Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Objectifs : valider des équations prédictives de la teneur en eau totale (TBW) chez le chien vigile de race beagle par bioimpédancemétrie monofréquence à 50 kHz, en comparaison avec la méthode de référence de dilution au deutérium. Ces équations seront ensuite appliquées à différentes races de chiens afin de vérifier leur validité chez tous les formats de chiens.Animaux : 26 chiens de laboratoire de race beagle et 13 chiens de propriétaires de diverses races. Méthodes : TBW est déterminée par la méthode de référence de dilution à l’eau deutérée et indirectement par l’utilisation d’équations prédictives établies à partir de mesures morphologiques et des mesures électriques (résistance et réactance) obtenues au moyen d’un bioimpédancemètre. Résultats : Les données obtenues chez 16 des 26 beagle a permis d’établir, par régression linéaire, deux équations prédictives de la teneur en eau totale suivantes : TBW1 = –0.019(BL2/R) + –0.199(RC + AC) + 0.996W + 0.081H + 12.31; et TBW2 = 0.048(BL2/R) + –0.144(RC +AC) + 0.777W + 0.066H + 0.031X + 7.47, où AC est le périmètre abdominal, H la hauteur au garrot, BL la longueur du corps, R la résistance, RC le périmètre thoracique , W le poids; and X la réactance. Chez les 10 beagles restants, TBW calculée par les équations TBW1 et TBW2 et celle obtenue par la méthode de dilution sont fortement corrélées (R21 = 0.843 ; R22 = 0.816). La 1ère et la 2ème équations sous-estiment de façon non significative la TBW de respectivement 2.4% and 1.6%. Cependant, l’application de ces formules à des chiens de diverses races ne permet pas l’estimation correcte de la TBW par rapport à la méthode de référence.Conclusion : Cette étude montre qu’il est possible et facile d’utiliser la bioimpédance chez le chien vigile. Deux équations prédictives de la TBW ont été développées et validées chez le beagle mais ne sont pas applicables en l’état à d’autres races de chien. La diversité morphologique des races canines obligent à adapter ces équations en fonction de paramètres de conformation et de format. / Objectives—To develop equations for prediction of total body water (TBW) content in unsedated dogs by combining impedance and morphological variables, and to compare the results of those equations with TBW content determined by deuterium dilution (TBWd). Then to investigate whether these equations were predictive of TBW in various canine breeds.Animals—26 healthy laboratory adult Beagles and 13 healthy adult pet dogs of various breeds.Procedures—TBW content was determined directly by deuterium dilution and indirectly with equations developed from measurements obtained by use of a portable bioelectric impedance device and morphological variables.Results—Impedance and morphological data from 16 of the 26 Beagle dogs were used to determine coefficients for the following 2 equations: TBW1 = –0.019(BL2/R) + –0.199(RC + AC) + 0.996W + 0.081H + 12.31; and TBW2 = 0.048(BL2/R) + –0.144(RC +AC) + 0.777W + 0.066H + 0.031X + 7.47, where AC is abdominal circumference, H is height, BL is body length, R is resistance, RC is rib cage circumference, W is body weight; and X is reactance. Results for TBW1 (R21 = 0.843) and TBW2 (R22 = 0.816) were highly correlated with the TBWd. When the equations were validated with data from the remaining 10 dogs, the respective mean differences between TBWd and TBW1 and TBW2 were 0.17 and 0.11 L, which equated to a nonsignificant underestimation of TBW content by 2.4% and 1.6%, respectively. Applying the two equations to dogs of various breeds showed they are inaccurate to estimate TBW content.Conclusions and Clinical Relevance—Results indicated that impedance and morphological data can be used to accurately estimate TBW content in adult Beagles. This method of estimating TBW content is less expensive and easier to perform than is measurement of TBWd, making it appealing for daily use in veterinary practice. However, the proposed equations need to be modified including morphological parameters such as body size and shape in a first approach. As in humans, morphological-specific equations have to be developed and validated.

