P13A05 Développement d’un algorithme de traitement du signal pour des signaux otologiques électro-physiologique appelés potentiels évoqués auditifs » History » Version 19

axel BARRIEUX, 04/08/2021 11:31 AM

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h1=. Projet GE2-GE3 2013 :
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h2<. P13A05 Développement d’un algorithme de traitement du signal pour des signaux otologiques électro-physiologique appelés potentiels évoqués auditifs (PEA)
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p((((. Recherche automatisée du seuil d'audition par le recueil des PEA
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*Entreprise / Client* : ECHODIA / Thierry HASSOUN
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*Auteurs* : Ibtissame BOUSSIF / Charles ONDET
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*Responsable Projet* : Jacques LAFFONTTuteur industriel : Isabelle GOI
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[[1. Résumé]]
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[[2. Abstract]]
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[[3. Introduction]]
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[[4. Présentation du Sujet]]
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[[5. Cahier des Charges]]
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[[6. Developpement]]
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[[7. Problématiques]]
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[[1. Faisabilité]]
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[[2. Etude Théorique]]
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[[3. Solutions]]
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25 2 axel BARRIEUX
[[8. Gestion de Projet]]
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[[1. W.B.S.]]
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[[2.Gantt]]
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[[9. Notes d'application]]
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[[1. sujet 1]]
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[[2. sujet 2]]
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[[10. Bilan]]
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[[1. Etat d'avancement]]
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[[2. Analyse Critique]]
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[[3. Perspectives]]
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[[11. Bibliographie]]
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p((. *Résumé*
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ECHODIA est une société située à Clermont-Ferrand à l'école de médecine. Cette société fabrique des appareils médicaux ORL. Ces équipements destinés aux médecins ORL et du travail sont conçus et assemblés par ECHODIA. Cette société a créé son propre logiciel d’acquisition et traitement des signaux appelé ECHOSOFT.Le but de ce projet est d'automatiser la détection du seuil auditif. Cette méthode est basée sur le recueil des potentiels évoqués auditifs (PEA), réponse électrique du système auditif à une stimulation acoustique. Les PEA témoignent de la santé du nerf auditif. Un sujet normal présente trois ondes caractéristiques notées ondes I, III et V. La présence de l'onde V témoigne de l'audition du patient pour une puissance donnée.
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Notre démarche s'est déroulée suivant deux axes. Le premier est une étude théorique basée sur une méthode itérative de recherche de seuil automatisée. Le deuxième axe consiste à implémenter cette méthode et réaliser des statistiques sur les paramètres des signaux tels que la corrélation des signaux, l’amplitude de l’onde V.
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L’environnement du développement du logiciel ECHOSOFT est Neatbeans. Cet outil utilise le langage JAVA.
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L’étude théorique a mené vers une machine à états basée sur la méthode itérative de la dichotomie. Cette dernière implémentée conduit à la détection du seuil en concordance avec le seuil réel.
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Les études statistiques ont conduit à des résultats en fonction de la corrélation et de l’amplitude de l’onde V.
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Mots Clés : PEA, Onde V, Dichotomie, JAVA, Seuil.
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p((. *Abstract*
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ECHODIA is a company which is located in Clermont-Ferrand at School of Medicine. This company produces ENT medical devices. Equipment for ENT and occupational doctors are designed and assembled by ECHODIA. This company has created its own acquisition and signal processing software called Echosoft.
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The aim of this project is to automate the detection of auditory threshold. This method is based on the collection of auditory brainstem response (ABR) which is an electrical response of the auditory system at acoustical stimulation. The ABR reflect the health of the auditory nerve. A normal subject has three characteristic waves recorded waves I, III and V. The presence of wave V reflects the patient's hearing for a given power.
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Our approach followed two axis. The first is a theoretical study based on an iterative search method automated threshold. The second axis is to implement this method and perform statistics on signal parameters such as the correlation of signals, the amplitude of the wave V.
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The development environment of the Echosoft software is called Neatbeans. This tool uses the Java language.
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The theoretical study has led to a finite state machine based on the iterative method of dichotomy. This method leads to the implemented detection threshold in accordance with the actual threshold.
