Modelling of an intelligent medical implant in its environment for functional monitoring of the spinal cord
Modélisation d'un implant médical intelligent dans son environnement pour le monitorage fonctionnel de la moelle épinière
Résumé
The spinal cord (SC) is part of the central nervous system. It originates in the brain and is responsible for important functions, such as the transmission of nerve information between the brain and the periphery, as well as reflexes in the trunk and extremities. Trauma to the SC can result in loss of sensation and control of a body part in minor cases, or total paralysis in severe cases. Real-time monitoring of the functional status of the ME during spinal surgery, such as scoliosis surgery, is essential to avoid the serious consequences of unintentional damage to the SC during the surgical procedure. However, there is currently no method to obtain sufficient information about the changes in the function of the SC, before it is affected. The use of multi-wavelength Diffuse Optical Imaging (DOI) seems to be a promising alternative to meet this need. Indeed, it allows real-time monitoring of the hemodynamic characteristics of the SC, which are important indicators for assessing its functional status. In this thesis, we propose to implement this technique through the modeling, realization and testing of a specific device. First of all, the modeling of the monitoring system in interaction with the biological environment of the SC is carried out in SystemC and SystemC-AMS. This allows us to estimate the performances of the system and to optimize them, but also to study the main physiological characteristics of the SC. This multi-domain modeling approach (e.g., optics, biology, electronics) has the advantages of being flexible, easy to modify, and adaptable to any other type of application. Secondly, the prototyping of the monitoring system is realized. Based on the results of the simulation and the experimental data, a wireless transmission module of the last generation is implemented to gain in ergonomics compared to the targeted application. Finally, data from the experiments on the porcine model are processed to extract relevant physiological information, which provides a reference for a signal processing process of the SC. These three parts complement each other to lead to a proposal for a medical device that could be used in the future on human patients to help doctors determine the functional status of the SC in real-time and avoid some irreversible trauma during surgery of the spine and its periphery.
La moelle épinière (ME) fait partie du système nerveux central. Elle prend naissance dans le cerveau et est responsable de fonctions importantes, telles que la transmission d'informations nerveuses entre le cerveau et la périphérie, ainsi que les réflexes du tronc et des extrémités. Un traumatisme de la ME peut entraîner une perte de sensation et de contrôle d'une partie du corps dans les cas mineurs, ou une paralysie totale dans les cas graves. Le monitorage en temps réel de l'état fonctionnel de la ME au cours d'une chirurgie rachidienne, telle que la chirurgie de la scoliose, est essentiel pour éviter les conséquences graves d'un dommage involontaire à la ME lors de l’acte opératoire. Cependant, il n’existe pas à l'heure actuelle de méthode permettant d'obtenir des informations suffisantes sur les évolutions de la fonction de la ME avant qu'elle ne soit atteinte. L’emploi de l’Imagerie Optique Diffuse (IOD) multi-longueurs d'onde semble être une alternative prometteuse pour répondre à ce besoin. Elle permet en effet de monitorer en temps réel les caractéristiques hémodynamiques de tissus biologiques, qui sont des indicateurs importants pour évaluer leur état fonctionnel. Dans le cadre de cette thèse, on se propose de mettre en œuvre cette technique à travers la modélisation, la réalisation et le test de dispositifs spécifiques. Tout d'abord, la modélisation du système de monitorage en interaction avec l'environnement biologique de la ME est réalisée en SystemC et SystemC-AMS. Cela permet d’estimer les performances du système en cours de développement et de les optimiser, mais aussi d’étudier certaines caractéristiques physiologiques de la ME. Cette approche de modélisation multi-domaines (e.g., optique, biologie, électronique) présente les avantages d'être flexible, facile à modifier et adaptable pour tout d’autre type d'application. Deuxièmement, le prototypage du système de monitorage est réalisé. Basé sur les résultats de la simulation et des données expérimentales, un module de transmission sans-fil de dernière génération est mis en œuvre pour gagner en ergonomie par rapport à l’application visée. Enfin, des données des expérimentations sur modèle porcin sont traitées, afin d’extraire des informations physiologiques pertinentes, ce qui fournit une référence pour un processus de traitement des signaux de la ME. Ces trois parties se complètent pour aboutir à une proposition de dispositif médical qui pourrait être employé dans le futur sur l’homme pour aider les médecins à déterminer l'état fonctionnel de la ME en temps réel et éviter certains traumatismes irréversibles lors d'une intervention chirurgicale du rachis et de sa périphérie.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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