This has not been shown 

for persistent atrial fibrillation and may be in part due to our study’s finding that DF is 

distributed more evenly throughout atrial regions, making targeting any one region a 

less effective strategy for ablation in this sub‐group. Indeed, a more aggressive, multi‐

region  approach  for  ablating  longstanding  persistent  atrial  fibrillation  has  been 

advocated (Haïssaguerre et al. 2005c).  

 

 

  201

8.4.4 Relationship between Activation Frequency and Fractionation  

Few  studies  have  examined  the  relationship  between  CFAE  and  DF.  Lemola  et  al. 

(2006) examined  the DF before and after atrial  fibrillation ablation by 2  techniques; 

circumferential‐pulmonary‐vein and electrogram‐guided ablation. Using CFAE to guide 

ablation,  the mean  left  atrial DF was  seen  to  reduce by 17%  and  this decrease was 

associated  with  less  recurrent  atrial  fibrillation  for  patients  with  persistent  atrial 

fibrillation. No such prognostic advantage of DF reduction was seen for the pulmonary 

vein  encircled  group,  suggesting  that  differing mechanisms  are  eliminated  by  the  2 

ablation strategies. Rostock et al. (2006) have shown that dynamic changes in CFAE are 

dependent on regional atrial  fibrillation cycle  length,  in that shortening of  local cycle 

length preceded development of CFAE. Our finding of significant correlation between 

atrial fibrillation cycle length and number of areas of low CFE‐mean, and the proximity 

of DF clusters to CFAE areas, is consistent with this observation.   A  recent  study 

evaluating  the  potential  role  of  ganglionated  plexi  in  atrial  fibrillation  has 

demonstrated  that  following  local  administration  of  acetyl  choline  there  was  a 

significant  gradient of decreasing DF  and  incidence of CFAE  from  ganglionated plexi 

toward  distant  sites  (Lu  et  al.  2008).  While  we  did  not  evaluate  the  role  of 

ganglionated plexi, this inter‐relationship of CFAE and DF is supported by our study.  

Kalifa et al. (2006) have investigated the relationship between focal drivers and sites of 

fractionation  using  optical mapping  in  the  experimental  setting.  In  8  isolated  sheep 

hearts they were able to show maximal DF regions  in which fractionation was  lowest 

and an  increased band of fractionation observed at border‐zones with areas of  lower 

DF  in  the  posterior  left  atria.  They  therefore  conclude  that  alongside  areas  of  fast, 

  202

regular  atrial  activation,  there  are  zones where  propagation  pattern  variability  and 

fractionated activity occur most frequently. In the current study, high‐density mapping 

in human atrial fibrillation  identified clusters of high DF points, predominantly within 

the  left  atrium,  with  fractionation  observed  at  or  adjacent  to  these  sites.  These 

findings  are  consistent  with  data  from  the  findings  of  Kalifa  et  al.  (2006).  These 

investigators  suggested  that  the  success  of  the  CFAE‐targeted  ablation  is  due  to 

anatomical barriers being created  to  isolate  the  influence of high  frequency “driver” 

sites on the rest of the atria. The current clinical study suggests that such ablation  in 

the  beating  heart  could  additionally  involve  the  closely  positioned  sites  of  high 

activation frequency. 

 

8.4.5 Clinical Implications 

Activation mapping during atrial fibrillation has been notoriously difficult to perform in 

the clinical setting. In addition, for longer duration atrial fibrillation, CFAE are observed 

in many regions of the atria making identification of critical CFAE sites difficult. In this 

setting, mapping  activation  frequency with DF may be of particular  value  in  guiding 

ablation  in patients with more  complex  substrate  such as  in  longstanding persistent 

atrial fibrillation. A combined approach using both CFAE and DF mapping may allow a 

more  expeditious  and  targeted  approach  to  ablation  of  the  critical  atrial  substrate, 

which further studies should address. 

 

  203

8.4.6 Limitations 

Although this clinical study has provided high‐density contact mapping to evaluate the 

relationship of CFAE and DF,  its  relative density does not approach  that achieved by 

optical mapping in the experimental setting. Higher density mapping may have allowed 

identification of mechanisms  leading to these phenomena. Nevertheless, our findings 

on the relationship between CFAE and DF are similar to that achieved in such studies. 

This study was unable to determine the effects of ablation on these sites due to the 

off‐line nature of the analysis. In addition, the coronary sinus was not studied. Finally, 

the questions of optimal sample length and the temporal stability of DF and CFE‐mean 

over  periods  of minutes  or more was  not  addressed  by  this  study,  but  have  been 

studied elsewhere (Lazar et al. 2004; Sanders et al. 2005a; Lin et al. 2008; Stiles et al. 

2008). 

 

8.5 Conclusion 

Greater  fractionation  and  higher  activation  frequency  are  seen  in  persistent  atrial 

fibrillation and in the left atria. Significant regional variation in activation frequency is 

observed  in paroxysmal atrial  fibrillation and  this distinction diminishes  in persistent 

atrial fibrillation. CFAE and DF demonstrate no relationship on a point‐by‐point basis. 

However,  there  is  a  relationship  between CFAE  and DF  at  an  individual  level. High‐

density  exploration  of  their  spatial  relationship  confirms  the  occurrence  of  CFAE 

adjacent to areas of high frequency activation. 

  204

Table 8.1 

Patient characteristics 

  Paroxysmal (n=10) 

Persistent (n=10) 

p value 

Age (years)  61.5  55.0  0.1  

Male, n (%)  6 (60)  10 (100)  0.09  

Longest AF episode  3±2 days  15±7 months  <0.0001  

Time since first AF episode  51±37 months  59±53 months  0.7  

Structural heart disease, n (%)  0  2 (20)  0.5  

Amiodarone use, n (%)  1 (10)  5 (50)  0.1  

Left atrial parasternal size (mm)  43±5  49±7  0.045  

Left atrial area (cm2)  25±5  31±7  0.04  

Right atrial area (cm2)  20±5  25±8  0.2  

Interventricular septum (mm)  10±1  12±2  0.009  

LV end diastolic diameter (mm)  49±5  53±5  0.09  

LV end systolic diameter (mm)  32±7  36±8  0.2  

LV ejection fraction (%)  60±4  56±10  0.3  

 AF = atrial fibrillation, LV = left ventricular 

  

 

  205

Figure 8‐1  Integrated bi‐atrial high‐density CFE‐mean colour maps with example bipolar atrial 

electrogram  

  

Figure legend overleaf.

  206

Figure 8‐1 (previous page) 

The electrogram demonstrates yellow tick‐marks at the  instant of maximum‐negative 

slope  on  downstrokes  between  leading  local‐maximum  and  trailing  local‐minimum 

points.  Tick‐marks  indicate  annotations  of  deflection  events  in  the  electrogram 

according  to  the Refractory, Peak‐to‐Peak Sensitivity and Duration criteria defined  in 

the  text. CFE‐mean  is  the average  time duration between annotations and  the value 

for each point is displayed along a colour spectrum on the 3‐dimensional geometry. 

 

IVC –  inferior vena cava  , LAA –  left atrial appendage, LIPV –  left  inferior pulmonary 

vein,  LSPV  –  left  superior  pulmonary  vein, MA  – mitral  annulus,  RAA  –  right  atrial 

appendage, RIPV – right inferior pulmonary vein, RSPV – right superior pulmonary vein, 

SVC – superior vena cava, TA – tricuspid annulus. 

 

  207

Figure 8‐2  

(a) Median CFE‐mean by atrial region  

   

(b) Median DF by atrial region   

   

Figure legend overleaf.

  208

Figure 8‐2 (previous page) 

 

(a)  CFE‐mean  was  significantly  lower  in  persistent  compared  to  paroxysmal  atrial 

fibrillation  for  all  regions  (p<0.01).  For post‐hoc pair‐wise  comparisons  regardless of 

type of atrial fibrillation; *p<0.04 compared to all other regions, †p<0.05 compared to 

LAA, ‡p<0.05 compared to any right atrial region, and §p<0.05 compared to LA Lat. 

 

(b) All  regions were  significantly higher  in persistent  compared  to paroxysmal  atrial 

fibrillation (p<0.01), except for RA Lat and RA Ant. Post‐hoc pair‐wise comparisons for 

Paroxysmal atrial  fibrillation; PVs, LAA and LA Roof were  significantly higher  than LA 

Lat and LA  Inf  (p<0.05), and RA Ant was significantly higher  than  the 6  lowest areas. 

Post‐hoc  pair‐wise  comparisons  for  Persistent  atrial  fibrillation;  no  significant 

differences  were  seen  between  LA  areas  except  LA  Inf  and  the  3  highest  areas 

(p<0.05), and RA Lat, RA Post and RA Sept were significantly lower than many of the LA 

areas and RA Ant (p<0.05). 

 

PVs – pulmonary veins, LAA – left atrial appendage, LA – left atrial, RA – right atrial, Lat 

–  lateral wall, Post – posterior wall, Sept – septum, Ant – anterior wall,  Inf –  inferior 

wall.

Figure 8‐3  

Scatter plots of DF and CFE‐mean with “line of best fit”  

            

Left pan

el: P

oint‐by‐po

int correlatio

n for every sample locatio

n in every patient. 

Right p

anel: P

atient‐by‐patie

nt correlatio

n be

tween med

ians of C

FE‐m

ean and DF  

  210

Figure 8‐4  

Antero‐superior view of the left atrium displaying DF data on a colour spectrum  

 

   

High  DF  areas  (blue‐purple)  are  seen  in  the  pulmonary  veins,  basal  left  atrial 

appendage and the left atrial roof. A zoomed view of the area of high DF at the roof is 

shown  with  the  corresponding  points  (inset).  One  second  electrograms,  frequency 

spectra  (3‐15Hz), and corresponding DF and CFE‐mean values  for each of  the  local 7 

points contributing to the colour map are shown  in  linked boxes. The central point of 

highest  DF  is  fast  and  regular,  with  surrounding  points  showing  either  increased 

fractionation, lower DF or both. 

  211

Figure 8‐5  

Integrated CT images with activation maps from the 5‐spline catheter at high DF cluster sites and accompanying bipolar electrograms 

 

 

Figure legend overleaf.

  212

Figure 8‐5 (previous page) 

 

(a) Activation map  at  the  left  inferior  pulmonary  vein  of  a  patient with  paroxysmal 

atrial fibrillation. Dominant frequency at this site was 7.5Hz (median DF 5.4Hz for this 

left atrium). In this example, activation seems to radiate out from a distinctly early site 

(A2). Note the increase in fractionation in Spline E with delayed conduction. 

 

(b) Activation map at the  left atrial roof of a patient with persistent atrial fibrillation. 

Dominant  frequency  at  this  site was  8.4Hz  (median  DF  7.2Hz  for  this  left  atrium). 

Earliest activation  is seen  in distal Spline B with Splines C and D activated soon after. 

Delayed conduction is seen in the direction of Splines A and E with isochronal crowding 

and fractionation. 

 

(c) Activation map at  the posterior  left atrial wall of a patient with paroxysmal atrial 

fibrillation. Dominant  frequency at  this  site was 6.4Hz  (median DF 5.8Hz  for  this  left 

atrium).  Activation  can  be  seen  to move  in  an  anti‐clockwise  direction  around  the 

splines with block between Splines A and E, evidenced by double potentials in Spline E. 

  213

Chapter 9.                                                                  Summary‐‐‐‐‐ 

This  thesis  has  examined  aspects  of  the  underlying  substrate  present  in  atrial 

fibrillation and atrial  flutter. The  insights gained  into  the  characteristics of  the atrial 

myocardium  that  initiate  and  sustain  atrial  arrhythmia  have  advanced  our 

understanding  of  the mechanisms  responsible  for  this  disease.  This  knowledge may 

contribute to strategies aimed at prevention and treatment of atrial arrhythmia. 

Studies  of  patients with  recent  atrial  arrhythmia  have  demonstrated  electrical  and 

structural  remodelling within  the  atria. However,  it  is not  known  if  this  remodelling 

precedes,  occurs  in  association  with,  or  results  from  the  atrial  arrhythmia.  These 

studies have suggested an important role for a decrease in atrial refractoriness and are 

central  to  the  observation  that  "atrial  fibrillation  begets  atrial  fibrillation".  Clinical 

studies have  shown  reversal of electrical  remodelling over  time after  termination of 

arrhythmia, however strategies of prompt termination of atrial fibrillation to avoid this 

cycle of adverse remodelling have failed to show benefit. These observations have led 

to  the  search  for  a  “second  factor”  integral  to  the development  and progression of 

atrial fibrillation. Characterisation of the atrial substrate distant in time from episodes 

of  atrial  fibrillation  removes  the  effect  that  recent  arrhythmia  is  known  to  have  on 

atrial  electrophysiology.  Chapter  2  has  characterised  the  electrical  substrate  of  the 

right  and  left  atria  of  patients with  paroxysmal  lone  atrial  fibrillation,  remote  from 

recent  arrhythmia,  and  demonstrated  conduction  abnormalities  characterised  by 

prolongation  of  conduction  times  along  linearly  placed  catheters,  longer  P  wave 

duration and site‐specific conduction delay; impaired sinus node function indicated by 

prolonged  SACT  and  CSNRT;  and  an  increase  in  ERP, which  is  consistent with  prior 

  214

studies  evaluating  clinical  substrates  for  atrial  fibrillation  but  is  in  contrast  to  the 

remodelling  attributed  to  atrial  fibrillation  itself.  This  suggests  that  patients  with 

paroxysmal  lone  atrial  fibrillation  have  an  abnormal  atrial  electrophysiological 

substrate  and  that  these  abnormalities  contribute  to  the  “second  factor”  that 

promotes  progression  of  atrial  fibrillation.  Chapter  3  has  characterised  the 

electroanatomical  substrate present  in  lone  atrial  fibrillation.  Several  animal models 

and  clinical  conditions  known  to  be  associated  with  atrial  fibrillation  have 

demonstrated structural remodelling and conduction abnormalities without reduction 

in  refractoriness,  but  the  changes  observed  may  be  influenced  by  the  underlying 

disease  itself. Patients with “lone” atrial  fibrillation do not have overt cardiovascular 

disease  to  influence  the  underlying  substrate.  Therefore,  electroanatomical 

characterisation  of  the  atria  of  patients  with  lone  atrial  fibrillation  has  aimed  to 

minimise  the  effects  of  associated  disease  and  look  at  the  substrate  related  to  the 

arrhythmia itself. In addition, this characterisation was performed remote from recent 

episodes of arrhythmia  to diminish  the  transient effects of  rate‐related  remodelling. 

This  study  demonstrated  bi‐atrial  structural  abnormalities  characterised  by  atrial 

dilatation  and  lower mean  atrial  voltage  suggesting  the  loss  of  atrial myocardium; 

slower  conduction  velocities;  and  an  increase  in  the  proportion  of  electrograms 

characterised as double potentials or fractionated signals. These findings suggest that 

patients with paroxysmal  lone  atrial  fibrillation have  an  abnormal electroanatomical 

atrial  substrate  and  that  these  abnormalities  also  contribute  to  the  “second  factor” 

that promotes atrial fibrillation. 

The course of the typical atrial flutter circuit has been well characterised and ablation 

of  the  cavotricuspid  isthmus  is  a highly  successful  treatment. However, despite  this 

  215

therapy a significant proportion subsequently develop atrial fibrillation.  Indeed, atrial 

flutter  has  a  close  inter‐relationship  with  atrial  fibrillation  and  the  two  rhythms 

frequently  co‐exist.  Chapter  4  postulates  that  causes  for  the  propensity  for  future 

atrial  fibrillation  in  this  population may be  found by  investigation of  the underlying 

electrical substrate of the right atrium  in atrial flutter. Major findings from this study 

include conduction abnormalities characterised by prolongation of  lateral  right atrial 

conduction  time,  longer  P  wave  duration  and  site‐specific  conduction  delay; 

impairment of  sinus node  function;  and  an  increase or no  change  in ERP. Thus,  the 

abnormal  electrical  substrate  of  atrial  flutter  is  found  to  be  present  diffusely 

throughout  the  right  atrium  and  not  confined  to  the  barriers  of  the  known  typical 

flutter  circuit.  Chapter  5  has  characterised  the  electroanatomical  substrate  of  atrial 

flutter  to  further define  abnormalities  throughout  the  right  atrium.  Findings  include 

structural  abnormalities  reflected  in  atrial  dilatation  and  lower  mean  right  atrial 

voltage suggesting the loss of atrial myocardium; conduction abnormalities in the form 

of  slower mean  conduction  velocity;  and  an  increase  in  the  proportion  of  complex 

electrograms. Together with the electrical substrate determined  in the prior chapter, 

these  changes  reflect a diffusely abnormal  right atrial  substrate characteristic of  the 

changes  seen  in atrial  fibrillation with prior  studies and  indeed earlier  in  this  thesis. 

