4.2.4 Donn´ees enregistr´ees
`
A la suite de cette exp´erience, on dispose pour cinq sujets de trois jours d’enregis-trement durant lesquels sont disponibles 4 `a 8 sessions d’entraˆınement (par jour). Pour les exp´eriences de feedback, on dispose de moins d’enregistrements (en moyenne une ou deux sessions sur chacun des deux derniers jours) et qui concernent des couples de tˆaches choisis en fonction des sujets. Comme il est sch´ematis´e dans la figure 4.2.4, certaines sessions de feedback sont r´ealis´ees `a partir d’un classifieur ayant appris sur les sessions d’entraˆınement du jour pr´ec´edent, tandis que d’autres sessions utilisent un classifieur ayant appris sur une session de feedback pr´ec´edente du mˆeme jour. Il a ´et´e observ´e empiriquement une diff´erence entre ces deux types de session (voir section 4.4.2).
La variabilit´e des tˆaches utilis´ees et des ensembles d’apprentissage exploit´es pour les sessions de feedback rend leur analyse syst´ematique plus difficile. Dans les chapitres suivants, les analyses sont donc r´ealis´ees sur les sessions d’entraˆınement pour les 15 couples de tˆaches possibles pour une classification binaire.
6 tâches 6 tâches 6 tâches 2 tâches 2 tâches 6 tâches 6 tâches 2 tâches 2 tâches
Jour 1 Jour 2 Jour 3
entraînement
Feedback 1 (apprentissage sur entraînement) Feedback 2 (apprentissage sur feedback) Sessions :
Figure 4.4 – Sch´ema des sessions r´ealis´ees par les sujets pendant les trois jours d’en-registrement. Les sessions de feedback sont r´ealis´ees avec un classifieur entraˆın´e soit sur les sessions d’entraˆınement du jour pr´ec´edent, soit sur une session de feedback du jour mˆeme.
4.3 Enregistrements
Le protocole ainsi d´efini n´ecessite la mise en place de nombreux ´el´ements lors de l’exp´erimentation. La structure mat´erielle de l’ensemble du syst`eme exp´erimental est
54 CHAPITRE 4. EXP ´ERIENCE D’ICM ASYNCHRONE
repr´esent´ee figure4.5et ses diff´erents constituants sont d´ecrits dans les parties suivantes.
é c r a n d e c o n t r ô l e d e s t i m u l a t i o n é c r a n d e s t i m u l a t i o n s w i t c h m u l t i é c r a n F O a m p l i E E G 1 ( 3 2 v o i e s ) a m p l i E E G 2 ( 3 2 v o i e s ) c o n v e r t i s s e u r F O / U S B V G A s t a t i o n d ’ a c c u e i l P C p o r t a b l e c a l c u l P C p o r t a b l e a c q u i s i t i o n U S B S t i m U S B : c o n n e c t e u r U S B - > U S B S t i m : c o n n e c t e u r p a r a l l è l e - > s è r i e E t h E t h : c â b l e r é s e a u n o n c r o i s é é c r a n d e c o n t r ô l e d u s u j e t c a m e r a i n f r a r o u g e s a l l e d e c o n t ô l e s a l l e d ’ e x p é r i e n c e F O : f i b r e s o p t i q u e s
Figure 4.5 – Sch´ema de cˆablage de l’exp´erience
4.3.1 Syst`eme d’acquisition
Les enregistrements sont r´ealis´es `a partir d’un casque EEG Braincap de 62 ´elec-trodes pour les sujets 1 `a 3, et 61 ´elec´elec-trodes pour les sujets 4 et 5. Les signaux EEG ainsi que ceux issus des ´electrodes p´eriph´eriques (une ou deux3 ´electrodes d’´electro-occulogramme : EOG, et une ´electrode d’´electromyogramme : EMG) sont envoy´es vers deux amplificateurs 32 voies BrainAmp. Ils sont alors amplifi´es, puis filtr´es entre .1 et 250Hz, puis ´echantillonn´es `a 500Hz et num´eris´es avec une r´esolution de .5 µV . Les signaux num´eriques obtenus sont transmis par fibre optique vers l’ext´erieur de la salle d’exp´erience vers un convertisseur Fibre optique ->USB , qui re¸coit aussi les marqueurs de stimulation issus du PC portable de calcul (voir section suivante). L’ensemble de ces signaux est transmis par cordon USB au PC portable d’acquisition qui enregistre les donn´ees via le logiciel d’acquisition Vision Recorder4.
3. suivant le casque utilis´e˘a : une ´electrode pour les 3 premiers sujets, deux ´electrodes pour les deux autres
4.3. ENREGISTREMENTS 55
4.3.2 Protocole de stimulation
Lors des exp´eriences de feedback, la stimulation doit incorporer des informations issues du traitement temps r´eel des signaux acquis. Il a donc ´et´e choisi de g´erer l’envoi des stimulations via le programme Matlab qui r´ealise la quantification et la classification des signaux EEG et fonctionnant sur le PC portable de calcul. `A chaque changement de l’´ecran de stimulation, l’affichage est g´er´e via les fonctions de la boˆıte `a outils Cogent Graphics5 qui permet d’avoir un contrˆole temps r´eel sur le signal vid´eo. Les commandes d’affichage sont envoy´ees vers un ´ecran externe grˆace `a la sortie VGA du PC, alors que l’interface avec les programmes Matlab reste accessible `a l’exp´erimentateur sur l’´ecran LCD en configurant un mode double affichage sur la carte vid´eo. L’´ecran de stimulation est aussi reproduit sur un ´ecran de contrˆole qui permet `a l’exp´erimentateur de surveiller le bon fonctionnement de la s´eance.
