[PDF] Mise au point et validation dun algorithme pour caractériser le

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ifi

UNIVERSITÉifiDEifiMONTRÉALifi

ifi ifi ifi

MISE AU PME POUR

HEXOSKINifi

ifi

JOËLLEifiPION-MASSICOTTEifi

ifi ifi ifi

MÉMOIREifiPRÉSENTÉifi

(GÉNIEifiBIOMÉDICAL)ifi

DÉCEMBREifi2014ifi

ifi ifi ifi ifi ifi ifi

UNIVERSITÉifiDEifiMONTRÉALifi

ifi ifi ifi ifi

Ceifimémoireifiintituléifi:ifi

ifi ifi ifi e deifi:ifiMaîtriseifièsifisciencesifiappliquéesifi aifiétéifidûmentifiacceptéifi deifi:ifi ifi ifi

M.ifi, Ph.ifiD.,ifimembreifi

iiiifi ifi

REMERCIEMENTSifi

Roger Godbout, Élyse Chevrier et Marjolaine Chicoine du de mes objectifs.ifi

Merciifi égalementifi àifi Jean-Françoisifi Royifi etifi Pierre-Alexandreifi Fournier,ifico-fondateursifi deifi Carréifi

Technologiesifiinc.,ifiquiifiontifi unifiprojetifiaussiifistimulantifiauifiseinifideifi self quantifying ceifi quiifi ifi ivifi ifi

RÉSUMÉifi

un vêtement dit "ifiintelligentifi»ifiaifiétéifirécemmentifimiseifiauifipointifiparifiCarréifiTechnologiesifiinc.ifideifi

-des-Prairies.ifi . Leifi

sommeilifiseifi définitificommeifi unifiétatifi réversibleifi deifi comportementifietifiunifidésengagementifi deifi

deifi certainsifitroublesifi estifi laifi polysomnographie.ifi Cetteifi techniqueifiétudieifidifférentsifi signauxifi

humanifisubjects

de ceifiprojetifiestifideifimettreifiauifipointifietifideifivaliderifiunifialgorithmeifipourifianalyserifilesifisignauxifi

suffisantsifipourifi réaliserifi uneifi classificationifi enifi accordifi avecifi laifi méthodeifideifi polysomnographieifi

hommesifiontifiétéifirecrutésns et sans problème de sommeil dont laifimoyenneifi ans àifi25ifians.ifi

Lesifi deuxifi premiersifi algorithmesifi implémentésifi sontifi inspirésifi deifi méthodesifiprésentéesifidansifi laifi

littérature.ifi Premièrement,ifi onifi adapteifi laifi méthodeifi deifi Kuriharaifi etifi Watanabeifi enifi calculantifi leurifi

vifi ifi

deifi laifi nuitifi enifi fonctionifi desifi phasesifi deifi sommeil.ifiAinsi,ifi cinqifi algorithmesifiutilisantifi différentesifi

combinaisonsifi deifi paramètresifi etifiquiificlassentifi été

temps,ififaitifiressortirifivent des problèmes de détectionifienifidébutifietififinifideifinuit.ifiOnifi

a détection de ,ifiaugmentantifil s

développées etifilaifipolysomnographie,ifileificoefficientifiKappaifietifilaifidifférenceifi

Les algorithmes Hexoskin obtiennent des résultats avec un coefficientifi kappaifi moyenifi entreifi 0,13ifi etifi 0,

0,41.ifiUneifivaleurifientreifi 0,20ifietifi 0,40ifiestifi normalementifiassociéeifiàifiunififaibleifiaccordifientreifideuxifi

méthodesifideificlassification.ifi ion de la méthode développée par Kurihara et Watanabe obtient de meilleurs résultats.ifi

signaux est de 77,54Mifi(85,47MifipourifileifiSNP,ifi58,03MifipourifileifiSPifietifi62,16Mifi Deifiplus,ifi

laifi valeurifi duifi coefficientifi kappaifi moyenifi estifi deifi 0,54ifiavecifi uneifi valeurifi minimaleifi deifi 0,29.ifiLaifi

