Contribution to the arterial stiffness measurement by the bioelectrical impedance technique : modelling, measuring and signal processing

Contribution à la mesure de la rigidité artérielle par technique d'impédance bioélectrique : modélisation, instrumentation et traitement des signaux

Mathieu Collette (1)

1 LISA - Laboratoire d'Ingéniérie des Systèmes Automatisés

In the present thesis, we develop the bioelectrical impedance (BI) technique for the measurement of the arterial stiffness. The first part shows the recording of the impedance signal on several anatomical sites such as chest, pelvis, thigh and calf. The time-scale analysis of impedance signals on each anatomical site enables the time and spatial invariance to be validated. The study was performed on 15 healthy subjects. In the second part, we compare the impedance wave velocity (IWV) to the pulse wave velocity (PWV) for the determination of the aortic stiffness. The results show a high significant correlation between both techniques (r2=0.86 ; P<0.0001 with the Spearman coefficient) suggesting that the BI technique could give a reliable estimation of large artery stiffness. The major contributions of this technique are supported by its easiness to use and its independence from the subject's morphology and thus for a trained operator. The last part proposes a modeling of the impedance signal based on a new interpretation of the impedance signals. We establish the relationship between the variations of the impedance signals and the kinetic energy of the blood flow in large arteries. We develop three new indexes IRA, RP et PEPA for the determination of the local arterial stiffness. We observe a high correlation between the IRA index and PWV index r2=0.79 ; P<0.0001 with Pearson coefficient) on 50 patients at rest.

Dans la présente thèse, nous développons la technique d'impédance bioélectrique pour la mesure de la rigidité artérielle. Notre première étude montre la possibilité d'acquérir le signal d'impédance sur plusieurs sites anatomiques (thorax, bassin, cuisse et mollet). L'analyse tempséchelle des signaux d'impédance sur chacun des sites anatomiques a permis de valider le concept d'invariance temporelle et spatiale du signal d'impédance. L'étude a été réalisée sur 15 sujets sains. Notre deuxième étude porte sur la mesure de la vitesse d'onde d'impédance (VOI) pour l'étude du segment aortique. Les résultats montrent que, sur une population de 71 patients, la VOI présente une forte corrélation (r2=0,86 et P<0,0001 selon le test de Spearman) avec la vitesse d'onde de pouls (VOP). Au vu de ces résultats, nous pouvons conclure que la technique d'impédance bioélectrique est à même d'offrir un indice de la rigidité régionale aortique au même titre que la VOP. La méthode est beaucoup plus simple, rapide, facile à mettre en place et indépendante de son opérateur. Notre dernière étude propose une modélisation mathématique du signal d'impédance. Celui-ci peut être considéré comme une mesure de l'énergie cinétique du flux artériel. Le modèle propose trois nouveaux indices pour la mesure de la rigidité aortique locale : IRA, RP et PEPA, respectivement pour Indice de Rigidité Artérielle, Résistances Périphériques et Propriétés Élastique de la Paroi Artérielle. Nous observons une forte corrélation (r2=0,79 ; P<0,0001 selon le test de Pearson) entre la VOP et l'indice IRA mesuré au niveau de l'aorte sur une population de 50 patients.

Mots clés: Artery; arteriosclerosis; bioelectrical; elasticity; energy; flux; impedancemeter; modeling; signal processing; stiffness

Mots clés: Artère; artériosclérose; bioélectrique; élasticité; énergie; flux artériel; impédance; impédancemètre; modélisation; traitement du signal; rigidité

Domaines: Interface homme-machine [cs.HC]

Mathieu Collette. Contribution à la mesure de la rigidité artérielle par technique d'impédance bioélectrique : modélisation, instrumentation et traitement des signaux. Interface homme-machine [cs.HC]. Université d'Angers, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00467215⟩