A. Dittmar, C. Gehin, A. Oliveira, B. R.
Nocua, E. McAdams
Lyon Institute of
Nanotechnologies (INL)/Biomedical Sensors dep
Université Joseph Fourier, Grenoble,
France
Cerebral temperature and autonomic nervous
system (ANS) activity are relevant complementary
parameters for the monitoring of physical and
mental activities. At the moment, no study has
been performed combining these thermal and
neurophysiological parameters.
A wide field of applications exists: the
monitoring of the car driver for the detection
of trouble related to the state of vigilance,
study of circadian rhythms, detection of stress,
etc.
Specific ambulatory instrumentations have
been developed in our group, in order to assess
the cerebral temperature (BCT, Brain and Core
Thermometer) and the parameters related to the
ANS activity (Emosense, a wrist ambulatory
device).
This paper presents first results obtained
according to this multi parametric approach.
Experiment has been performed during a short
relaxation stage. All the recorded physiological
parameters highlight the relaxation state,
conclusion that cannot be obtained with only one
parameter.
I. INTRODUCTION
Cerebral temperature and autonomie nervous
system (ANS) activity are relevant complementary
parameters for the monitoring of physical and
mental activities. At the moment, no study has
been performed combining these thermal and
neurophysiological parameters.
Therefore, on one hand, it has been
demonstrated that an intense mental activity
induces an increase of brain temperature due to
a peripheral vasoconstriction which consequently
leads in a decrease of skin temperature
[1]. On a second hand, a mental activity
induces modifications of the parameters related
to the ANS. Therefore modifications of the ANS
activity induce changes in skin temperature,
skin resistance and heath rate.
The thermal and neurophysiological
parameters are measured thanks to sensors and
systems developed in our group: cerebral
temperature is measured with the Brain and Core
Thermometer (BCT) [1] and the ANS
activity is monitored with a wrist ambulatory
device, Emosense [2].
This paper presents first results obtained
according to this multi parametric approach.
Experiment has been performed during a short
relaxation stage. Brain temperature, skin
resistance, skin temperature and heat rate are
recorded while a subject is relaxing.
Significant changes appear in these parameters
during the experimentation highlighting the
relaxation state.
II. MATERIALS AND METHODS
A. Brain temperature measurement
The cerebral temperature is one of the best
indicators of fever, circadian rhythms
[3]or physical and mental activities.
This is due to the location of the hypothalamus,
which is the centre of the thermoregulatory
control, in the brain. Non invasive measurement
of deep body temperature can be carried out by
using NMR spectroscopy, microwave radiometry
[3], near infrared spectroscopy,
ultra-sound thermometry [5].
These measurements are not compatible with
outdoor, ambulatory or long term monitoring and
with daily activities. To ensure a non invasive
ambulatory long term monitoring of the core
temperature, the brain and core thermometer
(BCT) has been developed [1].
The BCT is based on the zero-heat-flow
principle, mainly developed by Fox and coll.
[6], [7] and used almost for the
measurement of core temperature [8],
[9], [10], [11]. The
sensor is made up an insulation layer, a heating
element and a thermal sensitive element. Heat
losses are reduced thanks to insulation and
prevented using the heating element until there
is no heat flux across the sensor. When heat
flux across the sensor is null, the deep
temperature rises to the heat surface and then,
measured by the thermal sensitive element
(Figure 1).
The precision is about ±1/10°C,
this sensor was calibrated and tested using
several physical models and phantoms for the
simulation of the thermal parameters of the
layers under the sensor, skin, bone, brain
[1]. The threshold of sensitivity is so
small that 1/1000°C changes can be
detected.
The sensor is attached to the temple with an
elastic band.
B. ANS activity detection
Skin temperature, skin resistance
[12] and heart rate variability (HRV)
[12] are reliable indexes of ANS
activity. Figure 2 shows the electrodes location
on the body.
These three parameters are monitored with
the Emosense ambulatory device.