ésentent un écart supérieur à

10M.ifi

démontre queifi des graphiques suitifiunifimotififisemblableifi auxifi résultatsifi deifi laifi

polysomnographie.ifiifi Uneifi limiteifi importanteifi estifi laifi néc viifi ifi

vêtement Hexoskin,ifilesifiparticipantsifisontifiâgésifideifi18ifietifi25ifians,ifisontifienifisantéifietifi

problèmesifideifisommeil.ifi du sommeil paradoxal.ifiCeciifidevraitifiaméliorerifi et du réveil. couteuse etifi nécessitantifi , il est intéressant .

Malgréifi leifi faitifi queifi

des patients.ifiIlifiseraitififaire le suiviifideifipatientsifiàifidomicileifietifisurifiuneifi

seraitifiintéreer les liens entreifileifisommeilifietifilaifiqualitéifideifivieifidesifiutilisateurs.ifiEnifieffet,ifi

laifi qualitéifi deifi sommeilifi estifi unifi paramètreifi importantifi pourifi assurerifi uneifi bonneifisantéifi physiqueifi etifi

psychologique.ifiifi ifi viiifi ifi

ABSTRACTifi

A new wearable technology uses sensors integrated to a smartifishirtifitoifimeasureifiphysiologicalifi

signals.ifiThisifiproductifiisifidevelopedifibyifitheifistartupifiCarré Technologies Inc. based in Montreal. The

Hexoskinifi shirtifi recordsifi anifi electrocardiogramifi(ECG),ifi respiratoryifi signalsifi andifi theifi subject

movements.ifiThisifiprojectifiisifipartifiofifiaificollaborationifibetweenifiÉcole Polytechnique de Montréal,

Carré Technologies Inc. and the sleep laboratory of the Rivière-des-Prairies Hospital.ifi

sleepifi monitoringifi andifi theifi diagnosticifi ofifi sleepifi disordersifi isifi polysomnography.ifi Thisifi techniqueifi

examinesifi variousifi physiologicalifi signals,ifi butifi itifi mainlyifi usesifi electroencephalogramifi(EEG)ifiandifi

andifiKalesificreatedifitheifiManual of standardized terminology, technical and scoring system for

classificationifi inifithreeifisleepifi stagesifi (REM,ifi NREMifi andifi Wake)ifi inifi agreementifi withifi theifi

polysomnography.ifiifi

22ifi y.o.,ifi rangingifi fromifi 19ifi toifi 25ifiy.o..ifi Onlyifi healthyifi youngifi adultsifi (18-25ifi y.o.)ifi withoutifi sleepifi

École Polytechnique de Montréal approvedifitheifistudyifiprotocol.ifi

algorithm.ifi Subsequently,ifi theifi Hexoskinifi algorithmsifi wereifi inspiredifi byifi thoseifi methodsifi andifi theifi

viiiifi ifi

night.ifi Therefore,ifi aifi correctionifi appliedifi onifi theifi hypnogramifi isifi addedifi toifi improveifi theifi detectionifi

method,ifi theifi Kappaifi coefficientifi andifi theifi differenceifi betweenifi theifi sleepifi efficiencyifi areifi threeifi

Theifi algorithmifi adaptedifi fromifi theifi methodifi developedifi byifi Kuriharaifi andifi Watanabeifi withifi theifi

agreementifi forifi allifi signalsifi 77.54Mifi (85.47Mififorifi NREM,ifi 58.03Mififorifi REMifi andifi 62.16Mififorifi

valueifi ofifi0.29.ifi Thus,ifi theifi majorityifi ofifi theifi recordsifi classificationifi displays,ifi atifi least,ifi anifi averageifi

twoifi recordsifi withifi aifi valueifi greaterifi thanifi 10M.ifi Inifi addition,ifi theifi observationifi ofifitheifihypnogramifi

obtainedifi forifi eachifi ofifi theifi recordsifi showsifi thatifi theifi graphifi followsifi aifi patternifi similarifi toifi theifi

