EP2564326A2 - Procédé et système d'analyse de l'activité respiratoire d'un patient et applications correspondantes - Google Patents

Procédé et système d'analyse de l'activité respiratoire d'un patient et applications correspondantes

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EP2564326A2
EP2564326A2 EP11723517A EP11723517A EP2564326A2 EP 2564326 A2 EP2564326 A2 EP 2564326A2 EP 11723517 A EP11723517 A EP 11723517A EP 11723517 A EP11723517 A EP 11723517A EP 2564326 A2 EP2564326 A2 EP 2564326A2
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EP
European Patent Office
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signal
respiratory activity
respiratory
phase
elementary
Prior art date
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Ceased
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EP11723517A
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German (de)
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Inventor
Patrick Hanusse
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Publication date
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Publication of EP2564326A2 publication Critical patent/EP2564326A2/fr
Ceased legal-status Critical Current

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    • G06F17/14—Fourier, Walsh or analogous domain transformations, e.g. Laplace, Hilbert, Karhunen-Loeve, transforms
    • G06F17/141—Discrete Fourier transforms

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for analyzing the respiratory activity of a patient, the method comprising the steps of acquiring at least one respiratory activity signal comprising at least one elementary signal corresponding to one cycle.
  • the general form of which can be expressed by is the phase of said elementary signal, and of analysis
  • It also relates to applications thereof for controlling a respiratory assistance device and a respiratory monitoring device.
  • a respiratory activity signal is a signal for measuring the variation of a magnitude related to the respiratory activity of the patient, such as airflow and pressure, or the concentration of oxygen and carbon dioxide at the same time. entry of his respiratory tract, or the concentration of oxygen in the blood.
  • a respiratory activity signal can be measured by non-invasive measuring devices, for example a flow or pressure sensor integrated into a mask placed in front of the patient's mouth or an oximeter, or by internal sensors, for example pressure sensors placed in the breathing circuit of the patient.
  • Such signals can also be derived from electrocardiogram signals.
  • the respiratory activity consists of a succession of respiratory cycles, including an inspiratory phase and an expiratory phase, at a frequency called respiratory rate. Therefore, the respiratory activity signals are quasi-periodic signals, comprising a succession of elementary signals, each of these elementary signals being characteristic of a respiratory cycle.
  • the waveform of respiratory activity signals is characteristic of this respiratory activity, and their analysis can effectively detect any respiratory abnormalities.
  • Fourier decomposition consists of breaking down a periodic signal of frequency f into an infinite sum of sinusoidal functions with multiple frequencies of f, weighted by the Fourier coefficients. These Fourier coefficients, which constitute a coding of the signal analyzed, are characteristic parameters of this signal. In practice, the number of Fourier coefficients retained is limited, and only the first terms of the Fourier decomposition are kept. These terms, however, must be sufficient to characterize the signal effectively.
  • the respiratory activity signals are anharmonic signals, that is to say nonlinear signals, and the Fourier decomposition of such signals requires a large number of coefficients to be conserved, coefficients which are difficult to make sense of. physical. Fourier decomposition is therefore unsuitable for the analysis of these signals.
  • the purpose of the invention is therefore to enable the analysis of the waveforms of respiratory activity signals by means of a small number of parameters carrying a physical meaning and constituting a simple and explicit signature of the shape of these signals. signals.
  • the subject of the invention is an analysis method of the aforementioned type, characterized in that the analysis of the respiratory activity signal comprises the following steps:
  • the method according to the invention also comprises the following characteristics, taken separately or in combination:
  • phase equation is expressed in the form:
  • r varying in [0,1] is a parameter measuring the anharmonicity of said elementary signal
  • the elementary signal is expressed by means of two parameters r and ⁇ 0 , in the form:
  • phase equation is expressed in the form:
  • ⁇ ( ⁇ ) and ⁇ ( ⁇ ) are trigonometric polynomials
  • the method according to the invention makes it possible to analyze the respiratory activity signals and to characterize these signals by means of a small number of parameters, compared to the periodic signal analysis methods according to the state of the technical. Moreover, these parameters have a physical meaning, and are characteristic of the waveforms of these signals.
  • the invention also relates to a system for analyzing the respiratory activity of a patient comprising means for acquiring a respiratory activity signal comprising at least one elementary signal corresponding to a respiratory cycle whose general form can be expressed by where ⁇ ( ⁇ ) is the phase of said elementary signal, and means for analyzing said respiratory activity signal, characterized in that the means for analyzing said respiratory activity signal comprises:
  • the system according to the invention also comprises the following characteristics, taken separately or in combination:
  • the system comprises means for expressing the phase equation in the form:
  • r varying in [0,1] is a parameter measuring the anharmonicity of said elementary signal
  • the system comprises means for expressing said elementary signal by means of two parameters r and ⁇ 0 , in the form:
  • the system comprises means for expressing the phase equation in the form:
  • ⁇ ( ⁇ ) and ⁇ ( ⁇ ) are trigonometric polynomials
  • the system comprises means for expressing the phase ⁇ ( ⁇ ) in the form:
  • the subject of the invention is also a respiratory assistance device and a respiratory activity analysis system comprising a respiratory activity analysis system according to the invention.
