Historique du Traitement du Signal Biomédical à Nice

Historique du Traitement du Signal Biomédical à Nice
Hervé RIX
Novembre 2011
Le but de cet historique est essentiellement de rappeler les initiatives qui ont permis de
créer un thème de recherche pluridisciplinaire associant Médecine, Physiologie et Sciences,
puis de le pérenniser grâce en partie aux aides locales. Il ne cherche en aucun cas à dresser un
inventaire de la production scientifique qui en a découlé.
1. Construction du PANCARDIOGRAPHE
La coopération entre la Médecine et le groupe de disciplines Informatique, Signaux et
Systèmes a débuté à Nice, en 1974, grâce à la volonté d’un Cardiologue et la présence d’un
spécialiste d’automatique, ancien ingénieur chimiste et passionné par ce que l’on appelle
maintenant l’informatique industrielle. Le cardiologue s’appelait André VARENNE*, le
scientifique s’appelle Jean DEMARTINI. Très jeune professeur des Universités, Jean
DEMARTINI en poste à l’IUT était, pour la Recherche, membre du LASSY (Laboratoire de
Signaux et Systèmes). Il fut vite séduit par l’idée du Docteur VARENNE, de construire un
appareil d’enregistrement et de traitement numérique des électrocardiogrammes (ECG) qui
soit à la fois dédié aux consultations médicales, à l’archivage des cas et à la Recherche. Ce
devait donc être un appareil « ouvert » c'est-à-dire où les logiciels d’acquisition et de
traitement seraient, en permanence, susceptibles d’être modifiés par les utilisateurs : des
médecins et des chercheurs de l’interface Science-Médecine. Cette idée qui peut paraître
banale en 2011 était révolutionnaire il y a trente cinq ans ! Elle était révolutionnaire à double
titre. D’abord parce qu’imaginer que l’électrocardiographie serait, dans un avenir proche,
complètement numérique, en routine chez tous les cardiologues, faisait passer le Dr VARENNE
pour un doux rêveur auprès de la plupart de ses confrères. Il leur était évident que le tracé sur
papier de l’activité électrique du cœur, couplé à la règle graduée, resterait pour très
longtemps le seul moyen d’intégrer cette observation dans l’aide au diagnostic. Ensuite,
imaginer un appareil qui, une fois au stade industriel serait susceptible de s’améliorer sans
l’industriel, au moins pour un temps, était une vraie gageure. En fait, la création par le Dr
VARENNE de la Société BIOSIGNAL, lui permit de réaliser, avec Jean DEMARTINI aidé de
deux techniciens, sa conception du premier prototype du PANCARDIOGRAPHE, autour
d’un APPLE II. L’appareil, dont la construction avait reçu une aide de l’ANVAR, fut
sélectionné par le CNRS pour l’Exposition de la Physique, à Paris en 1980.
L’objectif, à court et moyen terme, de l’électrocardiographie numérique était alors
l’enregistrement à la surface du corps des micro-signaux de l’activité électrique du cœur, pour
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Le Dr VARENNE (1926 – 2006) partageait son activité entre le domaine privé, en ville, et le domaine public
comme Médecin des Hôpitaux à l’hôpital Pasteur de Nice. En plus d’être un excellent cardiologue (je peux en
témoigner) il avait un « esprit scientifique » très au dessus de la moyenne des Scientifiques. Son intuition le
mettait plusieurs années en avance sur son temps, qualité rare qui fut parfois un handicap devant l’inertie
ambiante. L’exemple le plus frappant concerne ce dossier de projet européen, que nous avions monté très
soigneusement en 1991, qui tournait autour de l’onde P et de la Fibrillation Auriculaire cardiaque, et qui
réunissait toutes les conditions requises avec quatre équipes excellentes de quatre pays différents. Le sujet, à
l’époque était très neuf… trop neuf, et quoique bien classé, n’aboutit pas. Le même sujet, un peu moins
ambitieux, regroupant trois équipes françaises fut labellisé et financé (j’en fus très heureux) en ACI, dix années
plus tard ! Le sujet, toujours d’actualité, était suffisamment à la mode pour ne plus rebuter les experts.
