Brevet FR3001379A1 — publié le 20140801

PROCEDE DE ..CICA.L.SATION D'UNE ACTIVITE CE.FEBRALE, NOTAMMENT COMMANDE NEURONALE DIRECTE L'i.:\[-nticA porte ski r. procédé de localisation de l'activité ébrale d'un Li, notarnr )ar nagnétoencéphalograelie. L'invention Dplique en particulier au cjon-iajne la commande neurce directe. La commande neuronale directe (Bd, de anglais « braincomputer interface », ou interrace, cerveau-ordinateur) ermet d'établir une ornmunication entre un utiHsateur et une nnaci--,:.nc.., (typiquement un ordinateur) à travers des signaux neuronaux issus de l'activité cérébrale d'un 10 sujet sans recourir à la voie musculaire, ce qui constitue un ré:1 ccir pour les personnes souffrant de ç»..aves paralysies. Les systèmes non intruslfs de commande neuronale directe utHs, le plus souver'....' -%lectroe.,:fenccgr N° (17=EG) comme méthode d'acqu de ractk.fi- cérébrale. On place ainsi un certain o 15 d'électrudes à la surface du crâne dans le but d'y mesurer ctivité électrique reflétant l'activité cérébrale du sujet. Cc J5 tec. plus performantes mais aussi plus électrocodicographiques (ECoG), prélevés à la surface du x, voire des signaux prélevés par des électrodes profondes. La r--iagnétoencéplographie 20 (MEG) est une technique non intrusive, dont l'HIlîsation en commande neuron directe est conceptuellement r'itcl-essante, car les signaux magnétiques ne subissent pas - ou peu - de distorsion lorsqu'ils se propagent à travers le crâne. Son principal inconvénient, qui en pratique la mite à des applk.sations expérimentales, est l'insuffisante miniaturisation des 25 capteurs IT -encéphalographiques. uelle que soit la méthode d'acquisition de l'activité cérébrale utilLréc, le principe à la base de la commande neuronale directe consiste nénalement à associer une ou pusirLrs t3plies mentales (action imaginées r le sujet) à une ou plusieurs actions réalisées par un effecteur. Par 30 exemple, l'irc cn du mouvement de la main droite peut être associée au déplacement n la droite d'un curseur. La prise en compte de l'information spatiale véhiculée par reS signaux neuronaux est importante pour réaliser cette association. En effet, l'effectuation de tâches mentales différentes active différentes régions du cerveau, ou les mêmes régions mais d'une manière différente. Pour préserver au maximum cette information spatiale on utilise, dans la plupart des cas, un grand nombre de e;apteurs (jusqu'à une centaine). Cette approche présente plusieurs inconv&r-i:ents : une gêne pour l'utilisateur, un temps de préparation long, un coût ce!c.e1-:doire élevé. En outre, cetsi.ns types de traitements montrent des limitations quand le nombre de capteurs augmente (par 10 exemple, on observe ci- EffEits (ie sur-apprentissage). Ainsi, des techniques ont été développées p ciéteriTler les emplacements optimaux, sur le cOne ou à la surface du cor-ex dun sujet, où ejtuer un nombre eus-si limité f.e possible de capteurs. Par exemple: '.e.dicle de Fi aca T. Aksenova, et S. Bonnet, « Filtrage spatial robustc à partir d'un eensemble 15 optimal d'élcr:7(rodc7s en BCI EEG » GRETSI 2009, 8 - 11 septembre 2009, décrit une méode de sélection ascendante (ctest-à-!quelle on construit progressivement un ensemble optima1 de pletii.$), benee ur un critère de corrélation multiple de la log-variance des signaux EbG après filtrage fréquentiel. 