  • FIG. 2 represents a respiratory activity signal
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating the method according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a system for acquiring and analyzing respiratory activity signals.
  • This system comprises means 1 for acquiring a respiratory activity signal, an acquisition box 3 connected to the acquisition means 1, and means 5 for analyzing a respiratory activity signal, by example a processor, connected to the acquisition box 3.
  • the acquisition means 1 are able to collect a respiratory activity signal.
  • these means 1 comprise a pneumotachograph 7 placed at the exit of a breathing mask 9 covering the nose and the mouth of a patient January 1.
  • Pneumotachograph 7 is able to continuously measure the flow of air inspired and exhaled by the patient January 1 and to transmit to the housing 3 acquisition an analog electrical signal characteristic of this flow.
  • the acquisition box 3 comprises an analog / digital converter capable of converting an analog signal into a digital signal, hereinafter called a respiratory activity signal, by sampling and quantizing the analog signal.
  • the processor 5 is able to analyze a digital respiratory activity signal in order to extract parameters characteristic of the shape of this signal.
  • FIG. 2 shows a diagram illustrating the shape of a respiratory activity signal 13 as measured by the pneumotachograph 7.
  • time is represented on the abscissa, and the airflow, since the outside to the respiratory tract of the patient 1 1, ordinate.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating the acquisition and analysis of a respiratory activity signal by means of the system described with reference to FIG. 1, according to one embodiment of the invention.
  • a first acquisition step the air flow inspired and exhaled by the patient 11 is measured by the pneumotachograph 7, which continuously transmits to the acquisition box 3 an analog electrical signal, the instantaneous amplitude is proportional to the measured flow rate.
  • This analog signal is digitized in a step 22 by the analog / digital converter of the acquisition box 3, by sampling and quantization, and the digitized signal, or respiratory activity signal, is transmitted to the processor 5.
  • This respiratory activity signal 13 is composed of a succession of elementary signals 15, each corresponding to a respiratory cycle. However, it is not strictly periodic, particularly because of the variability of the respiratory rate and the air flow inspired and exhaled during each cycle. Thus, the instantaneous breathing period is defined as the time interval between the beginning of a respiratory cycle, that is, the beginning of its inspiratory phase, and the beginning of the previous respiratory cycle.
  • the processor breaks down the respiratory activity signal 13 into elementary signals 15. This decomposition can for example be performed by detecting the instants at which the signal goes from a negative value to a positive value, which corresponds to a transition between the expiratory phase of a cycle and the inspiratory phase of the next cycle. Thus, in step 24, the processor determines the instantaneous respiratory rate of the patient and its variability.
  • the processor 5 analyzes in a step 26 each of the elementary signals 15 resulting from this decomposition.
  • Each elementary signal x (t) is an anharmonic signal, which can be described in the following form:
  • This elementary signal x (t) is considered as a periodic periodic signal
  • T T being equal to the inverse of the instantaneous respiratory rate.
  • phase dynamics all relevant dynamic information is expressed by phase dynamics.
  • the analysis step 26 of the method according to the invention therefore consists of describing this function F by means of a very small number of parameters. We will hear in small numbers of parameters a reduced number of parameters compared to the number of parameters necessary for the decomposition of the same function, by means of the Fourier series, with an equivalent level of precision.
  • This analysis step 26 thus comprises a first step of expressing the phase ⁇ , and in particular the function F, derived from ⁇ with respect to time.
  • phase dynamics can be written in the form:
  • phase dynamics contains only one parameter, r, which varies in the interval [0,1].
  • ⁇ 0 is a phase origin, is decomposed and rewritten in a form involving the parameters r and ⁇ 0 :
  • the decomposition of the signal x (t) involves only two parameters, r and ⁇ 0 .
  • the parameter ⁇ 0 which defines the composition of the signal in the two functions hcos and hsin, is a morphology parameter, which corresponds to the angle of reflection symmetry of the phase dynamics.
  • phase equation can be written in the form:
  • P n and Q m are trigonometric polynomials of respective degrees n and m.
  • the general form of a trigonometric polynomial of degree n is:
  • the analysis of the signal x (t) then comprises the determination of an expression of ⁇ involving a small number of parameters, which makes it possible to determine an expression of the signal x (t) as a function of these parameters.
