UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ALARME DE CONDITIONNEMENT ULTRASONORE PROGRAMMABLE POUR LE TRAITEMENT DE L ÉNURÉSIE ALEXANDRE BEAUCHAMP-PARENT

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1 ii UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ALARME DE CONDITIONNEMENT ULTRASONORE PROGRAMMABLE POUR LE TRAITEMENT DE L ÉNURÉSIE ALEXANDRE BEAUCHAMP-PARENT DÉPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE ET DE GÉNIE INFORMATIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L OBTENTION DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES (GÉNIE ÉLECTRIQUE) AVRIL 1999 Alexandre Beauchamp-Parent, 1999.

2 iii UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL Ce mémoire intitulé : ALARME DE CONDITIONNEMENT ULTRASONORE PROGRAMMABLE POUR LE TRAITEMENT DE L ÉNURÉSIE Présenté par : BEAUCHAMP-PARENT Alexandre En vue de l obtention du diplôme de : Maîtrise ès sciences appliquées a été dûment accepté par le jury d examen constitué de : M. BOIS Guy, Ph.D., président M. SAWAN Mohamad, Ph.D., membre et directeur de recherche M. NERGUIZIAN Chahé, M.Eng., membre

3 iv DÉDICACE À Gertrude B. Bryan, sans qui rien ne fût

4 v REMERCIEMENTS Je voudrais exprimer mes plus sincères remerciements à mon directeur de recherche, M. Mohamad Sawan, professeur au département de génie électrique et génie informatique de l École Polytechnique de Montréal, qui a toujours su m écouter et me conseiller avec diligence. Sa rigueur au travail, ainsi que sa motivation quotidienne pour le développement d idées nouvelles, m auront grandement inspiré ces deux dernières années. Je tiens aussi à remercier les membres du jury et professeurs à l École Polytechnique, M. Guy Bois et M. Chahé Nerguizian, pour avoir accepté de participer à l examen de ce mémoire. De la même façon, je remercie la compagnie Alliance Medical Inc., et plus particulièrement son président M. Karim Menassa, pour le financement d un projet aussi stimulant. Ma reconnaissance va également à ses employés (et futurs collègues de travail) qui m ont offert le support technique indispensable pour la concrétisation de ce projet. Je ne pourrais passer sous silence les bons moments passés en compagnie de mes collègues et associés de recherche de l équipe PolyStim. Mes remerciements aussi à Gaétan Décarie, technicien de l École Polytechnique, pour sa contribution à la réalisation

5 vi du premier prototype. Finalement, je voudrais remercier tous mes ami(e)s, ainsi que ma famille, qui ont été présents durant ce joyeux périple.

6 vii RÉSUMÉ Au Canada, plus de enfants souffrent d'énurésie nocturne 1. Bien que ce malaise soit sans danger pour la santé, il provoque régulièrement des troubles d ordre émotionnel et affectif. La thérapie comportementale de l alarme de conditionnement est, jusqu à ce jour, la plus fréquemment prescrite par les urologues et pédiatres car elle est la seule à offrir une guérison durable lorsque terminée. Cette thérapie qui conditionne graduellement la vessie de l enfant à associer le réveil à la miction ne prévient toutefois pas les fuites d urine durant la période de traitements. En effet, les alarmes de conditionnement commerciales utilisent des électrodes dans les sous-vêtements et déclenchent une alarme qui réveille l enfant avec le début de la miction. Ce mémoire de maîtrise propose et décrit la conception et la réalisation d une alarme de conditionnement ultrasonore reconfigurable, qui estime le volume vésical de l enfant afin de le réveiller avant le début de la miction. La prédiction de la miction est basée sur l estimation noninvasive de la profondeur vésicale à l aide d un cristal ultrasonore excité dans le mode pulse/écho. L alarme de conditionnement utilise un contrôleur rapide qui commande l excitation de la sonde et la détection des échos. Le contrôleur emploie une technique d amplification sélective pour localiser les parois vésicales et effectue le traitement numérique des échos détectés afin de déclencher l'alarme uniquement lorsque les résultats sont reproduits durant au moins cinq cycles consécutifs de mesures (orientation stable de la sonde). En outre, une interface usager assure la calibration du dispositif selon la

7 viii morphologie de l enfant. Finalement, un écran LCD affiche les résultats obtenus afin de valider le fonctionnement de l alarme avant et pendant les tests cliniques. 1 Ce nombre s élève à trois millions aux États-Unis.

