Brain Imaging: Embedded Processing and Modeling
Imagerie cérébrale : Traitement et Modélisation Embarqués
Résumé
Epilepsy is a chronic pathology characterized by the repetition of clinical paroxysmal manifestations called seizures resulting from a generalized or focal brain dysfunction due to an abnormal electrical discharge. The electroencephalography (EEG) is the gold method allowing the recording of the electrical activity of the brain. During an epileptic seizure, EEG signals are of sinusoidal nature and characterized by a high intensity. As a generator of the EEG signals, the neuronal populations synchronize to create a dynamic system. The changes of the oscillations state of the EEG signals, variables over the time, passage of a stable state to an unstable state, reflect the beginning of an epileptic seizure.
The conceptual framework of this thesis describes the objective to propose a new approach to predict the occurrence of epileptic seizure and localize the cortical generators associated with the minimum of cranial electrodes. This approach allows alerting the patient and his relatives so that they can take necessary precautions.
To ensure early detection of the crisis onset and a precise location of its focuses, we propose a reliable method based firstly on the Multivariate Autoregressive modeling of EEG signals. This modeling generates coefficients able to describe early changes in the dynamic system state. A Principal Components Analysis based on the extraction of the system’s own values was used to calculate an index of stability. The temporal variation of this index is used to determine the stability of the system before, during and after epilepsy and to detect any pre-critical paroxysmal abnormalities. Our main contributions are as follows:
- The Autoregressive Modeling and stability analysis for the early detection occurrence of seizures by using a minimum number of cranial EEG electrodes
The proposed methodology has four main phases: a pretreatment adapted to improve the quality of the signal, an extraction of the relevant parameters of the autoregressive model, a calculation of the stability index and the analysis of seizures periods. This methodology was evaluated on 7 epileptic patients with different types of crisis. It successfully detected the occurrence of the seizure with an accuracy of 95.1%. The reliability of our method was proven by comparing our results with other existing methods, which were assessed on the same data-base (CHB-MIT). With only two electrodes placed in the fronto-temporal area, we were able to detect the onset of paroxysmal anomalies with an average of 1.36 minutes before the expert. This time is sufficient for patient to take some precautions. In addition, the use of two electrodes facilitates the establishment of a Portable registration system (Holter composed by a minimum of electrodes) for ambulatory registration and a real-time alert.
The reliability of our method and the relevance of our results were proved by comparing them with other methods reported by the state of the art and validated on the same database (CHB-MIT).
-Best spatiotemporal localization of epileptic electric discharge regions on the cortex, following the improvement of the surface resolution of the EEG by the integration of virtual electrodes
Electrical discharges are born in the points of the cerebral cortex and spread to other points in the same hemisphere or of the other hemisphere. Monitoring of the spread of these discharges allows controlling the patient’s state of consciousness. The study current was conducted is to locate reliably and precisely the brain regions involved in the seizure and monitor their evolution over time. This study consists of three main phases:
In a first phase, a 3D spline interpolation method was adopted to increase the surface resolution. This approach made it possible to obtain a topology of 128 electrodes from a native recording with 19 real electrodes by the generation of 109 virtual electrodes.
In a second phase, the stability index was computed by parametric characterization of the temporal variation of each pair of real and interpolated EEG (channel) signals. A map of the temporal variation of this index provides a good localization of the epileptic region.
In a third phase, the spatiotemporal evolution of the epileptic discharges detected by the electrodes made it possible to evaluate the patient's condition and predict possible alterations in consciousness. In the case of an epileptic electric discharge of the fronto-temporal lobe or of several regions on the two hemispheres, the patient undergoes a momentary alteration of consciousness.
The robustness of this method was tested on a database of 20 patients from Karunya University (India) and CHU Sahloul, (Tunisia), introducing different types of epilepsy (general and partial). The focuses located by the expert were identified by our method with a 100% precision. The minimum distance separating two active electrodes before the interpolation was s of the order of two centimeters. After interpolation, this distance did not exceed a few millimeters. This allowed locating in a very precise manner the focal generators and subsequently facilitating the pre-surgical diagnosis to experts.
L’épilepsie est une pathologie chronique. Elle se définit par la répétition de manifestations cliniques paroxystiques appelées aussi crises d’épilepsie. Ces crises résultent d’un dysfonctionnement cérébral généralisé ou focalisé dû à une décharge électrique anormale. L’électroencéphalographie (EEG) est la méthode de référence permettant l’enregistrement de l’activité électrique du cerveau. Lors d’une crise d’épilepsie, les signaux EEG prennent une allure sinusoïdale et se caractérisent par une grande intensité. Génératrice de signaux EEG, les populations neuronales se synchronisent pour créer un système dynamique. Les changements d’état des oscillations des signaux EEG, variables au cours de temps, passage d’un état stable à un état instable, reflètent le début d’une crise d’épilepsie.
