Analyse des signaux de pléthysmographie

Éric Krejci, Charles Truong
(avec Thibaut Germain et Laurent Oudre)

Contexte clinique (1)

Inhibiteur

Acétylcholinestérase

Avant inhibition

Après inhibition

• Augmentation de la signalisation.

• Diminution de la signalisation (désensibilisation).

• Pharmacologie complexe des inhibiteurs.

• Remarquables homéostasies synaptiques

• Toxicité systémique de l’Ach qui s’échappe des muscles

• Butyrylcholinesterase (BChE)

• AChE

Contexte clinique (2)

• Sarin et autres agents neurotoxiques bloquent la respiration.

• Inhibition ChE.

Pléthysmographie double chambre

Exemple de signal (1)

Exemple de signal (2)

Un cycle respiratoire:

• inspiration le volume du poumon augmente,
• expiration le volume du poumon diminue.

Étude des cycles via leurs descripteurs

Nervo, A., Calas, A.-G., Nachon, F., Krejci, E., 2019. Respiratory failure triggered by cholinesterase inhibitors may involve activation of a reflex sensory pathway by acetylcholine spillover. Toxicology. https://doi.org/10.1016/j.tox.2019.06.003

Méthode

Le traitement des signaux est composé de trois étapes.

Étape 1 : détection des cycles respiratoires et extraction des séquences d’inspiration et expiration.

Étape 2 : calcul des séquences de référence par regroupement non-supervisé.

Étape 3 : symbolisation de nouveaux enregistrements à partir des séquences de référence extraites.

• Les instants de début d’inspiration et d’expiration sont extraits du signal de volume respiré.

• En moyenne, il y a 3 cycles par seconde (un peu moins de 10⁴ par signal).

• Ici, la segmentation est faite par détection d’événements décrits par l’expert. Mais ce n’est pas toujours possible.

Méthode

Le traitement des signaux est composé de trois étapes.

Étape 1 : détection des cycles respiratoires et extraction des séquences d’inspiration et expiration.

Étape 2 : calcul des séquences de référence par regroupement non-supervisé.

Étape 3 : symbolisation de nouveaux enregistrements à partir des séquences de référence extraites.

• Des cycles de référence sont extraits par l’algorithme des K-moyennes.

• La difficulté est de calculer le centroïde \(\hat{\mathbf{x}}\) d’un ensemble de séries temporelles (extraites) \(\mathbf{x}^{(i)}\) de tailles variables : \[ \hat{\mathbf{x}} := \arg\min_{\mathbf{x} \in \mathbb{R}^{L}} \sum_i d^2(\mathbf{x},\mathbf{x}^{(i)}) \] où \(d(\cdot, \cdot)\) est une distance entre signaux dérivée de la DTW (Dynamic Time Warping).

Inspirations de référence (flux)

Expirations de référence (flux)

Inspirations de référence (descripteurs)

Expirations de référence (descripteurs)

Méthode

Le traitement des signaux est composé de trois étapes.

Étape 1 : détection des cycles respiratoires et extraction des séquences d’inspiration et expiration.

Étape 2 : calcul des séquences de référence par regroupement non-supervisé.

Étape 3 : symbolisation de nouveaux enregistrements à partir des séquences de référence extraites.

• Pour chaque nouveau signal, les cycles sont extraits puis associés au cycle de référence le plus proche.

• ColQ : beaucoup de C avant injection, puis C et D ensuite.

• WT : A apparait avant injection, E ensuite. Ils sont proches d’après les descripteurs classiques mais pas en forme. Le E est signe de bronchoconstriction.

Représentation symbolique d’un enregistrement. Pour chaque frise, inspirations en haut, expirations en bas.

Approches de l’état de l’art

• (Wiltschko et al., 2020)¹

• (Sunshine & Fuller, 2021)²

1. Wiltschko, A. B., Tsukahara, T., Zeine, A., Anyoha, R., Gillis, W. F., Markowitz, J. E., Peterson, R. E., Katon, J., Johnson, M. J., & Datta, S. R. (2020). Revealing the structure of pharmacobehavioral space through motion sequencing. Nature Neuroscience, 23(11), 1433–1443.

2. Sunshine, M. D., & Fuller, D. D. (2021). Automated Classification of Whole Body Plethysmography Waveforms to Quantify Breathing Patterns. Frontiers in Physiology, 12.

Focus sur une étape : la segmentation (1)

Tâche transverse. Ici, utilisation d’une connaissance métier mais ce n’est pas toujours le cas.

Création d’un outil open-source : ruptures

Focus sur une étape : la segmentation (2)

Utilisation au sein du Centre Borelli

• Étude de la marche I
• Étude de la marche II (S. Jung, doctorant)
• Symbolisation de signaux (S. Combettes, doctorant)

Utilisation en dehors du Centre Borelli

• LuMin (ENS Paris-Saclay). Calcul de la vitesse de décodade de l’ARN par les ribosomes.
• CEREGE (CNRS, Aix-en-Provence). Trouver les limites des couches sédimentaires dans des carottes de sondage.
• LICA (Université d’Atacama, Chili). Détecter des changements de débit dans des rivières chiliennes.