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Mesure sans brassard de pression artérielle par approche multimodale ultrasons et photo-pléthysmographie
Pour postuler : Envoyer CV, lettre de motivation et relevés de notes à stephane.bonnet@cea.fr et didier.vray@creatis.insa-lyon.fr
Description détaillée du sujet de thèse :
[Domaine applicatif]
L’hypertension artérielle (HTA) est la pathologie chronique la plus répandue dans les pays développés avec une prévalence de l’ordre de 20 à 30% dans la population adulte. L’incidence de l’hypertension devrait encore augmenter du fait du vieillissement de la population et de l’épidémie d’obésité. La mesure non invasive de la pression artérielle (PA) reste aujourd’hui un pilier du diagnostic et du traitement de l’HTA. Dans ce contexte, la PA est un signe vital qui peut être mesuré de manière intermittente par des tensiomètres électroniques à gonflage automatique (à raison d’une mesure toutes les 15s). Ces mesures utilisent un brassard qui va réaliser dans un premier temps l’occlusion d’une artère et recueillir dans une seconde phase de déflation les oscillations de pression transmises lors du passage de l’onde de pouls. Cette mesure reste inconfortable et peu précise sur les données de pression systolique/diastolique qui sont par ailleurs les variables utilisées cliniquement. De nombreux travaux ont été proposés ces dernières années visant à proposer d’autres solutions moins intrusives pour monitorer en continu la PA [1]. Une mesure complémentaire vise à estimer la vitesse de l’onde de pouls (onde de pression) qui est un marqueur de la rigidité artérielle : différents principes ont ainsi été développés en se basant notamment sur l’estimation du temps de transit entre deux sites de mesure situés sur l’arbre artériel et la distance supposée connue entre ces sites. La thèse vise à étudier, développer et caractériser un système innovant pour extraire des informations pertinentes sur la pression artérielle à partir d’une mesure non-invasive ne reposant pas sur l’utilisation d’un brassard
[Domaine de compétence]
La thèse proposée est à la croisée du traitement du signal, de l’instrumentation biomédicale et de la validation clinique. Le département du LETI/DTBS développe depuis plusieurs années des capteurs photo-pléthysmographies (PPG) en réflexion. Le principe de ces capteurs est d’une part d’utiliser une source optique pour émettre un rayonnement qui va se propager et interagir avec les tissus biologiques (diffusion, absorption). Un détecteur optique mesure le signal en sortie et donne en retour une information sur les tissus traversés avec une composante continue issue des tissus statiques, et une composante périodique, issue des tissus pulsatiles, typiquement le sang. La mesure PPG permet donc une estimation du rythme cardiaque (RC) et de l’oxygénation du sang (SpO2). Cette mesure peut être combinée à une mesure ECG pour donner une information temporelle assimilable à un temps de transit. Cette modalité est donc bien adaptée à la problématique posée et de nombreux travaux dans la littérature étudient la possibilité d’estimer la PA systolique/diastolique à partir des mesures PPG [2]. La thèse est donc motivée par l’utilisation de la modalité PPG pour estimer des paramètres importants reliés à l’activité cardiaque. Le recueil et l’analyse de signaux PPG et de signaux de référence issus de tensiomètre permettra d’identifier les limites et les possibilités et les limitations de cette modalité. Un travail de modélisation physique pourra être nécessaire pour aider au dimensionnement du système final. Cette modalité optique pourra être complétée par une modalité ultrasons pour notamment accéder à la distension de l’artère suite au passage de l’onde de pouls. Un couplage d’information vitesse et distension permet de remonter au décours temporel de la pression comme cela a été démontré récemment [3] en ultrasons uniquement ou en combinant magnéto-pléthysmographie (PPG) et ultrasons [4]. Un travail conséquent de compréhension physique des phénomènes, traitement du signal et machine learning ainsi que d’instrumentation sera demandé à l’étudiant en thèse. En particulier, l’étudiant devra dans un premier temps développer un modèle physique lié à la propagation de l’onde de pression et son observation par un capteur. Les paramètres du modèle seront estimés à l’aide de différentes techniques d’estimation comme par exemple l’estimation du décalage temporel entre 2 courbes. Cette estimation de paramètres pourra également être réalisée à l’aide d’une analyse statistique des données mesurées et des quantités recherchées. Enfin des expérimentations seront nécessaires pour valider certains points de la théorie et estimer les performances des modèles retenus.