Perhaps  it  is  these abnormalities  that predispose many patients with atrial  flutter  to 

progress to atrial fibrillation. 

Several investigators have observed remodelling of the sinus node that develops soon 

after  the  initiation  of  arrhythmia  and  reverses  after  restoration  of  sinus  rhythm.  In 

addition,  it  is known that several conditions predisposed to the development of atrial 

arrhythmias demonstrate  sinus node  remodelling. Furthermore, atrial  fibrillation not 

  216

uncommonly  complicates  sinus  node  disease.  This  frequent  co‐existence  of  atrial 

arrhythmia  and  sinus  node  disease  may  be  due  to  a  slow  sinus  rate  increasing 

vulnerability  to  atrial  fibrillation,  a  common  disease  substrate  and/or  arrhythmia 

directly  impairing sinus node  function. The anatomical sinus node  is a small  localised 

structure  located at  the  junction of  the  superior vena  cava with  the  right atrium.  In 

contrast,  the  functional  sinus  node  complex  has  been  demonstrated  to  extend  the 

length  of  the  crista  terminalis  and  indeed  beyond.  This  discrepancy  is  difficult  to 

reconcile and various hypotheses have been proposed. Newer mapping technology has 

provided  novel  insights  into  arrhythmia mechanisms  not  previously  afforded  using 

conventional  techniques,  demonstrating  “preferential  pathways”  from  earliest 

activation  to  the  site where break‐out occurs  to  the  remaining atria  in ectopic atrial 

tachycardia. Whether similar pathways exist  to account  for  the discrepancy between 

the anatomical and  functional sinus node complex  is not known. Chapter 6 aimed to 

characterise  the  electrical  properties  of  the  functional  sinus  node  complex  in  the 

normal  heart  with  the  anatomical  and  electrical  resolution  provided  by  a  3‐

dimensional non‐contact mapping system. To further explore the sinus node complex 

activity, the same characterisation was performed in patients with chronic atrial flutter 

(a  group  known  to have  impaired  sinus node  function)  to establish how  sinus node 

activity  is  affected  by  atrial  remodelling.  This  chapter  found  that  the  sinus  node 

complex  in  normal  hearts  displays  a  dynamic  range  of  activation  sites  along  the 

postero‐lateral  right atrium and preferential pathways of conduction do  indeed exist 

between the sinus node and the exit of sinus activity to the atria. There were multiple 

origins  of  sinus  activation  and  exit  sites  to  the  atria,  providing  evidence  of multi‐

centricity of  the sinus node complex. Lastly, remodelled atria demonstrate structural 

  217

change  reflected by  loss of voltage  that was associated with more caudal activation, 

slower  conduction  time  along  preferential  pathways,  only  modest  shifts  of  the 

functional pacemaker complex and more  frequent conduction block across  the crista 

terminalis with  resultant  circuitous  conduction  of  the  sinus  impulse.  These  findings 

extend  our  knowledge  of  the  function  of  the  highly  complex  human  sinus  node  by 

demonstrating  the  presence  of  preferential  pathways  of  conduction  within  the 

functional sinus node complex. The abnormalities in the sinus node complex shown for 

the patients with atrial flutter underscore the important association between impaired 

sinus node function and atrial arrhythmia. 

As ablation techniques are used to treat patients with atrial fibrillation, it has become 

apparent  that many  patients  require  not  just  trigger  elimination  but  also  substrate 

modification.  There  is much work  being  done  on  identifying  the  appropriate  atrial 

substrate to be modified. Areas of CFAE and DF have been suggested as critical regions 

maintaining atrial fibrillation. Techniques to modify the underlying atrial substrate by 

ablation of these targets in order to treat atrial fibrillation have been proposed. CFAE‐

targeted ablation  is one  such  technique and has been  reported as highly  successful, 

although  attempts  to  emulate  the  outcomes  initially  reported  have  shown  more 

modest  improvements.  Perhaps  one  reason  for  this  non‐reproducibility  is  that  the 

evaluation of CFAE has been based on the operator’s subjective analysis. Mapping to 

identify sites of high DF may  identify the position of “drivers” of atrial fibrillation and 

targeting  these  electrograms  is  a  promising  area  of  research.  The  development  of 

automated  algorithms  for both quantification of electrogram  fractionation  and  real‐

time  DF  calculation  aims  to  deliver  a  reproducible  and  objective  assessment  of 

electrogram  characteristics  and  thereby  standardise  the  approach  to  substrate 

  218

modification. The ideal duration of electrograms required to reproducibly identify sites 

of CFAE or highest DF  is not known. While  longer electrogram recordings extend the 

data  collection  process  unnecessarily,  shorter  durations may  provide  an  inaccurate 

representation of  the  true degree of  fractionation or  frequency. Chapter 7 aimed  to 

determine  the minimum  duration  of  electrogram  recording  that  provides  accurate 

data without unduly  lengthening the data collection process, by exploring the degree 

of correlation between progressively shorter electrogram recordings with the  longest 

exportable data sample length. Recordings of shorter durations were compared to the 

maximum  duration  recordable  by  the  system  using  several  criteria  including mean 

values, mean absolute differences, the proportion of points deviating >10%  from the 

index  value  and  intra‐class  correlation  coefficients. Using  these  criteria,  a  recording 

duration  of  less  then  5  seconds  was  shown  to  disclose  inaccurate  data  about  the 

fractionation  and  activation  frequency  of  the  electrograms  reflecting  underlying 

substrate  of  atrial  fibrillation.  An  electrogram  duration  of  5  seconds  is  therefore 

recommended with these techniques of automated analysis. 

The  relationship  between  CFAE  and  sites  of  high  DF  has  not  been  previously 

demonstrated  in humans.  In particular,  it  is not known whether  they are markers of 

the  same  or  provide  complementary  information  on  the  pathogenesis  of  atrial 

fibrillation. Understanding  the  relationship  between  these  targets may  be  useful  in 

guiding radiofrequency ablation.  In Chapter 8,  the relationship between sites of high 

frequency  activation  and  fractionation during  atrial  fibrillation was examined by  the 

creation of high‐density bi‐atrial maps. This study  found  that  the  left atrium  is more 

highly  fractionated  than  the  right  atrium  and  that  patients  with  persistent  atrial 

fibrillation demonstrate a higher degree of  fractionation  than  those with paroxysmal 

  219

atrial  fibrillation.  Similarly,  activation  frequency  is higher  in  the  left  atrium  than  the 

right  atrium  and  higher  in  persistent  atrial  fibrillation  than  paroxysmal  atrial 

fibrillation.  In paroxysmal atrial  fibrillation  regional analysis demonstrated  significant 

variation in frequency, but these regional differences were less apparent in persistent 

atrial fibrillation. Correlation between fractionation and activation frequency exists but 

is much stronger on a patient‐by‐patient rather than a point‐by‐point basis, prompting 

the exploration of the spatial relationship between points of high DF and fractionation. 

Detailed  inspection  of  3‐dimensional  high‐density  maps  created  during  atrial 

fibrillation reveals that electrogram fractionation is observed in close proximity to sites 

of  high  frequency  activation.  This  data  is  further  supported  by  high‐density 

simultaneous activation mapping at  sites of high DF. The  clinical  implications of  this 

relationship are that mapping activation frequency with DF may be of particular value 

in guiding ablation  in patients with more  complex  substrate  such as  in  longstanding 

persistent  atrial  fibrillation. A  combined  approach using both CFAE  and DF mapping 

may allow a more expeditious and targeted approach to ablation of the critical atrial 

substrate, which further studies should address. 

  220

Chapter 10.                                                                   Future Directions‐‐‐ 

The  characterisation of  the underlying  atrial  substrate of  atrial  fibrillation  and  atrial 

flutter performed  for  the purpose of  this  thesis has provided  important  insights  into 

the mechanism  of  the  disease  process  associated with  atrial  arrhythmia.  However, 

many questions remain unanswered, some of which are discussed below. 

This  thesis provides documentation of  the substrate of atrial  fibrillation and of atrial 

flutter  under  specific  conditions.  By  design,  the  electrophysiological  and 

electroanatomical studies were performed remote from recent arrhythmia to minimise 

the  known  transient  effects  of  rate‐related  remodelling.  As  such,  the  conclusions 

drawn relate to the substrate present without the effects of recent arrhythmia which 

of course may not reflect the clinical situation of many patients with atrial arrhythmia. 

The  complex  interaction  between  the  electrical  and  structural  remodelling 

demonstrated here and the rate‐related remodelling observed during and shortly after 

arrhythmia requires further study. 

Additionally, the similarly complex  interaction between substrate for atrial fibrillation 

and associated cardiovascular disease  is an area for future  investigation. The bi‐atrial 

substrate  identified  for  lone  atrial  fibrillation  here  necessarily  excluded  underlying 

heart disease and most patients with atrial fibrillation do indeed have related disorders 

which would variably impact on the atrial substrate. 

The cause of atrial arrhythmia is widely recognised to be due to the presence of both 

triggers and  substrate  to  initiate and maintain  the abnormal  rhythm. This  thesis has 

concentrated  on  characterising  the  substrate  underlying  atrial  arrhythmia. Although 

  221

extrapolation  of  data  regarding  sites  of  high DF  as  potential  triggers  sites  could  be 

made, this was not the primary aim of the study. Therefore, detailed examination of 

the  electrophysiological  characteristics  of  triggers  of  atrial  arrhythmia  is  a  potential 

area for future research that would complement the work on atrial substrate. 

Clinical studies such as those performed  in this thesis make some assumptions about 

disease process and observed findings – e.g. reduction  in observed voltage  is  likely to 

reflect loss of atrial myocardium. Insights into the precise mechanisms contributing to 

the  changes observed may  come  from  animal  studies where  the methods by which 

abnormalities manifest are more readily established. 

A substantial body of work exists on  the effect of  the autonomic nervous system on 

atrial fibrillation. This thesis did not set out to characterise the effect of the ganglionic 

plexi on the atrial substrate and future work on the contribution of vagal influence on 

the  triggers  and  maintenance  of  atrial  fibrillation  is  expected  to  increase  our 

knowledge in this important area. 

Sinus  node  disease  is  a  significant  cause  of morbidity  and  a  leading  indication  for 

permanent  pacemaker  implantation.  The  findings  in  this  thesis  of  preferential 

pathways  being  integral  to  the  function  of  the  sinus  node  complex,  and  the 

observations of  sinus node  remodelling associated with atrial  flutter being mediated 

via  these  pathways,  has  implications  for  the  understanding  and  perhaps  eventual 

management of this common condition. 

Translating  the  findings  regarding  atrial  substrate  to  a  useful  clinical  intervention 

would  be  a worthy  aim.  The  studies  of  CFAE  and  DF  have  a  potential  role  in  the 

effective  guidance  of  ablation  strategies  aiming  to  modify  the  substrate  of  atrial 

  222

arrhythmia. Although the strategy of CFAE‐targeted ablation  is well accepted, that of 

targeting sites of high DF is not yet established. DF‐guided ablation is a potential direct 

application of the data presented in Chapter 8 and future studies comparing standard 

ablation techniques with or without additional targeting of sites of high DF may show a 

difference  in  ablation  efficacy.  Furthermore,  a  combined  approach  (identifying  both 

CFAE  and  sites  of  high  DF)  of  electrogram‐targeted  ablation  may  utilise  the 

complementary  information  obtained  from  each  technique  to  increase  effective 

ablation  while  decreasing  unnecessary  ablation  of  “bystander”  myocardium  not 

actively  involved  in  the substrate maintaining atrial  fibrillation. As  the  indications  for 

atrial  fibrillation  ablation  expand  and  the  additional  ablation  required  to maintain 

outcomes in the more complex patient increases, a method that could reduce ablation 

time and increase safety yet maintain efficacy would be welcome. 

 

  223

References 

 Aberg H. Atrial  fibrillation. A  review of 463 cases  from Philadelphia General Hospital 

from 1955 to 1965. Acta Med Scand 1968;184:425‐431. 

Aimé‐Sempé C, Folliguet T, Rucker‐Martin C, Krajewska M, Krajewska S, Heimburger M, 

Aubier  M,  Mercadier  JJ,  Reed  JC  and  Hatem  SN.  Myocardial  cell  death  in 

fibrillating and dilated human right atria. J Am Coll Cardiol 1999;34:1577‐1586. 

Alboni P, Malcarne C, Pedroni P, Masoni A and Narula OS. Electrophysiology of normal 

sinus  node with  and without  autonomic  blockade.  Circulation  1982;65:1236‐

1242. 

Allessie M, Ausma  J and Schotten U. Electrical, contractile and structural  remodeling 

during atrial fibrillation. Cardiovasc Res 2002;54:230‐246. 

Allessie MA, Bonke FI and Schopman FJ. Circus movement  in rabbit atrial muscle as a 

mechanism  of  tachycardia.  III.  The  "leading  circle"  concept:  a  new model  of 

circus movement  in  cardiac  tissue without  the  involvement of an anatomical 

obstacle. Circ Res 1977;41:9‐18. 

Allessie MA, Boyden PA, Camm AJ, Kleber AG, Lab MJ, Legato MJ, Rosen MR, Schwartz 

PJ,  Spooner  PM,  Van  Wagoner  DR  and  Waldo  AL.  Pathophysiology  and 

prevention of atrial fibrillation. Circulation 2001;103:769‐777. 

Anderson KR, Ho SY and Anderson RH. Location and vascular supply of sinus node  in 

human heart. Br Heart J 1979;41:28‐32. 

Anderson RH, Ho SY, Smith A and Becker AE. The  internodal atrial myocardium. Anat 

Rec 1981a;201:75‐82. 

  224

Anderson  RH,  Becker  AE,  Tranum‐Jensen  J  and  Janse  MJ.  Anatomico‐

electrophysiological correlations in the conduction system‐‐a review. Br Heart J 

1981b;45:67‐82. 

Arentz T, Haegeli L, Sanders P, Weber R, Neumann FJ, Kalusche D and Haïssaguerre M. 

High‐density mapping of  spontaneous pulmonary  vein  activity  initiating  atrial 

fibrillation in humans. J Cardiovasc Electrophysiol 2007;18:31‐38. 

Arora  R,  Verheule  S,  Scott  L,  Navarrete  A,  Katari  V, Wilson  E,  Vaz  D  and  Olgin  JE. 

Arrhythmogenic substrate of the pulmonary veins assessed by high‐resolution 

optical mapping. Circulation 2003;107:1816‐1821. 

Atienza  F,  Almendral  J, Moreno  J,  Vaidyanathan  R,  Talkachou  A,  Kalifa  J,  Arenal  A, 

Villacastin  JP, Torrecilla EG, Sanchez A, Ploutz‐Snyder R,  Jalife  J and Berenfeld 

O.  Activation  of  inward  rectifier  potassium  channels  accelerates  atrial 

fibrillation  in  humans:  evidence  for  a  reentrant  mechanism.  Circulation 

2006;114:2434‐2442. 

Ausma J, van der Velden HM, Lenders MH, van Ankeren EP, Jongsma HJ, Ramaekers FC, 

Borgers M and Allessie MA. Reverse structural and gap‐junctional  remodeling 

after prolonged atrial fibrillation in the goat. Circulation 2003;107:2051‐2058. 

Australian  Institute  of  Health  and  Welfare,  National  Hospital  Morbidity  Database, 

Separation statistics by principal diagnosis  in  ICD‐10‐AM, Australia, 1998‐99 to 

2004‐2005.  Retrieved  21  April  2008  from  www.aihw.gov.au/cognos/cgi‐

bin/ppdscgi?DC=Q&E=/ahs/principaldiagnosis9899‐0405. 

Badhwar N, Kalman  JM, Sparks PB, Kistler PM, Attari M, Berger M, Lee RJ, Sra  J and 

Scheinman MM. Atrial tachycardia arising from the coronary sinus musculature: 

  225

electrophysiological characteristics and  long‐term outcomes of radiofrequency 

ablation. J Am Coll Cardiol 2005;46:1921‐1930. 

Bailin SJ, Adler S and Giudici M. Prevention of chronic atrial fibrillation by pacing in the 

region  of  Bachmann's  bundle:  results  of  a  multicenter  randomized  trial.  J 

Cardiovasc Electrophysiol 2001;12:912‐917. 

Becker AE. How structurally normal are human atria in patients with atrial fibrillation? 

Heart Rhythm 2004;1:627‐631. 

Benjamin EJ, Levy D, Vaziri SM, D'Agostino RB, Belanger AJ and Wolf PA. Independent 

risk factors for atrial fibrillation in a population‐based cohort. The Framingham 

Heart Study. JAMA 1994;271:840‐844. 

Benjamin EJ, Wolf PA, D'Agostino RB, Silbershatz H, Kannel WB and Levy D. Impact of 

atrial fibrillation on the risk of death: the Framingham Heart Study. Circulation 

1998;98:946‐952. 

