Pulse wave amplitude drops during sleep are reliable surrogate markers of changes in cortical activity

Rapport de synthèseLe syndrome d'apnées obstructives du sommeil (SAOS) est une pathologie respiratoire fréquente. Sa prévalence est estimée entre 2 et 5% de la population adulte générale. Ses conséquences sont importantes. Notamment, une somnolence diurne, des troubles de la concentration, des troubles de la mémoire et une augmentation du risque d'accident de la route et du travail. Il représente également un facteur de risque cardiovasculaire indépendant.Ce syndrome est caractérisé par la survenue durant le sommeil d'obstructions répétées des voies aériennes supérieures. L'arrêt ou la diminution d'apport en oxygène vers les poumons entraîne des épisodes de diminution de la saturation en oxygène de l'hémoglobine. Les efforts ventilatoires visant à lever l'obstacle présent sur les voies aériennes causent de fréquents réveils à l'origine d'une fragmentation du sommeil.La polysomnographie (PSG) représente le moyen diagnostic de choix. Il consiste en l'enregistrement dans un laboratoire du sommeil et en présence d'un technicien diplômé, du tracé électroencéphalographique (EEG), de l'électrooculogramme (EOG), de l'électromyogramme mentonnier (EMG), du flux respiratoire nasal, de l'oxymétrie de pouls, de la fréquence cardiaque, de l'électrocardiogramme (ECG), des mouvements thoraciques et abdominaux, de la position du corps et des mouvements des jambes. L'examen est filmé par caméra infrarouge et les sons sont enregistrés.Cet examen permet entre autres mesures, de déterminer les événements respiratoires obstructifs nécessaires au diagnostic de syndrome d'apnée du sommeil. On définit une apnée lors d'arrêt complet du débit aérien durant au moins 10 secondes et une hypopnée en cas, soit de diminution franche de l'amplitude du flux respiratoire supérieure à 50% durant au moins 10 secondes, soit de diminution significative (20%) de l'amplitude du flux respiratoire pendant au minimum 10 secondes associée à un micro-éveil ou à une désaturation d'au moins 3% par rapport à la ligne de base. La détection des micro-éveils se fait en utilisant les dérivations électroencéphalographiques, électromyographiques et électrooculographiques. Il existe des critères visuels de reconnaissance de ces éveils transitoire: apparition de rythme alpha (8.1 à 12.0 Hz) ou beta (16 à 30 Hz) d'une durée supérieure à 3 secondes [20-21].Le diagnostic de S AOS est retenu si l'on retrouve plus de 5 événements respiratoires obstructifs par heure de sommeil associés soit à une somnolence diurne évaluée selon le score d'Epworth ou à au moins 2 symptômes parmi les suivants: sommeil non réparateur, étouffements nocturne, éveils multiples, fatigue, troubles de la concentration. Le S AOS est gradué en fonction du nombre d'événements obstructifs par heure de sommeil en léger (5 à 15), modéré (15 à 30) et sévère (>30).La polysomnographie (PSG) comporte plusieurs inconvénients pratiques. En effet, elle doit être réalisée dans un laboratoire du sommeil avec la présence permanente d'un technicien, limitant ainsi son accessibilité et entraînant des délais diagnostiques et thérapeutiques. Pour ces mêmes raisons, il s'agit d'un examen onéreux.La polygraphie respiratoire (PG) représente l'alternative diagnostique au gold standard qu'est l'examen polysomnographique. Cet examen consiste en l'enregistrement en ambulatoire, à savoir au domicile du patient, du flux nasalrespiratoire, de l'oxymétrie de pouls, de la fréquence cardiaque, de la position du corps et du ronflement (par mesure de pression).En raison de sa sensibilité et sa spécificité moindre, la PG reste recommandée uniquement en cas de forte probabilité de SAOS. Il existe deux raisons principales à l'origine de la moindre sensibilité de l'examen polygraphique. D'une part, du fait que l'état de veille ou de sommeil n'est pas déterminé avec précision, il y a dilution des événements respiratoires sur l'ensemble de l'enregistrement et non sur la période de sommeil uniquement. D'autre part, en l'absence de tracé EEG, la quantification des micro-éveils est impossible. Il n'est donc pas possible dans l'examen poly graphique, de reconnaître une hypopnée en cas de diminution de flux respiratoire de 20 à 50% non associée à un épisode de désaturation de l'hémoglobine de 3% au moins. Alors que dans l'examen polysomnographique, une telle diminution du flux respiratoire pourrait être associée à un micro-éveil et ainsi comptabilisée en tant qu'hypopnée.De ce constat est né la volonté de trouver un équivalent de micro-éveil en polygraphie, en utilisant les signaux à disposition, afin d'augmenter la sensibilité de l'examen polygraphique.Or plusieurs études ont démontrés que les micro-éveils sont associés à des réactions du système nerveux autonome. Lors des micro-éveils, on met en évidence la survenue d'une vasoconstriction périphérique. La variation du tonus sympathique associée aux micro-éveils peut être mesurée par différentes méthodes. Les variations de l'amplitude de l'onde de pouls mesurée par pulsoxymétrie représentant un marqueur fiable de la vasoconstriction périphérique associée aux micro-réveils, il paraît donc opportun d'utiliser ce marqueur autonomique disponible sur le tracé des polygraphies ambulatoires afin de renforcer la sensibilité de cet examen.Le but de l'étude est