  • phase equation (2) can be rewritten in the form:
  • the period T of the signal can be determined by integrating this equation with respect to ⁇ , between 0 and 2 ⁇ :
  • phase equation can be expressed as follows:
  • the time t is thus expressed as a function of the phase ⁇ , and in a dual way the phase ⁇ is expressed as a function of the time t, using clearly defined independent parameters, which measure the anharmonicity (parameters r or r k ) , and the morphology (parameters ⁇ 0 or p k ).
  • each elementary signal x (t) codes each elementary signal x (t) by means of a small number of parameters.
  • each elementary signal x (t) is described almost exactly by an amplitude, an harmonicity r and a morphology ⁇ 0 .
  • each elementary signal x (t) is described even more precisely by two pairs of parameters ( ⁇ , ⁇ ⁇ and (r 2 , p 2 ), supplemented by their respective weights.
  • each of the elementary signals therefore each respiratory cycle, is therefore characterized by a limited number of parameters, carrying a physical meaning because representative of the non-linearity and the morphology of this signal.
  • the processor compares the values of the parameters determined for each elementary signal, that is to say the instantaneous respiratory rate, the amplitude and the parameters of morphology and harmonicity of the signal, with values Tabulated parameters previously recorded, so as to detect possible respiratory abnormalities.
  • the method according to the invention thus makes it possible to analyze the respiratory activity, and to extract from a respiratory activity signal a limited number of parameters, allowing a compact and relevant representation of the waveform of this signal, and the precise detection of possible respiratory abnormalities.
  • Steps 20, 22, 24, 26 and 28 can be performed as the respiratory activity signal is acquired, so as to continuously monitor the patient's respiratory activity.
  • system and the method according to the invention can be implemented in an artificial respirator.
  • An artificial respirator is a device for relieving a patient's respiratory failure by blowing air into the patient's lungs through a mask by means of a ventilator.
  • a ventilator For this ventilation to be effective, it is necessary that the inspiratory efforts of the patient and the triggering of the ventilator are synchronized, that is to say that the air is blown into the lungs by the ventilator only during the inspiratory phase of the cycle. breathing of the patient.
  • the measurement of the air flow inspired and exhaled by the patient makes it possible to detect the beginning and the end of this inspiratory phase, and thus to synchronize the operation of the ventilator on the respiratory cycle of the patient.
  • This detection is generally carried out by setting two thresholds of flow or pressure, the fan being actuated as soon as the flow rate or the air pressure inspired by the patient exceeds a first threshold, and stopped as soon as this flow rate or this pressure becomes lower than a second threshold.
  • This method of detection may prove to be ineffective, particularly because of the variability of the respiratory cycles, leading to an inadequacy between the fixed flow thresholds and these respiratory cycles. This inadequacy can lead to poor synchronization between the ventilator and the patient, or even non-activation of the ventilator.
  • the method for analyzing the respiratory activity according to the invention is used to determine, prior to the use of the respirator, the threshold values of the best respiratory parameters. adapted for optimum operation of the respirator. This analysis is also performed continuously during the operation of the respirator, so as to adapt these thresholds to the breathing of the patient.
  • the system and the method according to the invention can be implemented in computed tomography (CT) imaging, the analysis of the respiratory activity signals making it possible to correct, in particular on the images of the lungs, the artifacts due to respiratory movements.
  • CT computed tomography
  • the respiratory activity signal is not necessarily related to the inspired or exhaled air flow.

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Abstract

Ce procédé d'analyse de l'activité respiratoire d'un patient comprend les étapes d'acquisition (20) d'au moins un signal d'activité respiratoire comprenant au moins un signal élémentaire correspondant à un cycle respiratoire, dont la forme générale peut être exprimée par x(t) = x 0 + x 1 cos(F(t)), où F(t) est la phase dudit signal élémentaire, et d'analyse (24, 26, 28) dudit signal d'activité respiratoire. Cette analyse (24, 26, 28) comprend les étapes d'extraction (24), à partir dudit signal d'activité respiratoire, dudit signal élémentaire, de détermination (26) d'une expression d'une équation de phase (I) dudit signal élémentaire et de détermination (26) d'une expression de la phase F(t) dudit signal élémentaire en fonction de paramètres mesurant l'anharmonicité dudit signal élémentaire et sa morphologie, à partir des fonctions pcosn et psinn définies par : (II)

Description

Procédé et système d'analyse de l'activité respiratoire d'un patient et applications correspondantes
La présente invention concerne un procédé et un système d'analyse de l'activité respiratoire d'un patient, le procédé comprenant les étapes d'acquisition d'au moins un signal d'activité respiratoire comprenant au moins un signal élémentaire correspondant à un cycle respiratoire, dont la forme générale peut être exprimée par est la phase dudit signal élémentaire, et d'analyse
dudit signal d'activité respiratoire.