polysomnographicifiresults.ifi

Thisifi isifi aifi projectifi inifiitsififirstifi phaseifi ofifi developmentifi andifi thereifi areifi stillifi aifi lotifi ofifi possibleifi

lightifi sleepifi andifi deepifisleep.ifi Thereifi areifi severalifi futureifi applicationsifi forifi theifi project.ifi Indeed,ifi theifi

polysomnographyifi isifi aifi complexifi andifi expensiveifi processifi thatifi requiresifi theifi interventionifi ofifi

ixifi ifi

Hexoskinifisystemifi couldifi beifiusedifiasifi aifinewifi generalifitechnique.ifiEffectively,ifitheifisystemifihasifitheifi

possibleifi toifi followifi patientsifi atifi homeifi overifi aifi longifi periodifi ofifi time,ifi whichifi wouldifi beifi aifi betterifi

xifi ifi

TABLE DES MATIÈRESifi

TABLE DES MATIÈRESifi.............................................................................................................ifiX

LISTE DES TABLEAUXifi..........................................................................................................ifiXIV

LISTE DES FIGURESifi...............................................................................................................ifiXVI

LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONSifi..........................................................................ifiXVIII

LISTE DES ANNEXESifi..............................................................................................................ifiXX

CHAPITRE 1 INTRODUCTIONifi................................................................................................ifi1

CHAPITRE 2 REVUE CRITIQUE DE LAifiLITTÉRATUREifi.....................................................ifi6

2.1 Le sommeilifi..........................................................................................................................ifi6

2.1.1 Historiqueifi.....................................................................................................................ifi6

2.1.2 Définitionifi.....................................................................................................................ifi6

2.1.3 ......................................................................................................ifi7

2.1.4 Physiologieifi...................................................................................................................ifi7

2.2 La classification du sommeilifi...............................................................................................ifi9

2.2.1 Système de classificationifi.............................................................................................ifi9

2.2.2 Règles de classificationifi..............................................................................................ifi11

2.2.3 Physiologie de classificationifi......................................................................................ifi13

2.2.4 Architecture du sommeilifi............................................................................................ifi15

2.3 ...................................................................................................ifi17

2.3.1 Paramètresifi..................................................................................................................ifi17

2.3.2 Facteurs modifiant le sommeilifi...................................................................................ifi19

xiifi ifi

2.4 Les problèmes de sommeilifi................................................................................................ifi21

2.4.1 Classificationifi..............................................................................................................ifi21

2.5 La mesure du sommeilifi......................................................................................................ifi22

2.5.1 Méthode standardifi.......................................................................................................ifi22

2.5.2 Méthodes ambulatoiresifi..............................................................................................ifi24

2.5.3 Méthodes expérimentalesifi...........................................................................................ifi25

CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIEifi............................................................................................ifi33

3.1 Collecte des donnéesifi.........................................................................................................ifi33

3.1.1 Partenariatifi...................................................................................................................ifi33

3.1.2 Éthiqueifi.......................................................................................................................ifi33

3.1.3 Participantsifi.................................................................................................................ifi33

3.1.4 Protocoleifi.....................................................................................................................ifi34

3.2 Polysomnographieifi.............................................................................................................ifi34

3.2.1 Description du systèmeifi..............................................................................................ifi34

3.2.2 Signaux enregistrésifi....................................................................................................ifi35

3.2.3 Analyseifi.......................................................................................................................ifi37

3.3 Système Hexoskinifi.............................................................................................................ifi38

3.3.1 Description du systèmeifi..............................................................................................ifi38

3.3.2 Signaux enregistrésifi....................................................................................................ifi39

3.3.3 Analyseifi.......................................................................................................................ifi40

3.4 Prétraitement Hexoskinifi.....................................................................................................ifi41

3.4.1 Signal cardiaqueifi.........................................................................................................ifi41

3.4.2 Signaux respiratoiresifi..................................................................................................ifi46

