Conception de stratégies novatrices d’enregistrement, d’analyse et de localisation des composantes rythmiques et arythmiques de l’électrorétinogramme humain visant l’optimisation de son pouvoir diagnostique

Gauthier, Mercedes (2022). Conception de stratégies novatrices d’enregistrement, d’analyse et de localisation des composantes rythmiques et arythmiques de l’électrorétinogramme humain visant l’optimisation de son pouvoir diagnostique. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’électrorétinogramme (ERG) est le seul outil de diagnostic disponible pour évaluer objectivement la fonction rétinienne. Habituellement, ce potentiel électrique évoqué d’un flash lumineux est enregistré à l’aide d’une seule électrode active sur la cornée. Cette réponse permet de mesurer la fonction globale de la rétine. Cependant, elle ne permet pas de localiser les sources du signal de l’ERG. De plus, comme le signal est toujours évoqué par un flash, il ne nous permet pas d’évaluer la fonction rétinienne au repos.

L’objectif général de ce projet de recherche porte sur la distinction entre les composantes périodiques (ou rythmiques) et apériodiques du signal électrophysiologique de l’activité rétinienne et de leur apport en termes de diagnostic clinique. Ainsi, l’hypothèse générale est qu’une valeur clinique pour le diagnostic précoce des rétinopathies est ajoutée, à travers la caractérisation et/ou la localisation de ces deux composantes du signal ERG (évoqué ou non).

La première partie de ce projet de recherche consiste à développer une méthodologie et une technique d’acquisition de l’ERG permettant de cartographier l’activité de toute la rétine. Avant ces travaux, ceci était seulement possible pour la macula à l’aide de l’ERG multifocal. La technique présentée ici permet d’augmenter la quantité d’électrodes d’enregistrement, tout en limitant leur nombre total autour de l’œil (seulement 3), en utilisant 11 changements du regard pour créer des électrodes virtuelles (pour un total de 33). Par cet ajout, il devient possible de reconstruire l’activité bioélectrique des sources de ce signal (c.-à-d. les cellules rétiniennes) par une méthode de résolution du problème inverse. À l’aide d’un modèle électro-anatomique de l’œil (par une méthode des éléments finis de frontière) et d’une solution à ce problème, il est alors possible de calculer la topographie fonctionnelle des 500 sources représentant l’activité rétinienne sur 180° qui explique les signaux électriques évoqués, enregistrés par les multiples électrodes virtuelles. Se faisant, les possibles lésions présentes sur la rétine peuvent être détectées. Cette technique permet donc un meilleur diagnostic des diverses pathologies rétiniennes et un meilleur suivi dans les cas de dégénérescence. Spécifiquement, les résultats démontrent qu’en utilisant l’algorithme LORETA (Low Resolution Electromagnetic Tomography Algorithm), il est possible de reconstruire un scotome central couvrant 10% de la surface rétinienne avec des signaux dont le rapport signal-sur-bruit est de 50dB, ou 55dB pour le même scotome qui se trouverait en périphérie.

La deuxième partie de ce projet consiste à analyser le signal intrinsèque de la rétine, en enregistrant un ERG au repos (c.-à-d. non évoqué). À notre connaissance, ce signal n’a jamais été étudié auparavant. Étant donné la similitude entre la rétine et le cerveau (dans leur développement, leur fonction et leur cytoarchitecture respective), il est possible de comparer le nouveau signal ERG au repos à celui de l’électroencéphalogramme (EEG) au repos. Lorsque ces deux signaux sont enregistrés dans un contexte évoqué (par un stimulus ou une tâche), le diagnostic clinique porte principalement sur la composante périodique du signal (c.-à-d. de ses ondes particulières). Pour la version au repos de ces signaux (ERG et EEG), la composante apériodique est aussi importante dans l’analyse. D’une part, c’est seulement cette composante (mesurée par l’exposant de Hölder dominant dans le signal) qui est affectée par des changements d’environnements lumineux, passant du noir à de faibles luminosités. D’autre part, les résultats démontrent qu’une composante oscillante invariante à 90 Hz existe dans le signal ERG au repos et que celle-ci est présente avec ou sans la présence d’un flash (donc intrinsèque à la rétine), contrairement aux composantes à bases fréquences de l’ERG, qui sont absentes lorsqu’aucun flash ne stimule la rétine. Les résultats préliminaires sur une petite sélection de sujets pathologiques nous indiquent finalement que ce signal n’est pas affecté de la même façon par des pathologies que l’est l’ERG flash ou l’ERG multifocal, suggérant un potentiel diagnostique en clinique à l’utilisation de l’ERG au repos.