20 La demande de brevet en France 12 56292, déposée le 29/06/2012, décr.1 un procédé de localisation de l'activité cérébrale d'un sujet drins une tâche, , en parncuL,eF la gnétoencéphographie. Ce procédé e base sur le calcul d'un ooef-ficient de détermination e d) de visualisation, pendant laquelle ,-i-)n projette des vareurs indicatives des coefficients de corrélations détrmirôs pour chaque dit capteur sur un modèle triciirnennnel cun corticale, et l'on réalise une interpolation rS entre difie-ents points d'un mailla. -.- ladite surface. Un autre objet de l'invention est Li. procédé de localisation de 10 c7iteurs d'activité cérébral: pour commande neuronale directe comportant : une drc de localisation d'une activité cérébrale, mise en oeuvre procédé t& que défin c.:-dessus ; et une étape de détermination de localisatiorn-, Lrmales desdits capteurs d'ao,iviLé cérébrale en fonctio:n des re.-k::Jt..s, de lad étape 15 de localisation d'une ac:':ivité cérébrale. D'autres caractéristiques, détails et avantages de 1venion ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exer.., et qui rerdsertent, respectivement : - Les figus 1A et 1B, ciels mappes des coefflc.:e!-1, de 20 corrélation entre un st.mulus visuel (OK) et des 'ignaux magnétoenc3 ' s acquis sur un sujet qui, en réponse à ce stimulus, d'effectuer un mouvement de l'indice gauche et de l'indice droit, respectivement ; et 2, des mappes de coefficients de corrélation 25 obtenues par un r _ Lx" _lé conformément à un mode de i1sadon de culsHé.;-ant conjointement les signaux magnétoencéphalographiques acquis en cc,Tespondance des deux Uiches considérées. A titre d'exemple non limitatif, Pi'->Nontion sera dda e en référence à un mode de réalisation particulier, dans lequel les e..:;gnaux 30 reprdse.tetifa a c-Uvité cérébrale sont acquis au moyen de capteurs rnago6toencèoh cg hiques constitués par deux gradiomètres sensibles à des composardes orthogonales entre elles et parallèles à la surface du crâne du p.. ' d'un champ rr.- figue véneoé par le cortex cérébral du sujet. Dans cc:,1exemple, le stimultr visuel et les deux tâches effectué-- par le sujet consistent à imaginer un mouvement de frappe de l'index gLucou droit, respectivement. Pour la première tàche effectuée (mouvement imaginaire de l'indexe gauche), pour chaque captcu:- et pour chaque stimulus visuel on acquiert un snv cpésenurtif ,;.-1'u1e activité cérébrale du sujeL , comme en général chaque capteur corrpvund luseurs capteurs élémentaH-Ecas présent, deux gradiomètres), le signal présente plusieurs compusartes. 10 Une analyse temps-fréquence permet de représenter ce signal souo orme vectorie!'e : x (ti+T)=[x.ifi(ti xlfm(ti +t) xNc, , xNcfm(ti+t)froù _ fm sont des composantes spectrales du signal, l'expcvrt de valeur compris ,;.:ntre 1 et Nc identiii- oc composErTii:,,;-.; du signal provenant des différents capteurs élémentaires: INc=2), t esr l'instant auquel le i-ème stimulus est 15 rdmnistré et T est e îomps d'acquisition (tempsultf.: depuis l'instant t1). La (imension de la varlabke vectorielle x est (Ione N,M. Celte opération est rép une pluralité (N>1) de fois, et les vecteurs x ainsi obtenus sont utilisés pour construire la variable matricielle X définie de la manière suivante : 20 X= 1 2 (ti + r) xfi 2 Xfi r 2 + r) X f2(ti+T) 1 r ^ I 2 r 2 r Xfi + "1-) Xf2 X +r) x"f2(./2 + ( ) +r) + r) On déCoit aussi le vecteur d'observation y(t), qui vaut 1 pend a nt -',adm d'un stimulus dé-c:enchant ladite première tâche. et 0 autrement : y = (y(t,) y(12) ... On rappelle que x(t+ z) représente la composante 25 .;,-.)e,',trale, dans la banle de fréquence fk du gradiomètre i mesurée à au - temps t suivant l'instant ti d'enregistrement de la var13ble l'observation y(t). Pour calcu or le coefficient de corré atk-Dri R(t) on effectue d'abord une régression linéaire de y par rapport. à X, en écrivant : 52(0 = + iI où le vecteur peut être obtenu par la méthode des moindres carrés, auquel cas b=(X.r," y Puis on applique la formule : R (77) =1 1G(t) -37)2 La figure 1A montre de5:-, mappes du ric.ent de cc,- R(t) ainsi ol.