8 ix ABSTRACT Nocturnal enuresis (bed-wetting) is a common disorder for children between the ages of 5 and 15. Though the problem usually clears up on its own, nocturnal enuresis sometime leads to serious psychological and social consequences if not dealt with properly. Behavior modification approaches, such as the enuresis alarm system, have been clinically proven to be the only nocturnal enuresis treatment strategy with persistent effectiveness. Available enuresis alarm systems, which condition the child to anticipate micturition, do not prevent bed-wetting during therapy. This master s thesis describes a new reconfigurable and miniaturized version of an ultrasonic monitor that wakens the patient a short time before his bladder reaches a critical volume (start of micturition). The detection approach is based on the estimation of the bladder s depth using a single, costeffective transducer excited in a pulse/echo mode. The device s architecture is designed around the use of a controller which respectively excites the transducer to generate the emitting ultrasound beam and detects echoes reflected by the patient s abdominal interfaces. Furthermore, a time-window amplification technique is used to locate the bladder walls. When the bladder reaches a critical depth, the controller activates the alarm when measurements are reproduced over several exciting cycles (stable probe orientation). The enuresis alarm system is reconfigurable to adjust the threshold depth according to the child s bladder morphology. A 4X16 character LCD screen has been implemented to validate measurements performed during the upcoming clinical evaluation of the device.

9 x TABLE DES MATIÈRES DÉDICACE... IV REMERCIEMENTS...V RÉSUMÉ...VII ABSTRACT... IX TABLE DES MATIÈRES...X LISTE DES FIGURES...XII LISTE DES TABLEAUX...XVII LISTE DES ANNEXES... XVIII INTRODUCTION... 1 CHAPITRE I PROBLÉMATIQUE DE L ÉNURÉSIE PROCESSUS URINAIRE Anatomie du système urinaire Processus de miction Morphologie de la vessie DESCRIPTION DU MALAISE THÉRAPIES ACTUELLES Médication Alarme de conditionnement INNOVATION THÉRAPEUTIQUE PROPOSÉE CHAPITRE II MÉTHODOLOGIE DES TRAVAUX TECHNIQUE D ESTIMATION DU VOLUME VÉSICAL... 27

10 xi Considérations pratiques Théorie des ultrasons REVUE DES TRAVAUX ANTÉRIEURS APERÇU DE LA NOUVELLE ALARME DE CONDITIONNEMENT ULTRASONORE CHAPITRE III CONCEPTION ET RÉALISATION DE LA NOUVELLE ALARME DÉMARCHES CALCULS PRÉLIMINAIRES RÉALISATION MATÉRIELLE Alimentations DC Émetteur Récepteur RÉALISATION LOGICIELLE CHAPITRE IV SYNTHÈSE DES TESTS ET RÉSULTATS VALIDATION DES ÉTAGES ÉLECTRONIQUES Alimentations DC Émetteur Récepteur VALIDATION DU FONCTIONNEMENT SUR UN ADULTE COMPLÉMENTS DES RÉSULTATS CONCLUSION RECOMMANDATIONS RÉFÉRENCES

11 xii LISTE DES FIGURES Figure 1.1 Appareil urinaire formé des reins, des uretères, de la vessie et de l urètre (Dugas, 1979) Figure 1.2 Morphologie du système urinaire et illustration des deux sphincters. Le sphincter interne, situé dans le col vésical, est commandé par voie réflexe autonome (involontaire) par le système nerveux parasympathique. Le sphincter externe (volontaire) est stimulé par les nerfs honteux (tirée de Moore, 1992) Figure 1.3 Position de la vessie chez le genre masculin (plan sagittal). Le plancher vésical est situé au niveau de la symphyse pubienne. Le sommet du fundus de la vessie peut atteindre le niveau du nombril au moment de la miction (Moore, 1979) Figure 1.4 La vessie vide d un enfant est située dans la cavité abdominale audessus de la symphyse pubienne (tirée de Moore, 1979) Figure 1.5 Contours de la vessie (plan sagittal) de quatre sujets différents au moment de la miction (trait plein) et après l évacuation de l urine (trait pointillé) Figure 1.6 Histogramme illustrant le pourcentage des enfants souffrant d énurésie en fonction de l âge (London Enuresis Clinic, 1998) Figure 1.7 Histogramme illustrant le pourcentage de guérison de l énurésie par les thérapies de l imipramine, du DDAVP et de l alarme de conditionnement à deux moments différents ((Monda et Husmann, 1995) Figure 2.1 Illustration des deux plans (sagittal et transversal) à partir desquelles le volume vésical est estimé par imagerie médicale (Williot, 1988) Figure 2.2 Paramètres utilisés par Hartnell (1987) pour estimer le volume vésical par imagerie médicale