une aide au diagnostic non traumatisante. C’est ce qui a été appelé ElectroCardioGraphie à
Haute Amplification (ECGHA). Les convertisseurs analogique/numérique ayant à l’époque
une quantification à 8 bits, il était nécessaire d’amplifier beaucoup pour extraire les
microvolts des micro-signaux comparés aux millivolts des ECG classiques. La voie à haute
amplification ne faisait apparaître que la micro-activité, l’autre saturant les amplificateurs. La
voie à haute amplification était donc doublée par une voie à amplification classique
normalisée pour l’ECG. Ce doublement de voies a pu être supprimé par la suite, lorsqu’on a
remplacé la haute amplification par une « haute résolution » en utilisant des convertisseurs à
12 puis 16 bits. C’est donc l’ECGHR (HR ECG en anglais) qui a remplacé l’ECGHA, même
si ce sigle persiste encore dans la terminologie médicale française.
L’inconvénient majeur de la technique est qu’en plus des micro-signaux utiles on
enregistre des signaux parasites, en particulier l’activité électrique du muscle au contact peauélectrode qui est aussi de quelques microvolts. La méthode de sommation synchrone, la plus
simple dans son principe, pour éliminer ce bruit est de moyenner, après les avoir bien alignés
(ou synchronisés), quelques dizaines de battements cardiaques. Ceci permet, par effet
statistique, d’atténuer suffisamment le bruit aléatoire indépendant de l’activité du cœur pour
faire apparaître les micro-signaux présents à chaque battement à la même distance temporelle
(au moins on le suppose) du point de synchronisation. Le PANCARDIOGRAPHE fut équipé
d’un tel logiciel de prétraitement, qui faisait séquentiellement les moyennes en temps réel et
les affichait à l’écran. Ce temps réel, très agréable pour le médecin, correspondait à une
prouesse technique étant donné le peu de mémoire centrale et les 8 kilohertz du
microprocesseur (vous avez bien lu kilo !). Cet appareil était assurément à cette époque le
plus performant au monde dans sa catégorie, et sa conception la plus apte à permettre le
développement d’une électrocardiologie à la fois fondamentale et clinique. Les premiers
clients potentiels étant les CHU, le Dr VARENNE contacta les ministères concernés de la
Recherche et de la Santé pour une première commande d’une dizaine de nouveaux prototypes
destinés à être évalués dans des services de cardiologie avant de passer au stade de
développement industriel. Cette idée lumineuse et géniale qui était la suite logique de l’aide à
l’innovation que le CNRS avait consentie, ne fut pas perçue comme telle par certains
« responsables », dont un en particulier qui déclara, en substance, qu’il n’y avait plus rien à
trouver en électrocardiographie ! Ce genre de prophétie a probablement privé la France d’une
avancée dans le domaine du Génie Biomédical. Le PANCARDIOGRAPHE, qui eut tout de
même des versions ultérieures intégrant les progrès de la microinformatique, se contenta
d’une activité locale, au CHU de Nice … et au Centre Cardiothoracique de Monaco (il est vrai
que ce Centre est dirigé par le Professeur Vincent DOR, un chirurgien cardiaque de renommée
internationale qui prend ses responsabilités à la mesure de sa compétence).
2. Analyse et Traitement Numérique des Signaux Biomédicaux
2.1. Electrocardiographie
C’est après cette phase de construction d’un système d’acquisition et de prétraitement
numérique (fin 1980) que je me suis engagé dans le biomédical, à la demande du directeur du
LASSY, le Professeur Fernand BOERI. Très vite, Jean DEMARTINI ayant un nouveau centre
d’intérêt, j’ai eu la responsabilité de poursuivre la collaboration avec le Dr VARENNE, afin de
mettre en place des méthodes d’analyse et traitement du signal pour extraire l’information
utile à la Médecine. Les signaux acquis en milieu hospitalier, grâce au PACARDIOGRAPHE
dans ses versions successives, ont été les supports principaux des méthodes de Traitement du
Signal que j’ai développées avec mon équipe jusqu’en 1995. Durant cette période nous avons
eu la chance de collaborer avec le Dr VARENNE (jusqu’à sa retraite).
