Study of the nonlinear properties and propagation characteristics of the uterine electrical activity during pregnancy and labor

par Ahmad Diab

Thèse de doctorat en Biomécanique, Bio-Ingénierie

Sous la direction de Catherine Marque et de Brynjar Karlsson.

Soutenue le 11-07-2014

à Compiègne en cotutelle avec Reykjavik University , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Biomécanique et Bioingéniérie (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Étude théorique et expérimentale de la propagation de l'EMG utérin : application clinique


  • Résumé

    L'EMG utérin appelé Electrohystérogramme (EHG) a été exploité depuis longtemps par ses caractéristiques temporelles, fréquentielles, et temps-fréquence, pour la prédiction de l'accouchement prématuré, tandis que l'étude de sa propagation est rare. Tous les résultats des études antérieures n'ont pas montré un potentiel satisfaisant pour une application clinique. L'objectif de cette thèse est l'analyse de la propagation ainsi que de la non-linéarité des signaux EHG pendant la grossesse et le travail en vue d'une application clinique. Une analyse monovariée a été faite pour étudier la non-linéarité et la sensibilité des méthodes aux différentes caractéristiques des signaux. Une analyse bivariée a ensuite été menée pour l‟étude de la propagation de l‟EHG, en mesurant le couplage entre les voies ainsi que la direction de couplage, ce qui est une nouveauté de notre thèse. Dans cette analyse, nous proposons une approche de filtrage-fenêtrage pour améliorer les méthodes d'estimation du couplage et de sa direction. Une autre nouveauté de cette thèse est l'implantation d'un outil de localisation de source d'EHG pour étudier la dynamique de l'utérus au niveau de la source, et non pas au niveau des électrodes comme fait dans les études précédentes. Les résultats montrent que les méthodes non linéaires sont plus capables que les méthodes linéaires, de classifier les contractions de grossesse et de travail. La méthode de réversibilité de temps est la moins sensible à la fréquence d'échantillonnage et au contenu fréquentiel du signal. Les résultats indiquent également une augmentation de couplage et une concentration des directions vers le col de l‟utérus, en allant de la grossesse vers le travail. En respectant la non-stationnarité des signaux EHG et en se libérant de l'effet de filtrage de la graisse, très variable durant la grossesse et entre les différentes femmes, notre méthode de filtrage-fenêtrage (segmentation et filtrage du signal EHG pour ne garder que la composant FWL), améliore les performances des méthodes de connectivité. L'intensité des sources localisées et leur nombre sont plus élevés durant le travail que durant la grossesse. Les sources localisées sont actives et propagées durant le travail alors que durant la grossesse elles restent faibles et localisées. Une amélioration de la matrice d'électrodes du protocole expérimental de rat a été effectuée par le développement d'une électrode à succion. Ce protocole pourra ensuite être utilisé pour la validation de nos méthodes et celle du modèle électrophysiologique.


  • Résumé

    The uterine EMG -called Electrohysterogramme (EHG)- temporal, frequency, and time-frequency characteristics have been used for a long time for the prediction of preterm labor. However, the investigation of its propagation is rare. All the results of the previous studies did not show a satisfactory potential for clinical application. The objective of this thesis is the analysis of the propagation as well as of the nonlinear characteristics of EHG signals during pregnancy and labor for clinical application. A monovariate analysis was done to investigate the nonlinearity and the sensibility of methods to different characteristics of the signals. A bivariate analysis was then done for the investigation of the propagation of EHG by measuring the coupling between channels, as well as the direction of coupling, which is an innovative part of our thesis. In this analysis we propose a new approach to improve the coupling and direction estimation methods. Another innovation of this thesis is the implementation of a tool for EHG source localization to investigate the dynamic of the uterus at the source level, not at electrodes level as previously done. Results show that nonlinear methods are more able to classify pregnancy and labor contractions than linear ones, and that time reversibility method is the least sensitive to sampling frequency and frequency content of the signal. Results also indicate an increase in coupling and a concentration of coupling direction toward the cervix when going from pregnancy to labor. We also proposed to respect the nonstationarity of EHG signal and to recover the effect of variable fat filtering along pregnancy, by segmenting and filtering the EHG in its FWL component. This filtering-windowing approach permits to improve the performances of connectivity methods. Finally, the intensity of localized sources and their number is higher in labor than in pregnancy contractions. The identified sources are more active and more propagated in labor whereas in pregnancy they remain weak and local. An improvement in the electrode matrix of the rat experimental protocol has also been done by developing a suction electrode. This protocol can then be used for the validation of our methods and of the electrophysiological model.


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