Université Libre de Bruxelles Année Académique 2006-2007 Faculté de Sciences Appliquées
Nouvelles stratégies
d’acquisition et de traitement
de biopotentiels encéphalographiques
Promoteur: Thèse présentée par:
Professeur Pierre Mathys Antoine Nonclercq
En vue de l'obtention du titre de Docteur en Sciences Appliquées.
Remerciements
Je tiens tout d'abord à remercier chaleureusement mon promoteur, le Professeur Pierre Mathys, pour son soutien et son aide, tout au long de ma thèse. J'ai pu apprécier grandement la qualité de ses explications et de ses conseils, ainsi que sa bonne humeur.
Je remercie Messieurs Eric Driessens et Stéphane Adams, ainsi que toute l'équipe de Medatec pour leur implication, leur soutien, leurs avis, et le partage de leurs connaissances,
Je remercie le Professeur Pierre Mathys, et Messieurs Eric Driessens et Stéphane Adams, pour m'avoir proposé ce sujet de thèse, qui a donné un tournant décisif à ma carrière, et qui m'intéresse chaque jour un peu plus.
J'ai une grande gratitude envers les Professeurs Francis Grenez et Serge Prohoroff pour m'avoir guidé dans cette thèse, dans le cadre du comité d'accompagnement et bien au-delà.
Je tiens à remercier le Professeur Frédéric Robert, qui à suivit ma thèse tout au long de sa réalisation et qui m'a donné goût à l'instrumentation et aidé dans ce domaine.
J'ai fort apprécié l'entraide et la bonne humeur de mes collègues et amis au sein du laboratoire, et je veux donc remercier vivement Alexis, Anthony, Axel, Cédric, Gaël, Kim, Manu, Marc, Max et Michel.
Je tiens aussi à remercier les Docteurs Martine Foulon et Cathy De Cock, du centre hospitalier de Charleroi, ainsi que le Docteur Denis Verhulpen d'Easme, pour leur aide et pour avoir donné un point de vue médical indispensable à ma thèse.
Je remercie le Fonds pour la formation à la Recherche dans l'Industrie et dans l'Agriculture (FRIA), pour son soutien financier.
Je tiens enfin à remercier Céline pour son amour, et mes amis et ma famille, pour leur chaleureux accompagnement.
Page 3
Table des matières
1 Introduction... 8
1.1 L'électroencéphalographie... 8
1.2 Motivation de la thèse...8
1.3 Description d’un examen EEG classique...9
1.3.1 Types d'examens... 9
1.3.2 La pose des électrodes...10
1.3.3 Artefacts et parasites courants...13
1.3.4 Vécu du patient... 13
1.4 Lecture du tracé... 14
2 Compréhension et modélisation des différentes parties d'un EEG traditionnel... 15
2.1 Le patient... 15
2.1.1 Compréhension des sources de biopotentiels encéphalographiques...15
2.1.2 Modélisation...17
2.2 Les électrodes et l'interface cerveau/électrodes... 17
2.2.1 Compréhension du fonctionnement des électrodes...18
2.2.2 La peau... 28
2.2.3 Modélisation...29
2.3 Les parasites...33
2.3.1 Compréhension... 33
2.3.2 Modélisation des parasites... 34
2.4 La chaîne d’acquisition globale... 36
3 Compréhension des différents phénomènes dégradant la qualité du signal... 40
3.1 Propagation des parasites...40
3.1.1 Induction magnétique...40
3.1.2 Tension de mode commun... 41
3.1.3 Parasites induits par la tension de mode commun... 44
3.1.4 Tension d'isolation... 46
3.1.5 Parasites dans les câbles...46
3.1.6 Superposition des parasites... 48
3.2 Le bruit des électrodes... 48
3.3 Le bruit et les parasites internes au système... 49
3.4 Les artefacts... 50
3.4.1 Artefacts physiologiques...50
3.4.2 Artefacts non physiologiques...51
3.5 Ordre de grandeur... 52
4 Amélioration de la captation du signal... 54
4.1 Préparation de la peau...54
4.2 Réduction des parasites dans les câbles...55
4.2.1 L'électrode active... 55
4.6 Réduction du bruit... 74
4.6.1 Réduction du bruit du premier étage...74
4.6.2 Réduction du bruit dû à l'alimentation et au câblage... 75
4.7 Comparaison des améliorations et choix de la meilleure topologie... 75
5 Quantification expérimentale des améliorations apportées par l'électrode active et le DRL... 78
5.1 Réalisation d’un prototype comparant l’EEG traditionnel avec celui muni d’électrodes actives et du circuit DRL... 78
5.1.1 Aperçu général... 78
5.1.2 Topologie du système... 79
5.1.3 Réalisation de l'amplificateur...81
5.1.4 Réalisation du circuit DRL... 82
5.1.5 Réalisation de la conversion analogique/digitale...83