Berenfeld O, Mandapati R, Dixit S, Skanes AC, Chen J, Mansour M and Jalife J. Spatially 

distributed dominant excitation frequencies reveal hidden organization in atrial 

fibrillation in the Langendorff‐perfused sheep heart. J Cardiovasc Electrophysiol 

2000;11:869‐879. 

Betts TR, Roberts PR and Morgan  JM. High‐density mapping of  left atrial endocardial 

activation  during  sinus  rhythm  and  coronary  sinus  pacing  in  patients  with 

paroxysmal atrial fibrillation. J Cardiovasc Electrophysiol 2004;15:1111‐1117. 

Blom NA, Gittenberger‐de Groot AC, DeRuiter MC,  Poelmann  RE, Mentink MM  and 

Ottenkamp J. Development of the cardiac conduction tissue in human embryos 

using  HNK‐1  antigen  expression:  possible  relevance  for  understanding  of 

abnormal atrial automaticity. Circulation 1999;99:800‐806. 

  226

Blomstrom‐Lundqvist  C,  Scheinman MM,  Aliot  EM,  Alpert  JS,  Calkins  H,  Camm  AJ, 

Campbell  WB,  Haines  DE,  Kuck  KH,  Lerman  BB,  Miller  DD,  Shaeffer  CW, 

Stevenson WG, Tomaselli GF, Antman EM, Smith SC,  Jr., Alpert  JS, Faxon DP, 

Fuster V, Gibbons RJ, Gregoratos G, Hiratzka LF, Hunt SA, Jacobs AK, Russell RO, 

Jr., Priori SG, Blanc  JJ, Budaj A, Burgos EF, Cowie M, Deckers  JW, Garcia MA, 

Klein WW, Lekakis  J, Lindahl B, Mazzotta G, Morais  JC, Oto A, Smiseth O and 

Trappe  HJ.  ACC/AHA/ESC  guidelines  for  the  management  of  patients  with 

supraventricular  arrhythmias  ‐ executive  summary. A  report of  the American 

College  of  Cardiology/American  Heart  Association  task  force  on  practice 

guidelines  and  the  European  Society  of  Cardiology  committee  for  practice 

guidelines. J Am Coll Cardiol 2003;42:1493‐1531. 

Boineau JP, Schuessler RB, Mooney CR, Wylds AC, Miller CB, Hudson RD, Borremans JM 

and  Brockus  CW.  Multicentric  origin  of  the  atrial  depolarization  wave:  the 

pacemaker complex. Relation to dynamics of atrial conduction, P‐wave changes 

and heart rate control. Circulation 1978;58:1036‐1048. 

Boineau  JP,  Schuessler  RB,  Hackel  DB,  Miller  CB,  Brockus  CW  and  Wylds  AC. 

Widespread  distribution  and  rate  differentiation  of  the  atrial  pacemaker 

complex. Am J Physiol 1980;239:H406‐415. 

Boineau  JP, Miller  CB,  Schuessler  RB,  Roeske WR,  Autry  LJ, Wylds  AC  and  Hill  DA. 

Activation  sequence  and  potential  distribution  maps  demonstrating 

multicentric atrial impulse origin in dogs. Circ Res 1984;54:332‐347. 

Boineau JP, Canavan TE, Schuessler RB, Cain ME, Corr PB and Cox JL. Demonstration of 

a widely distributed atrial pacemaker complex  in the human heart. Circulation 

1988;77:1221‐1237. 

  227

Boldt A, Scholl A, Garbade  J, Resetar ME, Mohr FW, Gummert  JF and Dhein S. ACE‐

inhibitor treatment attenuates atrial structural remodeling in patients with lone 

chronic atrial fibrillation. Basic Res Cardiol 2006;101:261‐267. 

Bouman LN, Gerlings ED, Biersteker PA and Bonke FI. Pacemaker shift in the sino‐atrial 

node during vagal stimulation. Pflugers Arch 1968;302:255‐267. 

Boyden PA, Tilley LP, Pham TD, Liu SK, Fenoglic JJ, Jr. and Wit AL. Effects of  left atrial 

enlargement  on  atrial  transmembrane  potentials  and  structure  in  dogs with 

mitral valve fibrosis. Am J Cardiol 1982;49:1896‐1908. 

Boyden PA, Tilley LP, Albala A, Liu SK, Fenoglio JJ, Jr. and Wit AL. Mechanisms for atrial 

arrhythmias  associated  with  cardiomyopathy:  a  study  of  feline  hearts  with 

primary myocardial disease. Circulation 1984;69:1036‐1047. 

Brand FN, Abbott RD, Kannel WB and Wolf PA. Characteristics and prognosis of  lone 

atrial  fibrillation.  30‐year  follow‐up  in  the  Framingham  Study.  JAMA 

1985;254:3449‐3453. 

Braunwald E. Shattuck lecture‐‐cardiovascular medicine at the turn of the millennium: 

triumphs, concerns, and opportunities. N Engl J Med 1997;337:1360‐1369. 

Breithardt G, Seipel L and Loogen F. Sinus node recovery time and calculated sinoatrial 

conduction time  in normal subjects and patients with sinus node dysfunction. 

Circulation 1977;56:43‐50. 

Bromberg  BI,  Hand  DE,  Schuessler  RB  and  Boineau  JP.  Primary  negativity  does  not 

predict  dominant  pacemaker  location:  implications  for  sinoatrial  conduction. 

Am J Physiol 1995;269:H877‐887. 

Brown HF, DiFrancesco D  and Noble  SJ. How does  adrenaline  accelerate  the heart? 

Nature 1979;280:235‐236. 

  228

Brugada  R,  Tapscott  T,  Czernuszewicz GZ, Marian AJ,  Iglesias A, Mont  L,  Brugada  J, 

Girona  J, Domingo A,  Bachinski  LL  and  Roberts  R.  Identification  of  a  genetic 

locus for familial atrial fibrillation. N Engl J Med 1997;336:905‐911. 

Cabrera  JA, Ho  SY,  Climent  V  and  Sanchez‐Quintana D.  The  architecture  of  the  left 

lateral atrial wall: a particular anatomic region with implications for ablation of 

atrial fibrillation. Eur Heart J 2008;29:356‐362. 

Cadilhac  DA,  Carter  RC,  Thrift  AG  and  Dewey  HM. Why  invest  in  a  national  public 

health program  for stroke? An example using Australian data  to estimate  the 

potential benefits and cost implications. Health Policy 2007;83:287‐294. 

Calkins H, Brugada J, Packer DL, Cappato R, Chen SA, Crijns HJ, Damiano RJ, Jr., Davies 

DW, Haines DE, Haïssaguerre M, Iesaka Y, Jackman W, Jaïs P, Kottkamp H, Kuck 

KH, Lindsay BD, Marchlinski FE, McCarthy PM, Mont JL, Morady F, Nademanee 

K, Natale  A,  Pappone  C,  Prystowsky  E,  Raviele  A,  Ruskin  JN  and  Shemin  RJ. 

HRS/EHRA/ECAS expert Consensus Statement on catheter and surgical ablation 

of  atrial  fibrillation:  recommendations  for  personnel,  policy,  procedures  and 

follow‐up. A report of the Heart Rhythm Society (HRS) Task Force on catheter 

and surgical ablation of atrial fibrillation. Heart Rhythm 2007;4:816‐861. 

Callans  DJ,  Ren  JF,  Schwartzman  D,  Gottlieb  CD,  Chaudhry  FA  and Marchlinski  FE. 

Narrowing  of  the  superior  vena  cava‐right  atrium  junction  during 

radiofrequency  catheter ablation  for  inappropriate  sinus  tachycardia: analysis 

with intracardiac echocardiography. J Am Coll Cardiol 1999;33:1667‐1670. 

Cha  YM,  Redfield  MM,  Shen  WK  and  Gersh  BJ.  Atrial  fibrillation  and  ventricular 

dysfunction:  a  vicious  electromechanical  cycle.  Circulation  2004;109:2839‐

2843. 

  229

Chen CC, Tai CT, Chiang CE, Yu WC, Lee SH, Chen YJ, Hsieh MH, Tsai CF, Lee KW, Ding 

YA,  Chang  MS  and  Chen  SA.  Atrial  tachycardias  originating  from  the  atrial 

septum:  electrophysiologic  characteristics  and  radiofrequency  ablation.  J 

Cardiovasc Electrophysiol 2000;11:744‐749. 

Chen SA, Chiang CE, Yang CJ, Cheng CC, Wu TJ, Wang SP, Chiang BN and Chang MS. 

Sustained  atrial  tachycardia  in  adult  patients.  Electrophysiological 

characteristics, pharmacological response, possible mechanisms, and effects of 

radiofrequency ablation. Circulation 1994;90:1262‐1278. 

Chen SA, Hsieh MH, Tai CT, Tsai CF, Prakash VS, Yu WC, Hsu TL, Ding YA and Chang MS. 

Initiation of atrial  fibrillation by ectopic beats originating  from  the pulmonary 

veins:  electrophysiological  characteristics,  pharmacological  responses,  and 

effects of radiofrequency ablation. Circulation 1999;100:1879‐1886. 

Chen YJ, Chen SA, Chen YC, Yeh HI, Chan P, Chang MS and Lin CI. Effects of rapid atrial 

pacing  on  the  arrhythmogenic  activity  of  single  cardiomyocytes  from 

pulmonary  veins:  implication  in  initiation  of  atrial  fibrillation.  Circulation 

2001;104:2849‐2854. 

Chinitz JS, Gerstenfeld EP, Marchlinski FE and Callans DJ. Atrial fibrillation  is common 

after  ablation  of  isolated  atrial  flutter  during  long‐term  follow‐up.  Heart 

Rhythm 2007;4:1029‐1033. 

Chugh A, Latchamsetty R, Oral H, Elmouchi D, Tschopp D, Reich S, Igic P, Lemerand T, 

Good  E, Bogun  F, Pelosi  F,  Jr.  and Morady  F. Characteristics of  cavotricuspid 

isthmus‐dependent  atrial  flutter  after  left  atrial  ablation  of  atrial  fibrillation. 

Circulation 2006;113:609‐615. 

  230

Chung MK, Martin DO, Sprecher D, Wazni O, Kanderian A, Carnes CA, Bauer JA, Tchou 

PJ, Niebauer MJ, Natale A and Van Wagoner DR. C‐reactive protein elevation in 

patients with atrial arrhythmias:  inflammatory mechanisms and persistence of 

atrial fibrillation. Circulation 2001;104:2886‐2891. 

Ciaroni  S,  Cuenoud  L  and  Bloch  A.  Clinical  study  to  investigate  the  predictive 

parameters  for  the  onset  of  atrial  fibrillation  in  patients  with  essential 

hypertension. Am Heart J 2000;139:814‐819. 

Cosio  FG,  Palacios  J,  Vidal  JM,  Cocina  EG,  Gomez‐Sanchez  MA  and  Tamargo  L. 

Electrophysiologic  studies  in  atrial  fibrillation.  Slow  conduction  of  premature 

impulses: a possible manifestation of the background for reentry. Am J Cardiol 

1983;51:122‐130. 

Cosio FG, Arribas F, Palacios J, Tascon J and Lopez‐Gil M. Fragmented electrograms and 

continuous electrical activity in atrial flutter. Am J Cardiol 1986;57:1309‐1314. 

Cosio  FG, Arribas  F, Barbero  JM,  Kallmeyer C  and Goicolea A. Validation  of  double‐

spike electrograms as markers of conduction delay or block in atrial flutter. Am 

J Cardiol 1988;61:775‐780. 

Cosio FG, Lopez‐Gil M, Goicolea A, Arribas F and Barroso JL. Radiofrequency ablation of 

the  inferior  vena  cava‐tricuspid  valve  isthmus  in  common  atrial  flutter. Am  J 

Cardiol 1993;71:705‐709. 

Coumel  P.  Paroxysmal  atrial  fibrillation:  a  disorder  of  autonomic  tone?  Eur Heart  J 

1994;15 Suppl A:9‐16. 

Cox JL, Canavan TE, Schuessler RB, Cain ME, Lindsay BD, Stone C, Smith PK, Corr PB and 

Boineau  JP.  The  surgical  treatment  of  atrial  fibrillation.  II.  Intraoperative 

  231

electrophysiologic mapping  and description of  the electrophysiologic basis of 

atrial flutter and atrial fibrillation. J Thorac Cardiovasc Surg 1991;101:406‐426. 

Cox JL, Boineau JP, Schuessler RB, Kater KM and Lappas DG. Five‐year experience with 

the maze procedure for atrial fibrillation. Ann Thorac Surg 1993;56:814‐823. 

Cranefield  PF.  Action  potentials,  afterpotentials,  and  arrhythmias.  Circulation  Res 

1977;41:415‐423. 

Cushny  AR  and  Edmunds  CW.  Paroxysmal  irregularity  of  the  heart  and  auricular 

fibrillation. Am J Med Sci 1907;133. 

Da Costa A, Romeyer C, Mourot S, Messier M, Cerisier A, Faure E and Isaaz K. Factors 

associated with early atrial fibrillation after ablation of common atrial flutter. A 

single centre prospective study. Eur Heart J 2002;23:498‐506. 

Daoud EG, Weiss R, Augostini RS, Kalbfleisch SJ, Schroeder J, Polsinelli G and Hummel 

JD.  Remodeling  of  sinus  node  function  after  catheter  ablation  of  right  atrial 

flutter. J Cardiovasc Electrophysiol 2002;13:20‐24. 

Darbar D, Herron KJ, Ballew JD, Jahangir A, Gersh BJ, Shen WK, Hammill SC, Packer DL 

and Olson TM. Familial atrial fibrillation is a genetically heterogeneous disorder. 

J Am Coll Cardiol 2003;41:2185‐2192. 

Davies  MJ  and  Pomerance  A.  Pathology  of  atrial  fibrillation  in  man.  Br  Heart  J 

1972;34:520‐525. 

De  Ponti  R,  Ho  SY,  Salerno‐Uriarte  JA,  Tritto M  and  Spadacini  G.  Electroanatomic 

analysis  of  sinus  impulse  propagation  in  normal  human  atria.  J  Cardiovasc 

Electrophysiol 2002;13:1‐10. 

de Voogt W, van Hemel N, de Vusser P, Mairesse GH, van Mechelen R, Koistinen J, van 

den Bos A, Roose I, Voitk J, Yli‐Mayry S, Stockman D, El Allaf D, Tse HF and Lau 

  232

CP. No evidence of automatic atrial overdrive pacing efficacy on  reduction of 

paroxysmal atrial fibrillation. Europace 2007;9:798‐804. 

Earley  MJ,  Abrams  DJ,  Sporton  SC  and  Schilling  RJ.  Validation  of  the  noncontact 

mapping system in the left atrium during permanent atrial fibrillation and sinus 

rhythm. J Am Coll Cardiol 2006;48:485‐491. 

Eikelboom  JW  and  Hankey  GJ.  The  beginning  of  the  end  of warfarin? Med  J  Aust 

2004;180:549‐551. 

Einthoven W. Le telecardiogramme. Arch Int Physiol 1906;4:132‐164. 

Ellinor PT, Yoerger DM, Ruskin  JN and Macrae CA. Familial aggregation  in  lone atrial 

fibrillation. Hum Genet 2005;118:179‐184. 

Ellis K, Wazni O, Marrouche N, Martin D, Gillinov M, McCarthy P, Saad EB, Bhargava M, 

Schweikert R,  Saliba W, Bash D, Rossillo A, Erciyes D, Tchou P  and Natale A. 

Incidence  of  atrial  fibrillation  post‐cavotricuspid  isthmus  ablation  in  patients 

with  typical atrial  flutter:  left‐atrial  size as an  independent predictor of atrial 

fibrillation recurrence. J Cardiovasc Electrophysiol 2007;18:799‐802. 

Elvan A, Wylie K and Zipes DP. Pacing‐induced chronic atrial  fibrillation  impairs sinus 

node  function  in  dogs.  Electrophysiological  remodeling.  Circulation 

1996;94:2953‐2960. 

Ernestene AC and Levine SA. A comparison of records taken with the Einthoven string 

galvanometer  and  the  amplifier  type  electrocardiograph.  Am  Heart  J 

1928;4:725‐731. 

Estes NA, 3rd, Halperin JL, Calkins H, Ezekowitz MD, Gitman P, Go AS, McNamara RL, 

Messer  JV, Ritchie  JL, Romeo  SJ, Waldo AL, Wyse DG, Bonow RO, DeLong  E, 

Goff DC, Jr., Grady K, Green LA, Hiniker A, Linderbaum JA, Masoudi FA, Pina IL, 

  233

Pressler S, Radford MJ and Rumsfeld  JS. ACC/AHA/Physician Consortium 2008 

Clinical performance measures  for adults with nonvalvular atrial  fibrillation or 

atrial  flutter: A  report of  the American College of Cardiology/American Heart 

Association task force on performance measures and the physician consortium 

for performance improvement. J Am Coll Cardiol 2008;51:865‐884. 