[Question scientifique]
Le but de cette thèse est de proposer un système de mesure de pression artérielle sans brassard qui soit basé principalement sur l’utilisation d’une mesure optique et secondairement d’une mesure acoustique. Cette fusion devrait permettre d’accéder à de nombreuses informations relatives à la pression artérielle à partir du traitement des signaux. L’estimation de PA reposera sur un modèle physique du phénomène observé. Cette approche sera confrontée à une mesure indirecte de la PA comme celle fournie par des techniques de machine learning. Ici des modèles statistiques sont utilisés prédire des mesures de PA systolique/diastolique à partir des mesures et/ou caractéristiques PPG. L’étudiant devra valider l’apport de chaque modalité et comparer les résultats obtenus aux systèmes de référence (sphygmomanomètre) lors d’expérimentations sur sujets sains volontaires. La mesure US sera menée en collaboration avec le laboratoire CREATIS sur des fantômes de flux dans un premier temps.
La thèse se déroulera au sein du laboratoire LE2S (Laboratoire d’Electronique et des Systèmes pour la Santé) du Leti/DTBS où des prototypes de dispositifs médicaux sont mis au point notamment dans la thématique des systèmes de mesure biomédicale portés sur la personne. En particulier, le LE2S a déjà investigué des systèmes innovants de mesure PPG pour la détection des apnées du someil lors du projet CARNOT PATCH-SANTE. Une première étude a déjà été menée en interne LE2S pour déterminer la faisabilité du projet et des premières mesures US ont déjà été réalisées en collaboration avec le partenaire scientifique INSA.
Le déroulement de cette thèse est envisagé comme suit :
Pendant la première année, l’étudiant devra réaliser un travail de bibliographie conséquent sur les mesures de PA non invasives (notamment PPG, US) et se former aux systèmes déjà présents dans le laboratoire (système PPG)…Des premiers essais mêlant tensiomètre du commerce et mesures PPG en différents sites sont envisagés en combinaison avec une modélisation de la physique du phénomène observé. L’étudiant devra également se familiariser avec la mesure US sur des fantômes de flux notamment et mettre au point des méthodes robustes de traitement du signal pour estimer des distensions (carte de déplacement) et des vitesses. La recherche du meilleur compromis nombre de capteurs/performance sera étudiée.
Pendant la seconde année, l’étudiant devra apporter différentes contributions méthodologiques sur l’estimation de la vitesse de l’onde de pouls (globale et/ou locale) la pression artérielle et aussi l’élasticité artérielle. La seconde année sera donc plus focalisée sur l’étude et le développement de la méthode retenue et l’évaluation de ses performances. La comparaison sera faite pour chaque paramètre avec un système de référence (sphygmomanomètre ou autres) ou à défaut une modélisation du phénomène. Des expérimentations sur sujet sains devront être menées pour conduire à des publications. Pendant cette deuxième année, le doctorant réalisera au moins une publication, un rapport et une soutenance à mi-thèse.
Enfin, la troisième année sera l’occasion de finaliser ces travaux, de consolider et évaluer la méthode retenue en situation clinique, les comparer aux méthodes de l’état de l’art. Les résultats obtenus feront l’objet de publications et de communications. La dernière année se terminera par la rédaction du mémoire de thèse et la soutenance de thèse finale.
Le candidat recherché relèvera des domaines du traitement du signal, des méthodes statistiques mais aussi des systèmes de mesure électroniques. Il aura une motivation forte pour les applications biomédicales en lien avec la recherche clinique. Les compétences approfondies pendant la thèse concernent à la fois l’ingénierie biomédicale (instrumentation, traitement du signal), mais aussi la validation expérimentale. Les débouchés professionnels envisageables sont nombreux avec par exemple un poste de Recherche et Développement dans le monde biomédical des capteurs et de la Santé instrumentée.
Références
[1] X. R. Ding, N. Zhao, G. Z. Yang, R. I. Pettigrew, B. Lo, F. Miao, et al., "Continuous Blood Pressure Measurement From Invasive to Unobtrusive: Celebration of 200th Birth Anniversary of Carl Ludwig," IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics, vol. 20, pp. 1455-1465, 2016.
[2] R. Mukkamala, J. O. Hahn, O. T. Inan, L. K. Mestha, C. S. Kim, H. Töreyin, et al., "Toward Ubiquitous Blood Pressure Monitoring via Pulse Transit Time: Theory and Practice," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 62, pp. 1879-1901, 2015.
[3] J. Seo, S. J. Pietrangelo, H. S. Lee, and C. G. Sodini, "Noninvasive arterial blood pressure waveform monitoring using two- element ultrasound system," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 62, pp. 776-784, 2015.
[4] J. Jopesh, P. Nabeel, and M. Sivaprakasam, "Cuffless evaluation of pulse pressure with arterial compliance probe," in EMBC 2016, Orlando, 2016.