Ce chapitre a pr´esent´e les bases n´ecessaires `a la compr´ehension du contexte appli-catif de notre ´etude ainsi qu’un bref ´etat de l’art des syst`emes de monitoring m´edicaux intelligents, et en particulier de ceux qui incluent un module d’acquisition automatique des connaissances. La derni`ere section traite de l’utilisation de plusieurs sources de don-n´ees dans le but d’am´eliorer les performances des syst`emes de monitoring intelligents.
On peut remarquer que la plupart des syst`emes de monitoring multisource existants utilisent des sources de donn´ees refl´etant l’´evolution d’un param`etre pr´ecis au cours du temps. La chaˆıne de traitement des donn´ees multisources de ce type diff`ere d’une chaˆıne de traitement utilisant des donn´ees comme un ´electrocardiogramme qui ne refl`ete pas une mesure exploitable directement. L’objectif de l’utilisation des diff´erentes sources n’est ´egalement pas le mˆeme dans les syst`emes pr´esent´es et dans l’approche vis´ee par notre ´etude. Nous cherchons `a apprendre de nouvelles relations inter-sources pour b´en´e-ficier, quand cela est possible, de la compl´ementarit´e des sources. Les syst`emes pr´esent´es dans ce chapitre utilisent les sources de donn´ees, soit pour modifier l’´etat d’un syst`eme, soit globalement, pour apprendre des s´equences multidimensionnelles. Les m´ethodes propos´ees ne permettent donc pas de r´epondre `a nos attentes. La m´ethode propos´ee pour r´esoudre ce probl`eme est d´etaill´ee dans les chapitres 3 et 4.
La section suivante pr´esente de mani`ere d´etaill´ee deux syst`emes de monitoring car-diaque existants : Calicot et Kardio, ainsi que la premi`ere contribution de ce travail : une m´ethodologie de comparaison de syst`emes de monitoring cardiaque.
Chapitre 2
Calicot : un syst`eme de
monitoring des arythmies
cardiaques
Les travaux pr´esent´es dans cette th`ese ont pour but d’am´eliorer le syst`eme de mo-nitoring cardiaque Calicot afin de le rendre plus pr´ecis et plus robuste au bruit en milieu hospitalier. Ce chapitre pr´esente de mani`ere d´etaill´ee le syst`eme Calicot dans son ´etat `a la fin du projet Pise [Carrault et al., 2003]. Apr`es une br`eve description de ce projet et de son successeur Cepica, qui a permis le financement de ces travaux, nous fournirons une comparaison de Calicot avec Kardio [Bratko et al., 1989], un autre syst`eme de renom permettant de diagnostiquer des arythmies cardiaques. Kardio est en effet l’un des premiers syst`emes permettant l’interpr´etation de rythmes cardiaques `a partir de r`egles obtenues par simulation d’un mod`ele cardiaque et apprentissage.
2.1 Les Projets RNTS
A travers le projet Europ´een KISS (Knowledge-based Interactive Signal Monitoring System) [Siregar et al., 1989], le Laboratoire de Traitement du Signal et de l’Image (LTSI) a d´evelopp´e au d´ebut des ann´ees 90, une grande exp´erience dans le monitoring intelligent des arythmies cardiaques en USIC. Dans KISS apparaissaient les notions im-portantes de mod`ele de surface/mod`ele profond (cf. Section 1.2.2) et de leur ajustement mutuel. Le projet a ´egalement mis en ´evidence le besoin et l’importance d’acqu´erir des donn´ees multisources, de prendre en compte l’´etat et le contexte d’entr´ee du patient en USIC et enfin, la n´ecessit´e d’avoir un syst`eme capable de r´eagir et de se reconfigurer face aux multiples changements pouvant se produire en USIC. Tous ces objectifs tr`es ambitieux n’ont pu ˆetre atteints dans KISS, mais ils constituent les racines de la collabo-ration entre l’´equipe Dream de l’Irisa et le LTSI. En effet, profitant des comp´etences de l’´equipe Dream dans le domaine de l’acquisition automatique de connaissances, les deux ´equipes ont lanc´e, en collaboration avec des m´edecins et des industriels, deux pro-jets RNTS (R´eseau National des Technologies et de la Sant´e) successifs financ´es par le
minist`ere de la recherche : Pise et Cepica.
2.1.1 Pise
L’action concert´ee incitative (ACI) Pise, initi´ee en 1999 a mis en relation i) un concepteur fabriquant de proth`eses cardiaques ELA Medical (ELA), ii) une ´equipe clinique : le d´epartement de Cardiologie et Maladies vasculaires du Centre Hospitalier Universitaire de Rennes, et deux ´equipes de chercheurs universitaires : iii) le LTSI) et iv) l’´equipe Dream de l’Irisa. Ce projet s’int´egrait dans une strat´egie `a long terme visant `a d´evelopper des proth`eses cardiaques multisites multifonctions capables de g´e-rer simultan´ement et en temps r´eel les probl`emes h´emodynamiques et rythmiques des patients souffrant de cardiomyopathie ou d’insuffisance cardiaque. Il s’articulait autour de deux sous-projets : 1) la conception de deux sondes pour la stimulation du ventricule gauche et 2) le d´eveloppement de m´ethodes robustes pour la reconnaissance et la clas-sification d’arythmies. 57 patients ont ainsi ´et´e implant´es avec les nouvelles sondes avec des r´esultats tr`es bons en terme de s´ecurit´e et de performances ´electriques. Le second objectif du projet a fait l’objet de la th`ese de Feng Wang [Wang, 2002], collaboration entre le LTSI et l’´equipe Dream. Ces travaux ont abouti au prototype de syst`eme de monitoring intelligent Calicot (voir section 2.2 pour plus de d´etails) qui permet de diagnostiquer en ligne des arythmies cardiaques.