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Statistical studies have led to results of the correlation function and the wave V amplitude.
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KEY WORDS:
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ABR, wave V, Dichotomy, JAVA, Threshold.
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p((. *Introduction*
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ECHODIA (S.A.S ) est un équipementier dans le domaine du diagnostic médical ORL et Neurologie. Société créée en 2009 par Thierry Hassoun, elle compte 6 employés.
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Cette entreprise produit et commercialise des appareils destinés aux médecins ORL. Ces appareils permettent plusieurs types de mesures tels que l'audiométrie (détection de sourdité), la tympanométrie (détection d'otites), les potentiels évoqués auditifs et les otoémissions (détection de défauts sur le nerf auditif).
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La société ECHODIA a conçu un appareil portatif, l'ELIOS pour effectuer ces mesures. Voir image suivante.
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p<. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16322/Materiel_20140113093754_20140114160841.png!
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*+Figure 1 : L'ELIOS et ECHOSOFT : acquisition et traitement des données.+*
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p((. *Présentation du Sujet*
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L'ELIOS permet de réaliser le dignostic suivant cette procédure:
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p<. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16323/Recueil_20140114161307_20140114162204.png!
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p<. +*Figure 2*: Procédure de test.+
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L'appareil émet un signal acoustique (niveau sonore compris entre 0 et 120 dB) à l'oreille du patient via un écouteur. L'activité du nerf auditif se répercute à des niveaux très précis du crâne et derrière l'oreille du patient. Des électrodes placées à ces endroits récupèrent le signal électro physiologique (PEA : Potentiels Evoqués Auditifs). Le boitier ECHO-DIF permet de faire l'amplification puis l'acquisition des signaux.
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Ce type de test donne les résultats suivants :
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p<. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16324/ImagePEA_20140114163159_20140114163409.png!
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+*Figure3* : PEA précoces obtenus après filtrage et moyennage.+
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Le diagnostic actuel consiste à rechercher les trois pics caractéristiques de ce signal, ces trois pics apparaissent aux alentours des 1ms, 3ms et 5ms, et sont notés I, III et V.
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Contexte :
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p(((. • Mesure des PEA alternée, réponse de l’activité du nerf auditif.
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• Moyennage et filtrage des données alternées : Réduction du bruit.
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Diagnostic actuel :
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p(((. • Démarrage à 80 dB.
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• 17 clics/s.
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• Décrémentation de 10 dB, pour trouver un seuil normal autour de 20 dB.
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• 8 mesures : 10 minutes par oreille avec 30% de réjection.
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L'objectif général consiste à détecter automatiquement le seuil auditif à partir de la détection de l’onde caractéristique notée V du signal PEA. Les PEA, signal électro-physiologique permettent de déterminer la santé du nerf auditif du patient.
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p((. *Cahier des Charges*
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Cahier des Charges
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• Recherche du seuil (onde V)
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• Machine à états : méthode itérative.
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• Gamme de puissance : 80 à 0 dB, avec pas réglable
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p((. - Précision du seuil : 10 dB.
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p(((((. - Temps d’exécution total : diviser par 3.
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• Corrélation à puissance égales sur une oreille.
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• Stabilité des latences :
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p(((. -retard par rapport à la normale
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- retard à puissances égales
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- droite et gauche
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• Implantation de l’algorithme :
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p(((. - En JAVA sur logiciel ECHOSOFT
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p(((. *Developpement*
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p(((. *Problématiques*
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Le problème à résoudre consiste à préciser le seuil d’audition c'est-à-dire la puissance à partir de laquelle le patient entend.
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La recherche du seuil sera traitée de manière itérative. Cette méthode sera implémentée sous forme de machines à états.
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Plusieurs pistes seront analysées telles que la puissance de départ, l’amplitude de l’onde V de départ, la corrélation.
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Un document technique sera rédigé.
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L'interface graphique sera modifiée par l’implantation du nouvel algorithme et pourra être utilisée par les médecins ORL.
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p(((. *Faisabilité*
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p(((. *Etude Théorique*
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h3<. La recherche automatique du seuil auditif : 
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Nous avons utilisé lors du projet la méthode de la dichotomie pour détecter le seuil d’audition. En
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effet, la dichotomie est, en algorithme, un processus itératif ou récursif de recherche. Le principe
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consiste à couper en deux parties (pas forcement égales) un espace de recherche qui devient
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restreint à l’une de ces deux parties.