12 xiii Figure 2.3 Modélisation de la vessie d un enfant proposée par Williot (1988) Figure 2.4 Illustration des seize orientations de la sonde pour balayer le plan sagittal (tirée de Kruczkowski, 1990) Figure 2.5 Principe de l évaluation de la distance séparant deux interfaces (Christensen, 1988) Figure 2.6 Architecture d un appareil ultrasonique fonctionnant dans le mode A (Christensen, 1988) Figure 2.7 Schéma d une sonde ultrasonore composée d un élément piézoélectrique (Christensen, 1988) Figure 2.8 Comportement du faisceau d ultrasons émis par un transducteur sans lentille focale (Christensen, 1988) Figure 2.9 Illustration de l amélioration de la résolution latérale d un transducteur muni d une lentille focale (Christensen, 1988) Figure 2.10 Illustration des deux types de configuration d affichage (Christensen, 1988) Figure 2.11 Illustration de l approche initialement utilisée pour prédire la miction. a) la vessie est vide et aucun écho est détecté. b) la vessie atteint un volume critique et deux échos sont réfléchis Figure 2.12 Architecture du dispositif développé par Pétrican (1998) Figure 2.13 Illustration de la technique d amplification sélective des échos provenant uniquement du mur postérieur de la vessie (tirée de Pétrican, 1998) Figure 2.14 Illustration de la nouvelle approche d estimation basée sur la mesure de la profondeur vésical Figure 2.15 Architecture de la nouvelle alarme de conditionnement. Un contrôleur rapide et peu coûteux estime la profondeur vésicale et valide le déclenchement de l alarme Figure 3.1 Exemple de morphologie abdominale d un enfant dont la vessie est pleine permettant d estimer le temps de propagation de l onde

13 xiv acoustique au travers différentes interfaces situées entre la sonde et le mur postérieur Figure 3.2 Illustration des différentes couches formant la sonde ultrasonore Figure 3.3 Schéma du circuit d alimentation de 15 V utilisant un convertisseur DC/DC et une pile alcaline de 9 V Figure 3.4 Schéma électrique du convertisseur DC/DC générant une tension DC maximale de 200 V pour l excitation du transducteur Figure 3.5 Schéma électrique du générateur d impulsions Figure 3.6 Schéma électrique du récepteur composé de l étage d amplification, du démodulateur et de l étage de détection des échos Figure 3.7 Schéma bloc des étages commandés par le contrôleur Figure 3.8 Organigramme illustrant le déroulement du programme effectué par le contrôleur Figure 3.9 Organigramme illustrant le rôle du contrôleur lors de l excitation de la sonde Figure 3.10 Organigramme illustrant le rôle du contrôleur lors de la détection des échos Figure 3.11 Organigramme illustrant le traitement numérique effectué par le contrôleur après la détection des échos Figure 3.12 Affichage de la profondeur critique ajustée par l usager lorsque le dispositif est dans le mode calibration Figure 3.13 Affichage des résultats obtenus lorsque le dispositif opère dans le mode alarme. Le contenu de l écran est mis à jour à la fin de chaque cycle d excitation. On y retrouve la profondeur vésicale estimée, le nombre d échos détectés et, pour les trois premiers, le temps écoulé depuis l excitation de la sonde et leur détection Figure 4.1 Illustration de la détection d une pile à faible voltage. Le contrôleur active l alarme ultrasonore lorsque la tension d entrée est inférieure à 7.69 V

