1

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

PerspectivesModélisation de l’Atténuation 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 l’Environnement

2

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Plan global

I . Introduction

II . Etat de l’art :– 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

Introduction Etat de l’art 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 d’électrodes).

Evaluer l’atténuation du signal diaphragmatique (structure inhomogène )

4

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Définir les niveaux de complexité

Recherche d’approches génériques

Confrontation à l’expérience

Stratégie d’analyse du problème

5

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Genèse du rythme respiratoire

6

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Recueil des unités motrices diaphragmatiques d’après Butler et al., 1999

7

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Cage thoracique d’après Netter et al., 1997

8

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Positionnement du problème sur le recueil SEMGD d’après Verin et al,. 2002

Epaisseur chape

Deux aspects à prendre en

compte:

-Large distribution des mesures

- Positionnement spécifique ,

Inhomogénéité locale (côte)

Deux niveaux d’échelles

9

Introduction Etat de l’art 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 d’inhomogénéité)

10

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Partie 1 : grand volume

Stratégie :

- recherche des paramètres d’influence à prendre en compte,

- confrontation du modèle à l’expérience

Moyens : se baser sur la littérature pour trouver des études

expérimentales.

EMG œsophagien + Stimulation phrénique électrique.

11

Introduction Etat de l’art 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 conductivitéStimulation électrique et magnétique phrénique

12

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Modèle analytiqueproposé par Farina et al,.2001

Contexte de la modélisation

13

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Tissu adipeux

Peau

Muscle anisotrope

Fibre musculaire : lieu d’innervation

Électrodes de surface

Y Z

X

Complexité : multi couches – muscle anisotrope Simplification : volume de conduction semi infini

X=X0

Le Modèle :

Z

Air

Dépolarisation d’une fibre musculaire

14

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

))(( ))(cosh()1())(( ))(cosh()1(

1

2 , ,

111120 0

dhkdhkRdhkdhkRykkH

yycyyc

yk

azxvc e ya

En écrivant les équations générales de l’électrocinétique

JdivI

gradE

EJ

Correction du modèle

i (z,t) : courant transmembranaire Hvc Hele IFFT

(t) FFT

15

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Programmation de l’algorithme

Source de courant

Volume conducteur et le système de détection

IFFT => Signal

16

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

- Comparaison modèle /expérience.

Étude expérimentale : stimulation phrénique

17

Introduction Etat de l’art 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

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

19

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Variatio

n d

e la con

du

ctivité du

p

ou

mo

n

Variation de la distance

Prépondérance distance

20

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

X02 =110 mm

X01 =20 mm

Paire C

Paire B

Paire C

Paire B

Notre modèle analytique

La fibre du diaphragme crural

D’après Cluzel et al : image du diaphragme à la capacité fonctionnelle résiduelle

21

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Simulation de données

Simulation :

σ = 0.06 S/m

Expérience :

Rapport d’atténuation :

Paire C

Paire B/A

Paire B/A

Paire C

r = 6 r = 9

22

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Apport du plan d’expériences

Gamme de variation de la distance [100-180 mm]

Gamme de variation de la conductivité [0.06-0.12 S/m]

Distance

(mm)

Conductivité (S/m)

Atténuation :r

23

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Apport du plan d’expériences

Modèle r, choix de l’optimum

- Optimum pour X0 = 125 mm et σ = 0,12 S/m

- Les valeurs des paramètres sont physiologiques.C

onductivité (S

/m)

Distance (mm)

Atténuation : r

24

Introduction Etat de l’art 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 n’est 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.

-L’étude de la sensibilité aux paramètres nous permet de confirmer que la

conductivité influe très peu et que seul l’effet distance est important.

Validation d’un modèle restreint au poumon

Conclusion de la partie 1

25

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Approche petit volume

estimation de l’influence de la côte

est-il nécessaire de modéliser toute la cage

thoracique ?

faut-il un modèle à 2D ou 3D ?

26

Introduction Etat de l’art 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

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Etude de l’effet d’inhomogéneité (présence d’une côte)

28

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Proposition d’un modèle local simplifié

Vérification de la localisation du phenomène

29

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Signal recueilli avec deux côtes Signal recueilli avec une seule côte

30

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Modèle 2D avec deux côtes

31

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

Signal recueilli avec deux côtes Signal recueilli avec une seule côte

32

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

33

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

L’approche réductrice en 2D démontre une influence non

négligeable de la côte

Nécessité d’élaborer un modèle 3D pour quantifier l’effet

d’atténuation

Conclusion de la partie 2

34

Introduction Etat de l’art 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 l’emploi de la FEM

Ce travail à suivi l’évolution de la littérature

Nécessité de prendre en compte une structure anatomique proche de la réalité

les perspectives sont portées par l’utilisation de la FEM

35

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

construction d’un modèle de thorax

Exemple 2D

Vers la construction d’un modèle à partir d’imagerie 3D

36

Introduction Etat de l’art Partie 1

Grand volume

Partie 2

Petit volume

Conclusions et

Perspectives

37

Introduction Etat de l’art 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 N’Dagijimana