V-1 : REPONSES EVOQUEES : RECUEIL ET TRAITEMENT DU SIGNAL
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Œil et Physiologie de la Vision - V-1 V-1 : REPONSES EVOQUEES : RECUEIL ET TRAITEMENT DU SIGNAL Jacques Charlier Jean-François Le Gargasson Florence Rigaudière Yvon Grall Pour citer ce document Jacques Charlier, Jean-François Le Gargasson, Florence Rigaudière et Yvon Grall, «V-1 : REPONSES EVOQUEES : RECUEIL ET TRAITEMENT DU SIGNAL», Oeil et physiologie de la vision [En ligne], V-Les signaux électrophysiologiques, mis à jour le 18/06/2013, URL : http://lodel.irevues.inist.fr/oeiletphysiologiedelavision/index.php?id=203, doi:10.4267/oeiletphysiologiedelavision.203 Plan Origine des signaux électrophysiologiques Sources de courant et leur propagation2 Signaux provenant de la rétine Signaux provenant du nerf optique et des voies optiques Signaux provenant du cortex visuel Recueil des signaux électrophysiologiques Nature et fonctions des électrodes Influence de l’épiderme Différents types d’électrodes Electrodes pour les électrorétinogrammes Critères de sélection d’une électrode Electrodes pour les potentiels évoqués visuels Electrodes pour les électro-oculogrammes Contrôle de l’impédance des électrodes Amplificateurs Perturbations des signaux recueillis provenant des autres activités bio-électriques Perturbations des signaux recueillis provenant de l’environnement électromagnétique Sécurité électrique Traitement des signaux électrophysiologiques Des différences de potentiel au traitement numérique Représentations temporelle et fréquentielle du signal Principe Application au filtrage fréquentiel du signal Application à la séparation des composantes d’un signal Application à l’extraction des réponses à des stimulations rapides 1 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 Signaux et bruits Comment réduire le niveau de bruit ? Rejets d’artéfacts Validation statistique Analyse statistique des données Conclusion Références (février 2010) des principales électrodes citées Texte intégral Les stimulations visuelles choisies de façon appropriées évoquent les réponses de milliers de cellules rétiniennes ou corticales. Ces réponses cellulaires ne sont ni directement accessibles, ni directement interprétables. Seuls des enregistrements effectués à l’aide d’électrodes placées en surface, loin des sources génératrices, permettent de recueillir des signaux. Ces signaux sont souvent difficilement discernables de ceux émis par l’activité de l’environnement cellulaire qualifié de « bruit » et sont donc ininterprétables. Pour ce faire, ils doivent subir un « traitement » mathématique dont il faut connaître les grands principes pour mesurer les améliorations obtenues entre les réponses de niveaux cellulaires et les « signaux électrophysiologiques » résultant, mais aussi pour en connaître les limites… [Binnie CD et al., 1996], [Chiappa KH, 1985], [Regan D, 1989]. Origine des signaux électrophysiologiques Sources de courant et leur propagation Comme tous les organes du corps humain, le système visuel génère des signaux électriques. Ces signaux ne sont pas strictement des courants électriques qui correspondent à une circulation d’électrons comme dans les conducteurs électriques classiques de cuivre, mais sont des courants ioniques qui correspondent à une circulation d’ions, le plus souvent positifs comme les ions sodium ou potassium. En clinique, ces signaux sont recueillis depuis la surface du corps à l’aide d’électrodes et d’un équipement électronique appelé amplificateur. Ce premier paragraphe rappelle comment ces signaux se propagent depuis leur source jusqu’à la surface de recueil, leur mode de propagation pouvant avoir des conséquences importantes sur la qualité des signaux recueillis et sur leur interprétation. 2 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 La figure V-1-1 illustre une source de courant ionique, le cœur, située au milieu du volume conducteur que constitue le torse (représenté ici en coupe). Le courant se propage dans la totalité du volume conducteur en créant un champ de potentiels électriques. Suivant la loi d’Ohm (U=R.I), le potentiel électrique diminue depuis la source jusqu’au puits de courant au fur et à mesure que le courant traverse les tissus. La carte de distribution des potentiels électriques qui en résulte est ici représentée en niveaux de gris. C’est ce potentiel électrique qui est mesuré à l’aide des électrodes disposées en surface. La carte de la figure V-1-1 montre que ce potentiel dépend très fortement de la position des électrodes. D’une part, il est d’amplitude maximale dans l’axe du dipôle formé par la source et le puits de courant. D’autre part, il diminue très rapidement lorsque la distance entre le dipôle et l’électrode augmente : son amplitude est fonction de l’inverse du carré de cette distance. La position de la référence du potentiel mesuré est importante. En effet, ce qui est mesuré est une différence de potentiel qui s’effectue entre une électrode active et une électrode de référence. Pour obtenir le zéro de potentiel électrique, il faudrait placer l’électrode de référence à très grande distance de la source, ce qui n’est pas réalisable en clinique car il faudrait plonger le patient dans une grande piscine d’eau salée... L’électrode de référence ne peut donc pas être au « zéro électrique » et sa position influence donc la différence de potentiel recueillie. Signaux provenant de la rétine La figure V-1-2 montre la circulation des courants générés par les différentes couches de la rétine. Ces courants traversent le vitré et la chambre antérieure puis reviennent au travers de la sclère, de la choroïde et de la couche de l’épithélium pigmentaire. Le maximum de potentiel se situe à l’apex de la cornée puis il diminue pour atteindre environ 70% de sa valeur maximale au niveau de la sclère. Le potentiel recueilli sur la peau à proximité de l’œil est de l’ordre de 10 à 20% de ce même maximum. Remarque : les lignes de courant