Brevet FR3048867A1 — publié le 20170922

INRIA182 FRD Dispositif de retour neurologique amélioré L'invention concerne le domaine des neurosciences cliniques et en particulier les dispositifs de retour neurologique, également désigné sous l'expression neurofeedback. Lorsque les patients ont perdu des capacités de commande cérébrale, par exemple suite à un accident vasculaire cérébral, la rééducation neurologique est une étape longue et importante sur le chemin de la guérison. Cette rééducation est d'autant plus complexe à mettre en oeuvre que le cerveau reste dans son ensemble mal connu, en particulier en ce qui concerne les mécanismes d'apprentissage. Les techniques connues à ce jour dans le domaine du retour neurologique sont principalement basées sur des mesures de type électroencéphalogramme (ci-après EEG) ou du type imagerie par résonance magnétique métabolique et fonctionnelle (ci-après fMRI). Cette technique consiste principalement en l'alternance de périodes d'activité de rééducation choisie, pendant laquelle une mesure EEG ou fMRI est réalisée, avec l'affichage d'un retour tiré de la mesure, et de périodes de relaxation avant la répétition de l'activité de rééducation choisie. L'invention vient améliorer la situation. À cet effet demanderesse propose un dispositif de retour neurologique comprenant une mémoire propre à recevoir des données d'électroencéphalogramme et des données d'imagerie par résonance magnétique métabolique et fonctionnelle brutes, un bloc électroencéphalogramme comprenant au moins une unité de traitement électroencéphalogramme agencée pour traiter des données d'électroencéphalogramme brutes et calculer une valeur liée à une onde cérébrale, un bloc d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle comprenant au moins une unité de traitement d'imagerie par résonance magnétique métabolique et fonctionnelle agencée pour traiter des données d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle brutes et calculer une valeur de perfusion ou d'oxygénation de certaines zones cérébrales, un synchroniseur agencé pour synchroniser temporellement les 3048867 2 données d'électroencéphalogramme et des données d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle brutes et leur traitement dans le bloc électroencéphalogramme et le bloc d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, et un calculateur agencé pour déterminer un score représentant une correspondance entre des valeurs associées à 5 une activité de rééducation neurologique et des valeurs issues du bloc électroencéphalogramme et du bloc d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle obtenues à partir de mesures d'électroencéphalogramme et d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle d'un patient cherchant à reproduire l'activité de rééducation neurologique, le dispositif étant agencé pour émettre un retour neurologique au patient 10 sur la base dudit score. Ce type de dispositif est particulièrement avantageux car il permet de combiner des retours de deux types de mesure de nature différente et potentiellement complémentaire entre elles ce qui permet de réaliser une rééducation plus efficace. 15 Selon les variantes de réalisation, le dispositif pourra présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le calculateur est agencé pour commander un affichage en fonction du score calculé, - le calculateur est agencé pour commander l'affichage pendant une durée choisie 20 correspondant à une période pendant laquelle un patient cherche à reproduire l'activité de rééducation neurologique, - le calculateur est agencé pour calculer ledit score pendant une période pendant laquelle un patient cherche à reproduire l'activité de rééducation neurologique de 5 secondes à 1 minute, préférentiellement de 20 secondes, 25 - le calculateur est agencé pour mettre à jour des données de calcul du score pendant une durée choisie correspondant à une période de repos pour le patient, - le calculateur est agencé pour mettre à jour des données de calcul du score pendant une durée choisie correspondant à une période de repos pour le patient de 5 secondes à 1 minute, préférentiellement de 20 secondes, 30 - le dispositif comprend en outre un capteur électroencéphalogramme, - le dispositif comprend en outre un capteur d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle. 3048867 3 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, tirée d'exemples donnés à titre illustratif et non limitatif, tirés des dessins sur lesquels : - la figure 1 représente un diagramme schématique d'un dispositif selon l'invention, 5 - la figure 2 représente un exemple de mise en oeuvre du dispositif de la figure 1, - la figure 3 représente un exemple de mise en oeuvre d'une fonction par le bloc 10 ou le bloc 20 de la figure 1, - la figure 4 représente un exemple de mise de retour neurologique fourni par le dispositif selon l'invention, 10 - la figure 5 représente un autre exemple de mise de retour neurologique fourni par le dispositif selon l'invention. Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la 15 présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. La présente description est de nature à faire intervenir des éléments susceptibles de protection par le droit d'auteur et/ou le copyright. Le titulaire des droits n'a pas d'objection à la reproduction à l'identique par quiconque du présent document de brevet 20 ou de sa description, telle qu'elle apparaît dans les dossiers officiels. Pour le reste, il réserve intégralement ses droits. La figure 1 représente un diagramme schématique d'un dispositif 2 selon l'invention. Le dispositif 2 comprend une mémoire 4, un bloc EEG 10, un bloc fMRI 20, un 25 synchroniseur 30, et un calculateur 40. Dans le cadre de l'invention, la mémoire 4 peut être tout type de stockage de données propre à recevoir des données numériques : disque dur, disque dur à mémoire flash (SSD en anglais), mémoire flash sous toute forme, mémoire vive, disque 30 magnétique, stockage distribué localement ou dans le cloud, etc. Les données calculées par le dispositif peuvent être stockées sur tout type de mémoire similaire à la mémoire 3048867 4 2, ou sur celle-ci. Ces données peuvent être effacées après que le dispositif ait effectué ses tâches ou conservées. Dans l'exemple décrit ici, le bloc EEG comprend un capteur EEG 12 et des unités de 5 traitement EEG 14, 16 et 18. Les unités de traitement 14 et 16 sont respectivement dédiées au débruitage/ré-échantillonnage, et à l'estimation de puissance, tandis que l'unité de traitement 18 utilise un modèle de données pour déterminer des caractéristiques basées sur l'estimation de puissance, comme les ondes alpha et bêta. Les unités 14 à 18 sont reliées en série, de telle sorte qu'une image issue du 10 capteur EEG 12 est successivement traitée par celles-ci pour donner un résultat. En variante, certaines de ces unités pourraient être regroupées entre elles, d'autres omises, ou encore d'autres unités pourraient être ajoutées, et le capteur 12 pourrait être considéré comme hors du dispositif 2. 15 Dans l'exemple décrit ici, le bloc fMRI 20 comprend un capteur fMRI 20 et des unités de traitement fMRI 24, 26 et 28. L'unité de traitement 24 est dédiée au réalignement de l'image pour tenir compte des mouvements du patient pendant la capture d'image. L'unité de traitement est dédiée au traitement de l'image réalignée pour corriger les biais dus au découpage en tranche du procédé fMRI. Enfin, l'unité de traitement 28 20 utilise un modèle de données pour déterminer des caractéristiques d'activation de zones du cerveau basées sur les données issues de l'unité de traitement 26. Les unités 24 à 28 sont reliées en série, de telle sorte qu'une série d'images 3D issues du capteur fMRI 22 est successivement traitée par celles-ci pour donner un résultat. En variante, certaines de ces unités pourraient être regroupées d'autres unités pourraient être ajoutées, et le 25 capteur 22 pourrait être considéré comme hors du dispositif 2. Les unités de traitement EEG 14 à 18, les unités de traitement fMRI 24 à 28, le synchroniseur 30 et le calculateur 40 sont des éléments accédant directement ou indirectement à la mémoire 4. Ils peuvent être réalisés sous la forme d'un code 30 informatique approprié exécuté sur un ou plusieurs processeurs. Par processeur, il doit être compris tout processeur adapté au traitement de données d'imagerie et à la synchronisation de données marquées temporellement. Un tel processeur peut être 3048867 5 réalisé de toute manière connue, sous la forme d'un microprocesseur pour ordinateur personnel, d'une puce dédiée de type FPGA ou SoC (« system on chip » en anglais), d'une ressource de calcul sur une grille, d'un microcontrôleur, ou de toute autre forme propre à fournir la puissance de calcul nécessaire à la réalisation décrite plus bas. Un ou 5 plusieurs de ces éléments peuvent également être réalisés sous la forme de circuits électroniques spécialisés tel un ASIC. Une combinaison de processeur et de circuits électroniques peut également être envisagée. Les deux blocs 10 et 20 ont non seulement trait à des mesures totalement étrangères, 10 mais ils présentent en outre des fréquences d'acquisition et de traitements très différentes. En effet, le capteur 12 à typiquement une fréquence d'acquisition de l'ordre de 5 kHz et est en général ré-échantillonné à 250 Hz en sortie, alors que le capteur 22 émet en moyenne une image 3D par seconde environ. 15 La différence fondamentale de cadence ainsi que la nature a priori distincte des données tirées de ces mesures a jusqu'à présent dissuadé l'homme du métier de chercher à combiner l'EEG et la fMRI ensemble pour réaliser une rééducation neurologique. La demanderesse a découvert que les données tirées de l'EEG et de la fMRI, et que leur 20 synchronisation permettait d'obtenir des résultats remarquables. Le synchroniseur 30 a ainsi pour fonction l'alignement temporel des données dans le bloc EEG 10 d'une part et dans le bloc fMRI 20 d'autre part, et le calculateur 40 permet de calculer un score combinant les mesures synchronisées tirées de ces blocs. 