3.4.3 Signal de mouvementifi.................................................................................................ifi49

xiiifi ifi

3.4.4 Exclusion de signauxifi..................................................................................................ifi51

3.5 Synchronisation des signauxifi.............................................................................................ifi53

CHAPITRE 4 MISE AU POINT ET VALIDATIONifi...............................................................ifi54

4.1 (2012)ifi.......................................ifi55

4.1.1 Idée généraleifi..............................................................................................................ifi55

4.1.2 Méthode de reproductionifi...........................................................................................ifi56

4.1.3 Résultatsifi.....................................................................................................................ifi59

4.2 2)ifi.....................................................ifi60

4.2.1 Idée généraleifi..............................................................................................................ifi60

4.2.2 Méthode de reproductionifi...........................................................................................ifi62

4.2.3 Résultatsifi.....................................................................................................................ifi65

4.3 .................................................................................ifi66

4.3.1 .....................................ifi66

4.3.2 ....................................ifi68

4.4 Développement de nouveaux algorithmesifi........................................................................ifi70

4.4.1 Observation des paramètresifi.......................................................................................ifi70

4.4.2 Traitements des paramètresifi........................................................................................ifi73

4.4.3 Architecture des algorithmesifi......................................................................................ifi75

4.4.4 Algorithmes développésifi.............................................................................................ifi76

4.4.5 ...................................................................................ifi90

CHAPITRE 5 DISCUSSIONifi.....................................................................................................ifi94

5.1 Retour sur les algorithmes testésifi.......................................................................................ifi94

5.1.1 ................................................ifi94

5.1.2 ...........................................................ifi95

xiiiifi ifi

5.1.3 Repro ..........................................................................ifi95

5.1.4 Développement de nouveaux algorithmesifi.................................................................ifi96

5.1.5 ...................................................................................ifi99

5.2 ........................................................................................................ifi99

5.3 ...................................................................................ifi101

CONCLUSION ET RECOMMANDATIONSifi...........................................................................ifi103

LISTE DE RÉFÉRENCES..........................................................................................................ifi108

xivifi ifi

LISTE DES TABLEAUXifi

Tableau 2.1: Identification des phases de sommeil selon les systèmes de classificationifi...............ifi10

Tableau 2.2: Caractéristiques physiologiques des règles de classification R&K pour adultesifi......ifi12

Tableau 2.3: Autres caractéristiques physiologiquesifienififonctionifidesifiphasesifideifisommeilifi............ifi13

Tableau 2.4: Classification des troubles de sommeil selon ICSD-3ifi..............................................ifi21

...........................ifi26

Tableau 2.7: Brevets de méthodesifideificlassificationsifiautomatiséesifi...............................................ifi27

.............................ifi28 ....................ifi31 Tableau 3.1: Caractéris ........................................ifi36

Tableau 3.2: Composantes du produitifi............................................................................................ifi38

Tableau 3.3: Signaux Hexoskinifi.....................................................................................................ifi40

.......ifi58

Tab ...............................ifi60

............ifi67 ......................ifi68

Tableau 4.8: Observation des données temporellesifi.......................................................................ifi71

Tableau 4.9: Observation des données fréquentiellesifi....................................................................ifi72

................................ifi78 xvifi ifi ................................ifi80 Tableau 4.14:ifi ................................ifi81 ................................ifi83 Tableau 4.17: Résultats sta .............................................................ifi83 ................................ifi84 Tableau 4.20: Condition de classification et variables de l ..............................ifi86 ..............................ifi87 Tableau 4.24: Condition de classifica ..............................ifi89

Tableau A.1: Exemple de matrice de concordanceifi......................................................................ifi114

Tableau A.2: Équation à maximiserifi.............................................................................................ifi116

.....................ifi119 xviifi ifi

LISTE DESifiFIGURESifi

Figure 1-1:ifiProduitifiHexoskinifi...........................................................................................................ifi2

Figure 2-1:ifiHypnogrammeifisimplifiéifi[25]ifi......................................................................................ifi16

