Analyse multimodale de l'ECG d'un fœtus

par Mariel Resendiz Rojas

Projet de thèse en BIS - Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement

Sous la direction de Pierre-yves Gumery, Bertrand Rivet et de Julie Fontecave-jallon.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement , en partenariat avec Techniques de L'Ingénierie Médicale et de la Complexité - Informatique, Mathématiques et Applications. (laboratoire) et de PRETA - Physiologie cardio-Respiratoire Expérimentale Théorique et Appliquée (equipe de recherche) depuis le 04-11-2019 .


  • Résumé

    La surveillance fœtale a pour objectif de dépister les fœtus fragiles. Les routines cliniques actuelles, principalement identifiées dans les 2 situations suivantes montrent des limites. (1) Lors de l'accouchement, l'état de santé du fœtus et de la mère sont surveillés grâce au suivi de leurs rythmes cardiaques. Ce suivi est particulièrement important pendant la phase finale, où les anomalies de variations du rythme fœtal sont majoritaires [1] et traduisent un mal-être fœtal important. Les appareils de mesure actuels sont souvent incapables de différencier les rythmes maternel et fœtal tout au long de l'accouchement. (2) De manière plus précoce, et beaucoup plus rarement, des troubles du rythme cardiaque chez le fœtus peuvent être détectés, lors des échographies obstétricales de routine. Le suivi de l'efficacité des traitements alors mis en place se fait par monitoring échographique, mais ceci ne permet pas un suivi en continu du fœtus. Dans ce contexte, avoir accès, de manière non-invasive à l'électrocardiogramme (ECG) du fœtus est aujourd'hui une problématique clinique primordiale pour le suivi du développement et du bien-être du fœtus, tout au long de la grossesse et de l'accouchement. L'enjeu est de pouvoir extraire de manière fiable, à partir de capteurs externes et non invasifs positionnés sur l'abdomen de la mère, un signal ECG fœtal (ECGf) de qualité suffisante pour permettre un diagnostic clinique. La difficulté repose sur le fait que le signal ECG abdominal d'une femme enceinte est un mélange de plusieurs signaux (ECGf, ECG maternel, contractions utérines, artefacts dus aux mouvements du fœtus et de la mère…) et que l'ECGf est de faible puissance comparé aux autres signaux présents. L'approche méthodologique proposée dans le projet ANR SurFAO (Surveillance Fœtale Assitée par Ordinateur) consiste à associer 2 modalités complémentaires du même phénomène cardiaque, en couplant l'usage de capteurs ECG avec des capteurs sonores donnant accès à des signaux phonocardiographiques (PCG). Bien que mesurant le même type d'information, ces 2 modalités le font différemment, ce qui permet de les combiner pour augmenter la robustesse de l'extraction de l'ECGf. L'information extraite peut être purement rythmique (étude de la variabilité) mais elle peut également être portée par l'analyse de la forme d'onde. Les travaux préliminaires [2-5] associant ECG et PCG par modélisation statistique ont donné des résultats très prometteurs pour l'extraction de l'ECG du fœtus à partir d'un ECG abdominal. La thèse proposée sera orientée selon 2 axes principaux : 1/ Pour une estimation fiable du RCF, l'approche envisagée consiste à fusionner les modalités de façon la plus judicieuse possible. On s'intéressera pour cela à la détection de ruptures sur les signaux physiologiques, en s'inspirant des méthodes de détection de points de rupture (OCPD) [6,7] et en intégrant les propriétés spécifiques des signaux à surveiller pour estimer la qualité de chaque modalité et ainsi décider de la fiabilité des informations extraites. 2/ Pour une meilleure extraction des formes d'ondes ECG du fœtus afin d'aider au diagnostic médical de pathologies cardiaques, l'approche envisagée consiste à améliorer l'estimation du signal ECGf grâce au PCG et à poursuivre les travaux [2-5], en abordant 2 aspects spécifiques : la prise en compte de la synchronie variable entre ECG et PCG et le problème de temps de calcul, pour disposer de méthodes permettant une estimation en ligne (ce qui n'est pas le cas des méthodes actuelles). Ces travaux méthodologiques seront menés en parallèle de l'acquisition de données expérimentales réelles sur femmes enceintes, en collaboration avec le CHU de Grenoble, dans le cadre de protocoles cliniques déposés. Ces données serviront au développement et à la validation des algorithmes proposés. La validation nécessitera de décider d'un ou de plusieurs indicateurs de performance permettant de qualifier les résultats obtenus. Des indicateurs de type signal pourront être considérés mais on privilégiera l'émergence d'indicateurs cliniques.

  • Titre traduit

    Multimodal analysis of fetal ECG


  • Résumé

    To monitor the well-being of a fetus or for clinical diagnosis, one challenge is to extract a fetal electrocardiogram (fECG) signal of high quality from a limited number of non-invasive sensors on the maternal abdomen. The SurFAO project aims to enhance the current clinical routines. On the one hand, during childbirth, fetal monitoring is assessed by the fetal heart rate (FHR), classically from cardiotocography (CTG). The aim is to monitor FHR variability anomalies that reflect a too high fetal malaise. Improving the reliability of FHR estimation [1] by fECG analysis is of high clinical interest. On the other hand, in earlier stages of pregnancy, more rarely, fetal cardiac rhythm disorders can be detected. An access to fECG recordings to analyze the ECG waveforms morphology would allow more accurate diagnosis and a better tracking of treatment efficacy. Our proposed approach aims at coupling two complementary cardiac information acquired at the best-located position. It combines the use of electrophysiological sensors ECG and acoustic sensors of microphonic type that can register phonocardiographic signals (PCG). Two axes are proposed for the PhD (depending on the aspirations of the candidate, one may be preferred), it consists to: 1/ improve the robustness of the FHR estimation by fusion of modalities. Joint processing of the two modalities will be considered based non-negative Matrix Factorization, as well as automatic switch between ECG or PCG or joint ECG / PCG processing based on online change point detection (OCPD) [6,7] to decide which modality will provide the most accurate FHR. 2/ extract the fECG waveforms by enhancing the process extraction with PCG. Our previous works [2-5] based on Gaussian processes have shown the efficiency of this non-parametric modeling but its computational cost is too high. Extended Kalman model and kernel recursive least square (KRLS) algorithms will be investigated. These methodological works will be conducted in parallel with the acquisition of real experimental data on pregnant women, in collaboration with the University Hospital of Grenoble, within clinical protocols. The proposed methods will be validated on the new acquired clinical data, based on clinical parameters analysis and interpretation. Industrial links are already identified for the development of a future medical device.