25 La figure 2 représente un exemple de fonctionnement du dispositif selon invention. Dans une première opération 200, le dispositif est initialisé par une fonction Init(). Cette fonction initialise les blocs 10 et 20, ainsi que le synchroniseur 30 et le calculateur 40, et commande en outre dans l'exemple décrit ici un affichage pour l'interaction avec le patient. Ainsi, pendant la période d'initialisation, une représentation de la tâche à 30 réaliser doit être présentée et expliquée au patient, et celui-ci va être invité à réaliser cette tâche une première fois. 3048867 6 Ensuite, une boucle est initialisée dans laquelle le patient est invité à reproduire la tâche à nouveau dans une opération 210, puis à se reposer pendant une opération 220. Au cours de l'opération 210, le dispositif de exécute une fonction ActFeed() dans 5 laquelle les blocs 10 et 20 mesurent l'activité cérébrale du patient et le calculateur 40 calcule un score reflétant un retour de l'activité neurologique du patient pendant l'exécution de la tâche requise. Ce retour est affiché simultanément, de sorte que le patient peut se concentrer sur la manière de stimuler son cerveau qui optimise le retour affiché. 10 Le score issu du bloc EEG 10 peut être basé sur une évaluation de puissances dans des bandes de fréquences des signaux EEG (également appelée « Band Power » dans le domaine) lors de l'exécution de la tâche qui est demandée au patient. En effet, une tâche donnée peut être connue pour provoquer une stimulation du cerveau sous forme d'ondes 15 cérébrales s'activant dans une ou plusieurs bandes de fréquence, et le bloc EEG 10 détermine la correspondance entre les fréquences d'excitation du cerveau du patient et la « Band Power » visée. Typiquement, les ondes recherchées pourront être des ondes delta (entre 0,5 et 4 Hz), théta (entre 4 et 8 Hz), alpha (entre 8 et 13 Hz), et béta (entre 13 et 30Hz), ou encore des pics à 3 Hz. 20 Le score issu du bloc fMRI 20 peut être basé sur une évaluation du taux d'oxygène dans une région d'intérêt du cerveau. En effet, une tâche donnée peut être connue pour induire une activité du cerveau qui se traduit par une oxygénation d'une région spécifique, et le bloc fMRI 20 détermine la correspondance entre la région du cerveau 25 du patient qui est excitée et la zone cible. Le calculateur 40 est agencé pour combiner les scores issus respectivement du bloc 10 et du bloc 20, et pour les présenter d'une manière pertinente au patient. 30 Selon une première variante représentée sur la figure 4, le calculateur 40 peut utiliser les scores respectifs comme des coordonnées dans un plan en deux dimensions, et afficher un retour visuel dans lequel le coin en bas à gauche de l'image représente un retour 3048867 7 négatif et le coin en haut à droite de l'image représente un retour positif, la progression le long de l'un ou l'autre des axes indiquant que le score EEG ou fMRI s'améliore. Par retour positif, on entend le fait que les scores indiquent une activité cérébrale correspondant à l'activité attendue, et par retour négatif, on entend une activité cérébrale 5 ne correspondant pas à l'activité attendue. Selon une deuxième variante représentée sur la figure 5, le calculateur 40 peut utiliser les scores respectifs comme une dimension et une couleur pour une forme représentée, et afficher un retour visuel dans lequel la dimension de la forme est d'autant plus grande 10 que le score EEG (respectivement fMRI) est meilleur et dans lequel la couleur de cette forme peut varier du bleu au rouge selon le score fMRI (respectivement EEG), une couleur bleue indiquant score faible et une couleur rouge indiquant un score élevé. De nombreuses autres variantes pourront être envisagées notamment une évolution 15 logarithmique de la représentation des scores, ou binaire, ou par sauts. En variante, c'est le calculateur 40 et non le bloc 10 et le bloc 20 qui détermine la correspondance entre les mesures et les valeurs associées à l'activité de rééducation. 20 Au cours de l'opération 220, le dispositif est agencé pour continuer d'analyser les données issues des blocs 10 et 20, afin d'ajuster la répétition suivante de l'opération 210. Cette opération peut notamment inclure la définition de nouveaux seuils de comparaison pour le calcul des scores respectifs et/ou leur traitement par le calculateur 40. 25 La figure 3 représente un exemple de fonctionnement du bloc 10 (respectivement 20). Le bloc 10 exécute une boucle commençant par une opération 310 dans laquelle la mesure EEG (respectivement fMRI) est acquise par le capteur 12 (respectivement 22). 30 Ensuite, dans une opération 320, le bloc 10 (respectivement 20) interagit avec le synchroniseur 30 pour réaligner temporellement les données issues du capteur 12 (respectivement 22). 