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Un test est dit positif si les ondes V sont placées sur les deux courbes issues de la répétabilité.
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L'algorithme réalise un premier test à une puissance de stimulation de 80 dB. Si le test est positif, l'algorithme recherche la présence d'ondes V pour les tests réalisés avec une puissance de stimulation inférieure. Si un test est négatif, l'algorithme réalise un autre test à une puissance de stimulation supérieure, et ainsi de suite.
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Le seuil d’audition est la puissance à partir de laquelle le patient entend. L'algorithme retourne le seuil qui correspond à la puissance du dernier test.
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L’algorithme spécifié est représenté sur l'Illustration suivante :
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p<. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16325/FSM1_20140114163159_20140114164554.png!
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+*Figure 4* : Dichotomie basique.+
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Power = 80 dB
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Si (onde V est détectée) {
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Power est décrémentée d’un pas réglable ( Power = Power – pas) }
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Sinon {
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Power est incrémenté d’un pas réglable. ( Power = Power + pas) }
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Seuil =Power
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Il y a 8 valeurs possibles : le nombre maximum d’itérations est 4. Le temps maximal théorique, avec 30 %
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réjection, à 17 c/s, pour 1000 stimulations est de :
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Tmax = 4 * 1.3 * 1000 * (1/17) = 305 s = 5 minutes
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Ensuite, nous avons généralisé notre dichotomie en fixant la puissance de départ. Cette méthode a
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permis de diminuer le nombre d’itérations à 2, 3 ou 4 en fonction de la proximité entre le choix de la
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puissance de départ et la valeur du seuil réel.
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Dichotomie en fonction de l'amplitude de l'onde V pour le test de démarrage à 80 dB :
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p<. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16326/FSMondeV_20140106134554_20140106134613.png!
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+*Figure5* : FSM en prenant en compte l'amplitude de l'onde V pour le test de démarrage à 80 dB.+
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Il s'agit d'une autre piste de recherche, une dichotomie avec un étage de moins, afin
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de diminuer le temps de diagnostic, et ainsi diminuer la fatigue du patient.
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Une étude a été conduite sur les données des 25 étudiants de GE4 pour définir une relation entre les
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amplitudes des ondes V de fortes puissances (80, 70 et 60 dB) afin d'estimer la validité de la
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méthode. Cette étude a mené à des statistiques sur l’amplitude de l’onde V en fonction du seuil.
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1er test : 80 dB
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2ème test : 60 dB 40 dB 20 dB
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3ème test : 70 dB 50 dB 30 dB 10 dB
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Cette piste n’est pas probante par le manque de données et la grande dispersion des données. On ne peut déduire ni de normalité ni de relation
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entre l'amplitude de l'onde V du test à 80 dB et le seuil d'audition du patient.
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Nous avons par la suite généralisé notre dichotomie, en effet, suivant le principe exposé en illustration 14, le test de départ est réalisé pour une puissance de stimulation comprise dans la gamme 80 à 20 dB, et la recherche suivante est réalisée dans la gamme comprise entre la puissance de départ et 80 dB, dans le cas d'un test négatif pour le premier test, ou 10 dB, dans le cas d'un test positif pour le premier test.
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p<. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16327/DichoGenerale_20140114163159_20140114165007.png!
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+*Figure+* : Dichotomie généralisée.+
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Avec cette méthode, en fonction de la proximité entre la valeur de la puissance de départ et le seuil réel, la valeur du seuil d'audition est retournée entre 2 et 4 itérations.
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h3<. La corrélation :
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Pour valider un test pour une puissance donnée et pour une oreille donnée, deux mesures sont réalisées. Afin d’établir un paramètre de normalité, une étude sur la corrélation des courbes issues de la répétabilité a été réalisée. La corrélation est une méthode statistique qui permet de définir la similitude entre deux signaux.
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La corrélation est calculée dans la zone des PEA précoces, c'est à dire pour les 10 premières millisecondes du signal.