Pour synchroniser la stimulation avec le syst`eme d’acquisition, `a chaque changement de l’´ecran de stimulation un signal binaire TTL est ´ecrit sur le port parall`ele de la station d’accueil du PC de calcul6. Ce port parall`ele est connect´e au convertisseur Fibre optique/USB. L’acc`es au port parall`ele `a partir de Matlab est g´er´e par les fonctions de la librairie NTport7.
4.3.3 Acquisition des donn´ees anatomiques
L’estimation de l’activit´e corticale des sujets n´ecessite l’obtention de donn´ees sup-pl´ementaires associ´ees `a l’anatomie du sujet :
– la position tridimensionnelle des ´electrodes sur le cuir chevelu du sujet, obtenue grˆace au syst`eme de localisation hyperfr´equence Polhemus. En mˆeme temps que les ´electrodes, les positions de trois rep`eres anatomiques sont relev´ees sur le nez, l’oreille droite et l’oreille gauche.
– l’IRM anatomique pond´er´ee en T1 de chaque sujet (voir encadr´e suivant) a ´et´e segment´ee `a l’aide du logiciel Brainvisa afin d’extraire un maillage surfacique du cortex8 et de la tˆete du sujet. Les trois rep`eres anatomiques acquis sous Polhe-mus sont alors localis´es sur la surface de la tˆete dans le logiciel Brainstorm et permettent de positionner les diff´erents maillages dans le mˆeme r´ef´erentiel que les ´electrodes (le syst`eme de cordonn´ees CTF associ´e au sujet9).
5. http ://www.vislab.ucl.ac.uk/CogentGraphics/
6. la station d’accueil permet de disposer d’un port parall`ele, qui est absent sur les PC portables r´ecents
7. http ://www.zealsoftstudio.com/ntport/download.html
8. on utilise l’interface entre la mati`ere grise et la mati`ere blanche
56 CHAPITRE 4. EXP ´ERIENCE D’ICM ASYNCHRONE
Quelques notions sur l’Imagerie par R´esonance Magn´etique : Cette m´ethode d’imagerie est bas´ee sur un principe physique : lorsque ils sont plac´es dans un champ magn´etique constant B0, les protons de l’hydrog`ene de l’eau acqui`erent un moment magn´etique M0orient´es en moyenne le long de l’axe de B0. L’´emission d’un implusion radio `
a la fr´equence de r´esonnance dite fr´equence de Larmor, perpendiculairement `a l’axe de B0, permet de faire basculer le moment magn´etique perpendiculairement `a l’axe de B0: c’est le ph´enom`ene de r´esonance magn´etique nucl´eaire.
`
A la fin de cette impulsion, le moment magn´etique retourne `a sa valeur initiale par un mouvement de pr´ecession, ´emettant une onde ´electromagn´etique `a la fr´equence de Larmor qui permettra la mesure. Ce ph´enom`ene de relaxation est r´egi par plusieurs temps de relaxation : – T1pour le retour de la composante longitudinale (parall`ele `a B0) du moment magn´etique
`
a sa valeur initiale M0.
– T2est le temps de relaxation th´eorique pour le retour `a 0 de la composante transverse. – T2∗est le temps de relaxation observ´e en pratique pour la composante transverse. `A cause
des h´et´erog´en´eit´es du champ magn´etique au sein du tissu biologique, il est inf´erieur `a T2. Des techniques de mesure des temps de relaxation en tout point de la tˆete d’un sujet per-mettent de contraster diff´erents ph´enom`enes au sein des tissus biologiques. Chaque temps de relaxation est adapt´e `a un probl`eme particulier :
– l’IRM dite “pond´er´ee en T1” permet de bien contraster la substance grise et la substance blanche du syst`eme nerveux central, et donc d’en visualiser les organes.
– la pond´eration en T2 met en ´evidence les tissus pathologiques (oed`emes, les tumeurs, etc...), qui ont un temps de relaxation sup´erieur aux tissus sains.
– la pond´eration en T∗
2 fait apparaˆıtre les fluctuations de la concentration d’oxyg`ene dans le sang. Le signal BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) ainsi enregistr´e est li´e `a l’activit´e neuronale. Il est `a la base de l’IRM fonctionnelle.
4.3.4 Architecture du traitement temps r´eel
Le protocole de feedback n´ecessite un traitement en temps r´eel des signaux issus du syst`eme d’acquisition. Ce traitement repose sur la transmission des signaux acquis depuis le PC d’acquisition vers le PC de calcul par protocole TCP-IP. Le principe de la transmission, r´esum´e figure 4.6, est le suivant :
– toutes les 40 ms, les informations acquises sont envoy´ees sur le port 51234 du PC d’acquisition par le logiciel Brain Vision Recorder10.
– un driver Matlab lanc´e sur le PC de calcul vient r´eguli`erement lire ce port pour r´ecup´erer ces donn´ees11, les concat`ene pour constituer un bloc qui correspond `a la moiti´e d’une fenˆetre d’analyse (de dur´ee d’une seconde12). Une fois complet, ce bloc est transmis, via le port 5432 du PC de calcul, `a la routine Matlab qui g`ere la stimulation et la classification .
10. http ://www.brainproducts.com/products/recorder/index recorder.html
11. La gestion des communication TCP/IP est r´ealis´ee sous Matlab en uti-lisant la boˆıte `a outils TCP/UDP/IP Toolbox 2.0.5 disponible `a l’adresse http ://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/loadFile.do ?objectId=345
12. pour permettre un rafraˆıchissement d’une seconde lors du feedback, les fenˆetres d’analyse, qui durent 2s, sont concat´en´ees `a partir de deux demi-fenˆetres successives d’1s dans la routine Matlab de stimulation