3048867 8 La synchronisation des données est fondamentale. En effet, les traitements de retour neurologique se mesurent par des augmentations de signal extrêmement modestes, de l'ordre de 1% pour les régions cérébrales visées, par exemple dans le cas de patients ayant souffert d'une attaque cérébrale. Il est crucial que les signaux de mesure soient 5 bien synchronisés, afin de ne pas calculer des scores basés sur des données non reliées temporellement, qui seraient moins pertinents que les scores séparés. Cette synchronisation est réalisée en utilisant des marqueurs temporels associés à chaque signal, ces marqueurs temporels présentant par ailleurs une référence temporelle 10 commune. Afin de ne pas perturber les dispositifs d'acquisition du signal, les signaux bruts sont enregistrés, et une fonction permet d'analyser les signaux acquis en recherchant des marqueurs temporels particuliers. Lors du calcul temps réel, une autre couche de synchronisation est réalisée en utilisant 15 la référence temporelle commune pour sélectionner uniquement les données pertinentes. Par exemple, dans le cas d'un retour neurologique au cours duquel une même tâche est exécutée plusieurs fois, entrecoupées de pauses, les intervalles temporels associés à chaque période d'activité ou de repos sont connus a priori, et les données sont directement découpées dans les tampons sur la base de la référence temporelle 20 commune. Inversement, dans le cas d'un retour neurologique dans lequel on demande à un patient d'exercer une activité jusqu'à ce qu'un retour neurologique soit atteint dans une fenêtre de temps donné, la synchronisation est réalisée à intervalles réguliers, de préférence à un multiple de la fréquence d'acquisition la plus importante. 25 Enfin, dans une opération 330, le bloc 10 (respectivement 30) traite les données réalignées temporellement dans les unités de traitement 14 à 18 (respectivement 24 à 28). Comme on peut le voir sur la figure 1, dans l'exemple décrit ici, le synchroniseur 30 30 interagit également avec les unités de traitement 14 et 16 (respectivement 24 et 26). Cette interaction pourra être omise en variante. Inversement, l'unité de traitement 18 (respectivement 28) pourra aussi interagir avec le synchroniseur 30 en variante. REVENDICATIONS1. Dispositif de retour neurologique comprenant une mémoire (4) propre à recevoir des données d'électroencéphalogramme et des données d'imagerie par résonance magnétique métabolique et fonctionnelle brutes, un bloc électroencéphalogramme (10) comprenant au moins une unité de traitement électroencéphalogramme (14, 16, 18) agencée pour traiter des données d'électroencéphalogramme brutes et calculer une valeur liée à une onde cérébrale, un bloc d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (20) comprenant au moins une unité de traitement d'imagerie par résonance magnétique métabolique et fonctionnelle (24, 26, 28) agencée pour traiter des données d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle brutes et calculer une valeur de perfusion ou d'oxygénation de certaines zones cérébrales, un synchroniseur (30) agencé pour synchroniser temporellement les données d'électroencéphalogramme et des données d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle brutes et leur traitement dans le bloc électroencéphalogramme (10) et le bloc d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (20), et un calculateur (40) agencé pour déterminer un score représentant une correspondance entre des valeurs associées à une activité de rééducation neurologique et des valeurs issues du bloc électroencéphalogramme (10) et du bloc d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (20) obtenues à partir de mesures d'électroencéphalogramme et d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle d'un patient cherchant à reproduire l'activité de rééducation neurologique, le dispositif étant agencé pour émettre un retour neurologique au patient sur la base dudit score. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le calculateur (40) est agencé pour commander un affichage en fonction du score calculé. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le calculateur (40) est agencé pour commander l'affichage pendant une durée choisie correspondant à une 3048867 10 période pendant laquelle un patient cherche à reproduire l'activité de rééducation neurologique. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le calculateur (40) est agencé 5 pour calculer ledit score pendant une période pendant laquelle un patient cherche à reproduire l'activité de rééducation neurologique de 5 secondes à 1 minute, préférentiellement de 20 secondes. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le 10 calculateur (40) est agencé pour mettre à jour des données de calcul du score pendant une durée choisie correspondant à une période de repos pour le patient. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le calculateur (40) est agencé pour mettre à jour des données de calcul du score pendant une durée choisie 15 correspondant à une période de repos pour le patient de 5 secondes à 1 minute, préférentiellement de 20 secondes. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un capteur électroencéphalogramme (12). 20 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un capteur d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (22).