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Formule utilisée pour calculer la corrélation des deux signaux :
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p<. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16328/FormuleCorrelation_20140106142119_20140106142406.png!
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+*Figure 7* : Formule de la corrélation.+
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La figure représente les résultats de corrélation obtenus, pour l’oreille droite et gauche respectivement :
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p<. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16329/ImageCorrelation_20140106140438_20140106140535.png!
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+*Figure 8* : Corrélations sur les oreilles de droite et de gauche.+
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Globalement, la valeur de la corrélation diminue avec la diminution de la puissance de stimulation. Notons au passage, que ces résultats sont obtenus en moyennant les corrélations de l’intégralité des courbes. Par la suite, nous avons moyenné les valeurs de corrélation des courbes obtenues à même puissance de stimulation,  pour lesquelles les deux marqueurs « Onde V » sont placés. Cette étude porte sur l'ensemble des acquisitions que les ondes V soient placées ou non. Nous avons par la suite étudié la différence entre les valeurs de corrélation calculées sur les signaux avec les ondes V placées et les signaux sans ondes V placées. 
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p<. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16330/ComparaisonCorrelationDroite.png_20140106140438_20140106140550.png!
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+*Figure 9* : Comparaisons des corrélations sur les oreilles de droite en fonction du placement des marqueurs ondesV.+
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p<. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16331/ComparaisonCorrelationGauche.png_20140106140438_20140106140605.png!
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+*Figure 10* : Comparaisons des corrélations sur les oreilles de gauche en fonction du placement des marqueurs ondesV.+
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Les deux Figures précédentes nous indiquent que les signaux pour lesquels les marqueurs ondes V sont mis en place, présentent de meilleures valeurs de corrélation. La différence est très importante. Cette analyse doit servir pour valider la mesure d'une recherche en temps réel. Notons qu'en dessous de 30 dB, les valeurs de corrélation pour les signaux sans ondes V sont plus élevées, la corrélation n'est pas intéressante en dessous de 30 dB.
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h2<. *Solutions*
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*Gestion de Projet*
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p(((.  - Le mardi 26 mars 2013, a eu lieu notre revue préparatoire. Monsieur Moura, en tant que client bénéficiaire du projet, Monsieur Laffont, en tant que référent GE, Monsieur Chapuis, en tant qu’enseignant GE, et Madame Goi, en tant que tutrice industrielle, étaient présents lors de cette revue. Au cours de cet exposé, nous avons exprimé la démarche que nous allons suivre pour les deux années fin de GE. Plusieurs remarques nous ont été faites : certaines diapositives étaient chargées et trop rédigées, donc pas assez lisibles.Il nous a été demandé de caractériser le fonctionnement de l’algorithme, c'est-à-dire, se procurer des données brutes, les graphiques correspondants avec des marqueurs de type « expert », afin de servir de base pour l’élaboration de notre algorithme. Notre client nous a fourni d’autres tests avec les marqueurs sur les pics caractéristiques des courbes. Risque : réaliser un algorithme ayant des performances égales ou inférieures aux algorithmes actuels. Ceci sera exprimé à la date de validation des recherches par le client. 
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p(((. - Le Jeudi 18 Avril 2013, a eu lieu notre revue d’appel d’offre. Messieurs Gérenton et Moura, en tant qu’employés de la société cliente, chargés du suivi du projet, Monsieur Laffont, en tant que référent GE et Madame Goi, en tant que tutrice industrielle, étaient présents lors de cette revue. Lors de cette revue, le plan d’action pour réaliser la recherche d’ondes caractéristiques a été validé par le client 
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p(((. - Le Jeudi 26 Septembre 2013, a eu lieu notre revue de lancement. Monsieur Hassoun, en tant que client bénéficiaire du projet, Monsieur Laffont, en tant que référent GE, Monsieur Chapuis, en tant qu’enseignant GE, et Madame Goi, en tant que tutrice industrielle, étaient présents lors de cette revue. Au cours de cet exposé, nous avons présenté notre nouveau cahier de charges. En effet, la recherche d’ondes caractéristiques a été réalisée pendant le stage. Par la suite, nous avons défini notre nouveau sujet qui consiste à automatiser la détection du seuil auditif à partir des résultats de l’application précédente.
