Développement d'un système d'acquisition simultanée de données de tomographie d'impédance électrique et d'électroencéphalographie pour l'étude de la fonction cérébrale

L'epilepsie touche entre 1 et 2% de la population canadienne et environ 40% de tous les cas ne peuvent ^etre traites a l'aide de medicaments. La chirurgie peut ^etre envisagee lorsque les crises sont severes et nuisent a la qualite de vie du patient. Les patients epileptiques candidats a la chirurgie doivent alors subir des tests preoperatoires en vue de localiser avec precision les foyers epileptiques, les zones du cerveau d'ou originent les crises. Un suivi de longue duree combinant des enregistrements d'electroencephalographie (EEG) et de video du patient est utilise pour tenter de localiser les foyers epileptiques. Des enregistrements d'EEG intracr^aniens qui sont lourdement invasifs sont aussi parfois envisages. Ce projet vise a developper une technique de localisation non invasive complementaire aux examens preoperatoires actuels an de minimiser le recours a des tests lourdement invasifs. Durant l'activite cerebrale normale, l'augmentation locale de la consommation d'oxygene par les neurones necessite une augmentation locale du debit sanguin. Ce phenomene est evidemment amplie lors d'activites cerebrales intenses ou de crises epileptiques. Ces phenom enes hemodynamiques engendrent des variations locales de la conductivite electrique du cerveau. Ce sont ces variations que tentent d'imager la tomographie d'impedance electrique (TIE). Cette technique non invasive permet de visualiser les changements de conductivite produits dans une region du corps par des processus biologiques tels que la respiration ou la digestion. La TIE utilise un reseau d'electrodes disposees autour de la region d'inter^et pour appliquer un courant sinuso�dal de faible amplitude par une paire d'electrodes. Les dierences de potentiel ainsi engendrees sont mesurees aux autres paires d'electrodes et permettent de determiner les variations de conductivite dans la region d'inter^et. Le projet decrit dans ce memoire propose d'utiliser la TIE conjointement a l'EEG an de minimiser le recours a des enregistrements invasifs d'EEG intracr^aniens. L'EEG demeure la technique de reference pour le diagnostic de l'epilepsie puisqu'elle enregistre directement les signaux electriques produits par l'activite cerebrale. De maniere plus specique, l'objectif principal de ce projet est de developper les circuits de premiere ligne d'un systeme d'acquisition simultanee de donnees de TIE et d'EEG. Pour atteindre cet objectif, un module electronique a ete developpe pour le traitement analogique des signaux de TIE et d'EEG captes par un m^eme reseau de 24 electrodes. Ce module comprend 24 circuits d'electrodes actives, un circuit d'asservissement de la jambe droite, un circuit de reference de Wilson ainsi que des circuits auxiliaires. Ce module, concu pour ^etre porte par le patient, fait partie d'un systeme d'acquisition qui comporte egalement un module de synthese et de demodulation (MSD) et un ordinateur qui sont situes au chevet

Abstract

Epilepsy aects between 1 and 2% of the Canadian population and about 40% of all cases are not treatable with medication. Surgery may be considered when seizures are severe and adversely aect the quality of life of the patient. Epileptic patients eligible for surgery have to undergo preoperative testing to accurately localize epileptic foci, areas of the brain where crises appear. Longtime monitoring combining electroencephalography (EEG) and video recordings is performed to attempt epileptic foci localization. Intracranial EEG recordings that are heavily invasive are also sometimes considered. This project aims to develop a non-invasive localization technique to complement current preoperative testing procedures in order to minimize the use of heavily invasive testing. During normal brain activity, local increase in neuron oxygen consumption requires an increase in local blood ow. This phenomenon is of course amplied during intense brain activity or epileptic seizures. These hemodynamic phenomena generate local changes in the electrical conductivity of the brain. Electrical impedance tomography (EIT) attempts to visualize those variations. This non-invasive technique produces images of a body region representing conductivity variations due to biological phenomena such as respiration or digestion. EIT uses an array of electrodes placed around the region of interest to apply a small-amplitude sinusoidal current by a pair of electrodes. Resulting potential dierences are then measured between other pairs of electrodes and used to assess the conductivity variations within the region of interest. The project described in this thesis proposes using EIT in conjunction with EEG to minimize the use of invasive intracranial EEG recordings. EEG remains the gold standard for the diagnosis of epilepsy since it directly records electrical signals produced by brain activity. More specically, the main objective of this project is to develop rst-line circuits for a system capable of simultaneous acquisition of EIT and EEG data. To achieve this goal, an electronic module has been developed for analog signal processing of EIT and EEG measured by the same 24-electrode array. This module contains 24 active electrode circuits, a right leg drive circuit, a Wilson's central terminal circuit as well as auxiliary circuits. This module, designed to be worn by the patient, is part of an acquisition system also composed of a base-station and a computer that are located at the patient's bedside. A time-multiplexing approach is used to enable simultaneous acquisition of EIT and EEG data. A rst acquisition phase consists of one EIT measurement and is followed by a second phase where EEG signals from each of the 24 electrodes are sampled. These two