Everett TH, Wilson EE, Verheule S, Guerra JM, Foreman S and Olgin JE. Structural atrial 

remodeling  alters  the  substrate  and  spatiotemporal  organization  of  atrial 

fibrillation:  a  comparison  in  canine models  of  structural  and  electrical  atrial 

remodeling. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2006;291:H2911‐H2923. 

Fan K, Lee KL, Chow WH, Chau E and Lau CP.  Internal cardioversion of chronic atrial 

fibrillation during percutaneous mitral commissurotomy: insight into reversal of 

chronic stretch‐induced atrial remodeling. Circulation 2002;105:2746‐2752. 

Fareh S, Villemaire C and Nattel S.  Importance of refractoriness heterogeneity  in  the 

enhanced  vulnerability  to  atrial  fibrillation  induction  caused  by  tachycardia‐

induced atrial electrical remodeling. Circulation 1998;98:2202‐2209. 

Feld GK,  Fleck RP, Chen PS, Boyce K, Bahnson TD,  Stein  JB, Calisi CM and  Ibarra M. 

Radiofrequency  catheter  ablation  for  the  treatment  of  human  type  1  atrial 

flutter.  Identification of a  critical  zone  in  the  reentrant  circuit by endocardial 

mapping techniques. Circulation 1992;86:1233‐1240. 

Ferrer MI. The sick sinus syndrome in atrial disease. JAMA 1968;206:645‐646. 

Ferrier GR and Moe GK. Effect of  calcium on acetylstrophanthidin‐induced  transient 

depolarizations in canine Purkinje tissue. Circulation Res 1973;33:508‐515. 

Flegel  KM.  From  Delirium  Cordis  to  Atrial  Fibrillation:  Historical  Development  of  a 

Disease Concept. Ann Intern Med 1995;122:867‐873. 

  234

Frame LH, Page RL and Hoffman BF. Atrial reentry around an anatomic barrier with a 

partially  refractory excitable  gap. A  canine model of  atrial  flutter. Circulation 

Res 1986;58:495‐511. 

Franz MR,  Karasik  PL,  Li  C, Moubarak  J  and  Chavez M.  Electrical  remodeling  of  the 

human  atrium:  similar  effects  in  patients  with  chronic  atrial  fibrillation  and 

atrial flutter. J Am Coll Cardiol 1997;30:1785‐1792. 

Frustaci A, Chimenti C, Bellocci F, Morgante E, Russo MA and Maseri A. Histological 

substrate of  atrial biopsies  in patients with  lone  atrial  fibrillation. Circulation 

1997;96:1180‐1184. 

Furberg  CD,  Psaty  BM,  Manolio  TA,  Gardin  JM,  Smith  VE  and  Rautaharju  PM. 

Prevalence  of  atrial  fibrillation  in  elderly  subjects  (the  Cardiovascular Health 

Study). Am J Cardiol 1994;74:236‐241. 

Fuster V, Ryden LE, Asinger RW, Cannom DS, Crijns HJ, Frye RL, Halperin  JL, Kay GN, 

Klein WW,  Levy  S, McNamara  RL,  Prystowsky  EN, Wann  LS  and Wyse  DG. 

ACC/AHA/ESC guidelines for the management of patients with atrial fibrillation. 

A  report  of  the  American  College  of  Cardiology/American  Heart  Association 

Task  Force  on  Practice  Guidelines  and  the  European  Society  of  Cardiology 

Committee  for  Practice  Guidelines  and  Policy  Conferences.  Eur  Heart  J 

2001;22:1852‐1923. 

Fuster V, Ryden  LE, Cannom DS, Crijns HJ, Curtis AB, Ellenbogen KA, Halperin  JL,  Le 

Heuzey  JY, Kay GN, Lowe  JE, Olsson SB, Prystowsky EN, Tamargo  JL, Wann S, 

Smith SC, Jr., Jacobs AK, Adams CD, Anderson JL, Antman EM, Halperin JL, Hunt 

SA, Nishimura R, Ornato JP, Page RL, Riegel B, Priori SG, Blanc JJ, Budaj A, Camm 

AJ, Dean V, Deckers  JW, Despres C, Dickstein K, Lekakis  J, McGregor K, Metra 

  235

M, Morais  J, Osterspey A,  Tamargo  JL  and  Zamorano  JL. ACC/AHA/ESC  2006 

Guidelines  for the Management of Patients with Atrial Fibrillation: a report of 

the American College of Cardiology/American Heart Association Task Force on 

Practice  Guidelines  and  the  European  Society  of  Cardiology  Committee  for 

Practice Guidelines. Circulation 2006;114:e257‐354. 

Fynn  SP,  Todd DM, Hobbs WJ, Armstrong  KL,  Fitzpatrick AP  and Garratt  CJ.  Clinical 

evaluation of a policy of early repeated internal cardioversion for recurrence of 

atrial fibrillation. J Cardiovasc Electrophysiol 2002;13:135‐141. 

Garratt CJ, Duytschaever M, Killian M, Dorland R, Mast F and Allessie MA. Repetitive 

electrical  remodeling  by  paroxysms  of  atrial  fibrillation  in  the  goat:  no 

cumulative  effect  on  inducibility  or  stability  of  atrial  fibrillation.  J  Cardiovasc 

Electrophysiol 1999;10:1101‐1108. 

Garrey WE. The nature of fibrillary contraction of the heart: its relation to tissue mass 

and form. Am J Physiol 1914;33:397‐414. 

Gaspo  R,  Bosch  RF,  Talajic  M  and  Nattel  S.  Functional  mechanisms  underlying 

tachycardia‐induced  sustained  atrial  fibrillation  in  a  chronic  dog  model. 

Circulation 1997;96:4027‐4035. 

Geesbreght JM and Randall WC. Area localization of shifting cardiac pacemakers during 

sympathetic stimulation. Am J Physiol 1971;220:1522‐1527. 

Gepstein L, Hayam G and Ben‐Haim SA. A novel method for nonfluoroscopic catheter‐

based  electroanatomical mapping  of  the  heart.  In  vitro  and  in  vivo  accuracy 

results. Circulation 1997;95:1611‐1622. 

Gerstenfeld  EP,  Sahakian  AV  and  Swiryn  S.  Evidence  for  transient  linking  of  atrial 

excitation during atrial fibrillation in humans. Circulation 1992;86:375‐382. 

  236

Gerstenfeld  EP,  Callans DJ,  Sauer W,  Jacobson  J  and Marchlinski  FE.  Reentrant  and 

nonreentrant focal left atrial tachycardias occur after pulmonary vein isolation. 

Heart Rhythm 2005;2:1195‐1202. 

Goette A, Honeycutt C and Langberg JJ. Electrical remodeling in atrial fibrillation. Time 

course and mechanisms. Circulation 1996;94:2968‐2974. 

Goldberg JM. Intra‐SA‐nodal pacemaker shifts induced by autonomic nerve stimulation 

in the dog. Am J Physiol 1975;229:1116‐1123. 

Goldberg JM, Lynn‐Johnson MH and Neely B. Use of P wave morphology for  inferring 

pacemaker  localization along  the sulcus  terminalis  in  the dog.  J Electrocardiol 

1981;14:115‐124. 

Goldstein RN, Ryu K, Khrestian C, van Wagoner DR and Waldo AL. Prednisone prevents 

inducible  atrial  flutter  in  the  canine  sterile  pericarditis model.  J  Cardiovasc 

Electrophysiol 2008;19:74‐81. 

Gomes  JA, Kang PS, Matheson M, Gough WB,  Jr. and El‐Sherif N. Coexistence of sick 

sinus rhythm and atrial flutter‐fibrillation. Circulation 1981;63:80‐86. 

Goto  M,  Sakamoto  Y  and  Imanaga  I  (1967).  Aconitine‐induced  fibrillation  of  the 

different  muscle  tissues  of  the  heart  and  the  action  of  acetylcholine. 

Electrophysiology  and Ultrastructure  of  the Heart.  T  Sano,  K Matsuda  and  B 

Mizuhira. New York, Grune & Stratton: 199‐201. 

Granada J, Uribe W, Chyou PH, Maassen K, Vierkant R, Smith PN, Hayes J, Eaker E and 

Vidaillet H. Incidence and predictors of atrial flutter in the general population. J 

Am Coll Cardiol 2000;36:2242‐2246. 

Grigioni F, Avierinos  JF,  Ling  LH, Scott CG, Bailey KR, Tajik AJ, Frye RL and Enriquez‐

Sarano M.  Atrial  fibrillation  complicating  the  course  of  degenerative  mitral 

  237

regurgitation:  determinants  and  long‐term  outcome.  J  Am  Coll  Cardiol 

2002;40:84‐92. 

Hachiya H,  Ernst  S, Ouyang  F, Mavrakis H,  Chun  J,  Bansch D, Antz M  and  Kuck  KH. 

Topographic  distribution  of  focal  left  atrial  tachycardias  defined  by 

electrocardiographic and electrophysiological data. Circ J 2005;69:205‐210. 

Hadian D,  Zipes DP, Olgin  JE  and Miller  JM.  Short‐term  rapid  atrial pacing produces 

electrical  remodeling  of  sinus  node  function  in  humans.  J  Cardiovasc 

Electrophysiol 2002;13:584‐586. 

Haïssaguerre M, Fischer B, Labbe T, Lemetayer P, Montserrat P, d'Ivernois C, Dartigues 

JF and Warin JF. Frequency of recurrent atrial fibrillation after catheter ablation 

of overt accessory pathways. Am J Cardiol 1992;69:493‐497. 

Haïssaguerre M, Jaïs P, Shah DC, Takahashi A, Hocini M, Quiniou G, Garrigue S, Le MA, 

Le MP  and Clementy  J.  Spontaneous  initiation of  atrial  fibrillation by ectopic 

beats originating in the pulmonary veins. N Engl J Med 1998;339:659‐666. 

Haïssaguerre M, Shah DC,  Jaïs P, Hocini M, Yamane T, Deisenhofer  I, Garrigue S and 

Clementy  J.  Mapping‐guided  ablation  of  pulmonary  veins  to  cure  atrial 

fibrillation. Am J Cardiol 2000a;86:9K‐19K. 

Haïssaguerre M,  Shah  DC,  Jaïs  P,  Hocini M,  Yamane  T,  Deisenhofer  I,  Chauvin M, 

Garrigue  S  and  Clementy  J.  Electrophysiological  breakthroughs  from  the  left 

atrium to the pulmonary veins. Circulation 2000b;102:2463‐2465. 

Haïssaguerre M, Jaïs P, Shah DC, Arentz T, Kalusche D, Takahashi A, Garrigue S, Hocini 

M,  Peng  JT  and  Clementy  J.  Catheter  ablation  of  chronic  atrial  fibrillation 

targeting the reinitiating triggers. J Cardiovasc Electrophysiol 2000c;11:2‐10. 

  238

Haïssaguerre M, Sanders P, Hocini M, Hsu LF, Shah DC, Scavee C, Takahashi Y, Rotter 

M, Pasquie  JL, Garrigue S, Clementy  J and  Jaïs P. Changes  in atrial  fibrillation 

cycle  length  and  inducibility  during  catheter  ablation  and  their  relation  to 

outcome. Circulation 2004a;109:3007‐3013. 

Haïssaguerre M, Sanders P, Hocini M,  Jaïs P and Clementy  J. Pulmonary veins  in  the 

substrate for atrial fibrillation: the "venous wave" hypothesis. J Am Coll Cardiol 

2004b;43:2290‐2292. 

Haïssaguerre M, Sanders P, Hocini M, Takahashi Y, Rotter M, Sacher F, Rostock T, Hsu 

LF, Bordachar P, Reuter S, Roudaut R, Clementy J and Jaïs P. Catheter ablation 

of  long‐lasting persistent atrial fibrillation: critical structures for termination. J 

Cardiovasc Electrophysiol 2005a;16:1125‐1137. 

Haïssaguerre M, Hocini M, Sanders P, Sacher F, Rotter M, Takahashi Y, Rostock T, Hsu 

LF, Bordachar P, Reuter S, Roudaut R, Clementy J and Jaïs P. Catheter ablation 

of long‐lasting persistent atrial fibrillation: clinical outcome and mechanisms of 

subsequent arrhythmias. J Cardiovasc Electrophysiol 2005b;16:1138‐1147. 

Haïssaguerre M, Sanders P, Hocini M, Takahashi Y, Rotter M, Sacher F, Rostock T, Hsu 

LF, Bordachar P, Reuter S, Roudaut R, Clementy J and Jaïs P. Catheter ablation 

of  long‐lasting persistent atrial fibrillation: critical structures for termination. J 

Cardiovasc Electrophysiol 2005c;16:1125‐1137. 

Haïssaguerre M, Hocini M, Sanders P, Takahashi Y, Rotter M, Sacher F, Rostock T, Hsu 

LF,  Jonsson A, O'Neill MD, Bordachar P, Reuter S, Roudaut R, Clementy  J and 

Jaïs  P.  Localized  sources  maintaining  atrial  fibrillation  organized  by  prior 

ablation. Circulation 2006a;113:616‐625. 

  239

Haïssaguerre M, Hocini M, Sanders P, Takahashi Y, Rotter M, Sacher F, Rostock T, Hsu 

LF,  Jonsson A, O'Neill MD, Bordachar P, Reuter S, Roudaut R, Clementy  J and 

Jaïs  P.  Localized  sources  maintaining  atrial  fibrillation  organized  by  prior 

ablation. Circulation 2006b;113:616‐625. 

Halligan SC, Gersh BJ, Brown RD,  Jr., Rosales AG, Munger TM, Shen WK, Hammill SC 

and  Friedman  PA.  The  natural  history  of  lone  atrial  flutter.  Ann  Intern Med 

2004;140:265‐268. 

Hariman RJ, Hoffman BF and Naylor RE. Electrical activity from the sinus node region in 

conscious dogs. Circ Res 1980;47:775‐791. 

Hermida  JS, Kubala M,  Lescure FX, Delonca  J, Clerc  J, Otmani A,  Jarry G and Rey  JL. 

Atrial  septal  pacing  to  prevent  atrial  fibrillation  in  patients with  sinus  node 

dysfunction:  results  of  a  randomized  controlled  study.  Am  Heart  J 

2004;148:312‐317. 

Higa S, Tai CT, Lin YJ, Liu TY, Lee PC, Huang JL, Hsieh MH, Yuniadi Y, Huang BH, Lee SH, 

Ueng  KC,  Ding  YA  and  Chen  SA.  Focal  atrial  tachycardia:  new  insight  from 

noncontact mapping and catheter ablation. Circulation 2004;109:84‐91. 

Hobbs WJ, Fynn S, Todd DM, Wolfson P, Galloway M and Garratt CJ. Reversal of atrial 

electrical  remodeling  after  cardioversion  of  persistent  atrial  fibrillation  in 

humans. Circulation 2000;101:1145‐1151. 

Hocini  M,  Ho  SY,  Kawara  T,  Linnenbank  AC,  Potse  M,  Shah  D,  Jaïs  P,  Janse  MJ, 

Haïssaguerre M and De Bakker  JM. Electrical conduction  in canine pulmonary 

veins:  electrophysiological  and  anatomic  correlation.  Circulation 

2002;105:2442‐2448. 

  240

Hocini M, Sanders P, Deisenhofer I, Jaïs P, Hsu LF, Scavee C, Weerasoriya R, Raybaud F, 

Macle L, Shah DC, Garrigue S, Le MP, Clementy J and Haïssaguerre M. Reverse 

remodeling of sinus node function after catheter ablation of atrial fibrillation in 

patients with prolonged sinus pauses. Circulation 2003;108:1172‐1175. 

Hoff  HE  and  Geddes  LA.  Cholinergic  factor  in  auricular  fibrillation.  J  Appl  Physiol 

1955;8:177‐192. 

Hsieh MH, Tai CT, Chiang CE, Tsai CF, Yu WC, Chen YJ, Ding YA and Chen SA. Recurrent 

atrial  flutter and atrial  fibrillation after  catheter ablation of  the  cavotricuspid 

isthmus: a very long‐term follow‐up of 333 patients. J Interv Card Electrophysiol 

2002;7:225‐231. 

Huang JL, Tai CT, Lin YJ, Ueng KC, Huang BH, Lee KT, Higa S, Yuniadi Y, Chang SL, Lo LW, 

Wongcharoen W, Hu  YF,  Lee  PC,  Tuan  TC,  Ting CT  and Chen  SA. Right  atrial 

substrate properties associated with age  in patients with  typical atrial  flutter. 

Heart Rhythm 2008;5:1144‐1151. 