Le but de ce travail est l'étude de la bioimpédancemétrie appliquée à des populations particulières de néphrologie (hémodialyse, insuffisance rénale et transplantation), afin d'évaluer l'apport de cette technique et les facteurs d'influence modifiant la mesure ou son interprétation. Nous avons pu identifier (à travers deux appareils d'impédancemétrie) plusieurs profils de patients, selon leurs « réponses » à la technique de bioimpédance, en fonction des séances d'hémodialyse, de l'âge, des comorbidités, de matériel implantable, de la fonction rénale après transplantation. Il y a une bonne validité des données physiques mesurées. Sur les valeurs calculées, il y a des valeurs aberrantes, tant sur les volumes hydriques que sur le diagnostic d'hydratation (calcul de l'excès d'eau). La principale hypothèse est l'existence d'algorithmes dans les logiciels, établis sur des populations caractéristiques, et avec de nombreux facteurs correctifs, mais qui restent inadaptés dès que le sujet mesuré s'éloigne un peu de ces patients « normés ». La présence de matériel dans le corps humain influencerait les mesures et rendrait les algorithmes inadaptés. Ce travail nous amène à conclure que quelque soit le logiciel, donc l'appareil utilisé, le patient devrait être son propre témoin de mesure, hypothèse non vérifiée dans la littérature. Enfin, le deuxième point de recherche pourrait être la notion d'une fréquence tissulaire propre à chacun, autre que la classique fréquence de 50 kHz, celle théorique à laquelle l'effet capacitif membranaire est maximal, et caractérise donc la cellule. Notre étude montre que cette fréquence est loin d'être de 50 kHz. Les études restent à faire / The goal of this work is to study bioimpedance through different and particular people in nephrology (hemodialysis, renal disease or kidney graft), to assess this electrical engineering and the factors of onfluence that can change the measures or their meaning. We succeed to identify (through two bioimpedance instrument) several profiles of patients, according to their "response and behaviour" to this bioimpedance technique, depending on hemodialysis sessions, age, morbidity, presence of electrical device or after kidney transplantation. Through our population, we find a good validity of the electrical and physical measures. But when the values body composition are calculated from the electrical data, there is often aberrant values, concerning body composition, fluid compartment or the excess water. The main hypothesis is the existence of algorithms in the devices, compiled from statistics on healthy populations, with several corrective factors, but these algorithms probably don't fit with "particular" population. This work allows us to propose that what are the devices used, the patient might be his own measure witness. There is no study in the literature. Finally, an idea could be the existence of a specific tissue frequency, specific to each one, and different from the theoretical frequency of 50 kHz. This 50 kHz frequency corresponds to the highest cell membrane capacity and so characterizes the cell. Our study shows that the frequency corresponding to this highest reactance is precisely not 50 kHz. The hypothesis is the existence of a own characteristic frequency. Sudies remain to be done

Les techniques d'évaluation de la composition tissulaire permettent de mieux comprendre les processus physiologiques et leur impact global sur l'état biologique des sujets expérimentaux. Le travail présenté dans ce manuscrit vise à concevoir un système de mesure intégré de spectroscopie de bioimpédance capable de mesurer un large champ de biomarqueurs sur de longues périodes (jusqu'à un an). Le système de mesure présenté peut être utilisé pour des applications de suivi à long terme de variables physiologiques en général. Néanmoins, les solutions présentées visent en particulier le poisson dans le cadre du projet POPSTAR qui vise à améliorer notre compréhension du comportement des poissons en analysant non seulement l’environnement dans lequel les poissons se déplacent et vivent mais aussi les poissons eux-mêmes. Après avoir identifié les défis de conception d'un système de mesure intégré par spectroscopie de bioimpédance, nous avons proposé une nouvelle architecture hybride permettant une spectroscopie rapide tout en maximisant la précision des mesures. Les blocs de génération du signal d'excitation sont critiques car leurs performances affectent l'ensemble des performances de l'architecture. La deuxième partie de cette recherche porte donc sur la conception et l’optimisation de la partie génération de l’architecture. En effet, nous avons amélioré la qualité des signaux de génération de stimuli pour les excitations mono-fréquentielle et multi-fréquentielle tout en proposant pour cela des implémentations sur puce de basse complexité. Dans la dernière partie de notre travail, la source de courant analogique qui transforme les stimuli en un courant d'excitation est discuté. Pour ce bloc, nous avons proposé une nouvelle topologie analogique utilisant un version améliorée du cascode régulé et une compensation de rétroaction du mode commun indépendante des variations du processus. Le premier prototype de puce intégrée embarquant les blocs critiques de l'architecture de mesure de bioimpédance a été conçu et simulé avec un process CMOS 0.18 µm de AMS fonctionnant sous une tension d'alimentation de 1.8 V. / Tissue composition assessment techniques are used to help better comprehend physiological processes and their overall impact on the biological state of the experiments subjects. The research presented in this manuscript aims to design a bioimpedance spectroscopy integrated measurement system capable of measuring a wide range of biomarkers over long periods of time (up to one year). The presented measurement system can be used for physiological variables long time monitoring applications in general. Nevertheless, the presented solutions target in particular fish species in the context of the POPSTAR project which aims to enhance our understanding of fish behavior by analyzing not only the environment in which fish travel and live but also the fish themselves. After identifying the design challenges of a bioimpedance spectroscopy integrated measurement system, we have proposed a novel hybrid architecture providing fast bioimpedance spectroscopy while maximizing the measurement precision. As the signal generation blocks are critical and their performances affect the whole architecture performances. The second part of this research focuses on the design and optimization of the signal generation part of the architecture. Indeed, we have enhanced the stimuli generation signals quality for single tone and multitone excitations while proposing for this blocks low complexity on-chip implementations. In the last part of our work the current driver that transforms the voltage stimuli into an excitation current is discussed. A novel analog topology using an improved regulated cascode and a common-mode feedback compensation independent of process variations is presented. The first chip prototype implementing the critical blocks of the bioimpedance integrated measurement architecture has been designed and simulated in a 0.18 µm AMS (Austria MicroSystems) CMOS process operating at 1.8 V power supply.