-..)tenu, pour différentes vaicurs du temps T. La'..vgure 1B montre des meppn ebtmnLes de façon analogue, -nais pour une deuxième tâche Dginer un mouvement de frappe de l'index droit. Sur ces lo figues, on observe que des corrélations .ficatives au niveau du cortex postérieur (zone visuelle du cortex - représentée dans ia rebc supérieure de chaque image), dès T = 0,08 s. Cette corrélation corresperd à la perception du stimulus visuel par le sujet. Elle est donc sans rapport avec la corré,h-in-on que l'on souhafte mettre en évicit:71c(7, en lien avec la réalisation de la tâche 15 par le sujet. Cdtt:.-.; corrélation « L a» est localisée en regard des régions rnOEH('et non visuelles, du cortex. Ces -(:;(-4bns motrices apparaissent sous la ferme dL zones sombres ponctu&c3 sur es figures 1A et 1B, pour T > 0,48s. Dans la suite on désignera per XL et XR les matrices X 20 correspondant aux exemples rust.,.-s sur les .:ygures 1A et 1B, respectivement. Ainsi, XL correspond à un mouvement imaginaire de l'index gauche, tandis que XR correspond à un .mouvernequ -naginaire de l'index droit. En outre, on désignera par YL et YR les vecteurs d'observation y correspondant aux cas illustrés sur iOS figures 1A et 1B. 25 Chaque matrice (XR ou XL) est centrée et normakée suit : - On identifie les lignes i qui correspondent à y(t) =0, ce qui permet de constituer une sous matrice XR (respectivement XL), ne comportant que ces lignes i ; - On détermine la valeur moyenne de chaque colonne de cette sous-matrice, ce qui permet d'avoir une matrice ligne ; - On soustrait terme à terme cette matrice ire de chaque rrc e la matrice XR (respectivement XL) ; - On détermine la variance de chaque colonne de la matrice X'R (reFnectivement X'L) ainsi obtenue, ce qui permet d'avoir une matrice ligne rec-ésentant la variance de chaque colonne ; - On divise chaque terme d'une colonne çe te matrice X'R (respectivement X'L) par le terme correspondant dans :c. matrice ligne 10 (normalisation par la variance). Cela permet de s'affranchir de la «veeeice physiologique », c'est-à-dire d'une dérive temporelle des signaux rrrsures au cours des séries d'acquisitions. Cette étape, optionnelle, n'es écessaire, lorsque les acquisitions sont rapprochées, notarnn-L les acquisitions sont 15 entrelacées. On en io uie me cem onite Xc, obtenue en concaténan es mais XR et ou, plus explicitement : L (ti m +7) x11, ( f2 + r) + r) r) (t7± r) 20 Xc = I x(t+ r) -1 - xf; (e, +2-) xIL ft 2 + fl 2R / Xf 21 + r) t.+1-) xf2R2 (t2 +7-) ... 'AB 21, 2L X fi N Xf2 (tAr + De même, ol-1 (tant un vecteur ci'obse.:vation composte yc, qui est la concaténation des vecteurs yL et YR, Y c Puis on détermine un coefficient de corrélation Rc(T) de Xc avec yc comme précédemment indiqué. La figure 2 !rentre des mappes de ce coefficient de corrélation « co osite » R(t) pour ci -irecites valeurs de T. On observe une résolution ssé iéliorée par rapport aux cas des figures 1A et 18, nolamrriet eu:Lee . et 0,72 s. Surtout, les corrélations au niveau des ré ,s visuelles du cortex ont dïspw, Les vecteurs yR et y_ peuvent être indépendants l'un de l'autre, mais généralement de la même taille, ou de tilles comparables. Par le procédé décrit r.'