et la distribution de potentiels qui en résulte dépendent de la conductivité électrique des tissus. Ainsi, un implant oculaire ou de l’huile silicone mise dans un oeil, diminue-t-il la conductivité des milieux et modifie la réponse de la rétine recueillie en surface. Signaux provenant du nerf optique et des voies optiques Les structures situées en profondeur, nerf optique, chiasma, corps géniculés et radiations optiques, sont trop éloignées de la surface pour fournir des signaux exploitables en clinique (figure V-1-3). Signaux provenant du cortex visuel L’aire corticale visuelle primaire se situe en zone occipitale, au niveau de la scissure calcarine. Les structures correspondant à la région maculaire sont à proximité de la surface du cuir chevelu alors que les structures correspondant à la périphérie du champ visuel sont situées en profondeur (figure V-1-4). Il en résulte, en pratique, que seule l’activité 3 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 électrique provenant de la région maculaire est enregistrable de façon fiable depuis des électrodes disposées en surface, en regard des aires occipitales. Les réponses enregistrées en surface dépendent du positionnement des électrodes par rapport à la scissure calcarine. Il est donc important d’utiliser des repères anatomiques aussi précis que possible (inion, nasion...) pour obtenir un bon positionnement des électrodes. Recueil des signaux électrophysiologiques Nature et fonctions des électrodes Les électrodes assurent le rôle d’interface entre le corps du patient et l’appareil qui recueille les signaux (figure V-1-5). Cette interface se situe entre deux milieux où les phénomènes de conduction électrique sont de nature très différente. Au sein du corps du patient, ce sont des ions qui assurent la conduction alors que pour l’appareillage « électronique », ce sont des électrons. L’interface entre ces deux milieux de nature différente est le lieu de phénomènes électriques de nature complexe. Il y a généralement accumulation de charges électriques et apparition d’une tension de polarisation qui vient se superposer au signal recueilli. Pour cette raison, les électrodes sont généralement constituées de matériaux « nobles » (or, platine, argent...) afin d’obtenir une tension de polarisation aussi faible et aussi stable que possible. Comme ces métaux sont relativement coûteux, ils sont déposés en couche de très faible épaisseur et sont donc relativement fragiles. Si cette couche est détruite par l’usure par exemple ou par des actions de nettoyage un peu trop vigoureuses, l’électrode perd ses propriétés et les signaux recueillis deviennent instables et facilement perturbés par les mouvements du patient. Influence de l’épiderme Les électrodes sont en contact avec la peau. Cette dernière possède des propriétés électriques particulières. La couche superficielle (épiderme, figure V-1-6) peut, lorsqu’elle est sèche, présenter une résistivité élevée et donc diminuer fortement l’amplitude des signaux recueillis. Une préparation de la peau à l’aide d’une pâte abrasive suivie de l’application d’un gel conducteur permet de s’affranchir de ce problème. Remarque. Les gels utilisés pour les sondes à ultrasons ne sont en général pas conducteurs et ne doivent donc pas être utilisés pour faciliter le contact des électrodes. Les corps gras sont également mauvais conducteurs. Un nettoyage à l’alcool permet de les éliminer dans le cas de peaux grasses. Différents types d’électrodes Electrodes pour les électrorétinogrammes Il existe de nombreux types d’électrodes. Chacune présente des avantages et des inconvénients. Il faut un peu de pratique pour bien en maîtriser la pose et savoir déjouer les problèmes classiques. 4 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 Electrodes sclérocornéennes Pour le recueil de l’électrorétinogramme, les électrodes sclérocornéennes (figure V-1-7, figure V-1-8) sont constituées d’une coque sur laquelle sont placés ou non des blépharostats destinés à maintenir les paupières ouvertes. Un anneau conducteur assure le contact avec la cornée. Elles sont soit à usage unique -ce qui est recommandé (figure V-1-7)- soit réutilisables après une stérilisation appropriée(figure V-1-8) . Electrodes non sclérocornéennes Il existe plusieurs autres types d’électrodes « non cornéennes » là aussi, à usage unique ou réutilisable (figure V-1-9 et figure V-1-10) : L’électrode « DTL » -acronyme de ses inventeurs Dawson, Trick et Litzkow [Dawson et al., 1979]- est constituée d’un faisceau de fibres conductrices qui est placé à l’intérieur de la paupière inférieure et fait ainsi directement contact avec la sclère (usage unique). L’électrode « HK-Loop » [Hawlina, Konec, 1992] est constituée d’un fil d’argent recouvert d’un isolant. Ce fil a la forme d’une boucle que l’on vient glisser à l’intérieur de la paupière inférieure. Le contact avec la sclère se fait au niveau de 3 petites ouvertures pratiquées dans l’isolant dans la partie centrale de la boucle (usage unique). L’électrode « gold foil » [Esakowitz et al., 1993] ou feuille d’or, est constituée d’une fine feuille de mylar sur laquelle a été déposé une fine couche d’or. Cette feuille est mise en contact avec la sclère, au niveau de la paupière inférieure (très fragile, réutilisable). Electrodes en contact avec la peau Enfin, il est également possible d’enregistrer un électrorétinogramme à l’aide d’électrodes placées directement en contact avec la peau, au niveau de la paupière inférieure, à proximité immédiate de l’œil (figure V-1-10). Elles sont particulièrement utiles chez les enfants (figure VII-1-20) ou en cas d’abrasion ou autre problème au niveau de la surface de l’œil. Ces électrodes peuvent être celles utilisées pour les électrocardiogrammes (ECG) sous lesquelles on ajoute du gel conducteur ou bien de type « Patch » prégélifiées fréquemment utilisées comme électrodes de référence pour l’enregistrement des ERG multifocaux (figure V-1-10) Critères de sélection d’une électrode Qualité du signal recueilli Le premier critère de sélection d’une électrode est la qualité du signal recueilli. L’amplitude maximale de l’électrorétinogramme est obtenue à l’apex cornéen, ce qui donne l’avantage aux électrodes en contact avec la cornée. Les électrodes en contact avec la sclère recueillent un signal d’amplitude 50 à 70 % de ce maximum et les électrodes cutanées 10 à 20 % de ce même maximum [Bradshaw et al., 2004], [Zanlonghi, 1999]. En général, le signal recueilli avec les électrodes cornéennes est moins perturbé par les clignements et l’ouverture des yeux est plus facile à contrôler au cours des différentes phases de l’examen qu’avec les électrodes cutanées. 