Le suivi des volumes hydriques du patient hémodialysé permet d'accroître l'efficacité des traitements et d'aider à la détermination du poids sec. Le but de cette thèse est d'améliorer les techniques d'évaluation des volumes hydriques du corps en hémodialyse. Les volumes extra et intracellulaires sont obtenus par bioimpédance, le volume plasmatique par mesures d'hématocrite optique ou ultrasonore. La précision des mesures d'hématocrite par ultrason pu être améliorée grâce à une modélisation précise de la variation des différents composés sanguins lors de l'ultrafiltration. Nous avons proposé une nouvelle modélisation électrique des compartiments hydriques, qui permet de mesurer la variation d'eau totale avec plus de précision. Trois méthodes de détermination du poids sec par impédance ont été analysées et améliorées. Les erreurs de la méthode d'impédance dues aux changements de position ou à la variation de la résistivité de l'extracellulaire en hémodialyse ont été étudiées.

Ce travail de thèse traite de la caractérisation par spectroscopie d'impédance d'échantillons biologiques de très faibles dimensions. Les phénomènes de polarisation, classiques en spectroscopie d'impédance, créent une contrainte et augmentent l'erreur de mesure en basses fréquences. L'objectif principal de cette thèse est l'optimisation géométrique de la structure d'un capteur à électrodes interdigitées afin d'élargir la bande de fréquence utile. Le premier chapitre synthétise les données fondamentales relatives au comportement électrique des tissus biologiques ainsi que leurs propriétés électriques. Un état de l'art des techniques fondamentales de mesure d'impédance basées sur les électrodes micrométriques est aussi décrit. Le deuxième chapitre concerne une approche théorique pour l'optimisation du capteur. Cette optimisation sert à élargir la bande de fréquence utile de mesure. Elle consiste à choisir un rapport optimum de distance inter-électrodes sur largeur d'électrode. Une modélisation tridimensionnelle du système d'électrodes chargé par un milieu biologiquea été simulée sous ConventorWare©. Les résultats de cette simulation sont discutés. Le troisième chapitre traite de la conception et de la réalisation des biocapteurs. Les dispositifs technologiques développés sont décrits. La conception et la fabrication des composants sont présentées. Dans le dernier chapitre, une campagne de mesure sur des micro-volumes de fluides (solutions étalons, sang humain) est réalisée. Les mesures sont effectuées à l'aide de cinq micros capteurs à électrodes interdigitées. Les mesures réalisées sur des échantillons (solution étalons, sang humain) ainsi que la validation des dispositifs sont discutées. Les résultats obtenus sont comparés à des valeurs publiées dans la littérature et la théorie d'optimisation développée est validée et justifiée expérimentalement / The characterization by impedance spectroscopy of biological micro samples is one of the objectives of this thesis. The well known polarization phenomena at low frequency is a constraint that increases the measurement error. The main objective of this thesis is to optimize the geometric structure of an interdigitated electrode sensor in order to obtain confident experimental results in an extended useful frequency band without a significant influence of the polarization effect. The first chapter synthesizes fundamental data on the electrical behavior of biological tissues and their electrical properties. A state of the art techniques of the fundamental impedance measurement based on micrometric electrodes is also presented. The second chapter developps a theoretical approach for optimization of the biosensor. This optimization is used to expand the usable measurement. Indeed, it leads to determine the optimum distance between electrodes versus electrode width. A 3D modeling of the electrode system loaded by a biological medium was simulated using ConventorWare and the results are discussed. In the third chapter, the devices developed in this work are described. Design and manufacture of the biosensor components are described. In the last chapter, measurements on microvolumes of fluids (standard solutions, human blood) using five micros sensors with interdigitated electrodes are presented and discussed. Finally we compare these results to published values in the literature and the optimization theory is experimentally validated