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p(((. - Le Mercredi 20 Novembre 2013, a eu lieu notre revue d’avancement. Monsieur Gérenton, en tant que client responsable projet de l’entreprise cliente, Monsieur Laffont, en tant que référent GE, et Madame Goi, en tant que tutrice industrielle, étaient présents lors de cette revue.
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h2<. W.B.S.
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*Gantt*
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p<. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16333/GANTT_20130418105157_20130418105626.jpg!
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+*Figure 11* : Gantt prévisionnel GE4 GE5+
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p<. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16334/GANTT_GE5_20140115110736_20140115111119.png!
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+*Figure 12* : Gantt %{color:red}prévisionnel (en rouge)% et %{color:#00008B}reél (en bleu)% GE5+
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h2<. *Notes d'application 
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sujet 1 : ONDET CHARLES Implantation d'une nouvelle fonctionnalité dans le logiciel Echosoft
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Relecteur 1: Hassoun Thierry
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Relecteur 2: Chapuis Roland
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p(((. "NoteApplication1":https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16335/NoteApplication1.pdf
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sujet 2 : BOUSSIF IBTISSAME Principe de détection des Maximum sur un signal bruité
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Relecteur 1: Hassoun Thierry
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Relecteur 2: Chapuis Roland
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p(((. "NoteApplication2":https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16336/NoteApplication2.pdf 
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h2<. *Bilan*
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L'objectif de ce projet est de diminuer le temps d'acquisition de mesure de PEA tout en assurant la validité de la mesure. Pour ceci deux axes ont été suivis :
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p(((. - La recherche de seuil : Pour rechercher le seuil, la dichotomie, méthode itérative de recherche, a été étudiée. La première version consistait à fixer un départ de recherche à 80 dB avec systématiquement 4 étapes de recherche.Une autre étude avait pour objectif de diminuer une étape de recherche pour tendre plus rapidement vers la valeur réelle du seuil en estimant la valeur du seuil à partir de l'amplitude de l'onde V de la mesure à 80 dB de départ. Cette étude n'a pas été probante de par le faible nombre de mesures et l’absence de linéarité entre la valeur de l'amplitude de l'onde V et le seuil auditif. Au final, une dichotomie avec choix de puissance de stimulation de départ a été réalisée. Cette méthode permet d'obtenir le résultat en réalisant entre 2 et 4 itérations, en fonction de l'écart entre la puissance de départ et le seuil auditif.La méthode de la dichotomie recherche le seuil auditif avec une erreur comprise entre 17 et 26%. Cette erreur est principalement due au fait que les marqueurs des ondes V ne sont pas forcement placés sur les deux signaux réalisés à même puissance. L'implantation de la recherche en temps réel devrait permettre, dans la continuité du projet, de réduire le temps d’acquisition. En effet, cette méthode permettra de réaliser des acquisitions entre 500 et 1500 stimulations (contre 1000 systématiquement actuellement).
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p(((. - La corrélation (validation de la mesure) : Afin de valider une mesure une étude de corrélation a été réalisée. Cet estimateur permet de définir la vraisemblance entre les deux signaux de répétabilité.Il y a une meilleure vraisemblance pour les signaux marqués de l’onde V. Cependant, pour les faibles puissances de stimulation, les signaux sans marqueurs onde V présentent de plus fortes corrélations que les signaux marqués. De plus, il y a diminution de la vraisemblance avec la diminution de la puissance de stimulation .Ces résultats peuvent être utilisés dans la recherche du seuil en temps réel, afin de valider la mesure.
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h2<. *Etat d'avancement*
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h2<. *Analyse Critique*
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h2<. *Perspectives*
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Dans la continuité de ce projet, une étude similaire sur un groupe plus important de patients peut être conduite afin d'établir une relation entre les amplitudes des ondes V pour le premier test à forte puissance et le seuil auditif. L'implantation du principe en temps réel afin d'automatiser la recherche du seuil d'audition tout en en assurant la validité suivant les différents paramètres étudiés, tels que la corrélation, la réjection, les écart de latences. Tous ces critères peuvent faire l'objet d'une suite de ce projet.
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p<. !!