Elle concerne également des applications de ceux-ci à la commande d'un dispositif d'assistance respiratoire et à un dispositif de surveillance respiratoire.
Elle s'applique en particulier à la détection de troubles respiratoires ou à la commande de dispositifs de ventilation artificielle.
Un signal d'activité respiratoire est un signal de mesure de la variation d'une grandeur liée à l'activité respiratoire du patient, telle que le débit et la pression d'air ou la concentration en oxygène et en dioxyde de carbone à l'entrée de ses voies respiratoires, ou la concentration en oxygène dans le sang. Ces grandeurs peuvent être mesurées par des appareils de mesure non invasifs, par exemple un capteur de débit ou de pression intégré à un masque placé devant la bouche du patient ou un oxymètre, ou par des capteurs internes, par exemple des capteurs de pression placés dans le circuit respiratoire du patient. De tels signaux peuvent également être déduits de signaux d'électrocardiogramme.
L'activité respiratoire est constituée d'une succession de cycles respiratoires, comprenant une phase inspiratoire et une phase expiratoire, à une fréquence appelée fréquence respiratoire. Par conséquent, les signaux d'activité respiratoire sont des signaux quasi-périodiques, comprenant une succession de signaux élémentaires, chacun de ces signaux élémentaires étant caractéristique d'un cycle respiratoire.
L'analyse de ces signaux permet de détecter des troubles ou anomalies respiratoires, tels que l'apnée du sommeil ou l'asthme. Cependant, cette analyse est généralement limitée à la détermination de la fréquence respiratoire et de sa variabilité et de l'amplitude de ces signaux, et aucune analyse de la forme d'onde de ces signaux n'est réalisée.
Or, la forme d'onde de signaux d'activité respiratoire est caractéristique de cette activité respiratoire, et leur analyse peut permettre de détecter efficacement d'éventuelles anomalies respiratoires.
On connaît de nombreuses méthodes d'analyse et de caractérisation d'un signal périodique. En particulier, l'analyse fréquentielle d'un signal permet de décrire ce signal dans l'espace de Fourier. La décomposition de Fourier consiste en effet à décomposer un signal périodique de fréquence f en une somme infinie de fonctions sinusoïdales de fréquences multiples de f, pondérées par les coefficients de Fourier. Ces coefficients de Fourier, qui constituent un codage du signal analysé, sont des paramètres caractéristiques de ce signal. En pratique, le nombre de coefficients de Fourier conservés est limité, et seuls les premiers termes de la décomposition de Fourier sont gardés. Ces termes doivent cependant être en nombre suffisant pour caractériser efficacement le signal.
Or, les signaux d'activité respiratoire sont des signaux anharmoniques, c'est-à-dire non-linéaires, et la décomposition de Fourier de tels signaux nécessite de conserver un grand nombre de coefficients, coefficients auxquels il est difficile de donner un sens physique. La décomposition de Fourier est donc inadaptée pour l'analyse de ces signaux.
L'invention a donc pour but de permettre l'analyse des formes d'onde de signaux d'activité respiratoire au moyen d'un petit nombre de paramètres porteurs d'un sens physique et constituant une signature simple et explicite de la forme de ces signaux.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'analyse du type précité, caractérisé en ce que l'analyse du signal d'activité respiratoire comprend les étapes suivantes :
- extraction, à partir dudit signal d'activité respiratoire, dudit signal élémentaire; - détermination d'une expression d'une équation de phase dudit signal
élémentaire ; et
- détermination d'une expression de la phase Φ(ί) dudit signal élémentaire en fonction de paramètres (r, rk, Φ0, pk) mesurant l'anharmonicité dudit signal élémentaire et sa morphologie, à partir des fonctions pcosn et psinn définies par :
Le procédé selon l'invention comporte également les caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison :
- l'équation de phase est exprimée sous la forme :
dans laquelle r, variant dans [0,1 ], est un paramètre mesurant l'anharmonicité dudit signal élémentaire ;
- le signal élémentaire est exprimé au moyen de deux paramètres r et Φ0, sous la forme :
, les fonctions hsin et hcos étant définies par :
- l'équation de phase est exprimée sous la forme :
dans laquelle Ρ(φ) et Ο(φ) sont des polynômes trigonométriques ;
- l'expression de la phase φ(ί) est déterminée sous la forme :
dans laquelle les fonctions psiri! et pcosi sont définies par :
Ainsi réalisé, le procédé selon l'invention permet d'analyser les signaux d'activité respiratoire et de caractériser ces signaux au moyen d'un petit nombre de paramètres, par rapport aux procédés d'analyse de signaux périodiques selon l'état de la technique. De plus, ces paramètres ont un sens physique, et sont caractéristiques des formes d'onde de ces signaux.