14 xv Figure 4.2 Durée d activation du convertisseur DC/DC lors de la mise soustension du dispositif pour trois hautes tensions sélectionnées par l usager Figure 4.3 Durée d activation du convertisseur DC/DC entre chacun des cycles d excitation du transducteur dont la période est fixée à deux secondes Figure 4.4 Illustration de la variation de la durée du pulse d excitation commandé par le contrôleur Figure 4.5 Illustration de l amplitude du pulse d excitation en fonction de plusieurs charges résistives Figure 4.6 Illustration de la protection du «high-side driver» contre un voltage négatif survenant aux bornes d une charge inductive pulsée (transducteur de 1 MHz) Figure 4.7 Amplitude d excitation en fonction de la durée du pulse appliqué sur le transducteur de 1 MHz Figure 4.8 Illustration de l atténuation de la deuxième période du signal ultrasonore en fonction de la durée du pulse d excitation Figure 4.9 Pulse d excitation du transducteur de 3.5 MHz Figure 4.10 Analyse AC de l étage d amplification Figure 4.11 Illustration du fonctionnement de l étage d amplification sur un milieu de propagation idéal (sans atténuation) à l aide du transducteur de 3.5 MHz. Le signal V EXC correspond à l amplitude des échos captés aux bornes du transducteur. Les signaux V AMP-min et V AMP-max sont les échos amplifiés lorsque le gain est respectivement de 20 db et 30 db Figure 4.12 Illustration du fonctionnement du détecteur d enveloppe lorsque le signal démodulé est V AMP-max. L usager peut modifier la contante de décharge à l aide du potentiomètre POT4. V DEM-min et V DEM-max correspondent à l enveloppe des échos amplifiés lorsque le gain est

15 xvi de 30 db et que l usager modifie respectivement τ DÉCHARGE de 5 µs à 15 µs Figure 4.13 Illustration du fonctionnement du détecteur d échos lorsque le signal démodulé est V DEM-min (τ DÉCHARGE = 5 µs). L usager peut modifier l amplitude du seuil de détection critique à l aide du potentiomètre POT5. ECHO max illustre le cas où la résolution axiale est privilégiée au détriment de la détection d échos de faibles amplitudes Figure 4.14 Illustration de la détection des murs vésicaux d un adulte à l aide de la sonde de 3.5 MHz Figure 4.15 Illustration de la détection des murs vésicaux d un adulte à l aide de la sonde de 1 MHz Figure 4.16 Photo de la première version de l alarme de conditionnement. Le prototype fut intégré sur un circuit imprimé de quatre couches. Les composants électroniques sont situés sur les deux cotés du PCB afin de minimiser le volume du dispositif

16 xvii LISTE DES TABLEAUX Tableau 3.1 Évaluation des paramètres acoustiques des milieux de propagation illustrés à la Figure Tableau 3.2 Évaluation des temps de propagation de l onde aux travers les différentes interfaces de la région abdominale illustrées à la Figure Tableau 3.3 Temps écoulé depuis l excitation du transducteur lors de la détection des échos provenant des interfaces de la Figure Tableau 3.4 Caractéristiques des deux transducteurs utilisés pour tester le dispositif expérimentalement Tableau 3.5 Description du rôle des composants électroniques utilisés dans la conception de l alimentation de 15 V Tableau 3.6 Description du rôle des composants électroniques utilisés dans la conception du convertisseur DC/DC Tableau 3.7 Description du rôle des composants électroniques utilisés dans la conception du générateur d impulsions Tableau 3.8 Description du rôle des composants électroniques utilisés dans la conception du récepteur (étage d amplification, démodulateur, détecteur d échos) Tableau 3.9 Description des fonctions de l interface usager lors de la validation clinique du dispositif Tableau 4.1 Liste des appareils utilisés lors de la conception du dispositif

17 xviii LISTE DES ANNEXES Annexe A Schémas électriques détaillés 139 Annexe B Codes de programmation assembleur 146 Annexe C Aperçu de la validation clinique 189 Annexe D Description des nouveaux paramètres de calibrage..193