Inoue H, Matsuo H, Takayanagi K and Murao S. Clinical and experimental studies of the 

effects  of  extrastimulation  and  rapid  pacing  on  atrial  flutter:  evidence  of 

macroreentry with an excitable gap. Am J Cardiol 1981;48:623‐631. 

Jahangir A, Lee V, Friedman PA, Trusty JM, Hodge DO, Kopecky SL, Packer DL, Hammill 

SC, Shen WK and Gersh BJ. Long‐term progression and outcomes with aging in 

patients  with  lone  atrial  fibrillation:  a  30‐year  follow‐up  study.  Circulation 

2007;115:3050‐3056. 

Jaïs  P, Haïssaguerre M,  Shah DC,  Chouairi  S  and  Clementy  J.  Regional  disparities  of 

endocardial  atrial  activation  in  paroxysmal  atrial  fibrillation.  Pacing  Clin 

Electrophysiol 1996;19:1998‐2003. 

  241

Jaïs P, Peng JT, Shah DC, Garrigue S, Hocini M, Yamane T, Haïssaguerre M, Barold SS, 

Roudaut R and Clementy J. Left ventricular diastolic dysfunction in patients with 

so‐called lone atrial fibrillation. J Cardiovasc Electrophysiol 2000;11:623‐625. 

Jaïs P, Hocini M, Macle L, Choi KJ, Deisenhofer I, Weerasooriya R, Shah DC, Garrigue S, 

Raybaud  F,  Scavee  C,  le  MP,  Clementy  J  and  Haïssaguerre  M.  Distinctive 

electrophysiological  properties  of  pulmonary  veins  in  patients  with  atrial 

fibrillation. Circulation 2002;106:2479‐2485. 

Jalife  J,  Berenfeld  O,  Skanes  A  and Mandapati  R. Mechanisms  of  atrial  fibrillation: 

mother  rotors  or  multiple  daughter  wavelets,  or  both?  J  Cardiovasc 

Electrophysiol 1998;9:S2‐12. 

Jalife  J,  Berenfeld  O  and Mansour M. Mother  rotors  and  fibrillatory  conduction:  a 

mechanism of atrial fibrillation. Cardiovasc Res 2002;54:204‐216. 

James  TN,  Sherf  L,  Fine G  and Morales AR.  Comparative  ultrastructure  of  the  sinus 

node in man and dog. Circulation 1966;34:139‐163. 

James TN. The sinus node. Am J Cardiol 1977;40:965‐986. 

John B, Stiles MK, Kuklik P, Chandy ST, Young GD, Mackenzie L, Szumowski L, Joseph G, 

Worthley SG, Kalman  JM and Sanders P. Electrical  remodeling of  the  left and 

right  atria  due  to  rheumatic  mitral  stenosis.  Eur  Heart  J  online 

early;doi:10.1093/eurheartj/ehn1329. 

Jolly WA and Ritchie TW. Auricular flutter and fibrillation. Heart 1911;3:177‐221. 

Jorgensen HS, Nakayama H,  Reith  J,  Raaschou HO  and Olsen  TS.  Acute  stroke with 

atrial fibrillation. The Copenhagen Stroke Study. Stroke 1996;27:1765‐1769. 

  242

Kadish A, Hauck  J, Pederson B, Beatty G and Gornick C. Mapping of atrial activation 

with a noncontact, multielectrode catheter  in dogs. Circulation 1999;99:1906‐

1913. 

Kalifa  J,  Tanaka  K,  Zaitsev  AV, Warren M,  Vaidyanathan  R,  Auerbach  D,  Pandit  S, 

Vikstrom KL, Ploutz‐Snyder R, Talkachou A, Atienza F, Guiraudon G, Jalife J and 

Berenfeld  O.  Mechanisms  of  wave  fractionation  at  boundaries  of  high‐

frequency  excitation  in  the  posterior  left  atrium  of  the  isolated  sheep  heart 

during atrial fibrillation. Circulation 2006;113:626‐633. 

Kalman JM, Lee RJ, Fisher WG, Chin MC, Ursell P, Stillson CA, Lesh MD and Scheinman 

MM. Radiofrequency catheter modification of sinus pacemaker function guided 

by intracardiac echocardiography. Circulation 1995;92:3070‐3081. 

Kalman  JM,  Olgin  JE,  Saxon  LA,  Fisher  WG,  Lee  RJ  and  Lesh  MD.  Activation  and 

entrainment mapping defines  the  tricuspid annulus as  the  anterior barrier  in 

typical atrial flutter. Circulation 1996;94:398‐406. 

Kalman  JM,  Olgin  JE,  Saxon  LA,  Lee  RJ,  Scheinman  MM  and  Lesh  MD. 

Electrocardiographic  and  electrophysiologic  characterization  of  atypical  atrial 

flutter in man: use of activation and entrainment mapping and implications for 

catheter ablation. J Cardiovasc Electrophysiol 1997;8:121‐144. 

Kalman JM, Olgin JE, Karch MR, Hamdan M, Lee RJ and Lesh MD. "Cristal tachycardias": 

origin  of  right  atrial  tachycardias  from  the  crista  terminalis  identified  by 

intracardiac echocardiography. J Am Coll Cardiol 1998;31:451‐459. 

Kannel WB,  Abbott  RD,  Savage  DD  and McNamara  PM.  Epidemiologic  features  of 

chronic atrial fibrillation: the Framingham study. N Engl J Med 1982a;306:1018‐

1022. 

  243

Kannel WB,  Abbott  RD,  Savage  DD  and McNamara  PM.  Epidemiologic  features  of 

chronic atrial fibrillation: the Framingham study. N Engl J Med 1982b;306:1018‐

1022. 

Karagueuzian  HS,  Athill  CA,  Yashima M,  Ikeda  T, Wu  TJ, Mandel WJ  and  Chen  PS. 

Transmembrane potential properties of atrial cells at different sites of a spiral 

wave  reentry:  cellular  evidence  for  an  excitable  but  nonexcited  core.  Pacing 

Clin Electrophysiol 1998;21:2360‐2365. 

Kistler PM, Sanders P, Fynn SP, Stevenson IH, Hussin A, Vohra JK, Sparks PB and Kalman 

JM. Electrophysiological and electrocardiographic characteristics of  focal atrial 

tachycardia  originating  from  the  pulmonary  veins:  acute  and  long‐term 

outcomes of radiofrequency ablation. Circulation 2003a;108:1968‐1975. 

Kistler PM, Sanders P, Hussin A, Morton JB, Vohra JK, Sparks PB and Kalman JM. Focal 

atrial  tachycardia  arising  from  the  mitral  annulus:  electrocardiographic  and 

electrophysiologic characterization. J Am Coll Cardiol 2003b;41:2212‐2219. 

Kistler  PM,  Sanders  P,  Fynn  SP,  Stevenson  IH,  Spence  SJ,  Vohra  JK,  Sparks  PB  and 

Kalman  JM.  Electrophysiologic  and  electroanatomic  changes  in  the  human 

atrium associated with age. J Am Coll Cardiol 2004;44:109‐116. 

Kistler  PM,  Fynn  SP, Haqqani H,  Stevenson  IH, Vohra  JK, Morton  JB,  Sparks  PB  and 

Kalman  JM.  Focal  atrial  tachycardia  from  the  ostium  of  the  coronary  sinus: 

electrocardiographic  and  electrophysiological  characterization  and 

radiofrequency ablation. J Am Coll Cardiol 2005;45:1488‐1493. 

Kistler PM, Sanders P, Dodic M, Spence SJ, Samuel CS, Zhao C, Charles JA, Edwards GA 

and Kalman JM. Atrial electrical and structural abnormalities in an ovine model 

of  chronic  blood  pressure  elevation  after  prenatal  corticosteroid  exposure: 

  244

implications  for  development  of  atrial  fibrillation.  Eur Heart  J  2006;27:3045‐

3056. 

Klein GJ, Guiraudon GM, Sharma AD and Milstein S. Demonstration of macroreentry 

and  feasibility of operative therapy  in the common type of atrial  flutter. Am J 

Cardiol 1986;57:587‐591. 

Klos M, Calvo D, Yamazaki M, Zlochiver S, Mironov S, Cabrera J‐A, Sanchez‐Quintana D, 

Jalife  J,  Berenfeld  O  and  Kalifa  J.  The  atrial  septopulmonary  bundle  of  the 

posterior left atrium provides a substrate for AF initiation in a model of vagally 

mediated  pulmonary  vein  tachycardia  of  the  structurally  normal  heart.  Circ 

Arrhythmia Electrophysiol 2008;1:175‐183. 

Kojodjojo  P,  Peters  NS,  Davies  DW  and  Kanagaratnam  P.  Characterization  of  the 

electroanatomical  substrate  in  human  atrial  fibrillation:  the  relationship 

between  changes  in  atrial  volume,  refractoriness,  wavefront  propagation 

velocities, and AF burden. J Cardiovasc Electrophysiol 2007;18:269‐275. 

Konings KT, Kirchhof CJ, Smeets JR, Wellens HJ, Penn OC and Allessie MA. High‐density 

mapping  of  electrically  induced  atrial  fibrillation  in  humans.  Circulation 

1994;89:1665‐1680. 

Konings KT, Smeets JL, Penn OC, Wellens HJ and Allessie MA. Configuration of unipolar 

atrial  electrograms  during  electrically  induced  atrial  fibrillation  in  humans. 

Circulation 1997;95:1231‐1241. 

Kopecky SL, Gersh BJ, McGoon MD, Whisnant JP, Holmes DR, Jr., Ilstrup DM and Frye 

RL. The natural history of lone atrial fibrillation. A population‐based study over 

three decades. N Engl J Med 1987;317:669‐674. 

  245

Kostin S, Klein G, Szalay Z, Hein S, Bauer EP and Schaper J. Structural correlate of atrial 

fibrillation in human patients. Cardiovasc Res 2002;54:361‐379. 

Kroll M, Kriebel T, Windhagen‐Mahnert B, Franzbach B, Jux C, Zutz M, Tebbenjohanns J 

and  Paul  T.  Origin  of  electrical  activation  within  the  right  atrial  and  left 

ventricular  walls:  differentiation  by  electrogram  characteristics  using  the 

noncontact mapping system. Pacing Clin Electrophysiol 2003;26:1970‐1978. 

Kuklik P, Szumowski L, Zebrowski JJ and Walczak F. The reconstruction,  from a set of 

points, and analysis of the interior surface of the heart chamber. Physiol Meas 

2004;25:617‐627. 

Kulbertus HE, Leval‐Rutten F, Mary L and Casters P. Sinus node  recovery  time  in  the 

elderly. Br Heart J 1975;37:420‐425. 

Kumagai K, Akimitsu S, Kawahira K, Kawanami F, Yamanouchi Y, Hiroki T and Arakawa 

K. Electrophysiological properties  in  chronic  lone atrial  fibrillation. Circulation 

1991;84:1662‐1668. 

Kumagai  K,  Ogawa  M,  Noguchi  H,  Yasuda  T,  Nakashima  H  and  Saku  K. 

Electrophysiologic  properties  of  pulmonary  veins  assessed  using  a 

multielectrode basket catheter. J Am Coll Cardiol 2004;43:2281‐2289. 

Kwong  KF,  Schuessler  RB, Green  KG,  Laing  JG,  Beyer  EC,  Boineau  JP  and  Saffitz  JE. 

Differential  expression  of  gap  junction  proteins  in  the  canine  sinus  node. 

Circulation Res 1998;82:604‐612. 

Lai LP, Lin  JL and Huang SK. Molecular genetic studies  in atrial  fibrillation. Cardiology 

2003;100:109‐113. 

Lake  FR,  Cullen  KJ,  de  Klerk  NH, McCall MG  and  Rosman  DL.  Atrial  fibrillation  and 

mortality in an elderly population. Aust N Z J Med 1989;19:321‐326. 

  246

Lau CP, Tse HF and Ayers GM. Defibrillation‐guided  radiofrequency ablation of atrial 

fibrillation secondary to an atrial focus. J Am Coll Cardiol 1999;33:1217‐1226. 

Lazar S, Dixit S, Marchlinski FE, Callans DJ and Gerstenfeld EP. Presence of left‐to‐right 

atrial  frequency gradient  in paroxysmal but not persistent atrial  fibrillation  in 

humans. Circulation 2004;110:3181‐3186. 

Lazar  S,  Dixit  S,  Callans  DJ,  Lin  D,  Marchlinski  FE  and  Gerstenfeld  EP.  Effect  of 

pulmonary vein isolation on the left‐to‐right atrial dominant frequency gradient 

in human atrial fibrillation. Heart Rhythm 2006;3:889‐895. 

Lee  RJ,  Kalman  JM,  Fitzpatrick  AP,  Epstein  LM,  Fisher WG,  Olgin  JE,  Lesh MD  and 

Scheinman MM.  Radiofrequency  catheter modification  of  the  sinus  node  for 

"inappropriate" sinus tachycardia. Circulation 1995;92:2919‐2928. 

Lee SH, Lin FY, Yu WC, Cheng  JJ, Kuan P, Hung CR, Chang MS and Chen SA. Regional 

differences  in  the  recovery  course  of  tachycardia‐induced  changes  of  atrial 

electrophysiological properties. Circulation 1999;99:1255‐1264. 

Lemery R, Birnie D, Tang AS, Green M and Gollob M. Feasibility study of endocardial 

mapping of ganglionated plexuses during catheter ablation of atrial fibrillation. 

Heart Rhythm 2006;3:387‐396. 

Lemery R, Birnie D, Tang AS, Green M, Gollob M, Hendry M and Lau E. Normal atrial 

activation and voltage during sinus rhythm in the human heart: an endocardial 

and epicardial mapping  study  in patients with a history of atrial  fibrillation.  J 

Cardiovasc Electrophysiol 2007;18:402‐408. 

Lemola K, Ting M, Gupta P, Anker  JN, Chugh A, Good E, Reich  S, Tschopp D,  Igic P, 

Elmouchi  D,  Jongnarangsin  K,  Bogun  F,  Pelosi  F,  Jr., Morady  F  and  Oral  H. 

  247

Effects of two different catheter ablation techniques on spectral characteristics 

of atrial fibrillation. J Am Coll Cardiol 2006;48:340‐348. 

Lewis  T. Auricular  fibrillation  and  its  relationship  to  clinical  irregularity of  the heart. 

1910;1:306‐372. 

Lewis T, Oppenheimer BS and Oppenheimer A. The  site of origin of  the mammalian 

heart beat: The pacemaker in the dog. Heart 1910;2:147‐169. 

Lewis  T  and  Schleiter HG.  The  relation  of  regular  tachycardias  of  auricular  origin  to 

auricular fibrillation. Heart 1912;3:173‐193. 

Lewis T. Observations upon a curious, not uncommon form of extreme acceleration of 

the auricle; atrial flutter. Heart 1913;4. 

Lewis T, Drury AN and Bulger HA. Observations upon atrial  flutter and  fibrillation VI. 

Heart 1921a;8:84‐134. 

Lewis  T,  Drury  AN  and  Iliescu  CC.  A  demonstration  of  circus movement  in  clinical 

fibrillation of the auricles. Heart 1921b;8:361‐369. 

Li D, Fareh S, Leung TK and Nattel S. Promotion of atrial fibrillation by heart failure  in 

dogs: atrial remodeling of a different sort. Circulation 1999;100:87‐95. 

Li  D,  Melnyk  P,  Feng  J,  Wang  Z,  Petrecca  K,  Shrier  A  and  Nattel  S.  Effects  of 

experimental  heart  failure  on  atrial  cellular  and  ionic  electrophysiology. 

Circulation 2000;101:2631‐2638. 

Liebman J. Are there internodal tracts? Yes. Int J Cardiol 1985;7:175‐185. 

Lin  J,  Scherlag  BJ,  Zhou  J,  Lu  Z,  Patterson  E,  Jackman WM,  Lazzara  R  and  Po  SS. 

Autonomic  mechanism  to  explain  complex  fractionated  atrial  electrograms 

(CFAE). J Cardiovasc Electrophysiol 2007;18:1197‐1205. 

  248

Lin  YJ,  Tai CT, Kao  T,  Tso HW, Higa  S,  Tsao HM, Chang  SL, Hsieh MH  and Chen  SA. 

Frequency analysis in different types of paroxysmal atrial fibrillation. J Am Coll 

Cardiol 2006;47:1401‐1407. 

Lin YJ, Tai CT, Kao T, Chang SL, Wongcharoen W, Lo LW, Tuan TC, Udyavar AR, Chen YJ, 

Higa  S,  Ueng  KC  and  Chen  SA.  Consistency  of  complex  fractionated  atrial 

electrograms during atrial fibrillation. Heart Rhythm 2008;5:406‐412. 