Selon un autre aspect, l'invention a également pour objet un système d'analyse de l'activité respiratoire d'un patient comprenant des moyens pour acquérir un signal d'activité respiratoire comprenant au moins un signal élémentaire correspondant à un cycle respiratoire dont la forme générale peut être exprimée par , où Φ(ί) est la phase dudit signal élémentaire, et des moyens pour analyser ledit signal d'activité respiratoire, caractérisé en ce que les moyens pour analyser ledit signal d'activité respiratoire comprennent :
- des moyens pour extraire, à partir dudit signal d'activité respiratoire, ledit signal élémentaire ; - des moyens pour déterminer une expression d'une équation de phase
dudit signal élémentaire ; et
- des moyens pour déterminer une expression de la phase φ(ί) dudit signal élémentaire en fonction de paramètres (r, rk, Φ0, pk) mesurant l'anharmonicité dudit signal élémentaire et sa morphologie, à partir des fonctions pcosn et psinn définies par :
Le système selon l'invention comporte également les caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison :
- le système comporte des moyens pour exprimer l'équation de phase sous la forme :
dans laquelle r, variant dans [0,1 ], est un paramètre mesurant l'anharmonicité dudit signal élémentaire ;
- le système comporte des moyens pour exprimer ledit signal élémentaire au moyen de deux paramètres r et Φ0, sous la forme :
où les fonctions hsin et hcos étant définies par :
- le système comporte des moyens) pour exprimer l'équation de phase sous la forme :
dans laquelle Ρ(Φ) et Ο(Φ) sont des polynômes trigonométriques ;
- le système comporte des moyens pour exprimer la phase Φ(ί) sous la forme :
dans laquelle les fonctions psiri! et pcosi sont définies par :
Selon d'autres aspects, l'invention a également pour objet un dispositif d'assistance respiratoire et un système d'analyse de l'activité respiratoire comprenant un système d'analyse de l'activité respiratoire selon l'invention.
L'invention sera mieux comprise au regard d'un exemple de réalisation de l'invention qui va maintenant être décrit en faisant référence aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 représente de manière schématique un système d'analyse selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 représente un signal d'activité respiratoire ; et
- la figure 3 est un schéma synoptique illustrant le procédé selon un mode de réalisation de l'invention.
On a représenté sur la figure 1 , un système d'acquisition et d'analyse de signaux d'activité respiratoire.
Ce système comprend des moyens 1 d'acquisition d'un signal d'activité respiratoire, un boîtier 3 d'acquisition, relié aux moyens 1 d'acquisition, et des moyens 5 d'analyse d'un signal d'activité respiratoire, par exemple un processeur, reliés au boîtier 3 d'acquisition.
Les moyens 1 d'acquisition sont aptes à recueillir un signal d'activité respiratoire. A titre d'exemple, ces moyens 1 comprennent un pneumotachographe 7, placé à la sortie d'un masque respiratoire 9 couvrant le nez et la bouche d'un patient 1 1 . Le pneumotachographe 7 est apte à mesurer de manière continue le débit d'air inspiré et expiré par le patient 1 1 et à transmettre au boîtier 3 d'acquisition un signal électrique analogique, caractéristique de ce débit.
Le boîtier 3 d'acquisition comprend un convertisseur analogique/numérique, apte à convertir un signal analogique en un signal numérique, appelé par la suite signal d'activité respiratoire, par échantillonnage et quantification du signal analogique.
Le processeur 5 est apte à analyser un signal d'activité respiratoire numérique de manière à en extraire des paramètres caractéristiques de la forme de ce signal.
On a représenté sur la figure 2 un tracé illustrant la forme d'un signal 13 d'activité respiratoire tel que mesuré par le pneumotachographe 7. Sur ce tracé, le temps est représenté en abscisse, et le débit d'air, depuis l'extérieur vers l'appareil respiratoire du patient 1 1 , en ordonnée. On reconnaît sur ce tracé quatre signaux élémentaires 15, correspondant chacun à un cycle respiratoire, comprenant une phase inspiratoire 16, durant laquelle le débit est positif, et une phase expiratoire 17, durant laquelle le débit est négatif.
La figure 3 est un schéma synoptique illustrant l'acquisition et l'analyse d'un signal d'activité respiratoire au moyen du système décrit en référence à la figure 1 , selon un mode de réalisation de l'invention.