18 1 INTRODUCTION Quoique l incontinence nocturne soit un malaise sans danger pour la santé physique, il nuit certainement à l évolution psychologique et émotionnelle des enfants. Pour cette raison, la plupart des énurétiques âgés de six ans et plus suivent une thérapie destinée à remédier graduellement à cette fâcheuse situation. Il existe actuellement divers traitements pour corriger ce problème, mais ils comportent tous un ou plusieurs inconvénients importants. Prenons, notamment, la thérapie qui utilise une alarme pour conditionner l enfant énurétique à se réveiller immédiatement après le début du processus de miction. À l évidence, ces alarmes ne préviennent pas les fuites d urine puisqu elles emploient des électrodes détectant l humidité dans le sous-vêtement de l enfant. Plusieurs études s emploient à décrire l efficacité des thérapies actuelles et elles considèrent le conditionnement de la vessie, à l aide d une telle alarme, comme la solution durable et satisfaisante au problème de l énurésie nocturne. À notre avis, sa lacune principale réside dans son incapacité, durant la thérapie, à réveiller l enfant avant qu il mouille son lit. Ce mémoire décrit justement la conception et la réalisation d une alarme de conditionnement ultrasonore miniaturisée, mais prédisant le début du processus de miction des enfants énurétiques. S appuyant sur l approche thérapeutique des alarmes de conditionnement traditionnelles, notre dispositif ultrasonore réveille toutefois l enfant avant le début de la miction afin qu il évite de mouiller son lit. Pour illustrer la portée de l innovation thérapeutique proposée dans le cadre de cet ouvrage, nous démontrerons au premier chapitre les avantages de l utilisation de notre alarme de conditionnement ultrasonore.

19 2 Plus spécifiquement, notre alarme permet d une part, l atténuation de la souffrance psychologique et émotionnelle subie par les enfants énurétiques et d une autre part, la réduction probable de la durée des traitements actuels. Afin d assurer une meilleure compréhension de la technique développée pour prédire la miction, nous débuterons le premier chapitre avec une description anatomique du système urinaire. Puis nous expliquerons le processus de la miction, ainsi que la morphologie de la région abdominale, tout particulièrement la position, la forme et le volume de la vessie. Notre objectif étant l amélioration de la thérapie la plus souvent recommandée par les urologues et pédiatres, notre démarche nous mènera tout naturellement à traiter de l approche proposée pour réveiller l enfant avant la miction. Le second chapitre explicitera donc les différentes techniques d estimation du volume vésical et illustrera les critères spécifiques de notre application dans le but de justifier clairement le choix des ultrasons. Une initiation à la théorie des ultrasons suit pour illustrer l utilisation clinique traditionnelle d estimation du volume d urine contenue dans la vessie. Nonobstant le fait que notre dispositif s inspire d un ancien prototype développée par notre équipe de recherche, notre contribution réside dans l architecture électronique proposée qui augmente significativement la précision et la fiabilité de la prédiction de la miction. En effet, la version initiale prédisait la miction par la détection du mur postérieur de la vessie lorsque cette dernière atteignait un volume critique prédéterminé. Toutefois, l architecture électronique totalement analogique de cette alarme ne validait pas la provenance de l écho détecté, à savoir le mur postérieur de la vessie. Conséquemment,

20 3 tout mouvement sur la sonde, même ceux provoqués par la simple respiration de l enfant, rendait l alarme peu fiable pour la détection de cette interface. La pauvreté des résultats cliniques obtenus lorsque l orientation de la sonde était instable nous a obligé à concevoir une toute nouvelle architecture électronique miniaturisée. Pour augmenter la fiabilité 2 de cette première version, tout en conservant un coût et un volume similaire, notre nouvelle alarme de conditionnement utilise un contrôleur rapide qui détermine l instant propice pour déclencher l alarme. En outre, ce contrôleur améliore la précision 3 de l estimation du volume vésical en ce qu il traite tous les échos détectés et non seulement celui provenant du mur postérieur de la vessie. Les critères de sélection du contrôleur seront explicités au chapitre 3 à l aide d un exemple qui illustre le temps de propagation d une onde ultrasonore aux travers différentes interfaces de la région abdominale d un enfant. Afin d optimiser l efficacité des tests cliniques prévus pour le mois de mai, nous avons procédé à la conception de deux transducteurs, dont les spécifications privilégient la profondeur de pénétration plutôt que la résolution axiale. L architecture électronique, composée de deux alimentations DC (5 V et 15 V), d un émetteur pour l excitation de la sonde, d un récepteur pour la détection des échos et d une interface usager 4 pour le calibrage du dispositif selon la morphologie de l enfant, est décrite au chapitre 3. Nous en profiterons, par ailleurs, pour 2 Nous entendons par fiabilité, la possibilité de détecter et rejeter les résultats erronés (les mesures sont destinées à ne pas être constamment reproduites dans le temps). 3 Nous entendons par précision, le temps écoulé entre le réveil de l enfant et le début réel du processus de miction. 4 Les paramètres de calibrage, programmés à l aide de l interface usager, sont affichés sur un écran à cristaux liquides qui n est pas porté par l enfant durant la nuit.

