Développement d'un système d'acquisition simultanée de données de tomographie d'impédance électrique et d'électroencéphalographie pour l'étude de la fonction cérébrale

À cette étape de ma vie, et à tous ceux qui m'ont aidé à la traverser. REMERCIEMENTSAu terme de ce projet de maîtrise, je désire exprimer en tout premier lieu ma reconnaissance à mon directeur de recherche, Frédéric Lesage, dont le support, le professionnalisme et la patience ont permis d'établir toutes les conditions favorables à la réalisation de ce mémoire.J'adresse également mes remerciements à Hervé Gagnon, codirecteur de recherche, dont l'implication quotidienne, la rigueur scientifique et le dévouement ont particulièrement favorisé la réussite de chacune des étapes de ce projet de recherche.Il a également su permettre la mise en place d'une atmosphère de travail qui a rendu plus qu'agréable ces années d'études.J'adresse aussi mes remerciements à Robert Guardo qui a largement contribué à la réussite de ce projet par son expérience, ses connaissances poussées dans le domaine et son dévouement de chaque instant.Mon propre esprit scientifique et mes connaissances se sont approfondies grâce à sa généreuse collaboration.Je remercie également le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada dont le soutien financier a largement facilité ces années d'études.Un remerciement particulier à Yannick Sigmen qui s'est porté volontaire à maintes reprises comme cobaye à mes expériences.Ces expériences parfois longues, parfois répétées et jamais tout à fait agréables pour le sujet l'ont été un peu plus grâce à sa bonne humeur et à son apport scientifique.Une pensée, finalement, à tous ceux qui ont contribué, de près ou de loin, à ce que ces années d'études soient enrichissantes et profitables mais surtout agréables et heureuses.v R ÉSUM É L'épilepsie touche entre 1 et 2% de la population canadienne et environ 40% de tous les cas ne peuvent être traités à l'aide de médicaments.La chirurgie peut être envisagée lorsque les crises sont sévères et nuisent à la qualité de vie du patient.Les patients épileptiques candidats à la chirurgie doivent alors subir des tests préopératoires en vue de localiser avec précision les foyers épileptiques, les zones du cerveau d'où originent les crises.Un suivi de longue durée combinant des enregistrements d'électroencéphalographie (EEG) et de vidéo du patient est utilisé pour tenter de localiser les foyers épileptiques.Des enregistrements d'EEG intracrâniens qui sont lourdement invasifs sont aussi parfois envisagés.Ce projet vise à développer une technique de localisation non invasive complémentaire aux examens préopératoires actuels afin de minimiser le recours à des tests lourdement invasifs.Durant l'activité cérébrale normale, l'augmentation locale de la consommation d'oxygène par les neurones nécessite une augmentation locale du débit sanguin.Ce phénomène est évidemment amplifié lors d'activités cérébrales intenses ou de crises épileptiques.Ces phénomènes hémodynamiques engendrent des variations locales de la conductivité électrique du cerveau.Ce sont ces variations que tentent d'imager la tomographie d'impédance électrique (TIE).Cette technique non invasive permet de visualiser les changements de conductivité produits dans une région du corps par des processus biologiques tels que la respiration ou la digestion.La TIE utilise un réseau d'électrodes disposées autour de la région d'intérêt pour appliquer un courant sinusoïdal de faible amplitude par une paire d'électrodes.Les différences de potentiel ainsi engendrées sont mesurées aux autres paires d'électrodes et permettent de déterminer les variations de conductivité dans la région d'intérêt.Le projet décrit dans ce mémoire propose d'utiliser la TIE conjointement à l'EEG afin de minimiser le recours à des enregistrements invasifs d'EEG intracrâniens.L'EEG demeure la technique de référence pour le diagnostic de l'épilepsie puisqu'elle enregistre directement les signaux électriques produits par l'activité cérébrale.De manière plus spécifique, l'objectif principal de ce projet est de développer les circuits de première ligne d'un système d'acquisition simultanée de données de TIE et d'EEG.Pour atteindre cet objectif, un module électronique a été développé pour le traitement analogique des signaux de TIE et d'EEG captés par un même réseau de 24 électrodes.Ce module comprend 24 circuits d'électrodes actives, un circuit d'asservissement de la jambe droite, un circuit de référence de Wilson ainsi que des circuits auxiliaires.Ce module, conçu pour être porté par le patient, fait partie d'un système d'acquisition qui comporte également un module de synthèse et de démodulation (MSD) et un ordinateur qui sont situés au chevet vi du patient.Une approche de multiplexage temporel est utilisée pour permettre l'acquisition simultanée des données de TIE et d'EEG.Une première phase d'acquisition permet d'effectuer une mesure de TIE et est suivi par une deuxième phase durant laquelle les signaux d'EEG de chacune des 24 électrodes sont échantillonnés.Ces deux phases d'acquisition sont répétées suffisamment rapidement pour respecter les critères d'échantillonnage des deux types de signaux.Les performances du module d'électrodes actives ont été évaluées à l'aide d'un analyseur de réseau/spectre/impédance et d'un fantôme résistif simulant un milieu circulaire de conductivité homogène.Des tests de performance ont permis d'évaluer :• l'impédance de sortie, la transconductance et l'admittance d'isolation des sources de courant des électrodes actives ; • le gain, le taux de réjection du mode commun et le bruit intrinsèque de la chaîne d'acquisition de TIE ; • le gain et le bruit intrinsèque de la chaîne d'amplification d'EEG ;• le rapport signal sur bruit moyen du système d'acquisition de données de TIE.Le fonctionnement de la chaîne d'acquisition de données d'EEG a été validé par l'application d'un courant sinusoïdal de faible amplitude entre des nœuds du fantôme résistif pour simuler une source de signal intrinsèque.D'autres tests ont permis d'évaluer qualitativement les signaux enregistrés par la chaîne d'acquisition d'EEG.Ces tests ont mis en évidence la grande sensibilité du système aux interférences provenant du secteur électrique et du couplage parasite entre les câbles d'électrodes.Cette sensibilité se manifeste par un faible rapport signal sur bruit dans les enregistrements d'EEG et devra être corrigée dans une future révision du module d'électrodes actives.Malheureusement, en raison du développement parallèle du MSD, l'acquisition simultanée de données de TIE et d'EEG n'a pu être réalisée.Des enregistrements sur le thorax ont toutefois permis de valider le fonctionnement in vivo du système d'acquisition.Des images de la ventilation pulmonaire ont été acquises avec 8, 16 et 24 électrodes à des fins de comparaison.Des enregistrements électrocardiographiques ont été réalisés en utilisant les mêmes 24 électrodes.Les informations obtenues durant ce projet permettent de bien comprendre les lacunes du module d'électrodes actives actuel afin de les corriger dans une prochaine génération du système d'acquisition simultanée de données de TIE et d'EEG.vii

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