5 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 Tolérance de l’électrode Le deuxième critère de sélection d’une électrode est la bonne tolérance par le patient et… par l’opérateur. Certains opérateurs préfèrent poser des électrodes cutanées plutôt que des DTL ou gold foil, mais ceci est surtout dû à un manque de pratique ; en effet, la pose de ces électrodes non cornéennes est aussi aisée que celle d’une lentille de contact. Qualité optique de l’électrode Un troisième critère est la qualité optique de l’électrode. Celle-ci n’a pas vraiment d’importance pour les électrorétinogrammes réalisés avec des stimulations par flash. Mais pour les électrorétinogrammes utilisant des stimulations structurées -ERG pattern et ERG multifocal-, l’image de la stimulation sur la rétine doit être aussi nette que possible, ce qui suppose l’utilisation d’une électrode cornéenne d’une « bonne » qualité optique (électrodes « Jet », figures V-2-7)ou d’une électrode non cornéenne (figure V-1-9). Le prix… Un dernier critère enfin est le prix. Les électrodes cornéennes sont les plus coûteuses, surtout pour les modèles à usage unique. Tout aussi dépend du fabriquant. Electrodes pour les potentiels évoqués visuels Les potentiels évoqués visuels sont recueillis à l’aide d’électrodes cutanées. Il en existe de nombreux types (figure V-1-11). L’électrode pince oreille, comme son nom l’indique, pince les lobes des oreilles. Elle sert d’électrode de référence. Pour l’électrode active, en présence de cheveux, on utilise soit des électrodes cupules soit des électrodes boules de type électrodes à électro-encéphalogramme (EEG). Pour les enfants (figure VII-1-21) ou les adultes chauves, on peut utiliser des électrodes collées de type à ECG. Electrodes pour les électro-oculogrammes Electrodes actives Les électro-oculogrammes sensoriels contiennent des composantes à variation lente. Les électro-oculogrammes dynamiques -électro-oculomotilogramme : EOMG- ou les électronystagmogrammes, contiennent en outre une large gamme de fréquences temporelles, en particulier si on s’intéresse à la dynamique des saccades. Il est donc important de réaliser leur recueil avec des électrodes de très bonne stabilité : électrodes cupules de bonne qualité, électrodes patch prégélifiées ou électrodes de contact de type à ECG (figure V-1-10). Electrodes de référence Elles sont de type « Beckmann » (figure V-1-11). Leur partie métallique -argent/argent chloruré- n’est pas directement en contact avec la peau. La petite cavité située entre la peau et la partie métallique doit être remplie avec un gel conducteur suffisamment fluide pour assurer un bon contact. Elles peuvent également être de type à ECG. Il en résulte une excellente stabilité de recueil du signal et une bonne prévention contre les artéfacts résultant des mouvements du patient. Contrôle de l’impédance des électrodes La qualité du contact des électrodes peut être évaluée par la mesure de leur impédance électrique. Cette mesure est en général effectuée automatiquement par les appareils après la pause des électrodes, juste avant le début de l’examen. 6 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 Le résultat est exprimé en ohms ; plus il est faible, meilleure est la qualité du contact. Une valeur inférieure à 3 Kohms (kilo-ohms) est satisfaisante. Une valeur supérieure à 10 Kohms est préjudiciable à la qualité des résultats de l’examen. Amplificateurs Définition Comme leur nom l’indique, les amplificateurs servent à amplifier les signaux recueillis sur le patient mais leur rôle ne se limite pas à cela. Ils doivent également éliminer les signaux électriques parasites qui sont produits par l’environnement électromagnétique. C’est pourquoi les amplificateurs utilisés en électrophysiologie clinique sont de type différentiel. Amplificateurs différentiels Ils mesurent la différence de potentiel électrique entre deux entrées (figure V-1-12) : ° une entrée positive où est connectée l’électrode active et ° une entrée négative où est connectée l’électrode de référence. Grâce à ce montage différentiel, les signaux produits par l’environnement électromagnétique sont éliminés puisque identiques pour les deux entrées, d’où l’expression « signal de mode commun ». Les amplificateurs sont d’un point de vue technique bien au point ; cependant, ils ne sont pas parfaits et la réjection des signaux de mode commun n’est pas totale. C’est pourquoi il est indispensable d’utiliser une troisième électrode appelée électrode neutre ou électrode indifférente, reliée au corps du patient afin de minimiser le potentiel de mode commun. Remarque L’électrode active et l’électrode de référence jouent un rôle parfaitement symétrique. Si on les inverse, il en résulte une inversion de polarité du signal recueilli. Perturbations des signaux recueillis provenant des autres activités bio-électriques Pratiquement tous les organes du corps humain génèrent des signaux bio-électriques. Ceux-ci peuvent, si on n’y prend garde, perturber le recueil des signaux émis par le système visuel comme, par exemple, les contractions musculaires des mâchoires ou du cou qui génèrent de l’électromyogramme. Pour les éviter, il suffit de veiller à ce que le patient soit installé confortablement et de s’assurer de l’absence de mastication pour éliminer ce type de problème -du chewing-gum par exemple... L’électrocardiogramme (ECG) généré par le muscle cardiaque, peut parfois perturber les signaux recueillis, en particulier chez l’enfant, en raison de la faible distance entre le cœur et les électrodes de recueil. L’ECG s’élimine normalement lors du moyennage des réponses par absence de synchronisation entre la stimulation visuelle et le rythme cardiaque (voir traitement du signal). Il en va de même pour les perturbations générées par les stimulateurs cardiaques. 