Bladder Volume Decoding from Afferent Neural Activity

RESUME Lorsque les fonctions de stockage et de miction de la vessie echouent a la suite de traumatismes medullaires, ou en raison d'autres maladies neurologiques, de conditions de sante ou au vieillissement, des complications graves pour la sante du patient se produisent. Actuellement, il est possible de restaurer partiellement les fonctions de la vessie chez les patients refractaires aux medicaments a l'aide des neurostimulateurs implantables. Pour ameliorer l'efficacite et la securite de ces neuroprotheses, il faut un capteur de la vessie capable de detecter l’urine stockee afin de mettre en place un systeme en boucle fermee qui applique la stimulation electrique uniquement lorsque necessaire. Le capteur peut egalement servir a aviser les patients ayant des sensations affaiblies pour les aviser en temps opportun le moment ou la vessie doit etre videe ou quand un volume residuel postmictionnel anormalement eleve reste apres une miction incomplete. Dans cette these, on presente de nouvelles methodes de mesure, ainsi qu’un processeur de signal numerique dedie pour decoder en temps reel le volume de la vessie a partir des enregistrements neuronaux afferents provenant des recepteurs naturels presents dans la paroi de la vessie. Nos principales contributions sont rapportees dans trois articles de journaux avec comite de lecture. On presente d'abord une revue exhaustive de la litterature comprenant des articles de journaux, des brevets et les livres les plus reputes portant sur l'anatomie, la physiologie et la physiopathologie du tractus urinaire inferieur ainsi que sur la mesure du volume ou la pression de la vessie. Cette etude nous a permis d'identifier les besoins qu'un capteur de la vessie doit satisfaire pour etre utilise dans des applications chroniques telles que celles proposees dans cette these. On presente aussi le resultat d’une analyse exhaustive des caracteristiques anatomiques et physiologiques de la vessie que nous avons identifiees d’avoir exerce une influence, ou meme d’avoir empeche, la realisation d'un tel capteur dans des etudes faites au cours des dernieres annees. Sur la base de cette etude et de l'evaluation systematique des methodes de mesure pour la vessie, on a conclu que le principe de mesure le mieux adapte pour la surveillance chronique du volume de la vessie etait la detection, la discrimination et le decodage de l'activite neuronale afferente decoulant des recepteurs specialises du volume (mecanorecepteurs), au sujet desquels certains auteurs ont emis l'hypothese de leur existence dans la muqueuse interne de la vessie. Ensuite, on presente la methode de mesure qui permet d'estimer en temps reel le volume de la vessie a partir de l'activite afferente des mecanorecepteurs. Notre methode a ete validee avec les----------ABSTRACT Failure of the storage and voiding functions of the urinary bladder due to spinal cord injury (SCI), neural diseases, health conditions, or aging, causes serious complications in a patient's health. Currently, it is possible to partially restore bladder functions in drug-refractory patients using implantable neurostimulators. Improving the efficacy and safety of these neuroprostheses used for bladder functions restoration requires a bladder sensor (BS) capable of detecting urine volume in real-time to implement a closed-loop system that applies electrical stimulation only when required. The BS can also trigger an early warning to advise patients with impaired sensations when the bladder should be voided or when an abnormally high post-voiding residual volume remains after an incomplete voiding. In this thesis, we present new measurement methods and a dedicated digital signal processor for real-time decoding of the bladder volume through afferent neural signals arising from natural receptors present in the bladder wall. The main contributions of this thesis have been reported in three peer-reviewed journal papers. We first present a comprehensive literature review, including papers, patents and mainstay books of bladder anatomy, physiology, and pathophysiology. This review allowed us to identify the requirements (user needs) that a BS must meet for chronic applications, such as those proposed in this thesis. An exhaustive analysis of the particular anatomical and physiological characteristics of the bladder, which we realized had influenced or prevented the achievement of a BS for monitoring the bladder volume or pressure in past studies, are also presented. Based on this study and on a systematic assessment of the measurement methods published in past years, we determined the best measurement principle for chronic bladder volume monitoring: the detection, discrimination and decoding of the afferent neural activity stemming from specialized volume receptors (mechanoreceptors), on which some authors had hypothesized about its existence in the bladder inner mucosa. Next, we present methods that allows for a real-time estimation of bladder volume through the afferent activity of the bladder mechanoreceptors. Our method was validated with data acquired from anesthetized rats in acute experiments. It was possible to qualitatively estimate three states of bladder fullness in 100% of trials when the recorded afferent activity exhibited a Spearman’s correlation coefficient of 0.6 or better. Furthermore, we could quantitatively estimate the bladder volume, and also its pressure, using time-windows of properly chosen duration. The mean