The skin temperature is measured using a
BetaTHERM 1OK3A1 thermistor attached to the
inner face of the hand. This site of measurement
provides information on the
vasodilatation/vasoconstriction state of the
subject. The skin temperature is an indicator of
the thermal state of the subject
(thermoregulation) and also is modulated by the
ANS activity. Indeed, the ANS activity modifies
the microvascularisation and consequently the
skin temperature.
The skin resistance is measured with two
electrodes (Ag/AgC1 50 mm2) placed on the second
phalanx of both the index and the third digit of
the non-dominant hand in compliance with the
recommendations of Fowles [13].
The skin resistance signal is related to the
activity of the sweat glands [12]
concerning the arousal state of the person. The
following two aspects of the resistance signal
are studied for physiological significance: (i)
Tonic level: this is the slow variation of the
signal. (ii) Phasic level response: this is the
dynamic response produced by a particular
stimulus induced by the experimenter or the
surroundings. This response is characterised by
the response's amplitude, the time between the
response's maximal and minimal points following
the stimulus and by the recovery time
[12].
The instantaneous heart rate is measured
with classical electrocardiogram circuit in
front position lead II. The QRS complex was
detected using the PAN-Tompkins Algorithm in
order to produce the tachogram of the heart rate
signal. The heart rate variability has been
computed using the short Fourier transform with
a Gaussian window in order to compute the
energies in the low and high frequencies
[14]. The computed energy in low
frequency band (0.04-0.1 Hz) reflects the
activation of both the parasympathetic and
sympathetic system and the energy in high
frequency band (0.15 - 0.4 Hz), on the other
hand, corresponds to the activaa tion of the
parasympathetic system alone. In order to
quantify the activity of the sympathetic system
alone, the LF/HF ratio is computed. A high ratio
tra-
duces an activation of the sympathetic
system. C. Protocol The subject, a woman, 27
years old, is sited on a comfortable chair in a
dark room and placed in thermal comfort. After
fifteen minutes of initialization - due to the
BCT time constant -the subject is asked to
relax. Indeed, the measurement needs the
creation of an isothermal zone under the sensor,
which takes about 10 minutes ("establishing time
constant"). The relaxation duration is about
fifteen minutes. The cerebral temperature and
the ANS activity are recorded while the subject
is relaxing.
III. RESULTS AND DISCUSSION
Figure 3a reports the effect of relaxation
on thermal parameters: brain temperature and
skin temperature, and Figure 3b, the effect of
relaxation on skin resistance and on the ratio
LF/HF which corresponds to the sympatho/vagal
balance. This ratio is calculated using a smooth
shifting window of 250 seconds.
The experimentation consists of three parts:
before relaxation (phase A), during relaxation
(phase B) and after relaxation (phase C).
• Phase A
The subject is asked to remain awoke while
waiting for the stabilisation of the BCT
temperature. Brain temperature increases to a
maximum of 37.95°C and the skin temperature
reaches a value of 34.2°C.
The ratio LF/HF is higher than 1 traducing a
significant activity of the sympathetic
system.
In this first stage, the subject is supposed
to be vigilant. It is observed that in fact she
is already relaxing: the skin temperature is
increasing, which corresponds to a
vasodilatation. Indeed, during relaxation, a
vasodilatation occurs,
heat losses increase and consequently the
skin temperature of distal territories
increases. Brain temperature should normally
decrease but in this stage, it increases because
of the time constant necessary for the
stabilization of the measurement.
The relaxation of the subject is also
visible on the skin resistance during the first
10 minutes. For that reason, two stimuli are
applied in order to activate the subject and
maintain a high level of vigilance before the
relaxation stage. At
the end of this first stage, the initial
level of skin resistance is recovered. The same
comment can be made on the ratio LF/HF, at the
end of the first stage, the level is lower that
at the beginning, traducing a relaxation of the
subject.
