Modélisation de l’Atténuation du signal EMG Diaphragmatique de Surface

1. Modélisation 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. 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. 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. Stratégie d’analyse du problème • Définir les niveaux de complexité • Recherche d’approches génériques • Confrontation à l’expérience

5. Genèse du rythme respiratoire

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

7. Cage thoracique d’après Netter et al., 1997

8. Positionnement du problème sur le recueil SEMGD d’après Verin et al,. 2002 • Deux aspects à prendre en compte: • Large distribution des mesures • - Positionnement spécifique , • Inhomogénéité locale (côte) Epaisseur chape Deux niveaux d’échelles

9. Deux approches sont proposées Partie 1 : Grand volume (structure homogène) Partie 2 : Petit volume (présence d’inhomogénéité)

10. 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. Pertinence des paramètres distance et conductivité Stimulation électrique et magnétique phrénique 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.”

12. Modèle analytiqueproposé par Farina et al,.2001 Contexte de la modélisation

13. Y Z X Électrodes de surface Peau Tissu adipeux Muscle anisotrope Fibre musculaire : lieu d’innervation Le Modèle : Complexité : multi couches – muscle anisotrope Simplification : volume de conduction semi infini Air X=X0 Z Dépolarisation d’une fibre musculaire

14. i (z,t) : courant transmembranaire  (t) FFT Hvc Hele IFFT Correction du modèle En écrivant les équations générales de l’électrocinétique

15. Programmation de l’algorithme Volume conducteur et le système de détection Source de courant IFFT => Signal

16. - Comparaison modèle /expérience. Étudeexpérimentale : stimulation phrénique

17. Signaux exploités, issus de la stimulation électrique Paire C Paire B Paire B/A Paire A (b) (a)

19. Variation de la distance Variation de la conductivité du poumon Prépondérance distance

20. Paire C Paire C X02 =110 mm X01 =20 mm Paire B Paire B La fibre du diaphragme crural D’après Cluzel et al : image du diaphragme à la capacité fonctionnelle résiduelle Notre modèle analytique

21. Paire C Paire B/A Paire C Paire B/A Simulation de données Expérience : r = 9 Simulation : σ = 0.06 S/m r = 6 Rapport d’atténuation :

22. Apport du plan d’expériences Atténuation :r Distance (mm) Conductivité (S/m) Gamme de variation de la distance [100-180 mm] Gamme de variation de la conductivité [0.06-0.12 S/m]

23. Apport du plan d’expériences Modèle r, choix de l’optimum Atténuation : r Conductivité (S/m) Distance (mm) • Optimum pour X0 = 125 mm et σ = 0,12 S/m • Les valeurs des paramètres sont physiologiques.

24. Conclusion de la partie 1 • 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

25. 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. Positionnement des électrodes pour le recueil du signal ? Espace intercostal Positionnement sur la côte Epaisseur chape

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

28. Proposition d’un modèle local simplifié Vérification de la localisation du phenomène

29. Signal recueilli avec deux côtes Signal recueilli avec une seule côte

30. Modèle 2D avec deux côtes

31. Signal recueilli avec deux côtes Signal recueilli avec une seule côte

33. Conclusion de la partie 2 • 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

34. 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. construction d’un modèle de thorax Exemple 2D Vers la construction d’un modèle à partir d’imagerie 3D

37. Travail effectué en collaboration avec : Jean-Pierre Caire de Grenoble INP Jacques Bouteillon André Eberhard Pierre Baconnier Fabien N’Dagijimana Merci !