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Le problème majeur des recherches en ECG numérique, dans les années 80, était la
détection et la caractérisation des Potentiels Tardifs, marqueurs du risque de Mort Subite. En
effet, ces potentiels de l’ordre de quelques dizaines de microvolts, peuvent malgré leur faible
amplitude, s’ils arrivent dans une période du cycle où le cœur est excitable, provoquer une
contraction prématurée d’un ventricule. Si certaines conditions sont remplies, qui
entretiennent ce phénomène, il peut dégénérer en tachycardie ou même en fibrillation
ventriculaire qui a comme conséquence, au bout d’un temps assez bref, la mort subite. Le
succès de l’ECGHA est essentiellement dû à cette application, pour deux raisons. D’abord,
l’observation, par voie externe, de ces potentiels tardifs, ne peut se faire qu’avec l’aide de
l’ordinateur qui permet de traiter le signal observé pour extraire du bruit la partie utile.
Ensuite la technique de sommation synchrone qui, théoriquement, diminue le bruit sans
modifier le signal utile (au contraire d’un filtrage) trouve ici un bon domaine d’application.
En effet, la sommation synchrone est efficace si elle est réellement synchrone et si les signaux
à moyenner se répètent identiquement d’un battement à l’autre sous le bruit aléatoire. Comme
on ne peut pas se synchroniser sur un signal qu’on ne peut pas détecter, il faut se servir d’un
autre signal facilement détectable et qui lui soit lié temporellement de façon rigide. Ces
conditions sont heureusement réunies, au moins en première approximation, en prenant le
complexe QRS, et couramment l’onde R, comme signal d’alignement. Historiquement,
l’objectif premier des chercheurs était d’appliquer la sommation synchrone (avec
synchronisation sur QRS) pour faire apparaître par voie non invasive le signal de His. Ce
signal qui témoigne de la bonne transition des oreillettes aux ventricules de l’activité
électrique, est observable aisément par voie interne, grâce à une exploration endocavitaire.
L’observation est aisée pour le médecin mais le patient, même s’il ne sent rien durant
l’examen, doit être hospitalisé trois jours pour s’assurer que la veine fémorale incisée pour
passer la sonde est bien refermée. Malheureusement la liaison temporelle entre le His et le
point de synchronisation sur l’onde R s’est avérée trop fluctuante pour donner des résultats
fiables. Cette application a donc été abandonnée au bénéfice de la recherche des potentiels
tardifs.
Disposant d’un appareil permettant d’enregistrer, avec une bonne résolution
d’amplitude, l’activité électrique cardiaque je me suis attelé à étudier la structure fine de cette
activité, dont les potentiels tardifs, mais aussi celle des ondes cardiaques qui devait le plus
bénéficier de l’effet de loupe c'est-à-dire l’onde P, représentant la dépolarisation auriculaire.
Les résultats de ces recherches se trouvent dans la liste des publications du groupe
ainsi que dans les thèses de doctorat soutenues entre 1986 et 1994, qui ont utilisé pour tout ou
partie de leurs données des enregistrements du PANCARDIOGRAPHE effectués sous la
responsabilité du Dr VARENNE.
2.2. Electroencéphalographie et Potentiels évoqués
La transformation en ondelette continue et les méthodes temps-fréquence développées
dans notre équipe notamment au cours de la thèse de doctorat d’Olivier MESTE, avec
application en ECG, ont été appliquées au domaine des EEG, en particulier du sommeil, par
un neurologue, Praticien Hospitalier au CHU de Nice, le Dr Georges SUISSE. La thèse qu’il a
préparée au sein de l’équipe en marge de son activité de médecin au Service d’Explorations
Fonctionnelles du Système Nerveux (alors dirigé par le Pr Claude DOLISI) et soutenu en
mars 1999, s’intitule : « Analyse Temps-Fréquence des signaux électriques cérébraux ». Cette
approche propose en particulier un outil d’analyse de la microstructure du sommeil, plus fine et plus
continue que la partition classique en stades du sommeil représentée par l’hypnogramme.