7 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 Perturbations des signaux recueillis provenant de l’environnement électromagnétique L’environnement électromagnétique dans lequel se déroule l’examen peut être source de perturbations des signaux recueillis. Il est important de les identifier et de les éliminer. Champs électriques Sont à éviter ° les moquettes au sol en fibres artificielles car elles peuvent accumuler des charges électriques (électricité statique) ; la proximité °de moteurs électriques comme une machinerie d’ascenseur, °de fours électriques, °d’appareils de résonance magnétique nucléaire… Enfin, °les téléphones portables ou assistants électroniques doivent être éteints durant les examens. Sont à éliminer ° la propagation des champs électriques (figure V-1-13). Solutions Pour minimiser au maximum l’environnement électromagnétique, il est possible d’utiliser un blindage constitué d’une enveloppe conductrice reliée à la terre. La salle d’examen doit être dotée d’une prise de terre de bonne qualité à laquelle sont reliés les châssis des différents appareils électriques ainsi que les objets métalliques massifs (fauteuil…). Le « blindage » de la salle d’examen (cage de Faraday) est aussi envisageable mais cette solution est onéreuse et en général, pas vraiment nécessaire compte tenu des performances des appareils d’électrophysiologie. Enfin, des câbles « blindés » sont recommandés pour le recueil de signaux de très faible niveau, comme par exemple, l’ERG multifocal. Champs magnétiques Une maîtrise plus difficile… La propagation des champs magnétiques (figure V-1-14) est plus difficile à maîtriser. Ceux-ci proviennent par exemple des transformateurs, moteurs électriques, écrans cathodiques. Ils agissent par les boucles formées par les câbles reliés aux électrodes. On peut donc réduire influence des champs magnétiques en diminuant la surface de ces boucles. Par exemple, cela consiste à faire passer les câbles des électrodes active et de référence du même côté de la tête du patient. Sécurité électrique Il est indispensable de penser à la sécurité du patient (figure V-1-15). Les appareils d’électrophysiologie visuelle doivent être conformes aux normes de sécurité électrique (CEI601-1). L’amplificateur et les électrodes constituent une partie qui doit être électriquement isolée de l’alimentation électrique, de façon à éviter tout contact entre le patient et une tension électrique. Il est interdit de relier l’électrode neutre à la terre. Il est également obligatoire d’utiliser des fiches d’électrode de sécurité, c'est-à-dire ne présentant pas de partie pouvant entrer en contact avec un conducteur électrique. 8 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 Traitement des signaux électrophysiologiques Les signaux générés par des groupes cellulaires sont recueillis à l’aide d’électrodes, en surface loin des sources génératrices, puis amplifiés. Ils sont ensuite traités pour que les « réponses visuelles » soient discernables du « bruit » et interprétables. Ces traitements sont réalisés essentiellement de façon numérique, la puissance de calcul des ordinateurs permettant la mise en œuvre d’algorithmes élaborés. Il n’est pas question ici de détailler les techniques actuelles complexes de traitement numérique du signal, mais seulement d’introduire quelques notions essentielles à la compréhension des résultats fournis par les appareillages d’électrophysiologie clinique actuellement sur le marché (chapitre I-1 § « Les appareillages du commerce »). Des différences de potentiel au traitement numérique Les signaux enregistrés sont des différences de potentiel de variations continues, recueillies entre deux points; or l'ensemble des traitements informatiques s'applique à des données numériques discrètes. Tout appareil d’électrophysiologie effectue la conversion de ces signaux continus en valeurs discontinues ou « discrètes » sur le principe des convertisseurs analogiquenumérique. Très schématiquement, la variation continue des signaux est remplacée par des valeurs discontinues, mesurées à intervalles réguliers et directement traitables par ordinateur (figure V-1-16). Représentations temporelle et fréquentielle du signal Principe Un signal est habituellement représenté par son amplitude en fonction du temps : c’est la représentation temporelle. Cependant un signal, même de forme complexe, peut être décomposé en une somme de signaux élémentaires de forme sinusoïdale. Chacun de ces signaux élémentaires est alors caractérisé par son amplitude, sa fréquence -nombre d’oscillations par seconde exprimé en Hz- et sa phase. Exemple : La figure V-1-17 montre l’exemple d’un signal complexe qui correspond à la somme de deux sinusoïdes élémentaires. La transformée de Fourier permet de passer de la représentation temporelle d’un signal (figure V-1-17 en haut) à sa représentation fréquentielle (figure V-1-17 en bas). Très schématiquement, la transformée de Fourier est un concept mathématique qui postule que toute fonction périodique dans le temps, de fréquence de base f0, peut être décomposée en une somme infinie de sinus et cosinus dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence de base f0 ; cette somme est appelée série de Fourier. Grâce à cette transformée, il est possible de représenter le signal complexe initial par l’ensemble des amplitudes et fréquences des signaux élémentaires qui le composent. 