Titre traduit

Conception of innovative strategies for recording, analysis and localization of the rhythmic and arrhythmic components of the human electroretinogram aimed at optimizing its diagnostic power

Résumé traduit

The electroretinogram (ERG) is the only diagnostic tool available to objectively assess retinal function. Usually, this electrical potential is evoked by a flash of light and recorded using a single active electrode on the cornea. This response allows to measure the overall function of the retina. However, it does not enable the localization of the sources of the ERG signal. Moreover, since the signal is always evoked by a flash, it does not allow us to assess retinal function at rest.

The general objective of this research project focuses on the distinction between the periodic (or rhythmic) and aperiodic components of the electrophysiological signal of retinal activity and their contribution in terms of clinical diagnosis. Thus, the general hypothesis is that a clinical value for the early diagnosis of retinopathies is added, through the characterization and/or localization of these two components of the ERG signal (evoked or not).

The first part of this research project consists in developing an ERG acquisition methodology and technique to map the activity of the entire retina. Prior to this work, this was only possible for the macula using the multifocal ERG. The technique presented here allows to increase the quantity of recording electrodes, while limiting their total number around the eye (only 3), by using 11 gaze changes to create virtual electrodes (for a total of 33). By this addition, it becomes possible to reconstruct the bioelectrical activity of the sources of this signal (i.e., the retinal cells) by a method solving the inverse problem. Using an electro-anatomical model of the eye (with a Boundary Element Method) and a solution to this problem, it is then possible to calculate the functional topography of the 500 sources representing the retinal activity over 180° which explains the evoked electrical signals, recorded by the multiple virtual electrodes. In doing so, possible lesions present on the retina can be detected. This technique therefore allows a better diagnosis of the various retinal pathologies and a better follow-up in cases of degeneration. Specifically, the results show that by using a LORETA (Low Resolution Electromagnetic Tomography Algorithm), it is possible to reconstruct a central scotoma covering 10% of the retinal surface with signals whose signal-to-noise ratio is 50dB, or 55dB for the same scotoma that would be in the periphery.

The second part of this project consists in analyzing the intrinsic signal of the retina, by recording a resting-state ERG (i.e., non-evoked). To our knowledge, this signal has never been studied before. Given the similarity between the retina and the brain (in their respective development, function and cytoarchitecture), it is possible to compare the new ERG signal at rest to that of the electroencephalogram (EEG) at rest. When these two signals are recorded in an evoked context (by a stimulus or a task), the clinical diagnosis focuses mainly on the periodic component of the signal (i.e., its particular waves). For the resting version of these signals (ERG and EEG), the aperiodic component is also important in the analysis. On the one hand, it is only this component (measured by the Hölder exponent dominant in the signal) that is affected by changes in background light conditions, from dark to dim. On the other hand, the results presented here demonstrate that an invariant 90 Hz oscillatory component exists in the resting-state ERG signal and that it is present with or without using a flash (i.e., intrinsic to the retina), in contrast to the low frequency components of the flash ERG, which are absent when no flash stimulates the retina. Preliminary results on a small selection of pathological subjects indicate that this signal is not affected in the same way by pathologies as are the flash ERG or the multifocal ERG, suggesting a clinical diagnostic potential for the use of the restingstate ERG.

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 (129-143).
Mots-clés libres:	électrorétinogramme, rétine, problème inverse, ondelettes, analyse spectrale, analyse multifractale
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Lina, Jean-Marc
Codirecteur:	Codirecteur Lachapelle, Pierre
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	26 sept. 2022 18:11
Dernière modification:	26 sept. 2022 18:11
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3069

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