.',-dessus on aboutit à un coefficient de 10 corrélation par point de mesure eapiét,,, en fonction du temps T entre le stimulus et la rincsnrc., On dispose alors dc valeurs de coefficients de con-(.1aiiion selon un roéoge spatial défini pu ho positionnement des capteurs.. Il est possible de se baser sur ce maillage pour réaliser une projection desdites valeurs à la surface du cortex. Pour cela, la surface du cortex est 15 obtenue, par exemple à partir de rrésures IRM, puis est ; (-)d;,:isée. Le maillage formé par les différents capteurs èst ensuite recalé par rapport à ce modèle, par exemple en utiiïsa.nt des repères stéréotaxiques visibles en IRM, notamment des puC :es ri sol de gadolinium disposées sur la tête du patient. A pa,;--Lir des valeurs de coefficients de détermination, on 20 une projection sur le modèle de la surface corticale, la valeur attribuée élément de ladite surface corticale étant issue d'une interpolation ente différents points du mailiage, par exemple les trois pu.s proches voisins, le critère de pondération étant une Dans certaines applications on se limite à considérer les 25 vP!eurS ebsolues des coefficients de corrélation, leurs signes ne présèntant pondi - - Ainsi, de préférence, des capteurs destinés ?- :6,E7iser une coimanr' noorciale directe seront. placées de pr r renco en correspondance des régions du coui,ex présentant les cee.ïidents de cororaon :es plus éle (:,c-n valeur absolue) avec les tâches Leis(es pour 30 la commande. II convient de noter que ces capteurs peuvent être Cie .:,r-ts de ceux utilisés pour la localisation de l'activité cérébrale. Par exemple, des capteurs mar, ,r ncCoç- ques peuvent être utilisés pour localiser l'activité cé.-ébrE-:t!. pnformément à nvention et des électrodes d'ECoG peuvent être pJur la commande neuroriale. directe. L'invention n'est pï',7; ni1é au mode de réalisation décrit ci-5 dessus ; en effet, plusieurs variantes peuvent être envisagées. Par exemple : - Toujours dans le cadre d'un mode de réalisation exploitant la nau:âtoencéphalographie, les capteurs peuvent &ri-0 dn type différent, et notarnru: comprendre un magnétor7drn en remplaco'mrt, ou en complément, des gmdiomètres ; de même, une composante du champ 10 magnétique perpend°c,..ire à la surface du crâne peut également être mesurée. - D'autres techniques de détection et mesure de l'activité c-,;'-ébrale peuvent être utilisées, telles que l'électrocorticoçyapHe ou l'(,>Iectroencéphalographie. 15 - Les deux tâches considérées peuvent ne pas couespondre à des mouvements symétriques du corps du peut égaiement s'agir de mouvements de membres ddïérents (pa7 mouvement d'un bras et d'une jambe), sit_6s du rm ou de côtés opposés du corps, ou même de tâches do rure différente, n correspondant 20 pas (ou dont l'une ne correspond pas) à un mouvement réel ou imaginaire ; par exemple, une tâche peut consister à imaginer une couleur. - Le certrge et la norma3ation ér:es de signaux sont avantage-A, mais pas essentiels, En outre, oc.5 traiternn4:..s, ditterents de ceux décrits peuvent être appliqués aux signaux afin de déterminer les coefficients 25 de corrélation. - Le procédé peut être utilisé i7).