d'évaluer la sensibilité des variations de l'amplitude de l'onde de pouls pour détecter des micro-réveils corticaux afin de trouver un moyen d'augmenter la sensibilité de l'examen polygraphique et de renforcer ainsi sont pouvoir diagnostic.L'objectif est de démontrer qu'une diminution significative de l'amplitude de l'onde pouls est concomitante à une activation corticale correspondant à un micro¬réveil. Cette constatation pourrait permettre de déterminer une hypopnée, en polygraphie, par une diminution de 20 à 50% du flux respiratoire sans désaturation de 3% mais associée à une baisse significative de l'amplitude de pouls en postulant que l'événement respiratoire a entraîné un micro-réveil. On retrouve par cette méthode les mêmes critères de scoring d'événements respiratoires en polygraphie et en polysomnographie, et l'on renforce la sensibilité de la polygraphie par rapport au gold standard polysomnographique.La méthode consiste à montrer en polysomnographie qu'une diminution significative de l'amplitude de l'onde de pouls mesurée par pulsoxymétrie est associée à une activation du signal électroencéphalographique, en réalisant une analyse spectrale du tracé EEG lors des baisses d'amplitude du signal d'onde de pouls.Pour ce faire nous avons réalisé une étude rétrospective sur plus de 1000 diminutions de l'amplitude de l'onde de pouls sur les tracés de 10 sujets choisis de manière aléatoire parmi les patients référés dans notre centre du sommeil (CIRS) pour suspicion de trouble respiratoire du sommeil avec somnolence ou symptomatologie diurne.Les enregistrements nocturnes ont été effectués de manière standard dans des chambres individuelles en utilisant le système d'acquisition Embla avec l'ensemble des capteurs habituels. Les données ont été par la suite visuellement analysées et mesurées en utilisant le software Somnologica version 5.1, qui fournit un signal de l'amplitude de l'onde de pouls (puise wave amplitude - PWA).Dans un premier temps, un technicien du sommeil a réalisé une analyse visuelle du tracé EEG, en l'absence des données du signal d'amplitude d'onde de pouls. Il a déterminé les phases d'éveil et de sommeil, les stades du sommeil et les micro¬éveils selon les critères standards. Les micro-éveils sont définis lors d'un changement abrupt dans la fréquence de l'EEG avec un pattern d'ondes thêta-alpha et/ou une fréquence supérieure à 16 Hz (en l'absence de fuseau) d'une durée d'au minimum trois secondes. Si cette durée excède quinze secondes, l'événement correspond à un réveil.Puis, deux investigateurs ont analysé le signal d'amplitude d'onde de pouls, en masquant les données du tracé EEG qui inclut les micro-éveils. L'amplitude d'onde de pouls est calculée comme la différence de valeur entre le zénith et le nadir de l'onde pour chaque cycle cardiaque. Pour chaque baisse de l'amplitude d'onde de pouls, la plus grande et la plus petite amplitude sont déterminées et le pourcentage de baisse est calculé comme le rapport entre ces deux amplitudes. On retient de manière arbitraire une baisse d'au moins 20% comme étant significative. Cette limite a été choisie pour des raisons pratiques et cliniques, dès lors qu'elle représentait, à notre sens, la baisse minimale identifiable à l'inspection visuelle. Chaque baisse de PWA retenue est divisée en 5 périodes contiguës de cinq secondes chacune. Deux avant, une pendant et deux après la baisse de PWA.Pour chaque période de cinq secondes, on a pratiqué une analyse spectrale du tracé EEG correspondant. Le canal EEG C4-A1 est analysé en utilisant la transformée rapide de Fourier (FFT) pour chaque baisse de PWA et pour chaque période de cinq secondes avec une résolution de 0.2 Hz. La distribution spectrale est catégorisée dans chaque bande de fréquence: delta (0.5 à 4.0 Hz); thêta (4.1 à 8.0Hz); alpha (8.1 à 12.0 Hz); sigma (12.1 à 16 Hz) et beta (16.1 à 30.0 Hz). La densité de puissance (power density, en μΥ2 ) pour chaque bande de fréquence a été calculée et normalisée en tant que pourcentage de la puissance totale. On a déterminé, ensuite, la différence de densité de puissance entre les 5 périodes par ANOVA on the rank. Un test post hoc Tukey est été utilisé pour déterminer si les différences de densité de puissance étaient significatives. Les calculs ont été effectués à l'aide du software Sigmastat version 3.0 (Systat Software San Jose, California, USA).Le principal résultat obtenu dans cette étude est d'avoir montré une augmentation significative de la densité de puissance de l'EEG pour toutes les bandes de fréquence durant la baisse de l'amplitude de l'onde de pouls par rapport à la période avant et après la baisse. Cette augmentation est par ailleurs retrouvée dans la plupart des bande de fréquence en l'absence de micro-réveil visuellement identifié.Ce résultat témoigné donc d'une activation corticale significative associée à la diminution de l'onde de pouls. Ce résulat pourrait permettre d'utiliser les variations de l'onde de pouls dans les tracés de polygraphie comme marqueur d'une activation corticale. Cependant on peut dire que ce marqueur est plus sensible que l'analyse visuelle du tracé EEG par un technicien puisque qu'on notait une augmentation de lactivité corticale y compris en l'absence de micro-réveil visuellement identifié. L'application pratique de ces résultats nécessite donc une étude prospective complémentaire.