Littmann  L,  Svenson  RH,  Gallagher  JJ,  Bharati  S,  Lev M,  Linder  KD,  Tatsis  GP  and 

Nichelson C. Modification of sinus node function by epicardial  laser  irradiation 

in dogs. Circulation 1990;81:350‐359. 

Liu  TY,  Tai  CT  and  Chen  SA.  Treatment  of  atrial  fibrillation  by  catheter  ablation  of 

conduction gaps  in the crista terminalis and cavotricuspid  isthmus of the right 

atrium. J Cardiovasc Electrophysiol 2002;13:1044‐1046. 

Lloyd‐Jones  DM, Wang  TJ,  Leip  EP,  Larson MG,  Levy  D,  Vasan  RS,  D'Agostino  RB, 

Massaro JM, Beiser A, Wolf PA and Benjamin EJ. Lifetime risk for development 

of atrial  fibrillation:  the  Framingham Heart  Study. Circulation 2004;110:1042‐

1046. 

Lo  LW,  Tai  CT,  Lin  YJ,  Chang  SL, Wongcharoen W,  Chang  SH,  Hsieh MH,  Tuan  TC, 

Udyavar  AR,  Chen  YJ,  Tsao HM  and  Chen  SA.  Progressive  remodeling  of  the 

atrial substrate‐‐a novel  finding  from consecutive voltage mapping  in patients 

with  recurrence  of  atrial  fibrillation  after  catheter  ablation.  J  Cardiovasc 

Electrophysiol 2007;18:258‐265. 

Lu Z, Scherlag BJ, Lin  J, Niu G, Ghias M,  Jackman WM, Lazzara R,  Jiang H and Po SS. 

Autonomic mechanism  for complex  fractionated atrial electrograms: Evidence 

by fast fourier transform analysis. J Cardiovasc Electrophysiol 2008;19:835‐842. 

  249

Luck  JC  and  Engel  TR. Dispersion of  atrial  refractoriness  in patients with  sinus node 

dysfunction. Circulation 1979;60:404‐412. 

Mackenzie  J. The  interpretation of  the pulsations  in  the  jugular veins. Am  J Med Sci 

1907;134:12. 

Mandel  W,  Hayakawa  H,  Danzig  R  and  Marcus  HS.  Evaluation  of  sino‐atrial  node 

function in man by overdrive suppression. Circulation 1971;44:59‐66. 

Manios EG, Kanoupakis EM, Mavrakis HE, Kallergis EM, Dermitzaki DN and Vardas PE. 

Sinus  pacemaker  function  after  cardioversion  of  chronic  atrial  fibrillation:  is 

sinus  node  remodeling  related  with  recurrence?  J  Cardiovasc  Electrophysiol 

2001;12:800‐806. 

Mansour M, Mandapati  R,  Berenfeld O,  Chen  J,  Samie  FH  and  Jalife  J.  Left‐to‐right 

gradient  of  atrial  frequencies  during  acute  atrial  fibrillation  in  the  isolated 

sheep heart. Circulation 2001;103:2631‐2636. 

Marcus GM,  Yang  Y,  Varosy  PD, Ordovas  K,  Tseng  ZH,  Badhwar N,  Lee  BK,  Lee  RJ, 

Scheinman MM and Olgin JE. Regional  left atrial voltage  in patients with atrial 

fibrillation. Heart Rhythm 2007;4:138‐144. 

Markides V, Schilling RJ, Ho SY, Chow AW, Davies DW and Peters NS. Characterization 

of left atrial activation in the intact human heart. Circulation 2003;107:733‐739. 

Markowitz  SM, Nemirovksy D,  Stein  KM, Mittal  S,  Iwai  S,  Shah  BK, Dobesh DP  and 

Lerman BB. Adenosine‐insensitive focal atrial tachycardia: evidence for de novo 

micro‐re‐entry in the human atrium. J Am Coll Cardiol 2007;49:1324‐1333. 

Marrouche NF,  SippensGroenewegen A, Yang Y, Dibs  S  and  Scheinman MM. Clinical 

and electrophysiologic characteristics of left septal atrial tachycardia. J Am Coll 

Cardiol 2002;40:1133‐1139. 

  250

Mary‐Rabine L, Albert A, Pham TD, Hordof A, Fenoglio JJ, Jr., Malm JR and Rosen MR. 

The  relationship of human atrial cellular electrophysiology  to clinical  function 

and ultrastructure. Circ Res 1983;52:188‐199. 

Matsuoka K, Kasai A, Fujii E, Omichi C, Okubo S, Teramura S, Uchida F and Nakano T. 

Electrophysiological  features  of  atrial  tachycardia  arising  from  the 

atrioventricular annulus. Pacing Clin Electrophysiol 2002;25:440‐445. 

McGuire MA, Bourke JP, Robotin MC, Johnson DC, Meldrum‐Hanna W, Nunn GR, Uther 

JB  and  Ross  DL.  High  resolution  mapping  of  Koch's  triangle  using  sixty 

electrodes  in  humans  with  atrioventricular  junctional  (AV  nodal)  reentrant 

tachycardia. Circulation 1993;88:2315‐2328. 

McGuire MA, de Bakker JM, Vermeulen JT, Moorman AF, Loh P, Thibault B, Vermeulen 

JL,  Becker  AE  and  Janse  MJ.  Atrioventricular  junctional  tissue.  Discrepancy 

between  histological  and  electrophysiological  characteristics.  Circulation 

1996;94:571‐577. 

McWilliam JA. Fibrillar contraction of the heart. J Physiol 1886;8:296. 

Meek WJ and Eyster JAE. Experiments on the origin and propagation of the impulse in 

the heart. Heart 1914;5:227–244. 

Meissner A, Christ M, Maagh P, Borchard R, van Bracht M, Wickenbrock  I, Trappe HJ 

and  Plehn G. Quality  of  life  and  occurrence  of  atrial  fibrillation  in  long‐term 

follow‐up of common type atrial flutter ablation: ablation with  irrigated 5 mm 

tip and conventional 8 mm tip electrodes. Clin Res Cardiol 2007;96:794‐802. 

Melnyk P, Ehrlich JR, Pourrier M, Villeneuve L, Cha TJ and Nattel S. Comparison of ion 

channel  distribution  and  expression  in  cardiomyocytes  of  canine  pulmonary 

veins versus left atrium. Cardiovasc Res 2005;65:104‐116. 

  251

Miyasaka Y, Barnes ME, Gersh BJ, Cha SS, Bailey KR, Abhayaratna WP, Seward JB and 

Tsang TS. Secular Trends  in  Incidence of Atrial Fibrillation  in Olmsted County, 

Minnesota,  1980  to  2000,  and  Implications  on  the  Projections  for  Future 

Prevalence. Circulation 2006a. 

Miyasaka  Y,  Barnes ME,  Gersh  BJ,  Cha  SS,  Bailey  KR,  Abhayaratna W,  Seward  JB, 

Iwasaka T and Tsang TS. Incidence and mortality risk of congestive heart failure 

in atrial  fibrillation patients: a community‐based study over  two decades. Eur 

Heart J 2006b;27:936‐941. 

Miyasaka Y, Barnes ME, Petersen RC, Cha SS, Bailey KR, Gersh BJ, Casaclang‐Verzosa G, 

Abhayaratna WP,  Seward  JB,  Iwasaka  T  and  Tsang  TS.  Risk  of  dementia  in 

stroke‐free patients diagnosed with atrial  fibrillation: data from a community‐

based cohort. Eur Heart J 2007a;28:1962‐1967. 

Miyasaka Y, Barnes ME, Bailey KR, Cha SS, Gersh BJ, Seward JB and Tsang TS. Mortality 

trends  in patients diagnosed with first atrial fibrillation: a 21‐year community‐

based study. J Am Coll Cardiol 2007b;49:986‐992. 

Moe  GK.  On  the  multiple  wavelet  hypothesis  of  atrial  fibrillation.  Arch  Int 

Pharmacodyn Ther 1962;140:183‐188. 

Moreira  W,  Timmermans  C,  Wellens  HJ,  Mizusawa  Y,  Philippens  S,  Perez  D  and 

Rodriguez LM. Can common‐type atrial flutter be a sign of an arrhythmogenic 

substrate in paroxysmal atrial fibrillation? Clinical and ablative consequences in 

patients with coexistent paroxysmal atrial  fibrillation/atrial  flutter. Circulation 

2007;116:2786‐2792. 

Moreira  W,  Timmermans  C,  Wellens  HJ,  Mizusawa  Y,  Perez  D,  Philippens  S  and 

Rodriguez  LM.  Long  term  outcome  of  cavotricuspid  isthmus  cryoablation  for 

  252

the  treatment  of  common  atrial  flutter  in  180  patients:  a  single  center 

experience. J Interv Card Electrophysiol 2008;21:235‐240. 

Morel E, Meyronet D, Thivolet‐Bejuy F and Chevalier P. Identification and distribution 

of interstitial Cajal cells in human pulmonary veins. Heart Rhythm 2008;5:1063‐

1067. 

Morillo  CA,  Klein  GJ,  Jones  DL  and  Guiraudon  CM.  Chronic  rapid  atrial  pacing. 

Structural,  functional, and electrophysiological characteristics of a new model 

of sustained atrial fibrillation. Circulation 1995;91:1588‐1595. 

Morton  JB,  Sanders  P,  Das  A,  Vohra  JK,  Sparks  PB  and  Kalman  JM.  Focal  atrial 

tachycardia  arising  from  the  tricuspid  annulus:  electrophysiologic  and 

electrocardiographic  characteristics.  J  Cardiovasc  Electrophysiol  2001;12:653‐

659. 

Morton JB, Byrne MJ, Power JM, Raman J and Kalman JM. Electrical remodeling of the 

atrium  in an anatomic model of atrial  flutter:  relationship between  substrate 

and triggers for conversion to atrial fibrillation. Circulation 2002;105:258‐264. 

Morton JB, Sanders P, Vohra JK, Sparks PB, Morgan JG, Spence SJ, Grigg LE and Kalman 

JM.  Effect  of  chronic  right  atrial  stretch  on  atrial  electrical  remodeling  in 

patients with an atrial septal defect. Circulation 2003;107:1775‐1782. 

Moss AJ and Davis RJ. Brady‐Tachy syndrome. Prog Cardiovasc Dis 1974;16:439‐454. 

Moubarak JB, Rozwadowski JV, Strzalka CT, Buck WR, Tan WS, Kish GF, Kisiel T, Fronc 

HC  and  Maloney  JD.  Pulmonary  veins‐left  atrial  junction:  anatomic  and 

histological study. Pacing Clin Electrophysiol 2000;23:1836‐1838. 

Murphy JG, Gersh BJ, McGoon MD, Mair DD, Porter CJ, Ilstrup DM, McGoon DC, Puga 

FJ,  Kirklin  JW  and Danielson GK.  Long‐term  outcome  after  surgical  repair  of 

  253

isolated  atrial  septal  defect.  Follow‐up  at  27  to  32  years.  N  Engl  J  Med 

1990;323:1645‐1650. 

Nademanee  K, McKenzie  J,  Kosar  E,  Schwab M,  Sunsaneewitayakul  B,  Vasavakul  T, 

Khunnawat C and Ngarmukos T. A new approach for catheter ablation of atrial 

fibrillation:  mapping  of  the  electrophysiologic  substrate.  J  Am  Coll  Cardiol 

2004;43:2044‐2053. 

Nademanee K, Schwab MC, Kosar EM, Karwecki M, Moran MD, Visessook N, Michael 

AD and Ngarmukos T. Clinical outcomes of catheter substrate ablation for high‐

risk patients with atrial fibrillation. J Am Coll Cardiol 2008;51:843‐849. 

Nakagawa H, Lazzara R, Khastgir T, Beckman KJ, McClelland JH, Imai S, Pitha JV, Becker 

AE,  Arruda M,  Gonzalez MD, Widman  LE,  Rome M,  Neuhauser  J, Wang  X, 

Calame JD, Goudeau MD and Jackman WM. Role of the tricuspid annulus and 

the eustachian valve/ridge on atrial  flutter. Relevance  to catheter ablation of 

the  septal  isthmus  and  a  new  technique  for  rapid  identification  of  ablation 

success. Circulation 1996;94:407‐424. 

Nakagawa  H,  Shah  N,  Matsudaira  K,  Overholt  E,  Chandrasekaran  K,  Beckman  KJ, 

Spector  P,  Calame  JD,  Rao A, Hasdemir  C, Otomo  K, Wang  Z,  Lazzara  R  and 

Jackman  WM.  Characterization  of  reentrant  circuit  in  macroreentrant  right 

atrial  tachycardia  after  surgical  repair  of  congenital  heart  disease:  isolated 

channels between scars allow "focal" ablation. Circulation 2001;103:699‐709. 

Narayan SM, Krummen DE, Kahn AM, Karasik PL and Franz MR. Evaluating fluctuations 

in  human  atrial  fibrillatory  cycle  length  using monophasic  action  potentials. 

Pacing Clin Electrophysiol 2006;29:1209‐1218. 

  254

Narula  OS,  Samet  P  and  Javier  RP.  Significance  of  the  sinus‐node  recovery  time. 

Circulation 1972;45:140‐158. 

Narula OS,  Shantha N,  Vasquez M,  Towne WD  and  Linhart  JW.  A  new method  for 

measurement of sinoatrial conduction time. Circulation 1978;58:706‐714. 

Nathan H  and  Eliakim M.  The  junction  between  the  left  atrium  and  the  pulmonary 

veins. An anatomic study of human hearts. Circulation 1966;34:412‐422. 

National  Heart  Foundation  of  Australia.  Atrial  Fibrillation.  Information  Sheet  305 

(2004). 

Ng  J,  Kadish  AH  and  Goldberger  JJ.  Effect  of  electrogram  characteristics  on  the 

relationship of dominant frequency to atrial activation rate in atrial fibrillation. 

Heart Rhythm 2006;3:1295‐1305. 

Ng  J, Kadish AH and Goldberger  JJ. Technical considerations  for dominant  frequency 

analysis. J Cardiovasc Electrophysiol 2007;18:757‐764. 

O'Donnell  D,  Furniss  SS  and  Bourke  JP.  Paroxysmal  cycle  length  shortening  in  the 

pulmonary  veins  during  atrial  fibrillation  correlates  with  arrhythmogenic 

triggering foci in sinus rhythm. J Cardiovasc Electrophysiol 2002;13:124‐128. 

Off MK,  Solheim  E,  Schuster  P, Hoff  PI, Ohm O‐J  and Chen  J. Detection  of  complex 

fractionated electrograms by an automated algorithm (abstract). Heart Rhythm 

2008;5:S171. 

Okuyama Y, Miyauchi Y, Park AM, Hamabe A, Zhou S, Hayashi H, Miyauchi M, Omichi C, 

Pak HN, Brodsky LA, Mandel WJ, Fishbein MC, Karagueuzian HS and Chen PS. 

High resolution mapping of the pulmonary vein and the vein of Marshall during 

induced  atrial  fibrillation  and  atrial  tachycardia  in  a  canine model  of  pacing‐

induced congestive heart failure. J Am Coll Cardiol 2003;42:348‐360. 

  255

Olgin  JE,  Kalman  JM,  Fitzpatrick  AP  and  Lesh MD.  Role  of  right  atrial  endocardial 

structures  as  barriers  to  conduction  during  human  type  I  atrial  flutter. 

Activation and entrainment mapping guided by intracardiac echocardiography. 

Circulation 1995;92:1839‐1848. 

Olgin  JE,  Kalman  JM  and  Lesh  MD.  Conduction  barriers  in  human  atrial  flutter: 

correlation  of  electrophysiology  and  anatomy.  J  Cardiovasc  Electrophysiol 

1996;7:1112‐1126. 

Olgin JE, Kalman JM, Saxon LA, Lee RJ and Lesh MD. Mechanism of  initiation of atrial 

flutter  in humans:  site of unidirectional block and direction of  rotation.  J Am 

Coll Cardiol 1997;29:376‐384. 

Oral H, Ozaydin M, Tada H, Chugh A, Scharf C, Hassan S, Lai S, Greenstein R, Pelosi F, 

Jr.,  Knight  BP,  Strickberger  SA  and  Morady  F.  Mechanistic  significance  of 

intermittent  pulmonary  vein  tachycardia  in  patients with  atrial  fibrillation.  J 

Cardiovasc Electrophysiol 2002;13:645‐650. 

Oral  H,  Chugh  A,  Good  E, Wimmer  A,  Dey  S,  Gadeela  N,  Sankaran  S,  Crawford  T, 

Sarrazin JF, Kuhne M, Chalfoun N, Wells D, Frederick M, Fortino J, loucif‐Moore 

S,  Jongnarangsin  K,  Pelosi  F,  Jr.,  Bogun  F  and  Morady  F.  Radiofrequency 

catheter ablation of chronic atrial fibrillation guided by complex electrograms. 