Parall`element `a ces travaux, la soci´et´e ELA a d´evelopp´e de nouveaux capteurs pour la mesure de la fr´equence de stimulation cardiaque : un capteur d’´evaluation de la ventilation minute par mesure d’imp´edance intra-thoracique, reflet direct de l’activit´e respiratoire du patient et de l’intensit´e de l’effort fourni par ce dernier; un capteur de mesure de l’acc´el´eration (acc´el´erom`etre) plac´e dans la proth`ese cardiaque; un acc´el´e-rom`etre plac´e au bout d’une sonde ventriculaire appel´e PEA (Peak Endocardial Ac-celerometer ). Ces derni`eres mesures permettent, d’une part, la d´etection des p´eriodes d’activit´e du patient et, d’autre part, la mesure de l’intensit´e de l’activit´e exerc´ee.
Pour poursuivre les travaux amorc´es dans le projet Pise et ´evaluer l’int´erˆet de ces nouveaux capteurs, ces mˆemes partenaires ont initi´e le projet Cepica.
2.1.2 Cepica
Le projet Cepica (Conception et ´Evaluation d’une Proth`ese Implantable CAr-diaque) est un projet RNTS pr´e-comp´etitif qui a d´ebut´e en 2002 et se poursuivra jusqu’en juillet 2006. Le contexte m´edical de Cepica est le mˆeme que celui du projet Pise puisqu’il s’agit d’exploiter les fonctionnalit´es futures des proth`eses cardiaques, et en particulier les mesures provenant des capteurs refl´etant l’´etat h´emodynamique et fonctionnel du patient tels que la ventilation minute ou l’acc´el´eration, pour optimiser les param`etres de stimulation des proth`eses, ´evaluer la tol´erance d’un patient face `a un trouble du rythme et permettre un diagnostic plus pr´ecis afin de diminuer les risques des insuffisances cardiaques, en particulier les risques de mort subite. Le projet s’arti-cule autour de quatre tˆaches : 1) la mise au point d’un prototype externe permettant le recueil de l’imp´edance intra-cardiaque et des mesures d’acc´el´eration et l’´etude des
cor-Calicot 33
r´elations entre ces mesures et les param`etres physiologiques et h´emodynamiques; 2) le traitement du signal provenant de ces capteurs, l’´etude des possibilit´es d’acquisition au-tomatique de connaissances `a partir des donn´ees provenant des capteurs et l’int´egration de ces nouvelles connaissances pour le diagnostic des arythmies cardiaques `a partir de donn´ees multisources; 3) le d´eveloppement d’une proth`ese implantable (miniaturisation, augmentation de la long´evit´e, couplage des capteurs d’imp´edance et d’acc´el´erom`etrie `a des fonctions de stimulation cardiaque performante, etc.); 4) une pr´e-´evaluation de prototypes externes de telles proth`eses.
Le travail d´ecrit dans ce document de th`ese s’inscrit dans le point 2) cit´e pr´ec´edem-ment. Il s’est focalis´e sur les tˆaches de monitoring et de diagnostic. Cependant, l’acquisi-tion de donn´ees multisources provenant de nouveaux capteurs n’est pas ais´ee puisqu’elle n´ecessite de faire subir au patient une anesth´esie, une intervention chirurgicale pour la pose du pacemaker puis d’observer le patient sur de longues p´eriodes afin d’ˆetre sˆur de recueillir des enregistrements d’arythmies. Trop peu de donn´ees provenant du projet CEPICA sont pour le moment disponibles, notre ´etude a donc cherch´e `a d´emontrer la faisabilit´e de l’apprentissage de s´equences arythmiques multisources `a partir d’une base de donn´ees reconnue. Les donn´ees multisources utilis´ees proviennent de la base MIMIC (Multi-parameter Intelligent Monitoring for Intensive Care) [Moody et Mark, 1996]. Ces donn´ees concernent des signaux, recueillis dans des conditions d’USIC, provenant de diff´erentes voies d’un ECG (nous nous servirons en particulier de la voie I) et de signaux h´emodynamiques concernant la mesure de la pression art´erielle (ABP pour Ar-terial Blood Pressure). La r´eduction du nombre de fausses alarmes sur ces donn´ees est d´ej`a un d´efi important mais nous esp´erons ´egalement pouvoir g´en´eraliser les techniques propos´ees pour caract´eriser les arythmies cardiaques sur ces signaux, aux donn´ees pro-venant de nouveaux capteurs tels que les mesures de ventilation ou d’acc´el´eration. Dans la suite de ce m´emoire, nous nous consacrons donc `a l’´etude de la combinaison des si-gnaux ´electriques et h´emodynamiques pour am´eliorer la pr´ecision et la robustesse du diagnostic des arythmies cardiaques.