• Phase B
This stage corresponds to the relaxation of
the subject. All the parameters indicate that
the relaxation is achieved successfully: the
brain temperature decreases, the skin
temperature and the skin resistance increase and
the ratio LF/HF decreases as a consequence of
the augmentation of the parasympathetic system
activity.
Therefore, as the subject starts the
relaxation, the slope of the brain temperature
is inverted, as the slope of the skin
resistance.
Brain temperature decreases of about
0.15°C during 10 min corresponding to a
slope of 1.5/100°C/mm. After a slow
decrease, the skin temperature increases of
about 0.78°C. The phenomenon is the same as
reported in the first stage: during relaxation,
a vasodilatation occurs, heat losses increase
(the skin temperature of distal territories
increases) which induce a decrease of the brain
temperature. This is coherent with the increase
of the skin temperature.
The skin resistance increases from 80 to 217
kfl during 10 minutes. The skin resistance is a
relevant parameter to characterize the
relaxation state. The shape of this
physiological signal is characteristic of a
decrease of vigilance. Indeed, the main
component of this signal is the tonic one,
phasic responses are very small compared to the
tonic level.
Concerning the LF/HF ratio, the level during
the relaxation is lower than in phase A, which
traduces a higher activity of the
parasympathetic activity than the sympathetic
one.
• Phase C
The subject is asked to wake up. There is
rapid fall in the skin resistance and a slight
decrease in skin temperature. The brain
temperature decreases but with a lower slope
0.85/100°C/mm (compared to
1.5/100°C/mm during the relaxation).
The ratio LF/HF increases slightly traducing
the increase of the sympathetic activity.
IV. CONCLUSIONS
The multiparametric approach proposed in
this study can really improve the study of the
different physiological states, as the
relaxation. Both, thermal and neurophysiological
parameters are relevant in the study of
relaxation. Associated with miniaturized and
ambulatory devices, it offers new monitoring
possibilities in real conditions. For exampie,
the study of the car-driver can take benefit of
this approach for the prevention of car accident
by the monitoring of the vigilance level.
Future work will be performed in order to
improve the studies related to circadian
rhythm.
REFERENCES
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Deihomme, D. Boivin, G. Dumont, And C. Mott, 'A
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Of Brain Temperature," Conf Proc Ieee Eng Med
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E. McAdams, A. Dittmar, Centrale de mesure
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Ambulatory monitoring system based on PSoC,
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Dittmar, A.; Gehin, C., Delliomme, G.; Nocua,
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[5] E.G. Lierke, K. Beuter, M. Han:
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Thermological methods, VCH Ed., 1984.
[6] R. H. Fox, A. J. Solman: "A new
technique for monitoring the deep body
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[7] R. H. Fox, A. J. Solman, R.
Isaacs, A. J. Ferry, I. C. Mac Donald: "A new
method for monitoring deep body temperature from
the skin surface," in Clinical science,
1972.
[8] K. B. Carter, A.M. Perry: "An
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[9] M. Fukuoka, Y. Yamori, T.
Toyoshima: "Four hour monitoring of deep body
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[10J T. Togawa, T. Nemoto, T. Yamakasi,
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[12 Boucsein W, Electrodermal activity.
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[13] D. C. Fowles, M. J. Christie,
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variability - standards of measurement,
physiological interpretation, and clinical use,
Circulation, vol.93(S),pp.1043-1065
Capteur de
Température Cérébrale Non
Invasif et Ambulatoire
André Dittmar, Claudine Gehin, Ronald
Nocua, Georges Delhomme
Microcapteurs et Microsystèmes
Biomédicaux, INSA Lyon,
Résumé - La mesure de
la température cérébrale
est le meilleur indicateur des rythmes
thermiques circadiens, des états de
fièvre, d'hyperthermie ou d'hypothermie
etc. ; Les centres thermorégulateurs du
corps humain étant localisés
principalement dans l'hypothalamus (zone
médiane inférieure du cerveau) les
autres mesures de température, rectale,
linguale, axillaire, hypothalamique
présentent toutes des
inconvénients de précision, de
confort et/ou ne permettent pas les mesures en
continu et ambulatoire. Le BCT (Brain and Core
Thermometer) présenté ici est
capteur non invasif (45 x 65 mm) maintenu sur la
tempe par un bandeau et fonctionnant sur le
principe du zero heat flow. L'appareil
miniaturisé permet la mesure en continu
et ambulatoire pour le monitoring en
réanimation et soins intensifs, lors du
port de tenue de protection en milieu chaud et
hostile, lors d'activités physiques
intenses et pour la mise en évidence de
la réactivité émotionnelle,
etc.