Dans une première étape 20 d'acquisition, le débit d'air inspiré et expiré par le patient 1 1 est mesuré par le pneumotachographe 7, qui transmet de manière continue au boîtier 3 d'acquisition un signal électrique analogique, dont l'amplitude instantanée est proportionnelle au débit mesuré. Ce signal analogique est numérisé dans une étape 22 par le convertisseur analogique/numérique du boîtier 3 d'acquisition, par échantillonnage et quantification, et le signal ainsi numérisé, ou signal d'activité respiratoire, est transmis au processeur 5.
Ce signal 13 d'activité respiratoire est composé d'une succession de signaux élémentaires 15, correspondant chacun à un cycle respiratoire. Il n'est cependant pas rigoureusement périodique, en raison notamment de la variabilité de la fréquence respiratoire et du débit d'air inspiré et expiré pendant chacun des cycles. On définit donc la période respiratoire instantanée comme l'intervalle de temps entre le début d'un cycle respiratoire, c'est-à-dire le début de sa phase d'inspiration, et le début du cycle respiratoire précédent.
Dans une étape 24, le processeur décompose le signal 13 d'activité respiratoire en signaux élémentaires 15. Cette décomposition peut par exemple être effectuée en détectant les instants auxquels le signal passe d'une valeur négative à une valeur positive, ce qui correspond à une transition entre la phase expiratoire d'un cycle et la phase inspiratoire du cycle suivant. Ainsi, lors de l'étape 24, le processeur détermine la fréquence respiratoire instantanée du patient et sa variabilité.
Puis, le processeur 5 analyse dans une étape 26 chacun des signaux élémentaires 15 issus de cette décomposition.
Chaque signal élémentaire x(t) est un signal anharmonique, qui peut être décrit sous la forme suivante :
dans laquelle toute la dépendance temporelle est contenue dans la fonction de phase Φ.
Ce signal élémentaire x(t) est considéré comme un signal périodique de période
T, T étant égal à l'inverse de la fréquence respiratoire instantanée.
Or, dans un signal anharmonique, la principale contribution à l'anharmonicité provient de la brisure de symétrie de la dynamique de phase. Ainsi, toute l'information dynamique pertinente est exprimée par la dynamique de phase. Lors de l'analyse du signal x(t), il convient donc d'étudier cette phase Φ(ί), et en particulier la dynamique de phase exprimée par la fonction F, dérivée de la fonction Φ par rapport au temps t :
Ainsi, la morphologie du signal x(t) est complètement déterminée par la connaissance de F.
L'étape d'analyse 26 du procédé selon l'invention consiste donc à décrire cette fonction F au moyen d'un très petit nombre de paramètres. On entendra par petit nombre de paramètres un nombre de paramètres réduit par rapport au nombre de paramètres nécessaire à la décomposition de la même fonction, au moyen des séries de Fourier, avec un niveau de précision équivalent.
Cette étape d'analyse 26 comprend ainsi une première étape consistant à exprimer la phase Φ, et en particulier la fonction F, dérivée de Φ par rapport au temps.
Dans le cas le plus simple, et pour un signal de période 2π, la dynamique de phase peut être écrite sous la forme :
appelée équation de phase.
La fonction F présente dans ce cas une symétrie de réflexion par rapport à l'axe Φ=0. Cette expression de la dynamique de phase ne contient qu'un seul paramètre, r, qui varie dans l'intervalle [0,1 ]. La limite r=0 correspond à un signal harmonique, la limite r=1 à un signal infiniment anharmonique.
Le signal x(t), qui peut être écrit sous la forme :
où Φ0 est une origine de phase, est décomposé et réécrit sous une forme faisant intervenir les paramètres r et Φ0 :
avec , et dans laquelle on a défini les fonctions hcos et
hsin suivantes :
Ainsi, la décomposition du signal x(t) fait intervenir seulement deux paramètres, r et Φ0.
r, appelé paramètre d'anharmonicité, mesure le degré d'anharmonicité du signal, la limite r=0 correspond à un signal harmonique, la limite r=1 à un signal infiniment anharmonique. Par ailleurs, le paramètre Φ0, qui définit la composition du signal dans les deux fonctions hcos et hsin, est un paramètre de morphologie, qui correspond à l'angle de symétrie de réflexion de la dynamique de phase.
Dans le cas général, c'est-à-dire pour un signal périodique quelconque, l'équation de phase peut s'écrire sous la forme :
dans laquelle Pn et Qm sont des polynômes trigonométriques de degrés respectifs n et m. La forme générale d'un polynôme trigonométrique de degré n est :
L'analyse du signal x(t) comprend alors la détermination d'une expression de Φ faisant intervenir un petit nombre de paramètres, ce qui permet de déterminer une expression du signal x(t) en fonction de ces paramètres.
