Optimal control of non-invasive neuromodulation for the treatment of sleep apnea syndromes (2018)

Le syndrome d'apnee du sommeil (SAS) est une maladie multifactorielle caracterisee par des episodes recurrents de pauses respiratoires ou des reductions significatives de l'amplitude respiratoire pendant le sommeil. Ces episodes peuvent provoquer des reactions cardiorespiratoires aigues; deleteres a long terme. Plusieurs therapies ont ete proposees, etant la pression positive continue des voies respiratoires (CPAP) le traitement de reference. Malgre ces excellents resultats chez les patients symptomatiques, le taux de refus initial est de 15% et une adhesion a long terme est difficile a atteindre. Par consequent, le developpement de methodes de traitement non invasives, avec une meilleure acceptabilite, reste d’une importance majeure. Dans ce contexte, l’hypothese qui sous-tend ce travail est qu’une stimulation kinesthesique controlee, delivree au cours de la phase precoce de l’apnee, peut reduire la duree des evenements respiratoires et, par la suite, limiter les desaturations d’oxygene associees, par une activation controlee du reflexe de sursaut. La premiere partie de ce manuscrit est consacree a la description d'un nouveau systeme (PASITHEA) de surveillance en temps reel et de neuromodulation therapeutique, qui fonctionne comme un dispositif polyvalent de diagnostic et de traitement de SAS par stimulation kinesthesique. Les principales contributions de cette these se concentrent sur les aspects du traitement du signal et du controle de ce systeme, ainsi que sur l'electronique associee. Une autre contribution est liee a l'evaluation de ces methodes et dispositifs par des protocoles cliniques specifiques. Dans une deuxieme partie, nous proposons une premiere methode de controle On/Off optimale pour delivrer la stimulation, en utilisant comme variable de controle la sortie d'un detecteur d'evenements respiratoires en temps reel. Lors de la detection d'un evenement, une strategie de stimulation unique avec amplitude de stimulation constante est appliquee, cette derniere a ete mise en œuvre dans le cadre d'un premier protocole clinique dedie a l'evaluation de la reponse du patient au traitement. Les resultats ont montre que 75% des patients repondaient correctement au traitement en termes de durees des episodes respiratoires. De plus, des diminutions significatives de la variabilite du SaO2 ont egalement ete constatees lors de la mise en œuvre d'une nouvelle methode d'analyse aigue. Puisque nous avons suppose qu'une selection inappropriee des patients pourrait expliquer l'absence de reponse observee chez 25% des patients. Nous avons propose une methode pour differencier les patients qui pourraient beneficier de cette therapie, basee sur l'estimation d'indices de variabilite cardiaque. Les resultats de ces analyses ont montre que l'efficacite de cette therapie semble correlee a un systeme nerveux autonome fonctionnel. Enfin, une methode amelioree de controle en boucle fermee, integrant des correcteurs proportionnels-derives (PD) couples et simultanes a ete proposee afin de modifier de facon adaptative l’amplitude de stimulation kinesthesique delivree au patient par le systeme therapeutique, en utilisant comme variables de controle des signaux physiologiques enregistres en temps reel. Un deuxieme protocole clinique visant a valider l'algorithme de controle de la stimulation kinesthesique adaptative specifique au patient a ete initie. Plusieurs ameliorations ont ete effectuees a la premiere version du systeme afin de permettre l'integration du controleur propose. Les resultats preliminaires de cette etude ont valide le fonctionnement de notre controleur et ont montre que notre systeme etait capable de fournir une stimulation kinesthesique adaptative en fonction des reponses propres au patient. Une autre phase de cette etude, mettant en œuvre le controleur avec un ensemble des parametres de controle preselectionnes, est actuellement en cours.