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Page de résumé pour ULgetd-12032014-143428

Auteur : Lugo Ramirez, Zulay del Rosario
E-mail de l'auteur : Zulay.Lugo@student.ulg.ac.be
URN : ULgetd-12032014-143428
Langue : Anglais/English
Titre : DETECTION OF CONSCIOUSNESS AND COMMUNICATION IN NON-RESPONSIVE BRAIN LESIONED PATIENTS USING A BRAIN-COMPUTER INTERFACE
Intitulé du diplôme : Doctorat en sciences médicales
Département : Médecine - Département des sciences cliniques
Jury :
Nom : Titre :
GOLDMAN, Serge Membre du jury/Committee Member
NOIRHOMME, Quentin Membre du jury/Committee Member
SCHNAKERS, Caroline Membre du jury/Committee Member
SORGER, Bettina Membre du jury/Committee Member
PHILLIPS, Christophe Président du jury/Committee Chair
KUBLER, Andrea Promoteur/Director
LAUREYS, Steven Promoteur/Director
Mots-clés :
  • disorders of consciousness
  • event-related potentials
  • brain-computer interface
  • Locked-in syndrome
Date de soutenance : 2014-09-23
Type d'accès : Restreint/Intranet
Résumé :

SUMMARY

Medical advances have increased the chances of survival of patients with severe brain damage arising from a variety of etiologies. Some of these patients develop a disorder of consciousness (DoC): brain death, coma, vegetative state or minimally conscious state. Other patients suffer from a distinct condition in which they are fully conscious but unable to speak or move; this is defined as locked-in syndrome (LIS).

Despite the existence of well-defined clinical criteria for the diagnosis of these pathologies, differential diagnosis remains challenging and misdiagnosis still occurs. Clinicians therefore need more sensitive methods to: 1) reliably detect the presence of consciousness in non-responsive patients; and 2) restore effective communication with those who are conscious but unable to talk or to make any purposeful movement.

The use of a brain-computer interface (BCI; a system allowing the brain to communicate without any muscular action) has been proposed in the last few years to help with these challenges. A brain-computer interface based on electroencephalography (EEG) would benefit from the advantages of the EEG (i.e. non-invasive technique, portable, easily accessible and low cost), and could be used for both diagnosis and communication purposes.

The objective of this work was to develop and test a new diagnosis protocol for DoC patients using EEG-based BCI techniques. This protocol will allow us to establish, with high reliability, the presence of consciousness in some patients, and to reconnect with those who are conscious but immobilized and anarthric. To achieve this goal, we worked with patients involved with the French Association of Locked-in Syndrome (ALIS).

Evaluation of communication

We first evaluated the current state of communication in a group of patients with LIS in order to establish their characteristics, real needs, and expectations regarding the use of other communication methods based on BCI. We found that all patients had established communication codes which they used daily to interact with their relatives and their wider environment. More than half of the patients used high-tech assistive technologies for these purposes. We also determined in this cohort the presence of a high percentage of hearing and visual deficits secondary to the brain lesion. These factors mean that it is necessary to consider the use of different sensory modalities when assessing cognitive function in non-responsive patients, or indeed when creating systems to establish communication.

EEG-based BCI for the detection of consciousness and communication

Keeping in mind the findings described above, we tested three different stimuli modalities: the auditory and tactile modalities using typical ERP oddball paradigms to elicit a P300 component, and the visual modality to elicit steady state visual evoked potentials (SSVEP) and a mental imagery (MI) task. Our results demonstrated that, when using an auditory oddball paradigm, LIS patients show a better response in the active condition of the tasks (i.e. following orders) but that this response differed from that of healthy subjects (HS), showing lower amplitude of the P300 waveform and no significant changes between conditions (present in HS).

A group of six patients were tested using a vibrotactile paradigm to elicit the P300 waveform, eliciting the component in all patients (including two patients who had not responded to the auditory paradigm). Our results demonstrate not only the feasibility of using this sensorial stimulation as another pathway to access cognitive functions in patients, but also the importance of testing different sensory modalities when evaluating patients with severe brain injuries, and who may well have severe hearing or visual deficits.

We also tested another sensorial modality, the SSVEP, in both a group of HS and six LIS patients in order to establish communication via a new gaze-independent system of communication. Results showed that healthy subjects could efficiently communicate with an 80% accuracy rate, while in the LIS group only one patient demonstrated effective online communication. These results confirm the wide variability of responses in the LIS patients and, again, suggest the need to test different paradigms and adapt methodologies when evaluating non-communicative patients.

Finally, the performance and the workload associated with a mental imagery task were evaluated in a cohort of five patients with LIS. Only two patients achieved accuracies about the level of chance and results suggest that this could be related -among other factors- with the perceived workload during the task.

The results of these tests facilitated the development of an integrated EEG protocol with the use of two different sensory modalities (auditory and somatosensory), together with a task of mental imagery, to be used for 1) the detection of consciousness and 2) communication in non-responsive patients

RÉSUMÉ

Les progrès médicaux ont augmenté les chances de survie des patients atteints de graves lésions cérébrales de différentes étiologies. Certains de ces patients développent un trouble de la conscience: la mort cérébrale, le coma, l'état végétatif ou l'état de conscience minimale. D'autres patients souffrent d'une affection distincte dans laquelle ils sont pleinement conscients mais incapables de parler ou de bouger; cela est défini comme le locked-in syndrome (LIS).