5.1.6 Réalisation de l'alimentation... 84
5.1.7 Validation du prototype... 84
5.1.8 Illustration... 86
5.2 Campagne de tests... 87
5.2.1 Description de l’expérimentation...87
5.2.2 Tests sur un équivalent électrique d’un patient...88
5.2.3 Tests expérimentaux sur un patient...92
5.2.4 Résultats quantitatifs... 94
6 Validation des améliorations apportées par l'électrode active et le DRL en milieu médical... 95
6.1 Validation sur des patients volontaires... 95
6.1.1 Réalisation du prototype... 95
6.1.2 Tests sur le prototype et sur l'EEG commercial...101
6.1.3 Campagne de tests...104
6.2 Validation en milieu médical...109
6.2.1 Réalisation du prototype... 109
6.2.2 Test en milieu médical... 111
7 Détection automatique de pointes ondes... 112
7.1 Introduction...112
7.2 Évaluation des algorithmes...112
7.3 Morphologie de la pointe onde... 114
7.4 Différents cahiers des charges en fonction du type d'épilepsie et de l'application... 115
7.5 Le syndrome des pointes ondes continues du sommeil... 115
7.5.1 Caractéristiques cliniques... 115
7.5.2 Caractéristiques électroencéphalographiques... 116
7.6 Données utilisées... 117
7.7 Objectif visé par l'algorithme...117
7.8 État de l'art... 118
7.8.1 Présentation des sources bibliographiques...118
7.8.2 Algorithmes de traitement du signal... 119
7.8.3 Algorithmes de décision...121
7.8.4 Bibliographie spécifique aux pointes ondes...121
7.9 Choix du type d'algorithme...121
7.9.1 Considérations sur la bibliographie ...121
7.9.2 Comparaison des deux algorithmes les plus prometteurs... 122
7.10 Description de l'algorithme...124
7.11 Ajustement de la pointe onde de référence et des paramètres... 128 Page 5
7.11.1 Quelle pointe onde de référence utiliser et comment ajuster les paramètres ?... 128
7.11.2 Génération automatique de la pointe onde de référence et des paramètres... 128
7.12 Performance de l'algorithme... 129
7.12.1 Analyse des indicateurs...129
7.12.2 Comparaison avec les algorithmes décrits dans la littérature... 131
7.13 Validation du choix des caractéristiques et ajustement des paramètres... 132
7.13.1 Étude des caractéristiques en fonction du scorage des spécialistes... 132
7.13.2 L'utilisation d'une pointe ondes de référence et de paramètres universels est-elle possible ? ...138
7.13.3 Étude des caractéristiques en fonction des performances de l'algorithme... 140
7.14 Prise en considération de plusieurs dérivations... 145
7.15 Réalisation d'un logiciel autonome et test en milieu hospitalier...146
7.16 Appréciation du corps médical... 146
7.17 Adaptation à la détection des micro-éveils... 146
7.17.1 Introduction...146
7.17.2 Description des éveils... 147
7.17.3 Adaptation de la détection...148
7.18 Rejet des artefacts et des parasites...149
7.18.1 Étude du rejet des artefacts non physiologiques et des parasites... 150
7.18.2 Étude du rejet des artefacts physiologiques... 153
7.18.3 Bibliothèque modulaire d'algorithmes de rejet des artefacts... 153
7.19 Conclusions...153
8 Quantification des améliorations dues aux électrodes actives et au circuit DRL sur un banc de test ... 155
8.1 Le banc de test... 155
8.1.1 Description... 155
8.1.2 Le générateur de signaux... 156
8.1.3 Le générateur d'artefacts... 159
8.2 Le prototype...161
8.2.1 Réalisation...161
8.2.2 Insertion au sein du banc de test... 162
8.3 Prises de mesures sur le banc de test... 164
8.4 Quantification des améliorations matérielles et logicielles sur le taux de parasites à 50Hz. 165 8.5 Quantification des améliorations matérielles sur la détection des pointes ondes... 166
8.5.1 Choix des indicateurs... 166
8.5.2 Comparaison des résultats...168
8.5.3 Extraits de tracés typiques...173
8.6 Quantification des améliorations par la méthode de l'ICA sur la détection des pointes ondes ... 176
8.6.1 Ajustement des paramètres... 176
8.6.2 Limitations du modèle... 177
8.6.3 Quantification des améliorations pour des échantillons de 10 secondes... 178
9.2 Travaux futurs...189
9.2.1 Intégration des différents systèmes d'EEG...189
9.2.2 Réalisation d'un EEG portable permettant la prévision des crises d'épilepsie...189
9.2.3 Généralisation des améliorations à d'autres signaux physiologiques...190
9.2.4 Investigation médicale... 190
10 Bibliographie... 191
Page 7