21 4 expliquer le rôle de chacun des composants utilisés dans la conception matérielle de notre alarme de conditionnement. Une description de la conception logicielle démontrera, à l aide d organigrammes, le déroulement du programme qui assure l excitation de la sonde, la détection des échos et l estimation de la profondeur vésicale. Le chapitre 4 est, quant à lui, destiné à rapporter les résultats obtenus à la suite de la validation expérimentale de ces étages électroniques. Nous démontrerons que notre alarme réussit à détecter les parois vésicales d un adulte dont la morphologie présente des conditions de propagation et de réflexions moins propices que celles rencontrées chez les enfants. Finalement, le mémoire se terminera avec des recommandations visant la commercialisation de notre alarme de conditionnement.

22 5 CHAPITRE I 1 PROBLÉMATIQUE DE L ÉNURÉSIE Le but de ce chapitre consiste à illustrer la problématique de l incontinence nocturne chez les enfants. Pour y arriver, nous procéderons à la description des organes du système urinaire de l être humain, pour ensuite expliquer le processus de la miction assurant l élimination de l urine emmagasinée dans la vessie. Nous décrirons également la morphologie de la vessie afin de justifier clairement les démarches poursuivies lors de ce projet. Ensuite, nous définirons l énurésie (incontinence) et présenterons les causes et les conséquences de ce problème très répandu chez les enfants, tout en explicitant les avantages et les inconvénients des thérapies basées jusqu alors sur la médication et l alarme de conditionnement. Finalement, nous introduirons l innovation thérapeutique proposée dans le cadre de ce projet. 1.1 Processus urinaire Nous débuterons cette section par la description de l ensemble du système urinaire composé des reins, des uretères, de la vessie et de l urètre. Ainsi, nous verrons les organes impliqués depuis la formation de l urine au niveau des reins jusqu à son élimination par l urètre. Ensuite, nous définirons la miction car ce terme est utilisé tout le long de ce texte. Nous terminerons cette section par l illustration de la morphologie de la vessie, c est-à-dire sa position, sa forme et son volume.

23 Anatomie du système urinaire Les reins 5, situés dans la paroi postérieure de la cavité abdominale, régularisent la quantité d eau présente dans le corps et filtrent le sang pour en extraire les toxines (Figure 1.1). L urine quitte les reins par deux uretères 6, reliés sur la face postérieure de la vessie aux orifices urétéraux. Notez bien que l urine ne remonte jamais dans les uretères puisque ceux-ci se contractent sous l effet de la pression vésicale. Quant à la vessie, elle est un organe musculaire qui accumule l urine formée au niveau des reins. Elle est composée d une part par une section appelée fundus qui sert de réservoir pour emmagasiner l urine et, d autre part, par un col vésical 7 qui prend la forme d un entonnoir relié à l urètre. L urètre est le conduit par lequel l urine est évacuée du corps humain. Autour de l urètre se trouve deux sphincters contrôlés lors de la miction. Le premier, constitué de muscles lisses situés à l intérieur du col vésical, est innervé par les fractions parasympathiques du système nerveux autonome (sphincter interne) alors que le second, composé de muscles striés, est innervé par des fibres volontaires (sphincter externe). 5 Organes en forme de haricot mesurant environ 12 cm de longueur, 6 cm de hauteur et 3 cm d épaisseur. 6 Tube musculaire de 5 mm de diamètre dont la longueur est de 20 à 30 cm. 7 Le col vésical mesure de 2 à 3 cm.