Figure 3-1:ifiDispositionifidesifiélectrodesifiEEGifiduifisystèmeifi10-20ifi[48]ifi.............................................ifi35

Figure 3-PSG dans le logiciel Harmonieifi...........ifi37

Figure 3- .................................ifi41

Figure 3-4:ifiArtéfactifiECGifisurifisignalifiHexoskinifiifidûifiàifiunifichangementifideifipositionifi.........................ifi42

Figure 3-5:ifiMauvaisesifidétectionsifisurifisignalifienifiabsenceifideifimouvementifiHexoskinifi.......................ifi43

Figure 3-6:ifiArtéfactsifidansifisignauxifiECGifideifilaifiPSGifidusifiàifiunifimouvementifi....................................ifi44

Figure 3-7:ifiCorrectionifisurifiunifisegmentifideifisérieifiRRifi.......................................................................ifi45

Figure 3-8:ifiRythmeifirespiratoireifiavecifisegmentsifideifimauvaisesifidétectionsifi.....................................ifi47

Figure 3- .................ifi47

Figure 3- ................ifi48

Figure 3-11:ifiRythmeifirespiratoireifioriginalifietificorrigéifi.....................................................................ifi49

Figure 3- ...........................................ifi50 Figure 3- .....................................................ifi51

Figure 3-14:ifiExempleifideifisignauxifideifimauvaiseifiqualitéifi..................................................................ifi52

Figure 4- ..............................ifi57

Figure 4-2:ifiPhases,ifiparamètresifietifiseuilsifienififonctionifiduifitempsifi......................................................ifi59

Figure 4- ............ifi60

Figure 4-4:ifiClassificateurifiô1ifipourifireproductionifiKesperifietifial.ifi.......................................................ifi63

Figure 4-5:ifiClassificateurifiô2ifipourifireproductionifiKesperifietifial.ifi.......................................................ifi63

Figure 4-6:ifiClassificateurififinalifipourifireproductionifiKesperifietifial.ifi....................................................ifi64

Figure 4-7:ifiPhases,ifiparamètresifietifiseuilsifienififonctionifiduifitempsifi......................................................ifi65

xviiifi ifi

Figureifi4- ...........................ifi66

Figure 4- .................ifi67

Figure 4-10:ifiFigureifi6ifiduifibrevetifideifiVerrierifietifial.ifi[40]ifi....................................................................ifi69

Figure 4-me PSG simplifié et de Verrier et al.ifi.........................ifi70

Figure 4-12:ifiGraphiquesifidesifiparamètresififréquentielsifisansifietifiavecififiltrageifi...................................ifi74

Figure 4--typeifiduifirythmeificardiaqueifi................................................ifi75

Figure 4-14:ifiArchitectureifigénéraleifidesifialgorithmesifi......................................................................ifi76

Figure 4- .....................................ifi78 Figure 4- .....................................ifi80 Figure 4- .....................................ifi82 Figure 4-18:ifiComparaisonifideifil .....................................ifi83 Figure 4- .....................................ifi85 Figure 4- ...................................ifi86 Figure 4-ié et de HX3Pifi...................................ifi88 Figure 4- ...................................ifi89

Figure 4-23:ifiComparaisonifidesifihypnogrammesificorrigésifiavecifilaifiPSGifisimplifiéeifi..........................ifi92

Figure A-1:ifiCertainsifisignauxifiPSGifidurantifileifibioétalonnageifi........................................................ifi112

Figure A-2:ifiSignauxifiHexoskinifidurantifileifibioétalonnageifi..............................................................ifi113

Figure A-3:ifiParamètresifiàifimaximiserifipourifidifférentsififacteursifimultiplicatifsifidesifiseuilsifi...............ifi118

Figure A- ..............ifi118

xviiiifi ifi

LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONSifi

AASM American Academy of Sleep Medicine

BF Basse fréquence de la VRC

BFN Basse fréquence normalisée de la VRC (BF/(BF+HF))