1. Introduction
La température
cérébrale est le marqueur le plus
pertinent des rythmes thermiques circadiens, de
la fièvre et d'hyperthermie.
En effet les centres contrôlant la
thermorégulation du corps humain sont
situés principalement dans l'hypothalamus
en zone médiane inférieure du
cerveau. De plus les cellules nerveuses du
cerveau (neurones) ont une température de
fonctionnement inférieure à
42°C.
L'inaccessibilité de la
température cérébrale par
capteur in situ (implantable) fait que la
température centrale corporelle a
été mesurée jusqu'à
présent à partir de sites
accessibles mais non optimum.
Température rectale : bon indicateur
de température centrale, mais pouvant
entraîner des lésions, mal
tolérée chez de nombreux patients,
inappropriée pour le monitoring en
continu.
Température linguale : elle indique
une température plus basse que la rectale
et peut être sujette à des
artefacts de mesures.
Température axillaire : elle indique
une température encore plus basse que la
température rectale et peut être
sujette à artefacts.
Température tympanique : sa mesure
par capteur infrarouge présente
l'avantage d'être effectuée en
moins de 3 secondes, raison évidente de
son utilisation majoritaire, cependant sa
précision peut être prise en
défaut avec le risque de minorer une
fièvre et cette mesure ne permet pas le
monitoring en continu.
Le "BCT" Brain and Core Thermometer : ce
nouveau système effectue la mesure de
température à partir dun capteur
souple (45 x 65 mm) placé sur la tempe et
maintenu par un bandeau. Ce capteur fonctionne
en continu sur le principe du 'zero heat flow"
c'est-àdire une régulation de flux
thermique nul de la zone temporale. Cette
méthode permet d'amener au niveau de la
peau de la tempe la température
cérébrale où elle est
mesurée.
2. Principe de fonctionnement
Le cerveau est très bien
protégé et peu accessible : il
nest pas possible pour des raisons de confort,
de sécurité, d'éthique
d'implanter des capteurs dans le tissu
cérébral.
Quelques méthodes de mesures non
invasives ont été
développées utilisant les
spectroscopies IRIVI ou infrarouge, la
thermométrie ultrasonore till ou la
radiométrie micro onde. Cependant ces
mesures non invasives ne sont pas possibles hors
du laboratoire ou de l'hôpital (soins
très intensifs), elles ne sont pas
compatibles avec une activité normale
journalière ou professionnelle, les
activités sportives, les
déplacements, etc.
Le capteur BCT réalisé en
matériaux semi souples est placé
sur la tempe (droite ou gauche) et maintenu par
un bandeau textile élastique.
Le principe du zero heat flow ou
régulation de flux thermique nul est
utilisé pour la mesure. Ce principe de
base a été développé
initialement par Fox et coll. et a
été utilisé principalement
pour la mesure de la température centrale
(noyau thermique corporel). Dans cette
méthode une zone isotherme est
créée sous le capteur par un
système asservi, un dispositif de
chauffage annule constamment le flux thermique
provenant du cerveau et traversant la boite
crânienne. Un fluxmètre thermique
permet en continu le contrôle de cette
régulation de zéro.
La zone isotherme créée
atteint une profondeur supérieure
à 10 mm et ainsi la température du
cortex est amenée à la surface du
cuir chevelu où elle peut être
mesurée en continu.
