Quantification de la respiration en unité de soins intensifs pédiatrique à partir de séquences d’images de vidéo

Rehouma, Haythem (2019). Quantification de la respiration en unité de soins intensifs pédiatrique à partir de séquences d’images de vidéo. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’enfant peut avoir des problèmes d’insuffisance respiratoire dus essentiellement à des infections des poumons. Cette insuffisance est difficile à prévoir et son analyse par le clinicien comporte des mesures quantitatives (fréquence respiratoire) et des observations qualitatives (volume inspiré et signes de tirage). Toutefois, l’observation qualitative est difficile lorsque ce volume est petit, ce qui est le cas chez le nourrisson.

C’est dans cette optique que s’inscrit notre projet de recherche qui vise à développer de nouvelles approches objectives pour évaluer l’insuffisance respiratoire, à l’aide de l’imagerie 3D. L’objectif principal est de concevoir et de développer un système informatisé d’aide à la décision clinique (SIAD-C) pour la détection de l’insuffisance respiratoire aux soins intensifs en passant par la quantification de quatre paramètres respiratoires (fréquence respiratoire, volume respiratoire, ventilation minute et balancement thoraco-abdominale [TAA]) chez les enfants gravement malades. Deux approches sont principalement proposées afin de quantifier ces paramètres principalement dans la population pédiatrique.

Les deux approches proposent deux différentes façons de calculer les paramètres de respiration. La première approche propose la reconstruction de la surface 3D pour calculer la fréquence respiratoire, volume respiratoire et ventilation minute, et ce à partir des données enregistrées par deux caméras KINECT placées aux coins du lit du patient. L’objectif d’utiliser deux caméras est de maximiser la couverture spatiale en enregistrant les données de respiration de la surface thoraco-abdominale et aussi des côtés latéraux. L’organisation de l’espace, dont la configuration des câbles et des caméras, a été optimisée afin de faciliter le déploiement du système dans les chambres de soins intensifs. Ainsi, le système s’intègre facilement au lit du patient.

La deuxième approche propose la reconstruction du mouvement 3D pour caractériser le balancement thoraco-abdominale. L’objectif est de détecter, extraire et visualiser le mouvement global des régions de la surface et de quantifier la différence entre le thorax et l’abdomen en cas de balancement thoraco-abdominale.

Une étude théorique approfondie des systèmes de suivi de respiration à l’heure actuelle est effectuée. L’étude inclut les processus d’acquisition et de traitement des données. Les performances de ces systèmes en termes de fiabilité et de validité sont discutées, en considérant les besoins et les attentes des utilisateurs, qu’ils soient experts cliniciens, patients ou grand public.

La validation de l’applicabilité du SIAD-C dans l’environnement clinique est examinée au moyen d’une série d’expériences en comparant les mesures quantitatives du SIAD-C à celles du ventilateur (étalon de référence).

Les résultats expérimentaux montrent l’efficacité de notre système dans l’environnement clinique. Ce système de mesures quantitative de la respiration est un outil de support très prometteur destiné à améliorer la surveillance de la détresse respiratoire, en particulier lorsque les ressources de soins de santé, telles que les experts en pédiatrie, sont limitées.

Titre traduit

Respiration quantification in pediatric intensive care unit using video imaging

Résumé traduit

Children may suffer from respiratory failure due to lung infections. This can be difficult to predict by clinicians, whose analysis includes quantitative measurements (respiration rate) and qualitative observations (inhaled volume and chest indrawing). However, qualitative observation is difficult and imprecise when the volume is small, especially in infants.

It is with that perspective that we have developed new objective approaches for respiratory failure assessment, using 3D imaging. The main objective is to design and develop a computerized clinical decision support system (CCDSS) to detect respiratory failure in critically ill children. Two types of approaches were mainly proposed to quantify four respiratory parameters (respiratory rate, tidal volume, minute ventilation and thoracoabdominal asynchrony), primarily in the paediatric population.

Our approaches suggest different techniques to estimate the respiratory parameters. The first approach suggests performing a 3D reconstruction of the surface to calculate values of respiratory rate, tidal volume and minute ventilation. The system consists of two KINECT cameras recording 3D input data. Both sensors are placed in opposite sides of the patient bed.

The aim of using two KINECT cameras was to provide a high spatial coverage of the patient’s thoraco-abdominal zone as well as its lateral sides.

The space organization, including cable configurations and camera positions, has been optimized to facilitate the system effective deployment in intensive care rooms. Our system is fitting patient beds and can be easily incorporated into hospital rooms.

The second approach is using 3D motion reconstruction to characterize the thoraco-abdominal asynchrony. The aim is to detect, extract and visualize the global motion of the surface regions and to quantify the amplitude differences between the thorax and abdomen compartments, when the seesaw motion occurs.

An extensive theoretical study of human assessment monitoring systems has been proposed. The study includes both data acquisition process and data processing techniques. The systems performance has been also discussed in terms of reliability and validity, considering the needs and expectations of users, whether they are experts, patients, or the general public.

To verify the applicability of the proposed CCDSS system in the clinical environment, a number of experiments have been carried by comparing the CCDSS quantitative measures to those given by the mechanical ventilator (gold standard).

The experimental study investigated the robustness of our approaches in clinical environment. The proposed system is an innovative and promising support measurement tool intended to assist clinicians to monitor respiratory failure in clinical environment, especially when healthcare resources such as pediatric expert are limited.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 223-241).
Mots-clés libres:	respiration, environnement clinique, caméra KINECT, données 3D, reconstruction de surface, extraction de mouvement
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Noumeir, Rita
Codirecteur:	Codirecteur Jouvet, Philippe
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	01 févr. 2022 20:58
Dernière modification:	01 févr. 2022 20:58
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2429

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