9 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 La représentation fréquentielle du signal de la figure V-1-17 se compose de deux pics dont l’amplitude et la fréquence correspondent aux deux signaux sinusoïdaux élémentaires. De nombreux phénomènes physiques et physiologiques se manifestent dans un domaine de fréquences précis, la représentation fréquentielle prend alors tout son intérêt. Application au filtrage fréquentiel du signal La figure V-1-18 montre la représentation temporelle d’un électrorétinogramme contaminé par le champ électrique ambiant capté par les câbles des électrodes. Le champ électrique est un signal contaminant qui apparaît toutes les 20 ms, soit 50 fois par seconde ou encore à une fréquence de 50 Hz. La représentation ou analyse fréquentielle de l’électrorétinogramme contaminé, met en évidence la fréquence de 50 Hz due au champ électrique. Pour supprimer cette contamination du signal par le « 50 Hz », il suffit d’imposer dans cette représentation fréquentielle, la valeur zéro aux fréquences situées autour de 50 Hz : c’est le filtrage. Appliquer ensuite la transformation de Fourier inverse permet d’obtenir une nouvelle représentation temporelle dans laquelle la contamination due au champ électrique a été éliminée (figure V-1-19). L’opération ainsi réalisée est un « filtre de rejet » de la composante 50 Hz qui améliore la qualité du signal obtenu. Application à la séparation des composantes d’un signal Filtre passe-bas – filtre passe-haut Dans la représentation ou analyse fréquentielle d’un signal ° un filtre passe-bas ne laisse passer que ses basses fréquences temporelles et élimine donc les fréquences temporelles élevées, alors que ° un filtre passe-haut élimine les basses fréquences temporelles et ne laisse passer que les fréquences temporelles élevées. Utiliser d’une part un filtre passe-bas et d’autre part un filtre passe-haut sur la représentation fréquentielle d’un signal complexe, puis en effectuer la transformée de Fourier inverse, permet la mise en évidence des composantes du signal qui seraient passées autrement inaperçues. Exemple La figure V-1-20 montre la représentation temporelle d’un électrorétinogramme. L’application d’un filtre passe-bas élimine les composantes de fréquences temporelles élevées. Ce filtre a pour effet d’éliminer les potentiels oscillatoires (V-3-A § conditions de recueil et traitement du signal) ou OPs et de faciliter ainsi l’identification des ondes a et b de l’ERG flash. L’application d’un filtre passe-haut élimine les composantes de basses fréquences temporelles. Ce filtre a pour effet de mettre en évidence les ondes de fréquences temporelles élevées qui sont de faibles amplitudes ou potentiels oscillatoires et dont les composantes fréquentielles se situent entre 80 et 300 Hz. 10 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 Application à l’extraction des réponses à des stimulations rapides Plusieurs examens électrophysiologiques font appel à des stimulations « rapides », c'està-dire ayant une fréquence temporelle élevée. Exemple pour l’ERG flicker L’ERG flicker (V-3-A § « procédure de stimulation – séquence 5) est évoqué avec une stimulation flash de fréquence temporelle 30 Hz. La figure V-1-21 (en haut) montre la représentation temporelle et fréquentielle, obtenues chez un sujet normal. La représentation temporelle montre que la réponse se reproduit toutes les 33 ms, ce qui correspond bien à la fréquence de la stimulation de 30 Hz. La représentation fréquentielle fournit directement ce résultat. La figure V-1-21 (en bas) montre les deux types de représentation pour un ERG flicker enregistré chez un sujet présentant un dysfonctionnement important de la rétine. La réponse, dans sa représentation temporelle, est d’amplitude faible (attention à la différence d’échelle d’amplitude : 10 V par division chez le sujet pathologique contre 50 V par division chez le sujet normal). Il est difficile de quantifier cette réponse. La représentation fréquentielle met en évidence un pic situé à la fréquence de 30 Hz cependant d’amplitude faible par rapport à celle trouvée chez le sujet normal mais que se distingue bien des composantes de fréquences voisines. Il est donc possible de dire qu’il y a une réponse à la stimulation, même si elle est d’amplitude faible. Cette représentation aide à l’interprétation. Exemple pour les PEV stationnaire Un autre exemple peut être donné pour les potentiels visuels, évoqués par une stimulation de haute fréquence temporelle (supérieure à 8 Hz), dits PEV stationnaire (V-5 § Caractéristiques des réponses – PEV flash stationnaire) (en anglais « steady state »). Les signaux recueillis se prêtent bien à une analyse fréquentielle car l’activité électrique corticale oscille à la même fréquence temporelle que la stimulation sans revenir à un état de repos (figure V-1-22). L’amplitude de la réponse peut être obtenue rapidement, en moins d’une seconde, en mesurant l’amplitude du pic à la fréquence de stimulation. Exemple pour les PEV « sweep » Cette méthode est appliquée pour les PEV par « balayage de fréquences spatiales » (en anglais PEV « sweep ») pour mesurer « l’acuité visuelle » chez le bébé [Almoqbel et al., 2008], [Yadav et al., 2009], [Ridder et al., 1998], [Ridder, 2004]. On utilise des stimulations en damier ayant une fréquence d’alternance élevée de 10 à 16 Hz. On présente successivement des tailles de cases décroissantes (figure V-1-23) ; la durée totale d’une séquence d’enregistrement est d’environ 10 secondes. Pour chaque taille de cases du damier, la représentation fréquentielle permet d’extraire l’amplitude de la réponse obtenue à la fréquence de stimulation. L’ensemble des réponses est porté sur une même courbe ; elle montre l’évolution de l’amplitude de la réponse –obtenue par représentation fréquentielle- en fonction de la taille des cases du damier de stimulation. « L’acuité visuelle » est extrapolée à la plus petite taille de cases du damier qui donnerait une amplitude presque nulle… 11 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 