Sexual dimorphism of the human mandible: demonstration by elliptical Fourier analysis.

A new quantitative approach of the mandibular sexual dimorphism, based on computer-aided image analysis and elliptical Fourier analysis of the mandibular outline in lateral view is presented. This method was applied to a series of 117 dentulous mandibles from 69 male and 48 female individuals native of Rhenish countries. Statistical discriminant analysis of the elliptical Fourier harmonics allowed the demonstration of a significant sexual dimorphism in 97.1% of males and 91.7% of females, i.e. in a higher proportion than in previous studies using classical metrical approaches. This original method opens interesting perspectives for increasing the accuracy of sex identification in current anthropological practice and in forensic procedures.

Transmission Fourier transform infrared microspectroscopy allows simultaneous assessment of cutin and cell-wall polysaccharides of Arabidopsis petals.

A procedure for the simultaneous analysis of cell-wall polysaccharides, amides and aliphatic polyesters by transmission Fourier transform infrared microspectroscopy (FTIR) has been established for Arabidopsis petals. The combination of FTIR imaging with spectra derivatization revealed that petals, in contrast to other organs, have a characteristic chemical zoning with high amount of aliphatic compounds and esters in the lamina and of polysaccharides in the stalk of the petal. The hinge region of petals was particular rich in amides as well as in vibrations potentially associated with hemicellulose. In addition, a number of other distribution patterns have been identified. Analyses of mutants in cutin deposition confirmed that vibrations of aliphatic compounds and esters present in the lamina were largely associated with the cuticular polyester. Calculation of spectrotypes, including the standard deviation of intensities, allowed detailed comparison of the spectral features of various mutants. The spectrotypes not only revealed differences in the amount of polyesters in cutin mutants, but also changes in other compound classes. For example, in addition to the expected strong deficiencies in polyester content, the long-chain acyl CoA synthase 2 mutant showed increased intensities of vibrations in a wavelength range that is typical for polysaccharides. Identical spectral features were observed in quasimodo2, a cell-wall mutant of Arabidopsis with a defect in pectin formation that exhibits increased cellulose synthase activity. FTIR thus proved to be a convenient method for the identification and characterization of mutants affected in the deposition of cutin in petals.

Direct Fourier Tomographic Reconstruction Image-To-Image Filter

We present an open-source ITK implementation of a directFourier method for tomographic reconstruction, applicableto parallel-beam x-ray images. Direct Fourierreconstruction makes use of the central-slice theorem tobuild a polar 2D Fourier space from the 1D transformedprojections of the scanned object, that is resampled intoa Cartesian grid. Inverse 2D Fourier transform eventuallyyields the reconstructed image. Additionally, we providea complex wrapper to the BSplineInterpolateImageFunctionto overcome ITKâeuro?s current lack for image interpolatorsdealing with complex data types. A sample application ispresented and extensively illustrated on the Shepp-Loganhead phantom. We show that appropriate input zeropaddingand 2D-DFT oversampling rates together with radial cubicb-spline interpolation improve 2D-DFT interpolationquality and are efficient remedies to reducereconstruction artifacts.