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2.3. Electromyographie de surface
Le dernier signal électrique que l’on peut recueillir à la surface du corps est celui
produit par les muscles. Son étude constitue l’électromyographie, soit à aiguilles (on capte le
potentiel d’une unité motrice) soit de surface où une électrode collée sur la peau (comme pour
l’ECG) enregistre un signal provenant d’un ensemble d’unités motrices. Cette dernière
technique capte davantage de signaux à la fois … mais nécessite un traitement sophistiqué
pour extraire l’information utile. Nos travaux sur les mesures de variations de formes, sur les
estimations de retards et de facteurs d’échelle ont conduit le Prof. Roberto MERLETTI, de
l’Institut Polytechnique de Turin, à nous inviter à être le partenaire français du Projet
Européen SENIAM (Programme BIOMED2), regroupant 15 équipes de 9 pays (1996-99).
Ce projet avait pour objectif de faire le point sur la technique relativement récente à l’époque
qu’est l’Electromyographie de surface : appareillage et protocoles d’acquisition des signaux,
traitement numérique de l’information.
3. Les aides locales
La première aide locale est venue du Conseil Général des Alpes Maritimes qui a
retenu mon dossier répondant à son appel d’offres pour financer de la recherche publique
(1990). Une somme de 350 kF m’a été accordée, sur 2 ans, via l’Université, pour un projet
associant au LASSY, le Service de Cardiologie du CHU de Nice, la Société BIOSIGNAL et
le Département de Cardiologie, dirigé par le Professeur M. STOPCZYK, de l’Institut de
Biocybernétique et Génie Biomédical de Varsovie. L’objectif du projet était de valider les
résultats théoriques sur des études faites en milieu hospitalier, grâce à une personne capable
de faire l’interface entre les médecins et les scientifiques. Madame B. O FICJALSKA, Ingénieur
biomédical au Centre de Santé de l’Enfant de Varsovie depuis dix ans, a ainsi pu venir
remplir cette fonction tout en préparant une thèse de Doctorat en Traitement du Signal sous
ma direction. Son passage dans l’équipe du Prof. STOPCZYK, un des pionniers de l’ECG HA, a
permis de maintenir une relation étroite qui a été à l’origine de la collaboration francopolonaise qui existe aujourd’hui avec le Prof. MANIEWSKI, du même institut. Les résultats ont
été concrétisés par une thèse réellement pluridisciplinaire dont la partie médicale, dirigée par
le Dr VARENNE, était centrée sur l’analyse morphologique de l’onde P et la mesure, sur
l’activité cardiaque au cours de 24 heures, de l’effet de divers anti-arythmiques. Cet effet a été
mesuré grâce à l’élaboration d’une méthode de mesure des déformations de représentations
temps-fréquence des signaux et a permis de montrer une spécificité pour chacune des trois
activités principales du cycle cardiaque, l’onde P, le complexe QRS et l’onde T.
Une telle aide n’est pas associée uniquement à des organismes mais aussi à des
personnes. Mon interlocutrice au Conseil Général fut Mme MIDORGE, qui, avec sa parfaite
compétence, m’aida à construire le dossier. Transmis avec avis très favorable de l’université,
en particulier du Prof. Jean-Pierre LAHEURTE qui présidait alors le Conseil Scientifique, la
demande de financement fut intégralement acceptée sur deux ans. Ce que j’ai appris à la fin
de la première année, est qu’un budget n’est jamais voté que pour un an ! La deuxième partie
mettant du temps à être ré approuvée, l’intervention répétée du Député Charles EHRMANN fut
la bienvenue pour continuer à faire vivre tout à la fois le projet et mon étudiante polonaise.
