Colloque Healthcare 4.0 : "NeuroLife : Interfaces Cerveau Machine pour la Santé et l’Autonomie" Plus d'infos : https://www.imt.fr/retour-sur-le-colloque-imt-healthcare-4-0-du-15-octobre-2019/

1. •NeuroLife
Neurofeedback et
Interfaces Cerveau Machine
pour la Santé et l’Autonomie
Nesma Houmani – Télécom SudParis
nesma.houmani@telecom-sudparis.eu
Gérard Dray – IMT Mines Alès
gerard.dray@mines-ales.fr

2. NEUROFEEDBACK ET INTERFACES CERVEAU-MACHINE
Principes généraux
Interface Cerveau-Machine (ICM) ou Cerveau-Ordinateur (ICO)
Système permettant d’établir une communication directe entre le cerveau et un dispositif extérieur
Neurofeedback (NFB)
Système permettant d’informer et/ou de stimuler l'utilisateur en temps réel
Interface
Cerveau-Machine
Stimulation
électrique
Neurofeedback
2
Stimulation
Sensorielle / Motrice
Neurofeedback
Dispositifs
Non invasifs

3. NEUROFEEDBACK ET INTERFACES CERVEAU-MACHINE
Principes généraux
SPIR
EEG
Temps (s)
Variation de
Concentration
µMol
Temps (s)
HbO2
HHb
SPIR : Spectroscopie Proche InfraRouge
EEG : Électro-encéphalographie
HbO2 : Oxyhémoglobine
HHb : Désoxyhémoglobine
Signaux
électriques
Signaux
optiques
3

4. Vie Active Phase Aigüe
Rééducation
Fonctionnelle
Réadaptation
Réinsertion
Vie Active
Lésion cérébrale :
Accident Vasculaire Cérébral
Traumatisme Crânien
Déficience
cognitive, motrice, sensorielle
PROGRAMME NEUROLIFE
Contexte
4
2017 / 2018
Fond d’amorçage IMT

5. Développer des méthodes de traitement, d’analyse et de classification de données EEG
cliniques, pour les appliquer a postériori aux données acquises pour l’évaluation de la
conscience de patients non répondants suite à une lésion cérébrale grave.
Choix de la base données (Charles-Foix database)
- 52 Patients à troubles cognitifs légers (MND, Mild Neurocognitive Disorders)
- 28 Patients à forme légère de la Maladie d’Alzheimer (MildAD)
- 22 Sujets avec plaintes subjectives (SCI, Subjective Cognitive Impairment)
Notre démarche :
►Développement d’outils pour quantifier la connectivité fonctionnelle cérébrale chez les
personnes .
OBJECTIFS DU STAGE TSP 5

6. -- 30 électrodes
-- EEG au repos, yeux fermés.
- Fréquence d’échantillonnage : 256 Hz.
BASE DE DONNÉES CHARLES-FOIX (1)
Prétraitement
► Suppression d’artefacts
► Filtrage : δ (0.5 - 4 Hz), θ (4 - 8 Hz), α (8 - 12 Hz), β (12-30 Hz)
6

7. La maladie d’Alzheimer induit une perte de la synchronisation entre les différents
signaux EEG issus de plusieurs électrodes.
Deux mesures de connectivité fonctionnelle:
►Mesure de synchronisation de phase, très utilisée dans la littérature
►Mesure de désordre statistique « Epoch-based entropy » (Houmani et al. 2015,
2018), réadaptée à la nouvelle problématique.
- Houmani N, Vialatte FB, Dreyfus G. Epoch-based Entropy for Early Screening of Alzheimer’s Disease. International Journal of Neural
Systems. 2015; 25(8).
- Houmani N, Vialatte FB, Gallego-Jutglà E, Dreyfus G, Nguyen-Michel VH, Mariani J, Kinugawa K. Diagnosis of Alzheimer's disease with
Electroencephalography in a differential framework, 13(3):e0193607, 2018.
CONNECTIVITÉ FONCTIONNELLE
7

8. Bande δ
SCI MildAD
Phase
Synchrony
Epoch-based
entropy
CONNECTIVITÉ FONCTIONNELLE - COMPARAISON DES 2 MESURES
SCI VS MILDAD
Bande θ
SCI MildAD
8

9. ➔ Potentiel de notre mesure dans la détection des changements de synchronisation liés à la
maladie d’Alzheimer.
CONNECTIVITÉ FONCTIONNELLE - COMPARAISON DES 2 MESURES
SCI VS MILDAD 9

10. • Application de la théorie des graphes sur les matrices de connectivité
calculées par la mesure d’entropie.
• Le graphe permet de décrire l’organisation topologique de la connectivité
fonctionnelle cérébrale.
• Un graphe est caractérisé par différents paramètres. Le clustering coefficient
représente le nombre de connections en « triplet » dans lesquelles participe
chaque nœud (nœud=électrode).
SCI MND MildAD
δ Band
CONNECTIVITÉ FONCTIONNELLE – THÉORIE DES GRAPHES
SCI, MND, MILDAD 10