Bi-planar 2D-to-3D registration in Fourier domain for stereoscopic X-ray motion tracking

In this paper we present a new method to track bonemovements in stereoscopic X-ray image series of the kneejoint. The method is based on two different X-ray imagesets: a rotational series of acquisitions of the stillsubject knee that will allow the tomographicreconstruction of the three-dimensional volume (model),and a stereoscopic image series of orthogonal projectionsas the subject performs movements. Tracking the movementsof bones throughout the stereoscopic image series meansto determine, for each frame, the best pose of everymoving element (bone) previously identified in the 3Dreconstructed model. The quality of a pose is reflectedin the similarity between its simulated projections andthe actual radiographs. We use direct Fourierreconstruction to approximate the three-dimensionalvolume of the knee joint. Then, to avoid the expensivecomputation of digitally rendered radiographs (DRR) forpose recovery, we reformulate the tracking problem in theFourier domain. Under the hypothesis of parallel X-raybeams, we use the central-slice-projection theorem toreplace the heavy 2D-to-3D registration of projections inthe signal domain by efficient slice-to-volumeregistration in the Fourier domain. Focusing onrotational movements, the translation-relevant phaseinformation can be discarded and we only consider scalarFourier amplitudes. The core of our motion trackingalgorithm can be implemented as a classical frame-wiseslice-to-volume registration task. Preliminary results onboth synthetic and real images confirm the validity ofour approach.

Fourier transform convolution integrals applied to generalized Born molecular volume.

Generalized Born methods are currently among the solvation models most commonly used for biological applications. We reformulate the generalized Born molecular volume method initially described by (Lee et al, 2003, J Phys Chem, 116, 10606; Lee et al, 2003, J Comp Chem, 24, 1348) using fast Fourier transform convolution integrals. Changes in the initial method are discussed and analyzed. Finally, the method is extensively checked with snapshots from common molecular modeling applications: binding free energy computations and docking. Biologically relevant test systems are chosen, including 855-36091 atoms. It is clearly demonstrated that, precision-wise, the proposed method performs as good as the original, and could better benefit from hardware accelerated boards.

Fingermark initial composition and aging using Fourier transform infrared microscopy (μ-FTIR)

This study investigated fingermark residues using Fourier transform infrared microscopy (μ- FTIR) in order to obtain fundamental information about the marks' initial composition and aging kinetics. This knowledge would be an asset for fundamental research on fingermarks, such as for dating purposes. Attenuated Total Reflection (ATR) and single-point reflection modes were tested on fresh fingermarks. ATR proved to be better suited and this mode was subsequently selected for further aging studies. Eccrine and sebaceous material was found in fresh and aged fingermarks and the spectral regions 1000-1850 cm-1 and 2700-3600 cm-1 were identified as the most informative. The impact of substrates (aluminium and glass slides) and storage conditions (storage in the light and in the dark) on fingermark aging was also studied. Chemometric analyses showed that fingermarks could be grouped according to their age regardless of the substrate when they were stored in an open box kept in an air-conditioned laboratory at around 20°C next to a window. On the contrary, when fingermarks were stored in the dark, only specimens deposited on the same substrate could be grouped by age. Thus, the substrate appeared to influence aging of fingermarks in the dark. Furthermore, PLS regression analyses were conducted in order to study the possibility of modelling fingermark aging for potential fingermark dating applications. The resulting models showed an overall precision of ±3 days and clearly demonstrated their capability to differentiate older fingermarks (20 and 34-days old) from newer ones (1, 3, 7 and 9-days old) regardless of the substrate and lighting conditions. These results are promising from a fingermark dating perspective. Further research is required to fully validate such models and assess their robustness and limitations in uncontrolled casework conditions.

Extension of ultrasound Fourier slice Imaging theory to sectorial acquisition

Ultrasound image reconstruction from the echoes received by an ultrasound probe after the transmission of diverging waves is an active area of research because of its capacity to insonify at ultra-high frame rate with large regions of interest using small phased arrays as the ones used in echocardiography. Current state-of-the-art techniques are based on the emission of diverging waves and the use of delay and sum strategies applied on the received signals to reconstruct the desired image (DW/DAS). Recently, we have introduced the concept of Ultrasound Fourier Slice Imaging (UFSI) theory for the reconstruction of ultrafast imaging for linear acquisition. In this study, we extend this theory to sectorial acquisition thanks to the introduction of an explicit and invertible spatial transform. Starting from a diverging wave, we show that the direct use of UFSI theory along with the application of the proposed spatial transform allows reconstructing the insonified medium in the conventional Cartesian space. Simulations and experiments reveal the capacity of this new approach in obtaining competitive quality of ultrafast imaging when compared with the current reference method.