Malgré l'existence de critères cliniques bien définis pour le diagnostic de ces pathologies, le diagnostic différentiel reste difficile et les erreurs de diagnostic se produisent encore. Les cliniciens ont donc besoin de méthodes plus sensibles pour: 1) détecter de manière fiable la présence de la conscience chez les patients non-répondants; et 2) rétablir une communication efficace avec ceux qui sont conscients mais incapables de parler ou de faire tout mouvement intentionnel.

L'utilisation d'une interface cerveau-ordinateur (BCI par son nom en anglais), un système permettant au cerveau de communiquer sans aucune action musculaire, a été proposée au cours des dernières années pour aider à relever ces défis. Une interface cerveau-ordinateur basée sur l'électroencéphalographie (EEG) bénéficierait des avantages de l'EEG (c'est à dire, technique non-invasive, portable, facilement accessible et à faible coût) et pourrait être utilisée à des fins de diagnostic et de communication. L'objectif de ce travail a été de développer et de tester un nouveau protocole de diagnostic pour les patients avec des troubles de la conscience en utilisant les techniques de l'EEG-BCI. Ce protocole nous permettrait d'établir, avec une grande fiabilité, la présence de la conscience chez certains patients, et de renouer avec ceux qui sont conscients mais immobilisés et anarthriques. Pour atteindre cet objectif, nous avons travaillé avec des patients membres de l'Association française du Locked-in Syndrome (ALIS).

Évaluation de la communication

Nous avons d'abord évalué l'état actuel de la communication dans un groupe de patients atteints de LIS afin d'établir leurs caractéristiques, leurs besoins réels et leurs attentes en ce qui concerne l'utilisation d'autres méthodes de communication basées sur la BCI. Nous avons constaté que tous les patients ont établi des codes de communication dont ils se servent quotidiennement pour interagir avec leurs proches et leur environnement. Plus de la moitié des patients utilisent les technologies d'assistance de haut niveau à ces fins. Nous avons également déterminé dans cette cohorte la présence d'un pourcentage élevé de troubles visuels et de l'audition secondaires à la lésion cérébrale. Ces facteurs font qu'il est nécessaire d'envisager l'utilisation de différentes modalités sensorielles lors de l'évaluation de la fonction cognitive chez les patients non réactifs, ou bien lors de la création des systèmes pour établir une communication.

EEG-BCI pour la détection de la conscience et pour la communication

Gardant à l'esprit les résultats décrits ci-dessus, nous avons testé trois modalités différentes de stimuli: les modalités auditives et tactiles, utilisant les potentiels rattachés aux événements (event-related potentials-ERPs) avec des paradigmes oddball pour obtenir une composante P300 ; et la modalité visuelle pour obtenir les potentiels évoqués visuels steady-state (SSVEP). Nos résultats ont montré que, lors de l'utilisation d'un paradigme oddball auditif, les patients LIS montrent une meilleure réponse lors de la condition active de la tâche (c'est à dire, en réponse à la commande), mais que cette réponse est différente de celle de sujets sains montrant une plus faible amplitude du composant P300 et aucun changement significatif entre les conditions de la tâche (passive/active) comme a été observé chez les sujets contrôles.

Dans une deuxième étude, un groupe de six patients avec LIS ont été testés à l'aide d'un paradigme vibrotactile pour obtenir l'onde P300. Nous avons réussi à évoquer la composante chez tous les patients (y compris les deux patients qui n'avaient pas répondu au paradigme auditif). Nos résultats démontrent non seulement la possibilité d'utiliser cette stimulation sensorielle comme une autre voie pour accéder aux fonctions cognitives chez les patients, mais aussi l'importance de tester différentes modalités sensorielles lors de l'évaluation des patients avec de graves lésions cérébrales, et qui pourraient bien avoir des déficits visuels et auditifs sévères.

Nous avons également testé la modalité visuelle avec les SSVEP dans un groupe de sujets contrôles et de six patients atteints de LIS afin d'établir une communication via un nouveau système indépendant du regard. Les résultats ont montré que les sujets sains pourraient communiquer efficacement avec un taux d'exactitude de 80%, tandis que dans le groupe de LIS un seul patient a démontré la communication en ligne efficace. Ces résultats confirment la grande variabilité des réponses chez les patients LIS et, encore une fois, suggèrent la nécessité de tester différents paradigmes et d'adapter les méthodologies pour évaluer les patients non-communicatifs.

Enfin, la performance et la charge de travail associée à une tâche d'imagerie mentale ont été évaluées dans une cohorte de cinq patients atteints de LIS. Seulement deux patients ont montré des performances au-dessus du niveau de la chance. Les résultats suggèrent que cela pourrait être lié avec la charge de travail perçue au cours de la tâche.

Les résultats de ces tests ont facilité l'élaboration d'un protocole d'EEG intégré, avec l'utilisation de deux modalités sensorielles différentes (auditive et somesthésique) et d'une tâche de l'imagerie mentale à être utilisée pour: 1) la détection de la présence de la conscience et 2) la communication chez les patients non-répondants.

Autre version :
Fichiers :
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Modem 56K ADSL
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