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AVERTISSEMENT



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http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php
http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm
´Ecole doctorale IAEM Lorraine
Institut National Polytechnique de Lorraine
Contribution `a la d´etection et `a l’analyse des signaux
EEG ´epileptiques : d´ebruitage et s´eparation de sources
`THESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 24 f´evrier 2010
pour l’obtention du
Doctorat de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
Sp´ecialit´e Automatique, Traitement du signal et des Images, G´enie informatique
par
´Rebeca del Carmen ROMO VAZQUEZ
Composition du jury
Rapporteurs : Sylvie CHARBONNIER GIPSA-lab, Universit´e Joseph Fourier, Grenoble
Christian VASSEUR LAGIS, Universit´e des Sciences et Technologies de Lille
Examinateurs : Philippe DERAMBURE Laboratoire de physiologie, Facult´e de M´edecine, Lille 2
Val´erie LOUIS-DORR CRAN, Nancy Universit´e
Didier MAQUIN CRAN, Nancy Universit´e
Radu RANTA CRAN, Nancy Universit´e
Invit´e : Louis MAILLARD CRAN, CHU de Nancy
Centre de Recherche en Automatique de Nancy CNRS – UMR 7039
Nancy-Universit´eMisenpageaveclaclassethloria.Remerciements
LestravauxderechercheprésentésdanscemémoireontétéeffectuésauCentredeRe-
chercheenAutomatiquedeNancy(CRAN),UnitéMixtedeRechercheNancy-Université,
CNRS(UMR7039),danslegroupethématiqueIngénieriePourlaSanté(IPS).
Je tiens à remercier mes rapporteurs Madame Sylvie CHARBONNIER et Monsieur
Christian VASSEUR pour m’avoir fait l’honneur d’évaluer mes travaux de recherche,
et pour leurs remarques qui m’ont permis d’améliorer ce manuscrit. Merci également à
Monsieur Philippe DERAMBURE et Monsieur Louis MAILLARD pour l’honneur qu’ils
mefontdeparticiperàmonjurydethèse.
CetravailaétéeffectuésousladirectiondeMonsieurDidierMAQUIN,MadameVa-
lérie LOUIS-DORR et Monsieur Radu RANTA. Je les remercie pour m’avoir fait bénéfi-
cierdeleurexpérienceetdeleurscompétencesetpourleurpatiencenotammentpendant
l’étapederédaction.
UngrandmerciàMonsieurMAQUINpourtousvosconseilsprécieuxetpourm’avoir
apprislessubtilitésdelalanguefrançaiseetnotammentdulangagescientifique.
Mes sincères remerciements vont à Valérie pour votre soutien, votre disponibilité et
vosprécieuxconseilsscientifiquesapportésàcetravail.
Comment ne pas exprimer toute ma gratitude à Radu pour m’avoir fait confiance
malgrémesconnaissances,plutôtlégères,entraitementdusignalaudébutdemathèse.
Je te remercie profondément pour m’avoir encadrée, guidée, encouragée et conseillée
pendant toutes ces années avec ta bonne humeur, ta disponibilité et surtout toutes tes
qualités humaines remarquables qui m’ont permis d’avancer dans les meilleures condi-
tions.Laconiquement,MERCI!
Je tiens à remercier les médecins neurologues qui ont beaucoup contribué à ces tra-
vaux,MonsieurJean-PierreVIGNALettrèsparticulièrementMonsieurLouisMAILLARD
poursonaidesiprécieuseetsadisponibilité.UngrandmerciaussiàLaurentKOESSLER
poursonaide.
Jeremerciemescollèguesdulaboratoire:dudébut,Yahir,Juanito,Gabriel,Gilberto,
Diego,Yannick,Sophie,Emilie,Ivan.Etaceuxdelafin,quiontrendul’étapederédaction
pluslégèreHugo,Ricardo,Christophe,JulieetNedia(particulièrementpourlesréunions
defillesdulundimatinetpourtouteslescorrectionsdufrançais).
Je remercie également mes amis mexicains pour leur soutien et leur amitié, Silvia et
Pedro(quim’ontaidédepuismonarrivée,mêmesansmeconnaître),Yahir,Juanito,Dora,
Sinuhe,Joel,Gabriel,Vicky,Oscar,Guille,Evaristoetlesmexicainsadoptés:Diego,Pilar,
iYolandaetAnna.
MerciàGregoryetArnaudpourleuraideetleuramitié.
JetiensàremercierlepeupleduMexiquepourlesupportfinancierqu’ilm’aaccordé
pour la réalisation de cette thèse à travers CONACyT (Consejo Nacional de Ciencia y
Tecnologia).
Atoutemafamille,mabellefamilleetmesamisauMexiquepourleursoutienetleur
intérêt.
Bien évidemment, je ne pourrais terminer sans adresser un immense merci à mes
parents Efraín et Carmen, ma sœur Avenilde et mes frères Israel et Jose Efraín qui ont
veillé sur moi depuis toujours, qui m’ont soutenue sans faille dans tous mes projets et
qui ont accepté mes choix sans pour autant toujours les comprendre ...MIL GRACIAS
porseryestar!