Avantageusement, l'équation de phase (2) peut être réécrite sous la forme :
La factorisation du polynôme Ρη(φ) permet de transformer en une somme
de termes simples, ce qui permet de réécrire l'équation de phase sous la forme :
dans laquelle les paramètres rk, compris entre 0 et 1 , mesurent l'anharmonicité du signal x(t), et les paramètres pk caractérisent sa morphologie.
La période T du signal peut être déterminée en intégrant cette équation par rapport à Φ, entre 0 et 2π :
A partir de ce résultat, et des contraintes selon lesquelles la période est égale à 2π et le signal est harmonique lorsque les coefficients rk sont tous nuls, l'équation de phase peut être exprimée ainsi :
Où la fonction Dk est définie par :
Et vérifie : La définition des fonctions des fonctions polycos et polysin, notées pcosn et psinn, qui s'expriment par :
et possèdent entre autre les propriétés suivantes :
permet de réécrire l'équation de phase sous la forme :
La résolution de cette équation permet d'accéder à une expression analytique de ί(Φ), qui s'exprime par :
Le temps t est donc exprimé en fonction de la phase Φ, et de manière duale la phase Φ est exprimée en fonction du temps t, à l'aide de paramètres indépendants clairement définis, qui mesurent l'anharmonicité (paramètres r ou rk), et la morphologie (paramètres Φ0 ou pk).
Ainsi, lors de l'étape 26 d'analyse, le processeur 5 code chaque signal élémentaire x(t) au moyen d'un petit nombre de paramètres. Selon un mode de réalisation, chaque signal élémentaire x(t) est décrite de manière quasi-exacte par une amplitude, une harmonicité r et une morphologie Φ0. Selon un autre mode de réalisation, chaque signal élémentaire x(t) est décrit de manière encore plus précise par deux couples de paramètres (η , ρ^ et (r2, p2), complétés de leurs poids respectifs.
Chacun des signaux élémentaires, donc chaque cycle respiratoire, est donc caractérisé par un nombre restreint de paramètres, porteurs d'un sens physique car représentatifs de la non-linéarité et de la morphologie de ce signal. Puis, dans une étape 28, le processeur compare les valeurs des paramètres déterminés pour chaque signal élémentaire, c'est-à-dire la fréquence respiratoire instantanée, l'amplitude et les paramètres de morphologie et d'harmonicité du signal, à des valeurs tabulées de paramètres préalablement enregistrées, de manière à détecter d'éventuelles anomalies respiratoires.
Le procédé selon l'invention permet ainsi d'analyser l'activité respiratoire, et d'extraire d'un signal d'activité respiratoire un nombre restreint de paramètres, permettant une représentation compacte et pertinente de la forme d'onde de ce signal, et la détection précise d'éventuelles anomalies respiratoires.
Les étapes 20, 22, 24, 26 et 28 peuvent être réalisées au fur et à mesure de l'acquisition du signal d'activité respiratoire, de manière à surveiller en continu l'activité respiratoire du patient.
Selon un autre mode de réalisation, le système et le procédé selon l'invention peuvent être mis en œuvre dans un respirateur artificiel.
Un respirateur artificiel est un dispositif visant à pallier l'insuffisance respiratoire d'un patient, en insufflant de l'air vers les poumons du patient par l'intermédiaire d'un masque, au moyen d'un ventilateur. Pour que cette ventilation soit efficace, il est nécessaire que les efforts inspiratoires du patient et le déclenchement du ventilateur soient synchronisés, c'est-à-dire que l'air soit insufflé dans les poumons par le ventilateur seulement pendant la phase inspiratoire du cycle respiratoire du patient.
La mesure du débit d'air inspiré et expiré par le patient permet de détecter le début et la fin de cette phase inspiratoire, et ainsi de synchroniser le fonctionnement du ventilateur sur le cycle respiratoire du patient.
Cette détection est généralement réalisée en fixant deux seuils de débit ou de pression, le ventilateur étant actionné dès que le débit ou la pression d'air inspiré par le patient dépasse un premier seuil, et arrêté dès que ce débit ou cette pression devient inférieur à un deuxième seuil.
Cette méthode de détection peut s'avérer inefficace, en raison notamment de la variabilité des cycles respiratoires, conduisant à une inadéquation entre les seuils de débit fixés et ces cycles respiratoires. Cette inadéquation peut entraîner une mauvaise synchronisation entre le ventilateur et le patient, ou même un non déclenchement du ventilateur.
Ainsi, selon un mode de réalisation de l'invention, le procédé d'analyse de l'activité respiratoire selon l'invention est mis en œuvre pour déterminer, préalablement à l'utilisation du respirateur, les valeurs de seuils des paramètres respiratoires les mieux adaptés pour un fonctionnement optimal du respirateur. Cette analyse est également réalisée de manière continue pendant le fonctionnement du respirateur, de manière à adapter ces seuils à la respiration du patient.