Le capteur est réalisé en
matériau plastique biocompatible semi
souple permettant une bonne adaptation à
la forme de la tête autorisant un bon
contact thermique et le confort du sujet (face
lisse, forme ergonomique). Le capteur est
relié par un câble à une
microcentrale de mesure indiquant
numériquement la température
mesurée et transmettant par
radiofréquence les données
à une station de réception
elle-même reliée à un PC.
Dans sa version actuelle la liaison RF est
prévue pour fonctionner à des
distances correspondant à celles dune
grande pièce, les murs limitant la
distance de transmission.
Le capteur est caractérisé par
2 constantes de temps
• Une constante de temps longue (- 10
minutes) correspondant à la durée
de création de la zone isotherme sous le
capteur (constante de temps
d'établissement).
• Une constante de temps rapide
(quelques secondes) correspondant aux petites
modifications de champ thermique transmettant la
température corticale. Des variations de
température de période de quelques
secondes sont détectées (la
constante de temps thermique globale
étant divisée par le gain de la
boucle d'asservissement).
3. Etalonnage
Le microcapteur de température
utilisé est une thermistance ALPHA
Thermistor Micro Series 10 k à 25°C
(précision ± 0,1 °c, 0 0,45
mm). Le seuil de sensibilité est tel que
des amplitudes de variations de l'ordre de
1/1000 °c peuvent être
détectées (le bruit de fond de
mesure étant très inférieur
a cette valeur).
La caractérisation des champs
thermiques générés a
été réalisée sur des
modèles physiques simulant:
• La microcirculation et la
température du cuir chevelu,
• L'épaisseur et la
conductivité thermique de l'os
crânien temporal,
• La conductivité thermique et
la température du cerveau.
La simulation thermique des tissus mous est
réalisée par un gel de
polyacrylamide/eau ayant la même
conductivité thermique que la valeur
moyenne du tissu cérébral.
Ces modèles ont été mis
au point pour la simulation de tissus vivants
dans le cadre d'études de la
microcirculation tissulaire et des traitements
par hyperthermie micro onde.
Un modèle anthropomorphique 1161
utilisant un crâne humain rempli de gel de
polyacrylamide et de microcathéters
perfusés a été
utilisé également. La
température mesurée par BCT
à partir de la surface crânienne
est égale à la température
de perfusion à ±0,1°C.
Pour des raisons évidentes
d'éthique médicale, il
n'était pas possible de placer une
thermistance dans le cerveau dun sujet sain pour
comparer les températures
cérébrales mesurées en
interne (invasive) et de façon externe
(non invasive) par le BcT.
Nota: Les mesures effectuées pendant
des opérations chirurgicales sur le
cerveau n'ont pas été retenues car
les anesthésiques induisent des
modifications de température
cérébrale et de plus des
abaissements de la température
cérébrale pour la
préservation des neurones font que la
température cérébrale est
alors en dehors et plus basse que les
températures physiologiques.
Les mesures par BCT ont été
comparées avec les mesures de la
température tympanique par
thermomètre Braun (réf. ThermoScan
IRT 2020) et de la température rectale
prise comme référence
(mesurée en discontinu ou en continu lors
d'étude de rythmes circadiens).
4. Mesures par BCT sur plusieurs jours
lors de rythmes circadiens
Les mesures ont été
effectuées au centre d'étude et de
traitement des rythmes circadiens à
l'hôpital Douglas de Montréal et
à l'université McGill de
Vancouver, Canada .
Le sujet est placé sur un lit dans
une chambre en conditions constantes.
Les résultats utilisant le BCT sur
plusieurs sujets montrent une très bonne
concordance entre température
cérébrale (BCT) et
température rectale. La
température rectale apparaît alors
comme être supérieure d'environ
2/10 oc à la température
cérébrale ce qui est
communément admis en conditions normales
chez le sujet sain au repos.