Dans ce cadre, l’objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle approche de prédiction de l’avènement d’une crise d’épilepsie et de localisation des générateurs corticaux associés tout en employant un minimum d’électrodes crâniennes. Cette approche permet d’alerter le malade et son entourage afin qu’ils puissent prendre les précautions nécessaires.
Pour assurer une détection précoce des prémices de la crise et une localisation précise de ses origines focales éventuelles, nous proposons une méthode fiable basée en premier lieu sur la modélisation autorégressive multivariable des signaux EEG. Cette modélisation génère des coefficients capables de décrire les changements de l’état de ce système dynamique. Une Analyse en Composantes Principales basée sur l’extraction des valeurs propres du système a été utilisée pour calculer un Indice de stabilité. La variation temporelle de cet indice permet de déterminer l’état de stabilité du système avant, pendant et après la crise d’épilepsie et de détecter d’éventuelles anomalies paroxystiques précritiques. Nos principales contributions sont comme suit :
-La modélisation autorégressive et l’analyse de la stabilité pour la détection précoce de la survenue des crises d’épilepsie tout en utilisant un nombre minimal d’électrodes EEG crâniennes.
La méthodologie proposée comporte quatre phases principales : un prétraitement adapté pour améliorer la qualité du signal, une extraction des paramètres pertinents du modèle autorégressif, un calcul de l’Indice de stabilité et une analyse des périodes de crises. Cette méthodologie a été évaluée sur 7 patients épileptiques, de la base (CHB-MIT), avec différents types de crise et qui ont bénéficié d'un enregistrement à 16 électrodes. 32 crises ont été enregistrées pendant 244 heures d’enregistrement EEG prolongé et analysés par un expert neurologue. Notre méthodologie a permis la détection avec succès de l’avènement de la crise avec une précision de 95.1%. Les résultats obtenus avec seulement deux électrodes placées dans la zone fronto-temporale ont montré l'aptitude de notre solution à détecter l’apparition des anomalies paroxystiques avec une moyenne de 1.36 minutes avant l’expert. Ce temps est suffisant pour que le patient prenne des précautions. De plus, l’utilisation de deux électrodes facilite la mise en place d’un système d’enregistrement portable en vue d'une exploitation en ambulatoire et un alerte temps réel.
La fiabilité de notre méthode et la pertinence de nos résultats ont été prouvées en les comparants avec d’autres méthodes rapportées par la littérature et validées sur la même base de données (CHB-MIT).
-Meilleur localisation spatiotemporelle des régions des décharges électriques épileptiques sur le cortex, suite à l’amélioration de la résolution surfacique de l’EEG par l'intégration d'un nombre d'électrodes virtuelles.
Les décharges électriques naissent dans des points du cortex cérébral et se propage vers d’autres points du même hémisphère ou d’un autre hémisphère. Le suivi de la propagation de ces décharges permet de contrôler l’état de conscience du malade. Il s’agit de différencier une crise focale d’une crise généralisée qui se manifestent par une altération de conscience. L’étude que nous avons menée consiste à localiser de manière fiable et précise les régions cérébrales impliquées dans la crise et à suivre leurs évolutions au cours du temps. Cette étude comporte trois phases principales :
Dans un premier temps, une méthode d’interpolation spline 3D a été adoptée pour augmenter la résolution surfacique. Cette démarche a permis d'obtenir une topologie de 128 électrodes à partir d'un enregistrement natif à 19 électrodes réelles par la génération de 109 électrodes virtuelles.
Dans un deuxième temps, la caractérisation paramétrique de la variation temporelle de chaque paire de signal EEG (canal), réels et interpolés, permet de calculer l’Indice de stabilité. Une cartographie de la variation temporelle de cet indice assure une bonne localisation des foyers épileptiques.
Dans un troisième temps, le suivi de l’évolution spatiotemporelle des décharges épileptiques détectées par les électrodes permet d’évaluer l’état du malade et de prédire d’éventuelles altérations de la conscience. Dans les cas d’une décharge électrique épileptique du lobe fronto-temporale ou de plusieurs régions sur les deux hémisphères, le malade passe par une altération momentanée de conscience.
La robustesse de notre méthode est testée sur 20 patients de la base de données de l’Université Karunya (Inde) et celles de CHU Sahloul (Tunisie), présentant différents types d’épilepsies générales et partielles. Les points actifs localisés par l’expert sont identifiés par notre méthode avec une précision de 100%. La distance minimale séparant deux points actifs avant l’interpolation est de l’ordre de deux centimètres. Après interpolation cette distance n’est plus que de quelques millimètres. Ce qui permet de cerner d’une façon très précise les générateurs focaux et par la suite de faciliter le diagnostic pré-chirurgical
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)