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Imagerie fonctionnelle de la rétine par électrorétinographie multi-angulaire

Brassard Simard, Antoine (2016). Imagerie fonctionnelle de la rétine par électrorétinographie multi-angulaire. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Objectif: L’objectif de ce projet est de concevoir une méthode d’enregistrement de l’activité électrophysiologique de l’oeil permettant une image fonctionnelle de la rétine. L’objectif à long terme de ce travail est de fournir au clinicien un outil d’imagerie pour le diagnostic de certains dysfonctionnements de la rétine (rétinopathies).

Contexte: L’électrorétinogramme (ERG) plein champ est une méthode bien connue permettant de déterminer objectivement la fonction rétinienne. Cependant, cette méthode ne permet pas d’exprimer les variations locales de la réponse rétinienne à moins d’utiliser un stimulus spécifique, comme cela est fait en ERG multi-focal (mfERG). Ce travail propose une solution en deux temps. D’abord, nous proposons une méthode permettant d’enregistrer un ERG comportant plusieurs dérivations spatiales (comme dans le contexte ECG). Ensuite, nous proposons une solution au problème électromagnétique de calculer l’activité rétinienne sur plus de dipôles qu’il y a de points d’enregistrement.

Méthode: Nous avons proposé une méthode originale qui profite de la capacité qu’a l’oeil de tourner afin d’enregistrer plusieurs potentiels sur la cornée ou la peau (la méthode maERG). Cette méthode consiste à positionner 3 électrodes cutanées sur la paupière inférieure et les cathi interne et externe. Nous avons enregistré le maERG de 2 sujets sains pour 11 directions du regard pour un total de 33 électrodes virtuelles par sujet. À partir d’un modèle réaliste de conductivités et de géométries de l’oeil et de la peau, nous avons construit un modèle par éléments finis de frontières de l’oeil humain. Afin de déterminer si la méthode maERG permet la construction d’une image fonctionnelle de la rétine, nous avons comparé la qualité de reconstruction de plusieurs configurations d’électrodes du maERG avec un modèle d’un jeu d’électrodes directement en contact avec la cornée. Nous avons simulé 2 scénarios : une rétinopathie centrale et une périphérique. Nous avons propagé la topographie rétinienne simulée sur les électrodes (ce qu’on appelle le problème direct). À partir de ces mesures d’électrodes simulées, nous avons reconstruit l’activité des sources et comparé cette topographie reconstruite avec la topographie initiale en utilisant une méthode balancée de l’approche Area Under ROC-curve (AUC) ainsi qu’avec la méthode du Coefficient de Corrélation de Matthews (CCM). Nous avons ensuite utilisé les AUCs et CCMs de chaque configuration comme métrique du potentiel de la méthode maERG comme modalité d’imagerie diagnostique. Nous avons également proposé une méthode afin de réduire le rapport signal sur bruit (ou SNR) minimal, qui consiste à localiser les coefficients d’une transformée en ondelettes invariance par décalage. Finalement, pour comparer qualitativement nos résultats simulés avec des données expérimentales, nous avons reconstruit l’activité rétinienne de sujets sains.

Résultats: Chaque électrode virtuelle donnait un signal ERG différent des autres, ce qui signifie qu’il est possible d’obtenir plusieurs dérivations d’un même ERG suggérant qu’il est possible de résoudre le problème inverse. Nos simulations ont démontré qu’il était possible d’obtenir une reconstruction correcte (AUC>0.7 et CCM>0.5) seulement avec des variations horizontales du regard, un SNR de 55dB et une surface pathologique d’au minimum 5%. Nous avons également démontré qu’en localisant les coefficients de la transformée en ondelette, il était possible de réduire le SNR minimal à 30-40dB. La reconstruction d’activité rétinienne de sujets sains a donné des topographies qualitativement similaires à celles de données simulées, ce qui signifie que nos résultats simulés concordent avec la réalité.

