Détection sous-cutanée d'activité cardiaque pour les dispositifs médicaux implantés chroniques

Subcutaneous Monitoring of Cardiac Activity for Chronically Implanted Medical Devices

• Auteur / Autrice : Rafael Cordero Álvarez
• Direction : Pierre-Yves Joubert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 28/01/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Microport CRM (Clamart, Hauts-de-Seine)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Marie Haghiri-Gosnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alfredo Hernández Rodriguez, Rémi Dubois, Jacques Felblinger, Ilangko Balasingham, Vicente Zarzoso
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alfredo Hernández Rodriguez, Rémi Dubois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accéléromètres

Traitement du signal

Microcapteurs

Défibrillateurs implantables

Biocapteurs

Mots clés libres

Défibrillateur implantable

Microcapteur

Biocapteur

Traitement du signal

Accéléromètre

Implantable defibrillator

Microsensor

Biosensor

Accelerometer

Signal processing

Résumé

L'objectif de cette thèse de doctorat est le développement de capteurs et d'algorithmes pour une meilleure surveillance de l'activité cardiaque dans un défibrillateur cardioverteur implantable sous-cutané (S-ICD), et plus précisément pour améliorer la spécificité de détection des tachyarythmies dangereuses telles que la tachycardie ventriculaire (TV) et la fibrillation ventriculaire (FV) dans le S-ICD. Deux schémas de détection TV/FV indépendants ont été développés dans ce but : l'un de nature électrophysiologique et l'autre hémodynamique. Le schéma de détection électrophysiologique repose sur un ECG spécial qui a été enregistré le long d'un dipôle «court» situé au-dessus du grand pectoral inférieur gauche. Ce dipôle court maximise le rapport R/T et le rapport signal/bruit chez 9 volontaires sains. En théorie, cela devrait réduire le risque de détections faussement positives de TV/ FV simplement en raison de la taille, de l'emplacement et de l'orientation du dipôle, indépendamment de toute autre méthode de traitement du signal. Le schéma de détection hémodynamique repose quant à lui sur les vibrations cardiaques enregistrées par deux prototypes de capteurs accéléromètres triaxiaux. Les vibrations cardiaques sous-cutanées mesurées ont été caractérisées, validées physiologiquement et optimisées via leur filtrage le long de bandes passantes spécifiques et leur projection le long d'un référentiel spécifique patient. Le premier algorithme au monde indépendant de détection de FV par vibration cardiaque a été développé en opérant sur ces signaux optimisés. Les mêmes prototypes d'accéléromètre se sont également avérés capables d'enregistrer des accélérations respiratoires et de détecter l'apnée. Enfin, un dernier prototype de sonde sous-cutanée composite, composé de trois électrodes, d'un accéléromètre bi-axial et de connecteurs d'appareil standard. Ce prototype est capable d'enregistrer l'ECG dipolaire court, les vibrations cardiaques et les accélérations respiratoires. Cette sonde prototype a été implantée dans un quatrième et dernier animal.

The aim of this doctoral thesis was the development of sensors and algorithms for the improved monitoring of cardiac activity in the subcutaneous implantable cardioverter-defibrillator (SICD). More precisely, to improve the detection specificity of dangerous tachyarrhythmia such as ventricular tachycardia (VT) and ventricular fibrillation (VF). Two independent VT/VF detection schemes were developed for this: one electrophysiological in nature, and the other hemodynamic. The electrophysiological sensing scheme relied on a special ECG that was recorded along a short dipole located above the lower left pectoralis major. This short dipole maximised R/T ratio and signal-to-noise ratio in a total of 9 healthy volunteers. In theory, it will reduce the risk of false positive VT/VF detections simply by consequence of the dipole size, location, and orientation and independently of any further signal processing methods. The hemodynamic sensing scheme relied on cardiac vibrations recorded from two tri-axial accelerometer prototype sensors. These subcutaneous cardiac vibrations were characterised, physiologically validated, and optimised via their filtering along specific bandwidths and projection along a patient specific reference frame. The world’s first independent cardiac vibration VF detection algorithm was developed operating on these optimised signals. The same accelerometer prototypes were also shown to be able to record respiratory accelerations and detect apnoea. A final subcutaneous lead prototype was developed capable of recording the short dipole ECG, cardiac vibrations, and respiratory accelerations. It consisted of three electrodes, a bi-axial accelerometer, and industry-standard device connectors. The prototype lead was implanted in a fourth and final animal.