Circulation 2007;115:2606‐2612. 

Ortiz J, Niwano S, Abe H, Rudy Y, Johnson NJ and Waldo AL. Mapping the conversion of 

atrial  flutter  to atrial  fibrillation and atrial  fibrillation  to atrial  flutter.  Insights 

into mechanisms. Circulation Res 1994;74:882‐894. 

  256

Ott A, Breteler MM, de Bruyne MC, van Harskamp F, Grobbee DE and Hofman A. Atrial 

fibrillation  and  dementia  in  a  population‐based  study.  The  Rotterdam  Study. 

Stroke 1997;28:316‐321. 

Padeletti L, Pieragnoli P, Ciapetti C, Colella A, Musilli N, Porciani MC, Ricci R, Pignalberi 

C, Santini M, Puglisi A, Azzolini P, Spampinato A, Martelli M, Capucci A, Boriani 

G, Botto G and Proclemer A. Randomized crossover comparison of right atrial 

appendage  pacing  versus  interatrial  septum  pacing  for  prevention  of 

paroxysmal  atrial  fibrillation  in  patients  with  sinus  bradycardia.  Am  Heart  J 

2001;142:1047‐1055. 

Page PL, Plumb VJ, Okumura K and Waldo AL. A new animal model of atrial  flutter. J 

Am Coll Cardiol 1986;8:872‐879. 

Papageorgiou P, Monahan K, Boyle NG, Seifert MJ, Beswick P, Zebede  J, Epstein  LM 

and  Josephson ME. Site‐dependent  intra‐atrial conduction delay. Relationship 

to initiation of atrial fibrillation. Circulation 1996;94:384‐389. 

Pappone C, Rosanio S, Oreto G, Tocchi M, Gugliotta F, Vicedomini G, Salvati A, Dicandia 

C,  Mazzone  P,  Santinelli  V,  Gulletta  S  and  Chierchia  S.  Circumferential 

radiofrequency ablation of pulmonary vein ostia: A new anatomic approach for 

curing atrial fibrillation. Circulation 2000;102:2619‐2628. 

Pappone C, Santinelli V, Manguso F, Vicedomini G, Gugliotta F, Augello G, Mazzone P, 

Tortoriello V, Landoni G, Zangrillo A, Lang C, Tomita T, Mesas C, Mastella E and 

Alfieri  O.  Pulmonary  vein  denervation  enhances  long‐term  benefit  after 

circumferential  ablation  for  paroxysmal  atrial  fibrillation.  Circulation 

2004;109:327‐334. 

  257

Paydak H, Kall JG, Burke MC, Rubenstein D, Kopp DE, Verdino RJ and Wilber DJ. Atrial 

fibrillation after radiofrequency ablation of  type  I atrial  flutter:  time  to onset, 

determinants, and clinical course. Circulation 1998;98:315‐322. 

Perez‐Lugones A, McMahon  JT, Ratliff NB,  Saliba WI,  Schweikert RA, Marrouche NF, 

Saad EB, Navia JL, McCarthy PM, Tchou P, Gillinov AM and Natale A. Evidence 

of specialized conduction cells in human pulmonary veins of patients with atrial 

fibrillation. J Cardiovasc Electrophysiol 2003;14:803‐809. 

Peters  NS,  Cabo  C  and Wit  AL  (2000).  Arrhythmogenic mechanisms:  Automaticity, 

Triggered  Activity  and  Reentry.  In:  Zipes  DP,  Jalife  J,  editors.  Cardiac 

Electrophysiology: from Cell to Bedside: 345‐356. 

Platonov  PG.  Interatrial  conduction  in  the  mechanisms  of  atrial  fibrillation:  from 

anatomy  to  cardiac  signals  and  new  treatment modalities.  Europace  2007;9 

Suppl 6:vi10‐16. 

Platonov  PG,  Mitrofanova  L,  Ivanov  V  and  Ho  SY.  Substrates  for  intra‐atrial  and 

interatrial  conduction  in  the  atrial  septum:  anatomical  study  on  84  human 

hearts. Heart Rhythm 2008;5:1189‐1195. 

Porter  M,  Spear  W,  Akar  JG,  Helms  R,  Brysiewicz  N,  Santucci  P  and  Wilber  DJ. 

Prospective  study  of  atrial  fibrillation  termination  during  ablation  guided  by 

automated detection of fractionated electrograms. J Cardiovasc Electrophysiol 

2008;19:613‐620. 

Power  JM, Beacom GA, Alferness CA, Raman  J, Wijffels M, Farish SJ, Burrell  LM and 

Tonkin  AM.  Susceptibility  to  atrial  fibrillation:  a  study  in  an  ovine model  of 

pacing‐induced early heart failure. J Cardiovasc Electrophysiol 1998;9:423‐435. 

  258

Prinzmetal MYRO, Corday ELIO, Brill IC, Sellers AL, Oblath RW, Flieg WA and Kruger HE. 

Mechanism of the auricular arrhythmias. Circulation 1950;1:241‐245. 

Psaty BM, Manolio TA, Kuller LH, Kronmal RA, Cushman M, Fried LP, White R, Furberg 

CD  and  Rautaharju  PM.  Incidence  of  and  risk  factors  for  atrial  fibrillation  in 

older adults. Circulation 1997;96:2455‐2461. 

Ramanna H, de Bakker JM and Hauer RN. Mechanism of propensity to atrial fibrillation 

in patients undergoing  isthmus  ablation  for  typical  atrial  flutter.  J Cardiovasc 

Electrophysiol 2005;16:167‐172. 

Ravelli  F,  Faes  L,  Sandrini  L,  Gaita  F,  Antolini  R,  Scaglione  M  and  Nollo  G.  Wave 

similarity mapping  shows  the  spatiotemporal  distribution  of  fibrillatory wave 

complexity  in  the  human  right  atrium  during  paroxysmal  and  chronic  atrial 

fibrillation. J Cardiovasc Electrophysiol 2005;16:1071‐1076. 

Rensma PL, Allessie MA,  Lammers WJ, Bonke FI and Schalij MJ.  Length of excitation 

wave  and  susceptibility  to  reentrant  atrial  arrhythmias  in  normal  conscious 

dogs. Circulation Res 1988;62:395‐410. 

Roberts‐Thomson KC, Stevenson  IH, Kistler PM, Haqqani HM, Goldblatt  JC, Sanders P 

and Kalman  JM. Anatomically determined  functional  conduction delay  in  the 

posterior  left atrium relationship to structural heart disease. J Am Coll Cardiol 

2008;51:856‐862. 

Roden  DM,  Lazzara  R,  Rosen M,  Schwartz  PJ,  Towbin  J  and  Vincent  GM. Multiple 

mechanisms  in  the  long‐QT  syndrome.  Current  knowledge,  gaps,  and  future 

directions. The SADS Foundation Task Force on LQTS. Circulation 1996;94:1996‐

2012. 

  259

Roithinger  FX,  Karch  MR,  Steiner  PR,  SippensGroenewegen  A  and  Lesh  MD. 

Relationship  between  atrial  fibrillation  and  typical  atrial  flutter  in  humans: 

activation  sequence  changes  during  spontaneous  conversion.  Circulation 

1997;96:3484‐3491. 

Rosenbleuth A and Garcia‐Ramos J. Studies on flutter and fibrillation  II. The  influence 

of artificial obstacles on experimental auricular flutter. Am Heart J 1947;33:677‐

684. 

Rostagno C, Bacci F, Martelli M, Naldoni A, Bertini G and Gensini G. Clinical course of 

lone atrial fibrillation since first symptomatic arrhythmic episode. Am J Cardiol 

1995;76:837‐839. 

Rostock T, Servatius H, Risius T, Ventura R, Weiss C, Meinertz T and Willems S. Impact 

of amiodarone on electrophysiologic properties of pulmonary veins in patients 

with paroxysmal atrial fibrillation. J Cardiovasc Electrophysiol 2005;16:39‐44. 

Rostock  T,  Rotter M,  Sanders  P,  Takahashi  Y,  Jaïs  P,  Hocini M,  Hsu  LF,  Sacher  F, 

Clementy  J  and  Haïssaguerre  M.  High‐density  activation  mapping  of 

fractionated  electrograms  in  the  atria  of  patients  with  paroxysmal  atrial 

fibrillation. Heart Rhythm 2006;3:27‐34. 

Rostock  T,  Steven  D,  Lutomsky  B,  Servatius  H,  Drewitz  I,  Klemm  H, Mullerleile  K, 

Ventura R, Meinertz T and Willems S. Atrial fibrillation begets atrial fibrillation 

in  the  pulmonary  veins  on  the  impact  of  atrial  fibrillation  on  the 

electrophysiological  properties  of  the  pulmonary  veins  in  humans.  J Am  Coll 

Cardiol 2008;51:2153‐2160. 

Rubenstein  JJ, Schulman CL, Yurchak PM and DeSanctis RW. Clinical spectrum of  the 

sick sinus syndrome. Circulation 1972;46:5‐13. 

  260

Ryu  K,  Sahadevan  J,  Khrestian  CM,  Stambler  BS  and Waldo  AL.  Use  of  fast  fourier 

transform  analysis  of  atrial  electrograms  for  rapid  characterization  of  atrial 

activation‐implications  for  delineating  possible  mechanisms  of  atrial 

tachyarrhythmias. J Cardiovasc Electrophysiol 2006;17:198‐206. 

Saffitz JE, Kanter HL, Green KG, Tolley TK and Beyer EC. Tissue‐specific determinants of 

anisotropic  conduction  velocity  in  canine  atrial  and  ventricular myocardium. 

Circ Res 1994;74:1065‐1070. 

Saffitz JE, Green KG and Schuessler RB. Structural determinants of slow conduction  in 

the canine sinus node. J Cardiovasc Electrophysiol 1997;8:738‐744. 

Sahadevan J, Ryu K, Peltz L, Khrestian CM, Stewart RW, Markowitz AH and Waldo AL. 

Epicardial  mapping  of  chronic  atrial  fibrillation  in  patients:  preliminary 

observations. Circulation 2004;110:3293‐3299. 

Saito T, Waki K and Becker AE. Left atrial myocardial extension onto pulmonary veins in 

humans:  anatomic  observations  relevant  for  atrial  arrhythmias.  J  Cardiovasc 

Electrophysiol 2000;11:888‐894. 

Sanchez‐Quintana D,  Cabrera  JA,  Farre  J,  Climent V, Anderson  RH  and Ho  SY.  Sinus 

node revisited  in the era of electroanatomical mapping and catheter ablation. 

Heart 2005;91:189‐194. 

Sanders P, Morton  JB, Davidson NC, Spence SJ, Vohra  JK, Sparks PB and Kalman  JM. 

Electrical  remodeling  of  the  atria  in  congestive  heart  failure: 

electrophysiological  and  electroanatomic  mapping  in  humans.  Circulation 

2003;108:1461‐1468. 

Sanders P, Morton JB, Kistler PM, Spence SJ, Davidson NC, Hussin A, Vohra JK, Sparks 

PB and Kalman  JM. Electrophysiological and electroanatomic  characterization 

  261

of  the  atria  in  sinus  node  disease:  evidence  of  diffuse  atrial  remodeling. 

Circulation 2004a;109:1514‐1522. 

Sanders P, Kistler PM, Morton JB, Spence SJ and Kalman JM. Remodeling of sinus node 

function  in  patients  with  congestive  heart  failure:  reduction  in  sinus  node 

reserve. Circulation 2004b;110:897‐903. 

Sanders P, Berenfeld O, Hocini M, Jaïs P, Vaidyanathan R, Hsu LF, Garrigue S, Takahashi 

Y, Rotter M, Sacher F, Scavee C, Ploutz‐Snyder R,  Jalife  J and Haïssaguerre M. 

Spectral  analysis  identifies  sites  of  high‐frequency  activity maintaining  atrial 

fibrillation in humans. Circulation 2005a;112:789‐797. 

Sanders P, Hocini M, Jaïs P, Hsu LF, Takahashi Y, Rotter M, Scavee C, Pasquie JL, Sacher 

F, Rostock  T, Nalliah CJ, Clementy  J  and Haïssaguerre M. Characterization  of 

focal  atrial  tachycardia  using  high‐density  mapping.  J  Am  CollCardiol 

2005b;46:2088‐2099. 

Sanders P, Nalliah CJ, Dubois R, Takahashi Y, Hocini M, Rotter M, Rostock T, Sacher F, 

Hsu LF, Jonsson A, O'Neill MD, Jaïs P and Haïssaguerre M. Frequency mapping 

of  the  pulmonary  veins  in  paroxysmal  versus  permanent  atrial  fibrillation.  J 

Cardiovasc Electrophysiol 2006;17:965‐972. 

Saoudi  N,  Atallah  G,  Kirkorian  G  and  Touboul  P.  Catheter  ablation  of  the  atrial 

myocardium in human type I atrial flutter. Circulation 1990;81:762‐771. 

Sarmast F, Kolli A, Zaitsev A, Parisian K, Dhamoon AS, Guha PK, Warren M, Anumonwo 

JM, Taffet SM, Berenfeld O and  Jalife  J. Cholinergic atrial  fibrillation:  I(K,ACh) 

gradients determine unequal  left/right atrial  frequencies and  rotor dynamics. 

Cardiovasc Res 2003;59:863‐873. 

  262

Scaglione M, Riccardi R, Calo L, Di DP, Lamberti F, Caponi D, Coda L and Gaita F. Typical 

atrial  flutter  ablation:  conduction  across  the  posterior  region  of  the  inferior 

vena  cava  orifice  may  mimic  unidirectional  isthmus  block.  J  Cardiovasc 

Electrophysiol 2000;11:387‐395. 

Scherf D. Studies on auricular tachycardia caused by aconitine administration. Proc Soc 

Exp Biol Med 1947;64:233‐239. 

Scherlag BJ, Yamanashi W, Patel U, Lazzara R and Jackman WM. Autonomically induced 

conversion of pulmonary vein focal firing into atrial fibrillation. J Am Coll Cardiol 

2005a;45:1878‐1886. 

Scherlag BJ, Nakagawa H, Jackman WM, Yamanashi WS, Patterson E, Po S and Lazzara 

R. Electrical stimulation to  identify neural elements on the heart: their role  in 

atrial fibrillation. J IntervCard Electrophysiol 2005b;13 Suppl 1:37‐42. 

Scherr D, Dalal D, Cheema A, Cheng A, Henrikson CA, Spragg D, Marine JE, Berger RD, 

Calkins H  and Dong  J. Automated detection  and  characterization  of  complex 

fractionated atrial electrograms  in human  left atrium during atrial  fibrillation. 

Heart Rhythm 2007;4:1013‐1020. 

Schilling  RJ,  Peters  NS  and  Davies  DW.  Simultaneous  endocardial  mapping  in  the 

human  left ventricle using a noncontact  catheter:  comparison of  contact and 

reconstructed electrograms during sinus rhythm. Circulation 1998;98:887‐898. 

Schilling RJ, Kadish AH, Peters NS, Goldberger J and Davies DW. Endocardial mapping 

of atrial fibrillation in the human right atrium using a non‐contact catheter. Eur 

Heart J 2000;21:550‐564. 

Schmieder S, Ndrepepa G, Dong J, Zrenner B, Schreieck J, Schneider MA, Karch MR and 

Schmitt C. Acute and  long‐term results of radiofrequency ablation of common 

  263

atrial  flutter  and  the  influence  of  the  right  atrial  isthmus  ablation  on  the 

occurrence of atrial fibrillation. Eur Heart J 2003;24:956‐962. 

Schmitt C, Estner H, Hecher B, Luik A, Kolb C, Karch M, Ndrepepa G, Zrenner B, Hessling 

G  and Deisenhofer  I.  Radiofrequency  ablation  of  complex  fractionated  atrial 

electrograms (CFAE): preferential sites of acute termination and regularization 

in  paroxysmal  and  persistent  atrial  fibrillation.  J  Cardiovasc  Electrophysiol 

2007;18:1039‐1046. 

Schuessler RB, Boineau JP and Bromberg BI. Origin of the sinus  impulse. J Cardiovasc 

Electrophysiol 1996;7:263‐274. 

Schuessler RB, Kay MW, Melby SJ, Branham BH, Boineau JP and Damiano RJ, Jr. Spatial 

and temporal stability of the dominant frequency of activation in human atrial 

fibrillation. J Electrocardiol 2006;39:S7‐12. 

Schumacher  B,  Jung  W,  Lewalter  T,  Vahlhaus  C,  Wolpert  C  and  Luderitz  B. 

Radiofrequency  ablation  of  atrial  flutter  due  to  administration  of  class  IC 

antiarrhythmic drugs for atrial fibrillation. Am J Cardiol 1999;83:710‐713. 

Shah DC, Haïssaguerre M  and  Jaïs  P.  Toward  a mechanism‐based  understanding  of 

atrial fibrillation. J Cardiovasc Electrophysiol 2001;12:600‐601. 