L'enregistrement BCT non filtré
montre des variations dont la fréquence
est près de 10 fois plus
élevée que celle de la
température rectale dont l'inertie
thermique est connue.
Ces tracés montrent que la mesure de
la température cérébrale
par BCT n'est pas perturbée par les
évolutions de la température
cutanée du front et de la zone
temporale.
5. Mesures de la température
cérébrale lors de taches
cognitives
5.1. Calcul Mental
Le sujet (volontaire, masculin, 53 ans) est
placé dans une pièce silencieuse
à une température de
22°C
Le calcul 3,1416 x 7 induit une augmentation
de vigilance pendant la durée de calcul
(50 s). Cette augmentation de vigilance induit
elle-même une augmentation de
température cérébrale de
3/100 °c environ se présentant sous
la forme de rampe quasi
régulière.
Cette augmentation est due principalement
aux conséquences d'une vasoconstriction
cutanée périphérique. Ainsi
la température temporale
(côté opposé à la
mesure de la température
cérébrale) diminue de 6/10°C,
réaction que l'on observe
également au niveau des bras, des mains,
etc.
Ainsi les pertes thermiques cutanées
sont diminuées et c'est du sang
afférent (artériel) plus chaud qui
perfuse le cerveau.
Une analyse sommaire non
détaillée aurait pu aboutir
à la conclusion que l'augmentation de
température cérébrale est
liée à l'augmentation de
métabolisme consécutive au
calcul.
Cette vasoconstriction
périphérique est mise en
évidence par le capteur Hématron
8I de microcirculation cutanée lors d'un
calcul mental. Le système nerveux
autonome diminue l'irrigation sanguine
cutanée et augmente celle des muscles
squelettiques (membres), qui est
programmée pour favoriser la fuite et la
force musculaire. C'est un réflexe
très ancien car une augmentation de
vigilance en milieu naturel est souvent
associée à un danger.
5.2. Lecture d'un document scientifique
La lecture dun document scientifique induit
une augmentation de vigilance et
également une augmentation de la
température cérébrale de
1/10 oc environ (pièce silencieuse,
24°C, sujet féminin, 23 ans,
position assise).
6. Mesures de la température
cérébrale lors d'activités
physiques
6.1. Flexions des jambes
Une activité physique en ambiance
chaude 26 °c (sujet masculin, 24 ans) 50
flexions, sujet vertical, induit une
augmentation de température
cérébrale de l'ordre de 1 °c,
survenant en moins de 2 minutes, fig. 8.
6.2. Changement de position horizontale /
verticale au repos ("tilting")
Le sujet (masculin, 24 ans) au repos passe
d'une position assise à une position
allongée, la température
cérébrale diminue de 0,6 °c.
Une partie du sang des membres inférieurs
dont la température est inférieure
à la température centrale arrive
au cerveau induisant une baisse de
température, fig. 9.
7. Conclusion
Le nouveau capteur non invasif, ambulatoire
de température cérébrale
est en cours de validation en milieu
hospitalier, dans les maisons
médicalisées et sera couplé
avec les informations issues des habitats
intelligents pour permettre un monitoring
permanent. Les applications en soins intensifs,
mais également en milieux sportifs, en
milieux hostiles... sont en cours
d'élaboration pour intégrer des
spécificités d'ergonomie, de
robustesse, d'autonomie... correspondant
à ces domaines d'utilisation.
Références
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Thermological methods, VCH Ed. (1984)
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[3] R. H. Fox, A. J. Solman : "A new
technique for monitoring the deep body
temperature in man from the intact skin
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[4] R. H. Fox, A. J. Solman, R.
Isaacs, A. J. Ferry, I. C. Mac Donald : "A new
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[7] A. Dittmar, C. Gehin, G.
Delhomme, D. Boivin, G. Dumont, C. Mott: A Non
Invasive Wearable Sensor for the Measurement of
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Biology Society, IEEE-EMBC 2006, New-York, 28th
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[8] A. Dittmar, G. Delhomme, E.
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