Sans oublier Hugo, que je remercie du fond du cœur, je te dois ce travail ...Tu m’as
toujourssoutenueduranttoutescesannées.Mercimillefoispournotrecomplicité,toutes
nosjoiesetnoseffortscommunsetsurtouttacompréhension...Porelplacerdecoincidir
...milgracias!
Enfin,mesplusgrandsremerciementsreviennentàmonpetitAndréEphrain,arrivé
aumilieudecettethèse,pourrendremavieplusheureuseetintéressante,pourtessou-
riresquifontdechaquematinlemeilleurmomentdelajournée.
MerciàDieupourlesopportunités...
iiÀ mes parents
À Hugo
À André Ephrain
iiiivTable des matie`res
Introduction 1
Chapitre1Contextemédicaletproblématique 5
1.1 Contextemédical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Lecerveau:basesanatomiquesetphysiologiques . . . . . . . . . . 5
1.1.1.1 Anatomieducerveau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1.2 Physiologiecérébrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.1.3 L’activitéélectromagnétiquecérébrale . . . . . . . . . . . 7
1.1.2 L’épilepsie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.2.1 Typedecrise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.2.2 Lesmécanismesépileptiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.2.3 Lestraitements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.3 Mesuredel’activitécérébrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.3.1 Lesméthodesnoninvasives . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.3.2 Lesméthodessemi–invasives . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.1.3.3 Lesméthodesinvasives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.1.3.4 Laneuro–imagerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2 Objectifsetproblématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.2.1 Objectifsmédicaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.2.2 Objectifsscientifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.2.3 Problématique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.2.3.1 Séparationdesources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.2.3.2 Identificationetéliminationautomatiqued’artéfacts . . . 35
1.2.3.3 Débruitageparondelettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.2.3.4 Chaînedetraitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.3 Plandelathèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
vTabledesmatières
Chapitre2Séparationdesources 41
2.1 SASpourl’identificationdesartéfactsenEEG . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.1.1 Lestypesdemélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.1.2 Famillesd’algorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1.3 Limitesdelaséparationdesources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.1.4 Estimationdelamatricedeséparation . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.1.4.1 Blanchiment(décorrélation) . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.1.4.2 Séparation de sources par statistique d’ordre supérieur –
AnalyseenComposantesIndépendantes . . . . . . . . . . 50
2.1.4.3 Séparationdesourcesparstatistiqued’ordredeux . . . . 54
2.1.4.4 Modifications(optimisations)desméthodesclassiques . . 58
2.1.4.5 MéthodesdeséparationdesourcesetEEG . . . . . . . . . 60
2.2 Méthodologiedesimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.2.1 Critèred’évaluationpourlaSAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2.2 Signauxdetest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.2.2.1 Simulationdesourcesd’activiténormale . . . . . . . . . . 63
2.2.2.2 Simulationdel’EEGnormal . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.3.1 Signauxsansbruit,matricedemélangeinconnue . . . . . . . . . . 67
2.3.2 Signauxbruités,matricedemélangecommune. . . . . . . . . . . . 70
2.3.3 Signauxbruités,matricedemélangeinconnue . . . . . . . . . . . . 76
2.3.4 IllustrationsursignauxEEGréels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Chapitre3Identificationautomatiquedesourcesd’artéfacts 85
3.1 ClassificationdessourcesEEG:étatdel’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.1.1 Extractiondescaractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.1.2 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.1.2.1 Systèmeexpert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.1.2.2 Classificationsupervisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2 ClassificationdessourcesEEG:miseenœuvre . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.2.1 Acquisitiond’EEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.2.1.1 Montaged’acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.2.1.2 Duréed’acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.2.1.3 Eliminationdelalignedebase . . . . . . . . . . . . . . . . 92
vi3.2.2 Extractiondescaractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.2.2.1 Caractéristiquesspatiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.2.2.2 Similaritéavecdessignauxderéférence . . . . . . . . . . 95
3.2.2.3 Caractéristiquesfréquentielles . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.2.3 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.2.3.1 Systèmeexpert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.3.2 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.3 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.3.1 Evaluationquantitative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.3.2 Validationmédicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.4 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.4.1 Evaluationquantitative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.4.2 Evaluationclinique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Chapitre4Débruitageparondelettes 119
4.1 Débruitageparondelettes–étatdel’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.1.1 Décompositionenondelettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.1.1.1 Signalinformatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.1.1.2 Bruitaléatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.1.2 Débruitageparseuillagedescoefficientsd’ondelettes . . . . . . . . 123
4.1.2.1 Algorithmegénéraldudébruitage . . . . . . . . . . . . . 124
4.1.2.2 Calculduseuil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.1.2.3 Stratégiesdeseuillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.2 Combinaisonsdeméthodesdetraitement:SAS,débruitageetclassification 128
4.2.1 Chaînesdetraitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.2.2 Ordonnancement:débruitageetséparation. . . . . . . . . . . . . . 132
4.2.2.1 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.2.3 Ordonnancement:débruitageetreconstruction . . . . . . . . . . . 140
4.2.3.1 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.3 DébruitagedesEEGréels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.3.1 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.3.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
vii