Conclusion: Nous avons proposé une nouvelle méthode permettant l’enregistrement de plusieurs dérivations de l’ERG en profitant de la capacité de l’oeil de tourner, méthode que nous avons nommé maERG. Nous avons aussi proposé un modèle de l’oeil humain et une méthode de résolution du problème inverse afin de représenter l’activité rétinienne à partir de la position d’une parcelle, créant ainsi une nouvelle modalité d’imagerie fonctionnelle de la rétine. Malgré que notre technique nécessite un SNR élevé, nous avons démontré qu’il existe des méthodes de débruitage qui permettent d’atteindre une meilleure qualité du signal et ainsi, une bonne résolution d’imagerie rétinienne. Nous croyons que notre technique d’enregistrement de l’ERG augmentera la sensibilité de l’ERG et ainsi, permettre un diagnostic précoce et un suivi plus précis de rétinopathies.

Titre traduit

Functional Imaging of the retina with multi-angular electroretinography

Résumé traduit

Purpose: The purpose of this project is to develop a recording method of the electrophysiology of the eye allowing functional cartography of the retina. The long term objective of this approach is to provide the clinician with an imaging tool helping to diagnose certain retina pathologies (retinopathies).

Context: Full field ERG is a well-known method to objectively assess retinal function. However, this method cannot express local variations in retinal response unless a specific stimulus is used, as is done in mfERG. Our solution was twofold. First, we proposed a method for recording an ERG with multiple spatial derivations (as is done in ECG). Second, we solved the electromagnetic problem of computing retinal activity from few corneal or skin potentials.

Methods: We proposed a novel method that uses the rotating capability of the human eye in order to record corneal or skin potentials from various positions (i.e. the maERG). This method implies that 3 skin electrodes are positioned on the subject’s lower lid, internal canthus and external canthus. We recorded the maERG from 2 healthy subjects using 11 different gaze positions for a total of 33 virtual electrodes per subject. Based on realistic eye and skin conductivities and geometries, we built a Boundary Elements Model (BEM) of the human eye. In order to determine if the maERG method can be used for retinal imaging, we compared the performance of multiple electrodes configurations of maERG model with a model containing an electrode array in direct contact with the cornea. We simulated 2 scenarios: a central inactivity and a peripheral inactivity. We propagated the simulated retinal activity on the electrodes (i.e. the forward model). Based on these simulated electrode measurements, we reconstructed the retinal activity (i.e. the inverse problem) and compared the reconstructed image with the theoretical sources configuration using a balanced Area Under ROC-curve (AUC) and Matthews Correlation Coefficient (MCC) approaches. We compared AUCs ans MCCs obtained with all models as a metric of the maERG reconstruction potential. We also proposed a method to overcome the necessity of a high Signal-to-Noise Ratio (SNR) signals by locating shift invariant wavelet transform coefficients. Finally, to qualitatively compare our simulated result with experimental data, we reconstructed the retinal activity of healthy subjects.

Results: The different skin electrodes gave different ERG signals according to each gaze position, meaning that our recording method can give multiple ERG derivations and thus, the inverse problem is feasible. Our simulations results showed that fair reconstruction (AUC>0.7 and MCC>0.5) was possible with only horizontal gaze variations, 55dB Signal-to-Noise Ratio (SNR) and a pathology surface of at least 5%. We also demonstrated that localising with wavelet coefficients, we can reduce the minimum SNR to about 30-40dB. The reconstruction of retinal activity from experimental data of healthy subjects were qualitatively similar to the healthy subject simulation meaning that our simulated and experimental data are concordant.

Conclusion: We proposed a novel method for the recording of multiple derivations of the ERG response by using the rotating capability of the human eye, a method that we named the maERG. We also propose a model of the human eye and a method to solve the inverse problem in order to represent the retinal activity based on each parcel’s position, therefore generating a functional imaging of retinal responses. Even if our technique necessitates a high SNR, we demonstrated that denoising algorithms exist which would permit to achieve that signal quality and thus, good retinal mapping resolution. We believe that our novel technique of recording the ERG will increase the sensitivity of the ERG thus permitting earlier diagnosis and more precise monitoring of retinopathies.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie électrique". Bibliographie : pages 131-134.
Mots-clés libres: Électrorétinographie. Rétine Imagerie. Œil Modèles mathématiques. Problèmes inverses (Équations différentielles) Ondelettes. Rétine Maladies Diagnostic. multiangulaire, électrorétinogramme, localisation, rétinopathie
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Lina, Jean-Marc
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Lachapelle, Pierre
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 29 avr. 2016 18:07
Dernière modification: 29 avr. 2016 18:07
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1662

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