Signaux et bruits Distinguer une réponse d’un artéfact ou d’un bruit Afin de s’assurer de la fiabilité d’un enregistrement électrophysiologique, il est indispensable de déterminer si les réponses recueillies correspondent bien à l’activité électrophysiologique générée par le système visuel ou s’il ne s’agit pas plutôt d’un artéfact produit par un mouvement du patient, une électrode défectueuse ou toute autre source d’activité électrique. La figure V-1-24 montre quelques exemples classiques d’artéfacts pouvant se produire durant l’enregistrement d’un PEV. La réponse obtenue correspond à la somme de l’activité électrophysiologique générée par le système visuel -appelée le « signal »- et d’autres activités électriques sans rapport avec le système visuel -appelées « bruits »mais sans relation avec un phénomène sonore. Plus le niveau du bruit est important, plus il est difficile d’interpréter la réponse. Lorsque le niveau de bruit augmente, la mesure des valeurs de l’amplitude et du temps de culmination des ondes devient difficile voire peu fiable. A partir d’un certain niveau de bruit, on peut seulement conclure qu’il y a ou non un « signal ». Si le bruit augmente encore, on peut juste conclure que le résultat n’est pas fiable. Il est donc important de pouvoir évaluer le niveau du bruit. Evaluer le niveau du « bruit » Plusieurs solutions sont possibles Enregistrer un « bruit de fond » en dehors de toute stimulation Une première solution consiste à recueillir une réponse en l’absence de stimulation visuelle appelée « bruit de fond » (V-5 § condition de recueil et traitement du signal ss § Enregistrement du bruit de fond). Cependant, cet enregistrement étant fait à un moment différent ce celui de l’examen, il peut ne pas être représentatif du niveau de bruit, surtout si ce dernier est inconstant, ce qui est souvent le cas. Evaluer le « bruit de fond » avant l’apparition de la réponse Une autre solution consiste à évaluer l’activité électrique dans les premières millisecondes qui suivent la stimulation et qui précèdent l’apparition de la réponse. Pour les PEV par exemple, la réponse ne survient qu’environ 30 ms après la stimulation (figure V-1-25). Les fluctuations de la réponse, présentes durant ces premières millisecondes, sont supposées correspondre à du bruit. Remarque. Ce n’est pas possible dans le cas où la fréquence de stimulation est élevée, car la réponse à la stimulation précédente peut empiéter sur la réponse suivante... Réponse en représentation fréquentielle Pour les fréquences de stimulation élevées, la représentation fréquentielle de la réponse permet de déterminer facilement le niveau de bruit. En effet, on ne peut trouver dans la réponse que la fréquence correspondant à celle de la stimulation et éventuellement à ses harmoniques -c'est-à-dire des fréquences double, triple -ou plus- de la fréquence initiale de stimulation. Toute « activité » se situant en dehors de ces fréquences correspond donc à du bruit. Exemple : figure V-1-26. A gauche, la représentation fréquentielle d’un ERG flicker, avec un niveau de bruit faible, montre deux fréquences : 30 Hz avec une amplitude 12 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 importante –correspondant à la fréquence temporelle de la stimulation- et 60 Hz de faible amplitude –première harmonique, de fréquence double de celle initiale. A droite, la représentation fréquentielle d’un ERG flicker avec du bruit. Elle montre plusieurs fréquences d’amplitudes élevées, autour de 10 Hz, 15 Hz, 20 Hz, en pointillé bleu, qui ne correspondent pas à celle de la fréquence initiale de stimulation. Ce sont les fréquences « du bruit ». Comment réduire le niveau de bruit ? Comme indiqué précédemment, pour que les réponses soient bien discernables et significatives, il est important que le niveau de bruit soit aussi faible que possible. La façon la plus efficace de réduire le bruit est d’en éliminer les sources, comme cela a été dit ci-dessus. Cependant, ce n’est pas toujours suffisant et il faut alors mettre en œuvre d’autres méthodes de traitement du signal. Les limites du filtrage fréquentiel La méthode du filtrage fréquentiel des réponses, décrite ci-dessus, est efficace pour les bruits qui se produisent à des fréquences différentes de celles du signal, comme par exemple le 50 Hz généré par l’environnement électromagnétique. Elle n’est cependant d’aucune efficacité pour les bruits se situant dans la même gamme de fréquence que le signal. Sommation/moyennage Une autre méthode est celle de la « détection synchrone », couramment appelée sommation/moyennage. Son principe repose sur une sommation des réponses individuelles effectuée de façon synchrone à la répétition de la stimulation visuelle. Chacune des stimulations visuelles répétées dans le temps, est supposée générer une réponse visuelle identique à celle générée par la stimulation précédente, de même polarité, de même amplitude et apparaissant avec le même temps de culmination : la réponse visuelle est dite « synchrone » de la stimulation. Par contre, les bruits générés après chaque stimulation sont supposés être aléatoires, avec une polarité, une amplitude et des temps de culmination variables : ils ne sont pas synchrone de la stimulation. Au cours de la sommation, les bruits ont donc tendance à s’éliminer. En effet statistiquement il y a autant de « bruit » de polarité positive que négative, d’amplitude et de temps de culmination aléatoires… Amélioration du rapport « signal sur bruit » Il est démontré que si on somme n réponses individuelles, la réponse finale contient n fois le signal visuel et seulement ()n fois le bruit. On augmente ainsi le rapport signal sur bruit de ()n. La figure V-1-27 montre l’amélioration de ce rapport « signal sur bruit » en fonction du nombre de réponses sommées. Par exemple, pour 100 réponses individuelles sommées, l’amélioration du rapport signal sur bruit est multipliée par 10. Il est ainsi possible « de voir apparaître » un signal –ou qu’un signal soit « discernable »même lorsque son amplitude est nettement inférieure à celle du bruit. 