\./F..,:.; un seul capteur, si l'on souhaite uniquement étudic:r d'une région spécifique du cerveau lors de l'effeh..uat,n d'une tâche :L'inveior1 ac....,rriet aussi d'autres appt,cations que la 30 cor ' neuronale directe, par exemple la recherche oridamentale en neurol>t'ences. REVENDICATIONS1. Procédé de localisation d'une activité céivp: comportant les étapes suivantes : a) Adresser à un sujet ie pren-Ha série de stimuli sensoriels et acquérir, au moyen d'un enser-nblE. de capteurs, des premières séries respectvf: siqnaux représentatifs d'une activité cérébreh associée à u première t;, effectuée ou imaginée par ledit sujet en réponse aux L-7.:11i sensoriels c_ première série, chaque dit capteur étant tcbe à 10 l'activité d'une région resp1i,,,re du cerveau dudit sujet ; b) - audit sujet une deuxièm stimuli scr:ri:,r,or:sis et acquéri:., tu moyen dudit ensemble de capteurs, deuxièmes sZi-lE?s respectives de signaux représentatifs d'une activité cérébrale - à une deuxième tâche, différente de laci:te premiè!-e tâche, effectuée ou 15 imaginée par ledit sujet en réponse aux sljrnuli sensoriels de ladite deuxième série ; et c) Pour chaque dit capteur, construire une variable multidimensionnelle représentative de la première et de la dauxiE',:,rno série correspondantes de signaux, et déterminer un coefficient de corrélation entre 20 variable multidimensionnelle et un vecteur d'observation représentatif desdits premier et deuxième stimuli sensoriels. 2. Procédé selon la revencil,..-.Ation 1, dans lequel ladite première tâche' correspond à un mouvement d'un membre droit du corps dudit 25 sujet il'auxième tâche correspond à un mouvement d'un membre gauche, ou vice-versa. 3. Fcdéionl. revendication 2 dans Iodu brun:Lé:ro târT.:;hc corre- or iJrl rn LiV e ri"U.:11't d'un membre droit du co 30 sujet et ladite deuxième tâche correspond à un mouvement symétrique du membre gauche correspondant, ou vice-versa. 4. Procédé selon l'une des revencftations 2 ou 3, dans lequel ladite étape c) comprend la concaténation de:dites première et deuxième série de signaux, avec changement de signe de l'une d'entre elles. Procédé selon l'une des revencflconrc précédentes, dans lequel k3.5_3Ci1tS stimuli sensoriels de ladite première et de ladite deuxième série sont de même nature. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, 10 dans equel ladite étape c) comprend la réalisation d'une analyse temps-fréquence desdites séries de signaux, moyennant quoi ladite variable multidimensionnelle est une matrice. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, - ns lecalel ladite é- ) comprend une opération de no r- on et centrage desdites - ,n aux. 8. Procédé selon l'une des rovendications précédentes, dans lequel lesdits capteurs sont des capteurs r,lc. - ' .:)encéphalographiques. 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel chaque dit capteur comprend une paire de gradionnètrei agencés pour acquérir deux composantes spatiales distinctes d'un grad .;nt d'un champ magnétique généré par le cerveau dudit sujet. 10. Procédé selon l'une dei revendications pr, cédente compnnant également une étape d) de visuesation, pendant laqm on omette des valeurs indicatives des coefficients c.a corrélations c' : 11171éS pou; - chaque dit capteur sur un modèle tridim.c.ilsonnel d'une surface cc.licale, 30 et l'on ràaliso une ir-(teripc)latlon desdites valeurs entre différents points d'un 20 2511. Procédé de localisation de capteurs d'activité cérébrale pour commande cw-cnale directe comportant : - une étape de localisation d'un- ct.vité cérébrale, mise en oeuvre par un procédé sFilon l'une des reveridicalions précédentes ; et - L tape de détermirtion de locsE-fhons optirnales desdits cpteu uvi1é céréhre en fonction des résultat de ladite. étape de localisticy-I d'une activité Gérébr