DFA Detrended fluctuation analysis

DSM Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disordrers

DSP Densité spectrale de puissance

E Éveil

ECG Électrocardiogramme

EEG Électroencéphalogramme

EMG Électromyogramme

EOG Électro-oculogramme

FFT Fast Fourier transform

HF Haute fréquence de la VRC

HFN Haute fréquence normalisé de la VRC (HF/(BF+HF))

HRDP Hôpital Rivière-des-Prairies

HX Hexoskin

ICD International Classification of Diseases

ICSD International Classification of Sleep Disorders xixifi ifi

țifiCoefficientifiKappaifi

kNNifiK-Nearest Neighbor

OSAifiObstructive sleep apnea

PSGifiPolysomnographieifi

QDAifiQuadratic Discriminant Analysisifi

RCifiRythmeificardiaqueifi

R&KifiRechtshaffenifietifiKalesifi

RREspifiRythmeifirespiratoireifi

SDBifiSleep-Disordered Breathing

SNAifiSystèmeifinerveuxifiautonomeifi

SNPifiSommeilifinonifiparadoxalifi

SPifiSommeilifiparadoxalifi

SRifiSignalifirespiratoireifi

SVMifiSupport Vector Machinesifi

WDFAifiénergieifilocaleifideifiDFAifi

xxifi ifi

LISTE DES ANNEXESifi

Annexe A Synchronisationifidesifisignauxifi....................................................................................ifi112

Annexe B Évaluationifidesifialgorithmesifi......................................................................................ifi114

Annexe C Optimisationifidesifiseuilsifideificlassificationifi..................................................................ifi116

Annexe D Résultatsifidétaillésifi.....................................................................................................ifi119

1ifi

CHAPITRE 1 INTRODUCTIONifi

[1, 2].ifiLaifi régulationifiduificycleifiéveil- heures tandis que le processus homéostatique sert à conserve duréeifideifi e

dirigé par Rechtshaffen et Kales. IlifienifiressortifileifiManualifiofifistandardizedifiterminology,ifitechniquesifi

andifiscoringifisystemififorifi sleepifistagesifiofifi humanifisubjects [4].ifi

(EMG)ifipourififaireifileifisuiviifiduifisommeil.ifiLeifipremierifijournalifiscientifiqueifiintituléifiSLEEP, fait son

de traitements [5].ifiAmerican Academy of Sleep Medicine estifiàifisonifitourifiproposéifi[6].ifi

un vêtement dit "ifiintelligentifi»ifiaifiétéifirécemmentifimiseifiauifipointifiparifiCarréifiTechnologiesifiinc.ifideifi

présenté est de mettre au point et de valider un algorithme pour analyser les signaux recueillis

durantifil

Montréal,ifilaifi compagnieifi Carréifi Technologiesifiinc.ifietifi leifi laboratoireifi duifi s

Rivière-des-Prairies.ifi

2ifi ifi ifi ifi

Figureifi1-1:ifiProduitifiHexoskinifi

troublesifi estifi laifi polysomnographieifi(PSG).ifi Cetteifi techniqueifi utiliseifi différentsifi signauxifi

-oculogrammeifi (EOG),ifi

méthode standard utilise principalementifi lesifi signauxifi EEGifi etifi EOGifi pourifi laifi classificationifi desifi

manuelifideifiAmerican Academy of Sleep Medicine

systèmesifi deifi mesuresifi usuelsifi comprennentifi deifi nombreuxifi élémentsifi complexes,ifi encombrantsifi etifi

e déjà des

données physiologiques durant le sommeil et permet de le faireifiàifidomicile.ifiParificontre,ifiplusieursifi

signaux Hexoskin et les phasesifideifisommeil.ifiDeifiplus,ifipourifil'élaborationifi 3ifi ifi significatifs pour développer un algorithme de classification indépendant des sujets. ifi Leifi

reconnaitreifi lesifi différentsifi stadesifi duifi sommeil.ifi Lesifi capteursifi duifi vêtementifi Hexoskinifi permettentifi

H GX Fquotesdbs_dbs25.pdfusesText_31

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