Shah  DC,  Sunthorn  H,  Burri  H  and  Gentil‐Baron  P.  Evaluation  of  an  individualized 

strategy  of  cavotricuspid  isthmus  ablation  as  an  adjunct  to  atrial  fibrillation 

ablation. J Cardiovasc Electrophysiol 2007;18:926‐930. 

Shimizu A, Nozaki A, Rudy Y and Waldo AL. Onset of induced atrial flutter in the canine 

pericarditis model. J Am Coll Cardiol 1991;17:1223‐1234. 

  264

Silverman ME.  From  rebellious  palpitations  to  the  discovery  of  auricular  fibrillation: 

contributions of Mackenzie,  Lewis  and  Einthoven. Am  J Cardiol  1994;73:384‐

389. 

Skalidis  EI,  Hamilos MI,  Karalis  IK,  Chlouverakis  G,  Kochiadakis  GE  and  Vardas  PE. 

Isolated atrial microvascular dysfunction  in patients with  lone  recurrent atrial 

fibrillation. J Am Coll Cardiol 2008;51:2053‐2057. 

Skanes  AC, Mandapati  R,  Berenfeld  O,  Davidenko  JM  and  Jalife  J.  Spatiotemporal 

periodicity  during  atrial  fibrillation  in  the  isolated  sheep  heart.  Circulation 

1998;98:1236‐1248. 

Soylu M, Demir AD, Ozdemir O, Topaloglu S, Aras D, Duru E, Sasmaz A and Korkmaz S. 

Evaluation  of  atrial  refractoriness  immediately  after  percutaneous  mitral 

balloon commissurotomy in patients with mitral stenosis and sinus rhythm. Am 

Heart J 2004;147:741‐745. 

Spach MS, Miller WT, 3rd, Geselowitz DB, Barr RC, Kootsey  JM and  Johnson EA. The 

discontinuous nature of propagation in normal canine cardiac muscle. Evidence 

for  recurrent  discontinuities  of  intracellular  resistance  that  affect  the 

membrane currents. Circ Res 1981;48:39‐54. 

Spach MS  and  Dolber  PC.  Relating  extracellular  potentials  and  their  derivatives  to 

anisotropic  propagation  at  a  microscopic  level  in  human  cardiac  muscle. 

Evidence  for  electrical  uncoupling  of  side‐to‐side  fiber  connections  with 

increasing age. Circulation Res 1986;58:356‐371. 

Sparks PB, Mond HG, Vohra JK, Jayaprakash S and Kalman JM. Electrical remodeling of 

the  atria  following  loss  of  atrioventricular  synchrony:  a  long‐term  study  in 

humans. Circulation 1999;100:1894‐1900. 

  265

Sparks PB, Jayaprakash S, Vohra JK and Kalman JM. Electrical remodeling of the atria 

associated  with  paroxysmal  and  chronic  atrial  flutter.  Circulation 

2000;102:1807‐1813. 

Stevenson WG, Sager PT and Friedman PL. Entrainment techniques for mapping atrial 

and ventricular tachycardias. J Cardiovasc Electrophysiol 1995;6:201‐216. 

Stevenson WG  and  Stevenson  LW.  Atrial  fibrillation  in  heart  failure.  N  Engl  J Med 

1999;341:910‐911. 

Stewart S, Hart CL, Hole DJ and McMurray  JJ. Population prevalence,  incidence, and 

predictors of atrial fibrillation in the Renfrew/Paisley study. Heart 2001;86:516‐

521. 

Stewart S, Hart CL, Hole DJ and McMurray  JJ. A population‐based  study of  the  long‐

term  risks  associated  with  atrial  fibrillation:  20‐year  follow‐up  of  the 

Renfrew/Paisley study. Am J Med 2002;113:359‐364. 

Stiles  MK,  Brooks  AG,  John  B,  Shashidhar,  Wilson  L,  Kuklik  P,  Dimitri  H,  Lau  DH, 

Roberts‐Thomson RL, Mackenzie L, Willoughby S, Young GD and Sanders P. The 

effect of electrogram duration on quantification of complex fractionated atrial 

electrograms  and  dominant  frequency.  J  Cardiovasc  Electrophysiol 

2008;19:252‐258. 

Stiles  MK,  Brooks  AG,  Kuklik  P,  John  B,  Dimitri  H,  Lau  DH,  Wilson  L,  Shashidhar, 

Roberts‐Thomson  RL,  Mackenzie  L,  Young  GD  and  Sanders  P.  High‐density 

mapping of atrial  fibrillation  in humans:  relationship between high‐frequency 

activation  and  electrogram  fractionation.  J  Cardiovasc  Electrophysiol  online 

early;doi:10.1111/j.1540‐8167.2008.01253.x. 

  266

Still  AM,  Raatikainen  P,  Ylitalo  A,  Kauma  H,  Ikaheimo M,  Antero  Kesaniemi  Y  and 

Huikuri  HV.  Prevalence,  characteristics  and  natural  course  of  inappropriate 

sinus tachycardia. Europace 2005;7:104‐112. 

Strauss HC, Saroff AL, Bigger JT, Jr. and Giardina EG. Premature atrial stimulation as a 

key to the understanding of sinoatrial conduction in man: presentation of data 

and critical review of the literature. Circulation 1973;47:86‐93. 

Tagawa M, Higuchi  K,  Chinushi M, Washizuka  T, Ushiki  T,  Ishihara N  and Aizawa  Y. 

Myocardium  extending  from  the  left  atrium  onto  the  pulmonary  veins:  a 

comparison  between  subjects with  and without  atrial  fibrillation.  Pacing  Clin 

Electrophysiol 2001;24:1459‐1463. 

Tai CT, Chen SA, Chen YJ, Yu WC, Hsieh MH, Tsai CF, Chen CC, Ding YA and Chang MS. 

Conduction  properties  of  the  crista  terminalis  in  patients with  typical  atrial 

flutter:  basis  for  a  line  of  block  in  the  reentrant  circuit.  J  Cardiovasc 

Electrophysiol 1998;9:811‐819. 

Tai CT, Huang  JL, Lee PC, Ding YA, Chang MS and Chen SA. High‐resolution mapping 

around  the  crista  terminalis  during  typical  atrial  flutter:  new  insights  into 

mechanisms. J Cardiovasc Electrophysiol 2004;15:406‐414. 

Takahashi Y,  Iesaka Y, Takahashi A, Goya M, Kobayashi K, Fujiwara H and Hiraoka M. 

Reentrant  tachycardia  in  pulmonary  veins  of  patients with  paroxysmal  atrial 

fibrillation. J Cardiovasc Electrophysiol 2003;14:927‐932. 

Takahashi  Y,  Jaïs  P,  Hocini M,  Sanders  P,  Rotter M,  Rostock  T,  Hsu  LF,  Sacher  F, 

Clementy  J and Haïssaguerre M.  Shortening of  fibrillatory  cycle  length  in  the 

pulmonary vein during vagal excitation. J Am CollCardiol 2006;47:774‐780. 

  267

Takahashi Y, O'Neill MD, Hocini M, Reant P,  Jonsson A,  Jaïs P, Sanders P, Rostock T, 

Rotter M,  Sacher  F,  Laffite  S,  Roudaut  R,  Clementy  J  and  Haïssaguerre M. 

Effects of stepwise ablation of chronic atrial fibrillation on atrial electrical and 

mechanical properties. J Am Coll Cardiol 2007;49:1306‐1314. 

Takahashi Y, O'Neill MD, Hocini M, Dubois R, Matsuo S, Knecht S, Mahapatra S, Lim KT, 

Jaïs P, Jonsson A, Sacher F, Sanders P, Rostock T, Bordachar P, Clementy J, Klein 

GJ  and  Haïssaguerre  M.  Characterization  of  electrograms  associated  with 

termination of chronic atrial fibrillation by catheter ablation. J Am Coll Cardiol 

2008;51:1003‐1010. 

Thiagalingam A, Wallace EM, Boyd AC, Eipper VE, Campbell CR, Byth K, Ross DL and 

Kovoor  P. Noncontact mapping  of  the  left  ventricle:  insights  from  validation 

with transmural contact mapping. Pacing Clin Electrophysiol 2004a;27:570‐578. 

Thiagalingam A, Wallace EM, Boyd AC, Eipper VE, Campbell CR, Byth K, Ross DL and 

Kovoor  P. Noncontact mapping  of  the  left  ventricle:  insights  from  validation 

with transmural contact mapping. Pacing Clin Electrophysiol 2004b;27:570‐578. 

Tomita Y, Matsuo K, Sahadevan J, Khrestian CM and Waldo AL. Role of functional block 

extension in lesion‐related atrial flutter. Circulation 2001;103:1025‐1030. 

Tonkin AM and Heddle WF. Electrophysiological testing of sinus node function. Pacing 

Clin Electrophysiol 1984;7:735‐748. 

Triedman  JK, Alexander ME, Berul CI, Bevilacqua  LM and Walsh EP. Electroanatomic 

mapping of entrained and exit zones in patients with repaired congenital heart 

disease and intra‐atrial reentrant tachycardia. Circulation 2001;103:2060‐2065. 

  268

Tse HF, Lau CP and Ayers GM. Heterogeneous changes in electrophysiologic properties 

in  the  paroxysmal  and  chronically  fibrillating  human  atrium.  J  Cardiovasc 

Electrophysiol 1999;10:125‐135. 

Verheule S, Wilson E, Everett T, Shanbhag S, Golden C and Olgin J. Alterations in atrial 

electrophysiology  and  tissue  structure  in  a  canine  model  of  chronic  atrial 

dilatation due to mitral regurgitation. Circulation 2003;107:2615‐2622. 

Verma A, Wazni OM, Marrouche NF, Martin DO, Kilicaslan F, Minor S, Schweikert RA, 

Saliba W, Cummings  J, Burkhardt  JD, Bhargava M, Belden WA, Abdul‐Karim A 

and Natale A. Pre‐existent left atrial scarring in patients undergoing pulmonary 

vein antrum isolation: an independent predictor of procedural failure. J Am Coll 

Cardiol 2005;45:285‐292. 

Verma  A,  Novak  P, Macle  L, Whaley  B,  Beardsall M, Wulffhart  Z  and  Khaykin  Y.  A 

prospective,  multicenter  evaluation  of  ablating  complex  fractionated 

electrograms  (CFEs)  during  atrial  fibrillation  (AF)  identified  by  an  automated 

mapping algorithm: Acute effects on AF and efficacy as an adjuvant  strategy. 

Heart Rhythm 2008;5:198‐205. 

Vidaillet H, Granada JF, Chyou PH, Maassen K, Ortiz M, Pulido JN, Sharma P, Smith PN 

and Hayes J. A population‐based study of mortality among patients with atrial 

fibrillation or flutter. Am J Med 2002;113:365‐370. 

Volders PG, Zhu Q, Timmermans C, Eurlings PM, Su X, Arens YH, Li L, Jongbloed RJ, Xia 

M,  Rodriguez  LM  and  Chen  YH.  Mapping  a  novel  locus  for  familial  atrial 

fibrillation on chromosome 10p11‐q21. Heart Rhythm 2007;4:469‐475. 

Volkmer M, Antz M, Hebe J and Kuck KH. Focal atrial tachycardia originating from the 

musculature of the coronary sinus. J Cardiovasc Electrophysiol 2002;13:68‐71. 

  269

Waldo AI and Cooper TB. Spontaneous onset of  type  I atrial  flutter  in patients.  J Am 

Coll Cardiol 1996;28:707‐712. 

Waldo  AL, MacLean WA,  Karp  RB,  Kouchoukos NT  and  James  TN.  Entrainment  and 

interruption of atrial  flutter with atrial pacing:  studies  in man  following open 

heart surgery. Circulation 1977;56:737‐745. 

Wang TJ, Larson MG, Levy D, Vasan RS, Leip EP, Wolf PA, D'Agostino RB, Murabito JM, 

Kannel  WB  and  Benjamin  EJ.  Temporal  relations  of  atrial  fibrillation  and 

congestive heart failure and their joint influence on mortality: the Framingham 

Heart Study. Circulation 2003;107:2920‐2925. 

Wazni O, Marrouche NF, Martin DO, Gillinov AM, Saliba W, Saad E, Klein A, Bhargava 

M,  Bash  D,  Schweikert  R,  Erciyes  D,  Abdul‐Karim  A,  Brachman  J, Gunther  J, 

Pisano  E,  Potenza  D,  Fanelli  R  and  Natale  A.  Randomized  study  comparing 

combined pulmonary vein‐left atrial  junction disconnection and  cavotricuspid 

isthmus ablation versus pulmonary vein‐left atrial junction disconnection alone 

in patients presenting with typical atrial flutter and atrial fibrillation. Circulation 

2003;108:2479‐2483. 

Weiss  C, Gocht  A, Willems  S, Hoffmann M,  Risius  T  and Meinertz  T.  Impact  of  the 

distribution  and  structure  of  myocardium  in  the  pulmonary  veins  for 

radiofrequency  ablation  of  atrial  fibrillation.  Pacing  Clin  Electrophysiol 

2002;25:1352‐1356. 

Wijffels MC,  Kirchhof  CJ, Dorland  R  and  Allessie MA.  Atrial  fibrillation  begets  atrial 

fibrillation.  A  study  in  awake  chronically  instrumented  goats.  Circulation 

1995;92:1954‐1968. 

  270

Willems  S, Weiss  C,  Risius  T,  Rostock  T,  Hoffmann M,  Ventura  R  and Meinertz  T. 

Dissociated  activity  and  pulmonary  vein  fibrillation  following  functional 

disconnection:  impact  for  the  arrhythmogenesis  of  focal  atrial  fibrillation. 

Pacing Clin Electrophysiol 2003;26:1363‐1370. 

Willems  S  and  Rostock  T. A  basket  full  of mechanistic  insights  into  pulmonary  vein 

arrhythmogenicity:  reentry,  focal  activity,  or  fibrillatory  conduction?  J 

Cardiovasc Electrophysiol 2007;18:39‐40. 

Wolf  PA,  Dawber  TR,  Thomas  HE,  Jr.  and  Kannel WB.  Epidemiologic  assessment  of 

chronic atrial  fibrillation and  risk of stroke:  the Framingham study. Neurology 

1978;28:973‐977. 

Wolf PA, Abbott RD and Kannel WB. Atrial fibrillation: a major contributor to stroke in 

the elderly. The Framingham Study. Arch Intern Med 1987;147:1561‐1564. 

Wolf PA, Abbott RD and Kannel WB. Atrial fibrillation as an independent risk factor for 

stroke: the Framingham Study. Stroke 1991;22:983‐988. 

Wolf  PA,  Benjamin  EJ,  Belanger  AJ,  Kannel WB,  Levy D  and D'Agostino  RB.  Secular 

trends in the prevalence of atrial fibrillation: The Framingham Study. Am Heart 

J 1996;131:790‐795. 

Wu TJ, Doshi RN, Huang HL, Blanche C, Kass RM, Trento A, Cheng W, Karagueuzian HS, 

Peter  CT  and  Chen  PS.  Simultaneous  biatrial  computerized mapping  during 

permanent atrial fibrillation in patients with organic heart disease. J Cardiovasc 

Electrophysiol 2002;13:571‐577. 

Wu TJ, Kerwin WF, Hwang C, Peter CT and Chen PS. Atrial fibrillation: focal activity, re‐

entry, or both? Heart Rhythm 2004;1:117‐120. 

  271

Yamane T, Shah DC, Hocini M, Jaïs P, Peng JT, Garrigue S, Clementy J and Haïssaguerre 

M.  Pulmonary  vein  aneurysm  in  association  with  arrhythmogenic  foci  in  a 

patient  with  focally  initiated  atrial  fibrillation.  J  Cardiovasc  Electrophysiol 

2000;11:715. 

Yamashita  T,  Inoue  H,  Nozaki  A  and  Sugimoto  T.  Role  of  anatomic  architecture  in 

sustained atrial reentry and double potentials. Am Heart J 1992;124:938‐946. 

Yang Y, Mangat I, Glatter KA, Cheng J and Scheinman MM. Mechanism of conversion of 

atypical right atrial flutter to atrial fibrillation. Am J Cardiol 2003;91:46‐52. 

Yee  R  and  Strauss  HC.  Electrophysiologic  mechanisms:  sinus  node  dysfunction. 

Circulation 1987;75:III12‐18. 

Yu WC, Lee SH, Tai CT, Tsai CF, Hsieh MH, Chen CC, Ding YA, Chang MS and Chen SA. 

Reversal of atrial electrical remodeling following cardioversion of long‐standing 

atrial fibrillation in man. Cardiovasc Res 1999;42:470‐476. 

 

 

 

DVD ‘Movie 6.1’ is available in the University of Adelaide Library.