1 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Modélisation de lAtténuation du signal EMG Diaphragmatique de Surface Cheick-S. Konté Sous la direction des professeurs Pierre-Yves Gumery et Hervé Roux-Buisson École doctorale : Ingénierie pour la Santé, la Cognition et lEnvironnement

2 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Plan global I. Introduction II. Etat de lart : –Genèse du rythme respiratoire –Recueil du signal EMG diaphragmatique de surface (SEMGD) et ses difficultés III. Modélisation aspect grand volume IV. Modélisation aspect petit volume V. Conclusions et perspectives

3 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Contexte et objectif scientifiques du travail Modèle pour la validation des méthodes de recueil des signaux diaphragmatiques de surface. -Difficulté du recueil ( Rapport Signal Bruit) -Nouvelles techniques multi capteurs ( réseau délectrodes). Evaluer latténuation du signal diaphragmatique (structure inhomogène )

4 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Définir les niveaux de complexité Recherche dapproches génériques Confrontation à lexpérience Stratégie danalyse du problème

5 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Genèse du rythme respiratoire

6 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Recueil des unités motrices diaphragmatiques daprès Butler et al., 1999

7 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Cage thoracique daprès Netter et al., 1997

8 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Positionnement du problème sur le recueil SEMGD daprès Verin et al, Epaisseur chape Deux aspects à prendre en compte: -Large distribution des mesures - Positionnement spécifique, Inhomogénéité locale (côte) Deux niveaux déchelles

9 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Deux approches sont proposées Partie 1 : Grand volume (structure homogène) Partie 2 : Petit volume (présence dinhomogénéité)

10 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Partie 1 : grand volume Stratégie : - recherche des paramètres dinfluence à prendre en compte, - confrontation du modèle à lexpérience Moyens : se baser sur la littérature pour trouver des études expérimentales. EMG œsophagien + Stimulation phrénique électrique.

11 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Y.M. Luo et al Effect of lung volume on the oesophageal diaphragm EMG assessed by magnetic phrenic nerve stimulation. Eur Respir J 2000; …the diaphragm compound muscle action potential recorded from an oesophageal electrode just above the diaphragm is relatively stable over the lung volume range residual volume to functional residual capacity+2.0 L. … the influence of lung volume on the esophageal diaphragm compound muscle action potential is affected by the recording electrode position. Grassino AE & al. Influence of lung volume and electrode position on electromyography of the diaphragm. J Appl Physiol 1976 …the average peak-to-peak deflection of the potentials recorded at different lung volumes was practically unchanged. Pertinence des paramètres distance et conductivité Stimulation électrique et magnétique phrénique

12 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Modèle analytique proposé par Farina et al,.2001 Contexte de la modélisation

13 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Tissu adipeux Peau Muscle anisotrope Fibre musculaire : lieu dinnervation Électrodes de surface Y Z X Complexité : multi couches – muscle anisotrope Simplification : volume de conduction semi infini X=X 0 Le Modèle : Z Air Dépolarisation dune fibre musculaire

14 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives En écrivant les équations générales de lélectrocinétique Correction du modèle i (z,t) : courant transmembranaire HvcHeleIFFT (t) FFT

15 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Programmation de lalgorithme Source de courant Volume conducteur et le système de détection IFFT => Signal

16 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives - Comparaison modèle /expérience. Étude expérimentale : stimulation phrénique

17 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Signaux exploités, issus de la stimulation électrique Paire B Paire A Paire B/A Paire C (a) (b)

18 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives

19 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Variation de la conductivité du poumon Variation de la distance Prépondérance distance

20 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives X 02 =110 mm X 01 =20 mm Paire C Paire B Paire C Paire B Notre modèle analytique La fibre du diaphragme crural Daprès Cluzel et al : image du diaphragme à la capacité fonctionnelle résiduelle

21 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Simulation de données Simulation : σ = 0.06 S/m Expérience : Rapport datténuation : Paire C Paire B/A Paire C r = 6 r = 9

22 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Apport du plan dexpériences Gamme de variation de la distance [ mm] Gamme de variation de la conductivité [ S/m] Distance (mm) Conductivité (S/m) Atténuation :r

23 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Apport du plan dexpériences Modèle r, choix de loptimum - Optimum pour X 0 = 125 mm et σ = 0,12 S/m - Les valeurs des paramètres sont physiologiques. Conductivité (S/m) Distance (mm) Atténuation : r

24 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Compte tenu de la simplification faite dans la description de la cage thoracique et les limites du modèle analytique, la différence entre résultat expérimental et résultat simulé nest pas surprenante : -Les optimums étant dans la gamme possible pour les deux paramètres, nous pouvons dire que du point physiologique, ces valeurs des paramètres concordent. -Létude de la sensibilité aux paramètres nous permet de confirmer que la conductivité influe très peu et que seul leffet distance est important. Validation dun modèle restreint au poumon Conclusion de la partie 1

25 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Approche petit volume estimation de linfluence de la côte est-il nécessaire de modéliser toute la cage thoracique ? faut-il un modèle à 2D ou 3D ?

26 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Positionnement des électrodes pour le recueil du signal ? Epaisseur chape Espace intercostal Positionnement sur la côte

27 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Etude de leffet dinhomogéneité (présence dune côte)

28 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Proposition dun modèle local simplifié Vérification de la localisation du phenomène

29 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Signal recueilli avec deux côtesSignal recueilli avec une seule côte

30 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Modèle 2D avec deux côtes

31 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Signal recueilli avec deux côtesSignal recueilli avec une seule côte

32 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives

33 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Lapproche réductrice en 2D démontre une influence non négligeable de la côte Nécessité délaborer un modèle 3D pour quantifier leffet datténuation Conclusion de la partie 2

34 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Conclusion globale Deux approches différentes En grand volume la démarche analytique garde tout son sens Nécessité de prendre en compte des inhomogénéités plus complexes à décrire qui justifie lemploi de la FEM Ce travail à suivi lévolution de la littérature Nécessité de prendre en compte une structure anatomique proche de la réalité les perspectives sont portées par lutilisation de la FEM

35 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives construction dun modèle de thorax Exemple 2D Vers la construction dun modèle à partir dimagerie 3D

36 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives

37 IntroductionEtat de lart Partie 1 Grand volume Partie 2 Petit volume Conclusions et Perspectives Travail effectué en collaboration avec : Merci ! Jean-Pierre Caire de Grenoble INP Jacques Bouteillon André Eberhard Pierre Baconnier Fabien NDagijimana