11. CONNECTIVITÉ FONCTIONNELLE – THÉORIE DES GRAPHES
SCI, MND, MILDAD 11

12. PROGRAMME NEUROLIFE : INTERFACES CERVEAU-ORDINATEUR ET ACCIDENT VASCULAIRE CÉRÉBRAL
Matériel et méthodes
Capteurs
Caractéristiques
Traitement
Du signal
analogique
Conversion
Analogique
Numérique
Traitement
Du signal
numérique
Modèle de
Classification
Modèle
Décision
EEG
Signaux
électriques
Analogiques
Signaux
électriques
Analogiques
Signaux
électriques
Numériques
Données
Numériques
Actionneur
Orthèse pneumatique contrôlée via une ICO dans le contexte de la rééducation neurologique de patients
hémiplégiques après accident vasculaire cérébral
13 sujets : 7 patients et 6 contrôles
12

13. PROGRAMME NEUROLIFE : INTERFACES CERVEAU-ORDINATEUR ET ACCIDENT VASCULAIRE CÉRÉBRAL
Résultats
Controls
LD RB MS AC SD GD
8-30Hz
8-13Hz
13-30Hz
8-10Hz
10-12Hz
12-14Hz
14-16Hz
16-18Hz
18-20Hz
20-22Hz
22-24Hz
24-26Hz
26-28Hz
28-30Hz
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
Patients
pp01 pp02 pp03 pp04 pp05 pp07 pp09
8-30Hz
8-13Hz
13-30Hz
8-10Hz
10-12Hz
12-14Hz
14-16Hz
16-18Hz
18-20Hz
20-22Hz
22-24Hz
24-26Hz
26-28Hz
28-30Hz 0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
8-30Hz 8-13Hz 13-30Hz 8-10Hz 10-12Hz 12-14Hz 14-16Hz 16-18Hz 18-20Hz 20-22Hz 22-24Hz 24-26Hz 26-28Hz 28-30Hz
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
Controls
Patients
Accuracy
Bandes de fréquences
Accuracy
Accuracy
13

14. PROJET NEUROLIFE : DÉTECTION DES DÉFICITS ATTENTIONNELS AIGUS
Exploitation de signaux de spectroscopie dans le proche infrarouge (SPIR) afin de détecter les déficits attentionnels aigus
PFC RP
17 subjects
aged 29.5±8.1 years
7 pairs of optodes
Prefrontal Cortex area
Right Parietal area
14

15. PROJET NEUROLIFE : BRAIN COMPUTER INTERFACE AWAKE
Contexte
► Troubles de conscience: Altération de l’éveil et de la conscience de soi et/ou de son environnement
► Défi clinique: Coma Recovery Scale Revised (CRS-R) [1] - diagnostic erroné dans 40% des cas [2]
► Neuro-imagerie: prometteuse mais onéreuse et moins accessible
► ICM-EEG: Non invasive, accessible, silencieuse, portative au lit du patient, faible coût financier
► Potentiel évoqué P300: Onde positive en regard du cortex centro-pariétal apparaissant 300 ms après la présentation aléatoire d’un stimulus rare
parmi une série de stimuli fréquents identiques. Mesure : de la mémoire, de la capacité d’évaluation d’un stimulus et de la prise de décision [3, 4]
Potentiel(µV)
Délais après le stimuli (ms)
[1] Giacino et al. (2002)
[2] Schnakers et al. (2009)
[3] Kübler et al. (2009)
[4] Lugo et al (2014)
ICM-EEG
Interface Cerveau-Machine pour l’évaluation de la conscience de patients non répondants après lésion cérébrale grave
Discrimination des états de conscience altérée à l’aide d’une interface cerveau-machine médiée par électroencéphalographie
15

16. Population:
5 sujets cérébrolésés masculins d'âge moyen 55 ans
Evaluation CRS-R:
• 1 patient en état d’émergence d’état
de conscience minimale (EECM)
• 2 patients en état végétatif (EV)
• 2 patients en état de conscience minimale (ECM)
Tendance:
Pouvoir discriminant du potentiel évoqué auditif
p = 0,0006
PROJET NEUROLIFE : BRAIN COMPUTER INTERFACE AWAKE
Résultats préliminaires
EV : état végétatif
ECM : état de conscience minimal
EECM : état d’émergence d’état de conscience minimal
16

17. Plateforme de Services pour Interfaces Cerveau-Ordinateur Mobiles
PROGRAMME NEUROLIFE : PLATEFORME DE SERVICES POUR INTERFACES CERVEAU-ORDINATEUR MOBILES
Perspectives
17

18. REMERCIEMENTS
18