Ce projet de recherche servit, un an plus tard pour répondre à un appel d’offres de
l’Université pour le renouvellement de matériel informatique. Un crédit de 100 kF fut alors
attribué au LASSY pour l’achat d’une station de travail.
La dernière aide locale intervint en 1999, après une période difficile, le soutien de
base de l’Université et du CNRS étant presqu’exclusivement économisé pour l’achat de
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nouveaux locaux. La station de travail était plus qu’obsolète et sans le minimum vital, les
conditions de travail devenaient désastreuses. La restructuration du laboratoire en « projets »
me donna l’idée de constituer le groupe BIOMED qui réunirait le projet BIOMED (2
enseignants-chercheurs permanents) et deux médecins du CHU qui travaillaient activement
avec nous et avaient obtenu un DEA scientifique. J’ai alors pris contact, en 1998, avec le Dr
Jacqueline MATHIEU-OBADIA, qui était adjointe au Maire pour l’Enseignement Supérieur et la
Recherche. Je pensais que sa qualité de médecin favoriserait l’écoute de mon projet
biomédical : j’avais tout à fait raison. J’ai rarement rencontré un interlocuteur qui saisisse
avec autant de rapidité et de justesse les arguments développés. Ses conseils furent en rapport
de son écoute. Ancienne Conseillère Régionale, elle connaissait bien tous les rouages des
collectivités territoriales. Il ne fallait pas faire une demande de financement au Conseil
Régional ou au Conseil Général mais une conjointement aux deux organismes, chacun ne
finançant que s’il a un partenaire. Grâce à son suivi efficace du dossier, l’aide de son
collaborateur Mr Marc UGO qui était à l’époque directeur du CUM et la coordination avec le
Service Recherche de l’Université, j’ai obtenu une aide de 100 kF (50 de chaque organisme)
qui m’a permis de renouveler très correctement notre matériel informatique. Cette bouffée
d’oxygène a permis à notre équipe de relancer son activité en augmentant son pouvoir attractif
de fonds publics et privés.
4. Le Groupe BIOMED actuel
Initié en 1980, l’axe sur le traitement des signaux biomédicaux, s’est développé et a
toujours maintenu une visibilité aux plans national et international malgré un effectif réduit
oscillant autour de cinq à six chercheurs dont essentiellement deux permanents du laboratoire
LASSY devenu une partie de l’UMR actuelle I3S, auxquels se sont adjoints durant une
dizaine d’années (1999-2009) deux praticiens hospitaliers du CHU de Nice (Dr Florence
RAYBAUD, cardiologue, et Dr Georges SUISSE, neurologue). Actuellement, le groupe est
une partie de l’équipe SIGNAL d’I3S. Depuis 2008, l’auteur de cet historique a cédé la place
de responsable au Prof. Olivier MESTE. Après un DEA et une thèse autour du signal ECG
soutenue en 1992 avec le Label Européen, il a constamment œuvré pour le développement à
la fois des méthodes et des applications concrètes à la Médecine ou à la Physiologie. Son
apport le plus original au niveau des axes nouveaux de recherche, a été l’étude de l’ECG en
présence d’exercice, en relation avec une modélisation du système cardio-respiratoire. Cet axe
débuté par une collaboration avec la Médecine du Sport (Dr Stéphane BERMON) concerne
aussi l’ECG d’effort dans le diagnostic de pathologies cardiaques.
Le groupe comprend actuellement quatre permanents, trois professeurs (Olivier
MESTE, Hervé RIX, Vicente ZARZOSO) et un maître de conférences (Aline CABASSON),
ainsi que quatre doctorants.
Pour avoir plus d’informations sur l’activité en biomédical (production scientifique,
thèses soutenues, collaborations nationales et internationales…) on pourra se rapporter au CV
de H. RIX et à ceux des autres permanents sur leurs sites respectifs du laboratoire I3S, ainsi
qu’au rapport d’activité édité lors de la dernière évaluation du laboratoire.
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