Selon un autre mode de réalisation, le système et le procédé selon l'invention peuvent être mis en œuvre en imagerie tomodensitométrique (TMD), l'analyse des signaux d'activités respiratoires permettant de corriger, notamment sur les images des poumons, les artéfacts dus aux mouvements respiratoires.
Il devra toutefois être compris que les exemples de réalisation présentés ci-dessus ne sont pas limitatifs.
Notamment, le signal d'activité respiratoire n'est pas nécessairement relatif au débit d'air inspiré ou expiré.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Procédé d'analyse de l'activité respiratoire d'un patient (1 1 ), comprenant les étapes d'acquisition (20) d'au moins un signal (13) d'activité respiratoire comprenant au moins un signal élémentaire (15) correspondant à un cycle respiratoire, dont la forme générale peut être exprimée par est la phase dudit signal élémentaire (15), et d'analyse (24, 26, 28) dudit signal (13) d'activité respiratoire, caractérisé en ce que l'analyse (24, 26, 28) dudit signal (13) d'activité respiratoire comprend les étapes suivantes :
- extraction (24), à partir dudit signal (13) d'activité respiratoire, dudit signal élémentaire (15) ;
-détermination (26) d'une expression d'une équation de phase dudit
signal élémentaire (15) ; et
-détermination (26) d'une expression de la phase Φ(ί) dudit signal élémentaire (15) en fonction de paramètres (r, rk, Φ0, pk) mesurant l'anharmonicité dudit signal élémentaire (15) et sa morphologie, à partir des fonctions pcosn et psinn définies par :
2. - Procédé d'analyse de l'activité respiratoire selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'équation de phase est exprimée sous la forme :
dans laquelle r, variant dans [0,1 ], est un paramètre mesurant l'anharmonicité dudit signal élémentaire (15).
3. - Procédé d'analyse de l'activité respiratoire selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal élémentaire (15) est exprimé au moyen de deux paramètres r et Φ0, sous la forme :
où , les fonctions hsin et hcos étant définies par :
4. - Procédé d'analyse de l'activité respiratoire selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'équation de phase est exprimée sous la forme :
dans laquelle Ρ(Φ) et 0(Φ) sont des polynômes trigonométriques.
5. - Procédé d'analyse de l'activité respiratoire selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'expression de la phase Φ(ί) est déterminée sous la forme :
dans laquelle les fonctions psiri! et pcosi sont définies par :
6. - Système d'analyse de l'activité respiratoire d'un patient (1 1 ) comprenant des moyens (1 ) pour acquérir un signal (13) d'activité respiratoire comprenant au moins un signal élémentaire (15) correspondant à un cycle respiratoire dont la forme générale peut être exprimée par est la phase dudit signal élémentaire (15) et des moyens (5) pour analyser ledit signal (13) d'activité respiratoire, caractérisé en ce que les moyens (5) pour analyser ledit signal (13) d'activité respiratoire comprennent :
- des moyens pour extraire, à partir dudit signal (13) d'activité respiratoire, ledit signal élémentaire (15) ;
- des moyens pour déterminer une expression d'une équation de phase
dudit signal élémentaire (15) ; et
- des moyens pour déterminer une expression de la phase Φ(ί) dudit signal élémentaire (15) en fonction de paramètres (r, rk, Φ0, pk) mesurant l'anharmonicité dudit signal élémentaire (15) et sa morphologie, à partir des fonctions pcosn et psinn définies par :
7. - Système d'analyse de l'activité respiratoire selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (5) pour exprimer l'équation de phase sous la forme :
dans laquelle r, variant dans [0,1 ], est un paramètre mesurant l'anharmonicité dudit signal élémentaire (15).
8. - Système d'analyse de l'activité respiratoire selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (5) pour exprimer ledit signal élémentaire (15) au moyen de deux paramètres r et Φ0, sous la forme :
où , les fonctions hsin et hcos étant définies par :
9. - Système d'analyse de l'activité respiratoire selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (5) pour exprimer l'équation de phase sous la forme :
dans laquelle sont des polynômes trigonométriques.
10. - Système d'analyse de l'activité respiratoire selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (5) pour exprimer la phase Φ(ί) sous la forme :
dans laquelle les fonctions psirii et pcosi sont définies par :
11 . - Dispositif d'assistance respiratoire comprenant un système d'analyse de l'activité respiratoire selon l'une des revendications 6 à 10.
12. - Dispositif de surveillance respiratoire comprenant un système d'analyse de l'activité respiratoire selon l'une des revendications 6 à 10.
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