PRANA© Polygraphic Recording ANAlyzer Une boîte à outils MATLAB pour l’analyse des enregistrements polygraphiques Florian Chapotot, Ph.D. R&D Manager, PhiTools, Strasbourg Centre de recherches du service de Santé des armées, Grenoble Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB

de l’analogique… au numérique La polygraphie Enregistrement simultané de différents types de signaux : Variables physiologiques (EEG, EOG, EMG, ECG, T°, PA, Resp, SaO2, etc.) Grandeurs physiques (T°, bruit, éclairement, etc.) Stations d’acquisition fixes, enregistreurs portables, systèmes télémétriques de l’analogique… au numérique Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB

Quelques applications Polysomnographie (PSG 24h ambulatoire) Cartographie EEG: épilepsie, neurocognition EEG Monitoring fonctions vitales EOG EMG ECG PSG rongeur Resp T° Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB

Le système d’analyse PRANA Manager : accès aux données et interfaces du programme Viewer : affichage des enregistrements et des données relatives Affichage synchronisé (signaux, canaux, événements, scores, paramètres extraits) Précis à la milliseconde - Durée : de quelques seconde à plusieurs jours Multi formats (import/export) Remontage et filtrage des canaux Outils de navigation Réjection/correction d’artéfacts Mode continu/séquentiel Report Generator : générateur de rapports personnalisables Rapport de sommeil Rapport de tests itératifs Rapport de paramètres extraits Profiler : affichage et post-traitements des résultats des analyses Exploration et préparation des séries temporelles Post-traitement des paramètres extraits Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB

Le système d’analyse PRANA Manager Accès aux données et interfaces du programme : Enregistrements polygraphiques Réglages des plug-ins Résultats des analyses Rapports générés Journaux d’utilisation Système de fichiers standardisés (*.mat/txt) permettant l’importation et l’exportation de données Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB

Le système d’analyse PRANA Viewer Affichage synchronisé (signaux, canaux, événements, scores, paramètres extraits) Précis à la milliseconde - Durée : de quelques secondes à plusieurs jours Multi formats Outils de navigation Remontage et filtrage des canaux Réjection/correction d’artéfacts Mode continu/séquentiel Apnées du sommeil Tests itératifs de vigilance Cartographie EEG PSG conventionnelle B : Barre de commandes E : Barre de menus A : Signaux polygraphiques C : Densité spectrale de signaux D : Évolution de paramètres extraits Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB

Le système d’analyse PRANA Report Generator Générateur de rapports personnalisables (Excel) Rapport de sommeil Rapport de test itératif Rapport de paramètres extraits Rapport de test itératif de vigilance (60 MWT) Rapport de paramètres extraits (dynamique temporelle, moyennes par stades, par cycles) Rapport de sommeil (paramètres globaux stades, cycles) Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB

Le système d’analyse PRANA Profiler Affichage et post-traitements des résultats Exploration des séries Zoom temps-fréquence Post-traitement : Extraction/Sélection Linéarisation Transformation Réduction Lissage Exportations des résultats : Images (*.jpeg) Fichiers (ASCII, MATLAB) Dynamique de l’EEG au cours du sommeil Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB

Les différents plug-ins Interprétation visuelle des états de vigilance (R&K, animal, choc hémorragique, profondeur d’anesthésie) Marquage et annotation synchrones d’événements Détection automatique d’artéfacts Détection de formes (ondes, grapho-éléments du sommeil) Extraction de caractéristiques (statistiques, spectrales, non linéaires) Analyse de densité et de cohérence spectrale Détection du rythme et analyse de variabilité cardiaque Détection et analyse de cycles (respiration, pouls) Générateur de rapports personnalisés (ASCII, MS Excel) Kit du développer (Matlab m-files) Fonctionnement par batch Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB

Les différents plug-ins Lancement par la barre de menus Réglage complet par l’interface Mémorisation des réglages Indépendant du type d’enregistreur utilisé Sauvegarde des résultats compatibles (selon le système de fichiers du programme) Interface du plug-in d’extraction de caractéristiques Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB

Le kit du développeur Lancement par la barre de menus Fichiers prototypes : Interface graphique (*.fig) Paramètres du module (*.mat) Code source (*.m) pour : la gestion de l’interface l’accès aux données l’intégration d’algorithme l’exécution du module la sauvegarde des résultats Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB

Le lanceur de plug-ins Lancement par lots d’une sélection plug-ins Sauvegarde des réglages des plug-ins sélectionnés dans un journal Interface Journal Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB

Avantages du système Compatibilité : indépendant du système d’acquisition (filtres de lecture) Interopérabilité : sorties multiples (graphiques, tableaux, fichiers ASCII ou MATLAB) Facilité d’utilisation : interfaces graphiques, guide de l’utilisateur Versatilité : applications standards et avancées (sommeil, vigilance, stress, pharmaco, etc.) Flexibilité : plug-ins configurables, personnalisation des paramètres du programme (homme, animaux) Réduction des interventions humaine : exécution par batch Traçabilité : fonctions d’audit (utilisateur et paramètres du programme) Modularité : plug-ins optionnels, nouvel ajout facilité Ouverture : intégration rapide de nouveaux algorithmes (software developer kit) Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB

Exemples d’utilisation Diagnostic humain et modèle animal dans la maladie du sommeil Buguet et al., Darsaud et al., Chevrier et al. Micro-éveils, activation cardiaque et mouvements périodiques lors du sommeil humain Sforza et al., Lavoie et al. Modélisation EEG du sommeil humain Mérica et al., Jouny et al. Pharmaco-EEG du sommeil et de l’éveil Quera-Salva et al., Moldofsky et al., Chapotot et al. Métabolisme, obésité et sommeil Van Cauter et al., Leproult et al. Troubles du sommeil et recherche clinique (insomnie, narcolepsie) Dauvilliers et al. Influences environnementales sur la vigilance et le sommeil Muzet et al., Roky et al., Buguet et al., McLellan et al. Test de dispositifs pour le monitoring vital dans le choc hémorragique Bourdon et al. Classification automatique des états de vigilance chez l’homme et l’animal Becq et al., Zoubek et al., Chapotot et al. Corrélats physiologiques des fluctuations de vigilance et de la dette de sommeil Chapotot et al. Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB

Conclusion PRANA + MATLAB : Un environnement informatique complet d’analyse étendue des données et de développement de nouvelles techniques de traitement pour la polygraphie. Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB

Analyse spectrale de l’EEG Enregistrements polygraphiques Visualisation des signaux Des investigations menées par les armées française et canadienne ont permis d’étudier la dégradation de la vigilance et des performances au cours de privation de sommeil de plusieurs jours. Lors de ces expérimentations des enregistrements polygraphiques ont été réalisés en continu. Le développement d’outils informatiques spécifiques a permi d’étudier quantitativement l’activité électrique cérébrale de veille, ceci grâce à l’intégration de techniques de décontamination des signaux et d’analyse spectrale de l’EEG. Ainsi, nous avons pu isoler différents indices du fonctionnement cérébral et caractériser leur dynamique temporelle en fonction du cycle circadien et sous l’effet de la privation de sommeil. Nos résultats montrent que les hautes fréquences du spectre de l’EEG se décomposent en deux activités distinctes, l’activité b des bandes de fréquence comprises entre 13.5 et 20Hz, et l’activité g se situant entre 20 et 30 Hz. Détection de formes Activité spectrale artefacts Analyse temps-fréquence FFT Applications pharmaceutiques et médicales avec l’environnement MATLAB