Techniques d'imagerie fonctionnelle du système respiratoire par tomographie d'impédance électrique

Les maladies liées au système respiratoire ont un impact socio-économique très important. Par exemple, en 2008, le taux de mortalité mondiale causée par les tumeurs malignes, les infections et les maladies de l'appareil respiratoire a été de 15 %. Ces dernières comprennent des maladies caractérisées par des rapports ventilation/perfusion faibles, comme l'asthme, l'oedème pulmonaire, le syndrome de détresse respiratoire aiguë et la bronchite chronique et également des maladies caractérisées par des rapports ventilation/perfusion élevées comme l'emphysème, l'embolie pulmonaire et la broncho-pneumopathie chronique obstructive. En raison du large spectre d'anomalies respiratoires, le développement de nouvelles méthodes et d'instruments pour le monitorage du système respiratoire et le diagnostic des maladies qui lui sont associées demeure très pertinent. Un exemple de ces nouveaux instruments est le système de tomographie d'impédance électrique (TIE), développé à l'Institut de Génie Biomédical (IGB) de l'École Polytechnique de Montréal. La TIE est une technique qui permet d'obtenir l'image de la distribution spatio-temporelle des propriétés électriques des tissus biologiques impliqués dans l'activité cardio respiratoire. L'acquisition de données de TIE s'effectue au moyen d'électrodes que l'on fixe sur le pourtour du thorax. Ces électrodes servent à appliquer un courant sinusoïdal de faible amplitude et à mesurer les différences de potentiel qui résultent du passage du courant dans les tissus du thorax. Un algorithme de reconstruction permet de traiter ces données pour produire des images de la distribution de conductivité électrique. La TIE est donc une technique non invasive que l'on peut utiliser pour le monitorage de longue durée de patients. Les systèmes de TIE sont sécuritaires, compacts, et peu coûteux à l'achat et en frais d'opération. En contraste, d'autres techniques d'imagerie médicale, comme la scintigraphie et la tomodensitographie, requièrent des appareils coûteux et encombrants qui comportent l'administration de substances radioactives ou encore l'exposition aux rayons X. L'interprétation des images de TIE est toutefois difficile en raison de leur faible résolution spatiale et de la superposition de différents phénomènes physiologiques. L'objectif du projet exposé dans ce mémoire est de repousser ces limites en mettant en oeuvre des techniques d'imagerie fonctionnelle qui permettent d'extraire des informations d'intérêt clinique.

Abstract

Respiratory diseases have a significant socio-economic impact. For example, in 2008, the global mortality rate caused by malignant neoplasms, infections, and respiratory pathologies was 15%. These include pathologies characterized by a low ventilation/perfusion ratio, such as asthma, pulmonary edema, acute respiratory distress syndrome, and chronic bronchitis; and those characterized by a high ventilation/perfusion ratio such as emphysema, pulmonary embolism and chronic obstructive pulmonary disease. Because of the wide spectrum of respiratory pathologies, the development of new methods and instruments for monitoring the respiratory system and assist clinicians in the diagnosis and treatment of these diseases remains highly relevant. An example of these new instruments is the electrical impedance tomography (EIT) system developed by the Institut de Génie Biomédical (IGB) of École Polytechnique de Montréal. EIT is a technique that allows imaging the spatio-temporal changes in electrical properties of biological tissues involved in cardiac and respiratory activity. Acquisition of EIT data is done by means of electrodes positioned on the periphery of the thorax. These electrodes are used to apply a small sinusoidal current and to measure potential differences arising from the flow of the applied current through the thoracic tissues. A reconstruction algorithm processes the data to produce images of the electrical conductivity distribution. EIT is therefore a non-invasive technique that can be used for long term patient monitoring. EIT systems are safe, compact and involve low initial investment and operating costs. By contrast, other medical imaging techniques such as scintigraphy and tomodensitography require systems that are very expensive, bulky and involve the administration of radioactive compounds or exposure to X-rays. The interpretation of EIT images is however difficult, due to the low spatial resolution and the superposition of effects from different physiological processes. The objective of the project described in this dissertation is to overcome these limitations by implementing functional imaging techniques that allow extracting clinically significant information. Our work is based on functional imaging techniques described in the scientific literature that have been validated by off-line data processing. We believe that these techniques will achieve a significant impact only if they can be executed in real time, so that the information they provide