13 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 Compromis : durée d’examen - amélioration du rapport « signal/bruit » Augmenter le nombre de sommations améliore le signal par rapport au bruit. Cependant, il faut trouver un bon compromis entre la durée de l’enregistrement qui augmente avec le nombre de sommations et qui risque d’entraîner une fatigue du sujet et donc des mouvements anormaux -avec intrusion de bruit supplémentaire- et une bonne qualité du signal. En principe pour l’ERG flash,( V-3-§ conditions de recueil et traitement du signal) une seule stimulation évoquant une seule réponse suffit car le bruit rétinien est très faible. En pratique, on effectue 10 sommations voire 40 sommations pour extraire les potentiels oscillatoires [Marmor et al., 2009]. Pour l’ERG pattern (P-ERG) (V-4- B-§ Conditions de recueil et traitement du signal), l’amplitude du signal étant de quelques micro-Volts, une sommation comprise entre 50 à 60 réponses individuelles apporte une amélioration du signal satisfaisante [Holder et al., 2007]. Le traitement du signal de l’ERG multifocal est spécifique, il relève d’une série d’hypothèses et de calculs mathématiques complexes [Sutter, 2000] et demande la sommation d’un millier de réponses individuelles (V-4-A- conditions de recueil et traitement du signal) correspondant à une durée de plusieurs secondes pour chaque séquence d’enregistrement… [Hood, 2000], [Hood et al., 2003]. Exemple de l’extraction d’un PEV de son bruit La figure V-1-28 montre l’exemple d’un potentiel évoqué visuel, réponse discernable du « bruit » électro-encephalographique (EEG). A droite : après traitement du signal, l’amplitude de la réponse évoquée par la stimulation visuelle est de l’ordre de 20 V. A gauche : le signal visuel émis au niveau du cortex occipital et recueilli en périphérie à la suite d’une seule stimulation n’est pas discernable car « noyé » dans l’électroencéphalogramme ambiant –qui constitue un bruit- dont l’amplitude est de l’ordre de 50 V. En procédant à un traitement du signal par sommation/moyennage de 100 réponses individuelles par exemple, enregistrées en phase avec la répétition de la stimulation visuelle, l’électro-encéphalogramme ambiant qui constitue ici le « bruit » est atténué d’un facteur 10, ce qui ramène son amplitude de 50 à 5 V. La réponse visuelle qui est de l’ordre de 20 V peut donc être discernable de ce bruit ; on a procédé à « l’extraction » de la réponse de son bruit : c’est le PEV… Rejets d’artéfacts La technique de détection synchrone suppose plusieurs conditions qui doivent être respectées pour lui donner toute son efficacité. Dans le cas de fortes perturbations des réponses occasionnées par exemple par les mouvements du patient, le nombre de sommations des réponses nécessaire pour éliminer le bruit, peut s’avérer rédhibitoire. Dans ce cas, il est préférable de ne pas tenir compte des réponses contenant des artéfacts. 14 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 Elimination des réponses contenant des artéfacts Pour ce faire, la plupart des logiciels de traitement des réponses évoquées incluent un filtre de rejet d’artéfacts. Les réponses dont les amplitudes sont trop élevées ou de vitesse de variation trop rapide, sont rejetées et ne sont pas sommées pour la constitution de la réponse. Contrôle de la stabilité des réponses individuelles Par ailleurs, la réponse doit être présente dans chacun des enregistrements. Par exemple, les enregistrements obtenus quand le patient ferme les yeux ou détourne son regard de l’écran de stimulation, ne contiennent pas de réponse. Il est donc nécessaire de les éliminer pour éviter que la moyenne des réponses ne soit d’amplitude plus faible que celle de la réponse attendue. Il est donc souhaitable que l’opérateur dispose d’un moyen de surveillance du sujet (caméra vidéo) et d’une commande qui lui permette d’éliminer les « mauvaises » réponses. Eviter les bruits synchrones au stimulus visuel Enfin, les sources de bruits ne doivent pas être synchronisées à la stimulation visuelle. Certains opérateurs essaient parfois d’attirer l’attention du patient en tapotant régulièrement sur l’écran de stimulation ; le stimulus sonore ainsi produit est plus ou moins synchrone de la stimulation visuelle. L’intention est louable mais peut générer une réponse auditive qui interfère avec la réponse visuelle… Validation statistique La technique de détection synchrone permet d’améliorer le rapport signal sur bruit. Cependant, à l’issue d’un examen, la question reste posée de savoir si le bruit a été suffisamment atténué pour que la réponse obtenue soit significative et interprétable. Nombre d’accumulations adapté mais constant Il est souhaitable de choisir le nombre adapté d’accumulations, en fonction du rapport signal sur bruit des réponses et de s’y tenir, quelles que soient les circonstances pour ne pas faire apparaître artificiellement une réponse. En effet, augmenter par exemple, le nombre de sommations des réponses individuelles au cours de fortes altérations pathologiques, peut générer une réponse qui semble discernable du bruit, alors que si on se tient au nombre prédéfini de sommations, elle est d’amplitude comparable au bruit donc non discernable… une telle réponse n’est pas fiable. Validation de la réponse obtenue Répétition de l’enregistrement : réponse reproductible ? Une solution couramment utilisée pour valider la réponse consiste à répéter l’examen et à regarder si les deux réponses ainsi obtenues sont similaires. Cette procédure double la durée de l’examen ; sa répétition à un moment différent n’est pas un gage de bonne qualité ; la seconde réponse obtenue peut être différente de la première, ne permettant pas alors de conclure. Cette procédure est cependant souvent utilisée chez l’enfant pour juger de la reproductibilité de la réponse même au cours de conditions difficiles d’examen. 