Extraction de l'ECG du foetus et de ses caractéristiques grâce à la multi-modalité

Extraction of fetal ECG and its characteristics using multi-modality

• Auteur / Autrice : Saman Noorzadeh
• Direction : Pierre-Yves Guméry, Bertrand Rivet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, image, paroles, télécoms
• Date : Soutenance le 02/11/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Images parole signal automatique - Techniques de l’ingénierie médicale et de la complexité - Informatique, mathématiques et applications (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Christian Jutten
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Yves Guméry, Bertrand Rivet, Reza Sameni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohammad Bagher Shamsollahi, Philippe Ravier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Processus gaussiens

Foetus

Électrocardiographie

Mots clés libres

ECG

Multimodalité

PCG

ECG

Multimodal signal processing

PCG

Gaussian process

Quasi-periodic signal

Résumé

La surveillance de la santé foetale permet aux cliniciens d’évaluer le bien-être du foetus,de faire une détection précoce des anomalies cardiaques foetales et de fournir les traitementsappropriés. Les développements technologies actuels visent à permettre la mesurede l’électrocardiogramme (ECG) foetal de façon non-invasive afin d’extraire non seulementle rythme cardiaque mais également la forme d’onde du signal. Cet objectif est rendudifficile par le faible rapport signal sur bruit des signaux mesurés sur l’abdomen maternel.Cette mesure est donc toujours un challenge auquel se confrontent beaucoup d’études quiproposent des solutions de traitement de signal basées sur la seule modalité ECG.Le but de cette thèse est d’utiliser la modélisation des processus Gaussiens pour améliorerl’extraction des signaux cardiaques foetaux, dans une base multi-modale. L’ECG est utiliséconjointement avec le signal Phonocardiogramme (PCG) qui peut apporter une informationcomplémentaire à l’ECG. Une méthode générale pour la modélisation des signauxquasi-périodiques est présentée avec l’application au débruitage de l’ECG et à l’extractionde l’ECG du foetus. Différents aspects de la multi-modalité (synchronisation, · · · ) proposéesont étudiées afin de détecter avec plus de robustesse les battements cardiaques foetaux.La méthode considère l’application sur les signaux ECG et PCG à travers deux aspects:l’aspect du traitement du signal et l’expérimental. La modélisation des processus Gaussien,avec le signal PCG pris comme la référence, est utilisée pour extraire des modèles flexibleset des estimations non linéaires de l’information. La méthode cherche également à faciliterla mise en oeuvre pratique en utilisant un codage 1-bit des signaux de référence.Le modèle proposé est validé sur des signaux synthétiques et également sur des donnéespréliminaires réelles qui ont été enregistrées afin d’amorcer la constitution d’une base dedonnées multi-modale synchronisée. Les premiers résultats montrent que la méthode permettraà terme aux cliniciens d’étudier les battements cardiaques ainsi que la morphologiede l’ECG. Ce dernier aspect était jusqu’à présent limité à l’analyse d’enregistrements ECGinvasifs prélevés pendant l’accouchement par le biais d’électrodes posées sur le scalp dufoetus.

Fetal health must be carefully monitored during pregnancy to detect early fetal cardiac diseases, and provide appropriate treatment. Technological development allows a monitoring during pregnancy using the non-invasive fetal electrocardiogram (ECG). Noninvasive fetal ECG is a method not only to detect fetal heart rate, but also to analyze the morphology of fetal ECG, which is now limited to analysis of the invasive ECG during delivery. However, the noninvasive fetal ECG recorded from the mother's abdomen is contaminated with several noise sources among which the maternal ECG is the most prominent.In the present study, the problem of noninvasive fetal ECG extraction is tackled using multi-modality. Beside ECG signal, this approach benefits from the Phonocardiogram (PCG) signal as another signal modality, which can provide complementary information about the fetal ECG.A general method for quasi-periodic signal analysis and modeling is first described and its application to ECG denoising and fetal ECG extraction is explained. Considering the difficulties caused by the synchronization of the two modalities, the event detection in the quasi-periodic signals is also studied which can be specified to the detection of the R-peaks in the ECG signal.The method considers both clinical and signal processing aspects of the application on ECG and PCG signals. These signals are introduced and their characteristics are explained. Then, using PCG signal as the reference, the Gaussian process modeling is employed to provide the possibility of flexible models as nonlinear estimations. The method also tries to facilitate the practical implementation of the device by using the less possible number of channels and also by using only 1-bit reference signal.The method is tested on synthetic data and also on real data that is recorded to provide a synchronous multi-modal data set.Since a standard agreement for the acquisition of these modalities is not yet taken into much consideration, the factors which influence the signals in recording procedure are introduced and their difficulties and effects are investigated.The results show that the multi-modal approach is efficient in the detection of R-peaks and so in the extraction of fetal heart rate, and it also provides the results about the morphology of fetal ECG.