Développement de l’unité centrale d’un système d’acquisition simultanée d’électroencéphalogrammes et de données de tomographie d’impédance électrique

J'aimerais témoigner ma reconnaissance à toutes les personnes qui, de diverses façons, ont rendu possible la réalisation de ce projet de maîtrise.Je désire remercier plus particulièrement mes codirecteurs, Dr Robert Guardo et Dr Hervé Gagnon, pour leurs enseignements, leurs conseils et leur soutien moral tout au long de ce projet.J'ai pu grâce à eux m'initier au domaine fascinant de l'instrumentation biomédicale.Je les remercie également pour leur soutien financier, rendu possible par une subvention d'équipe octroyée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et les Instituts de recherche en santé du Canada (IRSC).Je remercie M. Claude Turcotte, technicien responsable des systèmes informatiques pour la section génie biomédical du département de génie électrique, pour son souci constant de nous assurer l'accès à des outils informatiques fiables et performants.Je remercie M. Jacques Girardin, technicien au département de génie électrique, pour sa franche camaraderie et sa disponibilité.Je remercie mes camarades du laboratoire : Elizabeth, Jean-Christophe, Julien, Maria, Mathieu, Qingyi, Yannick et les autres qui ont contribué à créer une atmosphère de travail agréable et enrichissante.Je remercie enfin ma famille pour leur soutien de tous les jours, autant dans les bons moments que dans les moments plus difficiles.v RÉSUMÉ La tomographie d'impédance électrique (TIE) est une technique non invasive qui permet d'imager les changements de conductivité électrique des tissus d'une section du corps à partir de mesures d'impédance réalisées avec des électrodes de surface.L'Institut de génie biomédical (IGB) de l'École Polytechnique de Montréal participe au développement de cette technique d'imagerie depuis 1987.Les projets récents de l'IGB incluent le développement d'un système de monitoring de patients épileptiques admissibles à la chirurgie.Ce système est conçu pour acquérir simultanément des données de TIE et d'électroencéphalographie (EEG).Le but recherché en combinant les données de TIE et d'EEG est d'améliorer la précision avec laquelle on peut localiser les zones du cerveau qui déclenchent les crises d'épilepsie.L'identification de ces foyers permet, dans plusieurs cas, de guérir le patient de l'épilepsie en retirant chirurgicalement ces zones du cerveau.Bien que la détection des foyers épileptiques s'effectue présentement par une combinaison de tests cliniques et de techniques d'imagerie médicale, la confirmation de leur position requiert souvent des enregistrements de l'activité électrique du cerveau au moyen d'électrodes intracrâniennes.Cette approche directe est hautement invasive et comporte des risques importants d'hémorragie.Le système que nous développons pourrait remplacer éventuellement les enregistrements faits au moyen d'électrodes intracrâniennes par une technique d'imagerie non invasive qui peut être mise en œuvre à relativement faible coût.Le système d'acquisition combinée de données de TIE et d'EEG comporte quatre composants : 1) un réseau de 24 électrodes disposées sur le cuir chevelu, 2) un module d'électrodes actives (MEA) contenant les circuits de première ligne nécessaires pour mesurer les impédances des tissus cérébraux et enregistrer les EEG, 3) une unité centrale (UC) comportant un réseau de portes programmable (FPGA) qui effectue le traitement numérique des signaux et contrôle le système, et 4) un ordinateur qui reçoit les données de l'UC et reconstruit les images de changements de conductivité du cerveau.L'objectif principal de ce projet de maîtrise est de développer l'UC du système.Pour ce faire, les travaux suivants ont été réalisés :1. Nous avons développé le programme de configuration du FPGA d'une carte d'UC préalablement réalisée à l'IGB.Ce programme a été écrit en VHDL, un langage de haut niveau, afin d'en faciliter la maintenance et la portabilité à de nouveaux systèmes de TIE.2. Le fonctionnement de l'UC a été validé au niveau de la carte et du système en évaluant quatre critères de performance : a) la plage dynamique exempte de parasites (SFDR), b) le rapport signal sur bruit (SNR), c) la précision globale et d) la dérive thermique.vi 3. Les critères de performance du nouveau système ont été comparés à ceux d'un système antérieur qui utilise des puces spécialisées pour le traitement des signaux.4. Des essais in vivo préliminaires ont été réalisés avec le nouveau système.Le SFDR a été mesuré à l'aide d'un analyseur de réseau/spectre, tandis que le SNR et la précision globale ont été évalués par des fonctions intégrées à l'interface graphique du système.Le SNR et la précision globale ont été obtenus à partir de données acquises sur un fantôme résistif qui inclut des circuits émulant les impédances de contact électrode-peau.Le fantôme était relié au MEA par les mêmes câbles d'électrodes utilisés pour l'acquisition de données in vivo.Ce banc d'essai permet d'obtenir des conditions de test reproductibles tout en tenant compte des interférences et des sources de bruit présentes lors d'enregistrements en milieu clinique.Les comparaisons entre l'ancien et le nouveau système ont été réalisées avec des données acquises à 5 images/s, en appliquant aux électrodes un courant de 2 mA crête à 50 kHz.Les résultats des comparaisons entre les systèmes montrent des améliorations pour tous les critères de performance.Le SFDR moyen pour la plage de fréquences allant de 20 à 65 kHz a progressé de 52,1 dBm pour l'ancien système à 57,7 dBm pour le nouveau.Le SNR moyen est passé de 61,5 dB à 64,5 dB et la précision globale de 99,8 % à 99,9 %.La dérive thermique est sensiblement la même pour les deux systèmes.Des essais in vivo préliminaires ont été faits avec 24 électrodes placés autour du thorax au niveau du 8 e espace intercostal.Ces essais ont démontré qu'on pouvait reconstruire en temps réel des images de la ventilation pulmonaire à une cadence de 20 images/s.Nous avons aussi enregistré avec les mêmes 24 électrodes des électrocardiogrammes (ECG) au taux de 1,3 kHz par canal en réduisant le gain en tension des amplificateurs d'EEG.Toutefois, en plaçant les électrodes autour de la tête, nous n'avons pas été en mesure d'obtenir des images de TIE cohérentes.De plus, à gain élevé, le signal de sortie des amplificateurs d'EEG était dominé par l'interférence du secteur.Les causes de cette incapacité à obtenir des images de changements de conductivité cérébrale et enregistrer des EEG ont été identifiées.Elles sont dues en partie au fait que nous avions choisi de ne pas utiliser des câbles d'électrodes avec écran asservi lors de la conception du MEA.Ce choix, en rétrospective mal avisé, avait été fait pour des considérations ergonomiques.Une révision du circuit imprimé du MEA sera nécessaire pour corriger ce problème.En ce qui a trait à l'UC, nous décrivons dans le dernier chapitre du mémoire cinq projets visant à améliorer le SNR du système.En conclusion, nous avons contribué par ce projet au développement d'une technique non invasive permettant d'obtenir des images de changements de volume et de débit sanguin dans le cerveau tout en monitorant l'activité électrique cérébrale.L'application de cette vii technique à la localisation de foyers épileptiques est un projet à long terme.Pour y parvenir, d'importants progrès devront être accomplis dans les systèmes de mesure et les algorithmes de reconstruction d'images.Une étude pilote sur des patients épileptiques en attente de chirurgie devra également être réalisée.Si cette validation s'avère positive, le monitoring combiné de la TIE et l'EEG devrait constituer un outil d'investigation préopératoire de choix en raison de l'innocuité de l'approche, de son faible coût de mise en œuvre et de sa grande résolution temporelle.viii

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