15 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 Analyse statistique de la distribution des réponses Une solution plus efficace consiste à faire une analyse statistique de la distribution des réponses [Grall Y, 1977], [Hugeux JP et al., 1985]. La figure V-1-29 montre les courbes moyennes de réponses obtenues à l’issue d’examens de potentiels évoqués visuels. Sur ces courbes moyennes apparaissent en pointillés les courbes limites de l’intervalle de confiance de la réponse moyenne soit, pour chaque point, la moyenne plus ou moins deux écarts-type. On peut dès lors appliquer un critère statistique comme le test de Student pour déterminer si une onde de la réponse moyenne est significativement différente du niveau de bruit ou si deux ondes successives sont significativement différentes l’un de l’autre. La figure V-1-30 montre deux exemples de ce type d’analyse statistique. Pour la réponse moyenne figurée en haut, trois ondes sont bien individualisées ; l’application du test de Student indique qu’il y a une probabilité de 99% pour que ces ondes soient différentes du bruit. Pour la réponse moyenne figurée en bas, cette probabilité n’est plus que de 69% pour les trois ondes identifiées. Probabilité des ondes d’appartenir à une réponse : 90% Pour qu’un potentiel évoqué visuel soit bien discernable du bruit, il faut que ses ondes soient différentes du bruit avec une probabilité supérieure à 90%, ce qui veut dire qu’il n’y a que 10 % de chances que cette onde n’appartienne pas à la réponse. Par contre, pour pouvoir interpréter les paramètres quantitatifs tels que les amplitudes des ondes ou leurs temps de culmination, il est souhaitable d’obtenir une probabilité de 95 % ou plus. Analyse statistique des données Les réponses obtenues sont-elles normales ? Si les réponses obtenues sont fiables, c'est-à-dire si la probabilité de survenue de leurs ondes est élevée, comment savoir si ces réponses sont normales, c'est-à-dire si leurs paramètres quantitatifs sont dans les limites de la normale ? Pour ce faire, il faut appliquer un test statistique entre les valeurs obtenues et celles d’une population dite « normale ». L’ISCEV recommande que chaque laboratoire réalise ses propres normes, ce qui suppose d’effectuer chaque examen sur une centaine de sujets pour tenir compte de l’influence de l’âge... Normes issues d’études multicentriques Les constructeurs d’appareillages fournissent souvent des normes qui ont été obtenues lors d’études multicentriques. Ces normes permettent de déterminer la normalité des résultats à l’aide de « p-values » ou d’un code de couleur. Cependant, ces normes correspondent à des conditions d’examen bien précises. Pour les utiliser valablement, il est impératif de les respecter : même stimulation, même durée d’adaptation, mêmes électrodes, même tranche d’âge du patient … D’où l’intérêt d’une standardisation des conditions d’examen et des calibrations des appareillages entre laboratoires. 16 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 Dans l’exemple de la figure V-1-31, le temps de culmination de l’onde P100 est de 136 ms, surligné en rouge, ce qui signifie que sa probabilité d’être normale est inférieure à 0,5%. Il s’agit effectivement d’un temps de culmination augmenté par rapport à celui normal d’une onde P 100. Ce code de couleur est une aide précieuse à l’interprétation ; il recouvre une analyse statistique de normalité ou non de la réponse et attire tout de suite l’attention comme ici, sur l’anormalité du temps de culmination. Conclusion Les signaux interprétés résultent du recueil et traitements de différences de potentiel, générées à la suite de stimulations appropriées, par les réponses de groupes cellulaires situés loin des zones de recueil. Ils doivent en être le reflet le plus fidèle possible. Les électrodes utilisées doivent introduire un minimum de signaux parasites et les traitements mis en oeuvre aboutir à l’émergence d’une « réponse électrophysiologique » discernable et interprétable. Au médecin de connaître les grandes lignes des opérations de traitement du signal effectuées pour y aboutir, d’en comprendre les limites et variations qui s’en suivent et de faire la part entre une réponse, véritable reflet d’altérations fonctionnelles ou seule traduction de distorsions liées aux traitements des signaux sous jacents... Références (février 2010) des principales électrodes citées BURRIAN ALLEN: http://www.hansenlab.com DENCOTT: http://www.dencott.com ERG JET: Fabrinal SA rue de la Tuilerie 42- La Chaux-de-Fonds CH-2300 SZ GOLD LENS: http://www.diagnosysuk.com/html/goldlens.html HK-LOOP : Pr. M. Hawlina. University Eye Clinic, Medical Centre Ljubljana, Ljubljana, Slovenia. [email protected] 17 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 Figures 18 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 19 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 20 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 21 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 22 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 23 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 24 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 25 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 26 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 27 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 28 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 29 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 30 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 31 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 32 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 33 Œil et Physiologie de la Vision - V-1 Bibliographie Almoqbel, F., Leat, S.J., & Irving, E. (2008). The technique, validity and clinical use of the sweep VEP. Ophthalmic Physiol Opt, 28 (5), 393-403. [Abstract] Binnie CD, Cooper R, Fowler CJ, Maugières F, & Prior PF (1996). 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