24 7 Figure 1.1 Appareil urinaire formé des reins, des uretères, de la vessie et de l urètre (Dugas, 1979) Processus de miction La miction, définie comme étant l évacuation de l urine contenue dans la vessie, repose sur deux composantes nerveuses : l une involontaire et l autre volontaire (Figure 1.2). Avant que les parois de la vessie se distendent, le sphincter interne serre le col vésical pour empêcher les fuites d urine. Lorsque les mécanorécepteurs, situés sur le fundus de la vessie, détectent que les parois vésicales sont étirées, par voie de réflexe, le système

25 8 parasympathique provoque la contraction du sphincter interne (miction involontaire) par la stimulation du muscle détrusor situé dans le col vésical. Ainsi, le réflexe involontaire de la miction assure l ouverture du col vésical. L évacuation de l urine est donc assurée par la contraction des muscles abdominaux et l ouverture volontaire du sphincter externe via les nerfs honteux (miction volontaire). Figure 1.2 Morphologie du système urinaire et illustration des deux sphincters. Le sphincter interne, situé dans le col vésical, est commandé par voie réflexe autonome (involontaire) par le système nerveux parasympathique. Le sphincter externe (volontaire) est stimulé par les nerfs honteux (tirée de Moore, 1992).

26 Morphologie de la vessie À la section 2.3, nous expliquerons notre approche pour prédire la miction basée sur l estimation du volume vésical à l aide d un transducteur orienté pour mesurer la profondeur de la vessie. Pour prédire la miction, la distance caractéristique mesurée entre les murs antérieur et postérieur de la vessie doit être représentative du volume vésical. Afin d optimiser la corrélation entre la profondeur et le volume vésical, nous devons positionner adéquatement la sonde, ce qui nous oblige à décrire au préalable la morphologie vésicale (position, forme et volume) et ce, en fonction de l âge de la personne et du volume d urine contenu dans la vessie. La vessie est un organe musculaire creux se trouvant dans la cavité pelvienne. En pratique, chez le mâle adulte, elle est située devant le rectum et derrière la symphyse pubienne (Figure 1.3). Chez la femme adulte, elle est derrière la partie supérieure du vagin et devant l utérus. Vide, la vessie d un adulte ressemble à un ballon dégonflé se trouvant dans la région pelvienne mineure, derrière et légèrement au-dessus de l os pubien. Lorsque la vessie se remplit, son sommet monte dans la région pelvienne majeure, parfois jusqu au niveau du nombril. La vessie vide d un jeune enfant se trouve entièrement dans la cavité abdominale (Figure 1.4). À mesure que l enfant grandit, la vessie descend progressivement derrière le pubis. À l âge de six ans, la vessie se trouve dans la région pelvienne majeure. Ce n est pas avant la puberté que la vessie atteint la région pelvienne mineure. Il est par conséquent difficile de définir la position exacte de la vessie puisqu elle dépend de l âge et du volume d urine. Cependant, la position de cet

27 10 organe chez le jeune enfant facilite l estimation de son volume puisqu il n est pas caché par l os pubien. Figure 1.3 Position de la vessie chez le genre masculin (plan sagittal). Le plancher vésical est situé au niveau de la symphyse pubienne. Le sommet du fundus de la vessie peut atteindre le niveau du nombril au moment de la miction (Moore, 1979). Figure 1.4 La vessie vide d un enfant est située dans la cavité abdominale au-dessus de la symphyse pubienne (tirée de Moore, 1979).

28 11 La forme de la vessie est difficilement déterminable car elle est unique à l individu, et qu elle dépend de la position du sujet (couché/debout/assis) et du volume d urine. Pleine, la vessie a une forme plus ou moins ovale. La dilatation de la vessie s'effectue de façon relativement uniforme grâce aux trois couches musculaires dont elle est entourée. Une étude réalisée par Hartnell et al. (1987) affirme que la vessie ne possède aucune forme prédéterminée. La Figure 1.5 illustre la variation de la forme de la vessie à deux moments différents, pour quatre sujets masculins (plan sagittal). Le contour fait de traits continus démontre la forme de la vessie avant la miction, alors que celui tracé en pointillé représente la vessie après la miction. On constate que la forme de la vessie varie dans le temps, en fonction du volume d urine, et ce d un individu à l autre. Il est important de noter que le haut de la vessie monte progressivement vers la tête du patient lorsque le volume d urine augmente. De plus, on constate une augmentation de la profondeur vésicale. Bien qu il soit difficile de modéliser la vessie, nous mentionnerons à la section quelques unes des formules mathématiques utilisées pour estimer le volume vésical, à partir de deux images caractéristiques 2D (plan transversal et sagittal) obtenues par ultrasons. La vessie forme une poche très élastique dont le volume correspond approximativement à celui de l'urine. Après la miction, le volume d urine est pratiquement nul bien que l on retrouve occasionnellement un volume d urine résiduel chez certains individus dont le processus urinaire est déficient.

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