Méthodologie d'analyse automatique d'audiogrammes visant à la surveillance
épidémiologique de cohortes exposées aux bruits impulsifs
A. JOB (1), F. DELPLACE (1), P. ARVERS (1), P. GORZERINO (2),
P. GRATEAU (3) et J. PICARD (1)
(1) Centre de Recherche du Service de Santé des Armées. 24 Avenue des
Maquis du Grésivaudan 38702 LA TRONCHE
(2) Etablissement Technique d' Angers. BP 4107 49000 ANGERS CEDEX 01
(3) Cabinet d'expertise ORL. 5 Rue Manuel 75009 PARIS
REMERCIEMENTS : Nous remercions le Comité Bruits d'Armes de la
Délégation Générale de l'Armement ainsi que
l'Etablissement Technique d'Angers pour la subvention apportée
pour la réalisation de ce travail.
INTRODUCTION
Une des préoccupations du Comité Bruits d'Armes de la Délégation
Générale de l'Armement (DGA) est d'évaluer les pertes auditives du
personnel exposé de manière répétée aux bruits
impulsifs afin d'améliorer leur protection, ceci dès les premières
expositions.
Dans ce but, une enquête audiométrique, de
caractère
épidémiologique, est en cours dans des écoles militaires
françaises. C'est une étude de l'audition de l'ensemble des
promotions de jeunes élèves officiers des écoles de
Coêtquidan (Morbihan), écoles dont sont issus tous les
officiers de l'armée de Terre. Le protocole expérimental
mis en place repose sur le recueil d'observations annuelles auprès
d'une
population
dont on connait les conditions d'exposition au bruit des
armes et dont on veut assurer le suivi pendant plusieurs années
consécutives pour détecter de manière précoce
l'apparition de fragilités auditives.
Le recueil concerne des
données
biographiques, cliniques, et des
audiogrammes tonals et liminaires obtenus selon la méthode
décrite par von Bekesy [1]. Devant la quantité d'informations
fournie par les audiogrammes, l'exploitation directe et la confrontation avec
les
données
cliniques n'étaient pas envisageable. Le présent
travail propose une méthodologie d'extraction des informations pertinentes
des audiogrammes à partir des
données
recueillies dans un
echantillon
d'hommes jeunes ayant un degré variable d'exposition passée aux
bruits des armes.
MATERIEL ET METHODES
L'élaboration de la méthodologie s'est faite sur un
échantillon
de 897
jeunes élèves (18 à 25 ans) de sexe masculin. du Lycée militaire
de La Flèche ( tous les élèves de classes préparatoires) et de
l'Ecole Spéciale Militaire de Coetquidan (les trois promotions exhaustives de 1988
à 1992).Dans cette
échantillon
, 406 élèves n'avaient subi aucun
tir d'armes. Ce sont les élèves venant d'intégrer l'Ecole Spéciale
Militaire (240 élèves) et les élèves de La Flèche
(166 élèves). Ils représentent une
population
de jeunes en milieu
militaire non soumis aux agressions sonores autres que celles de la vie courante.
Les sujets entrant dans l'étude à leur arrivée dans une école
militaire, sont examinés chaque année à la même période.
Une base de
données
relationnelle est structurée avec une partie statique
regroupant toutes les
données
initiales : biographiques, cliniques et les
antécédents O.R.L. anciens, de l'
individu
, et une partie dynamique
portant sur les observations audiométriques, cliniques et les
antécédents O.R.L. récents, intervenus moins d'un an
avant l'observation.
Les seules
données
audiométriques des sujets de l'
échantillon
défini ci-dessus sont étudiées dans ce travail.
Recueil des audiogrammes
Le recueil est réalisé à bord d'une remorque insonorisée
destinée à acquérir des
données
sur le
seuil
audiométrique
grâce à des cabines équipées d'un audiomètre piloté
par un micro-ordinateur. L'audiométrie utilisée est tonale, de type Bekesy [1].
L'audiogramme produit, représente les pertes auditives (en dB) du sujet en
référence à une oreille normale standard (0 dB de perte).
Le recueil peut se faire par stimulation continue ou pulsée (200 ms de son
pour 800 ms de silence). Elles sont complémentaires, si la première
permet d'objectiver le pattern d'une pathologie particulière : le recrutement,
la seconde assure une meilleure détectabilité des affaiblissements, et
le choix de la stimulation pulsée a été retenue pour cette raison.
Le balayage de 6 octaves (125 Hz à 8000 Hz) est effectué à la
vitesse de 45 s.octave-1. Dans un premier temps, l'intensité sonore augmente
jusqu'à ce que le sujet perçoive le son. Un inverseur lui permet alors
de diminuer l'intensité ; lorsqu'il n'entend plus, il inverse jusqu'à
entendre à nouveau, et ainsi de suite. La vitesse de variation de l'intensité
est de 2,5 dB.s-1. La
fréquence
de conversion analogique-numérique est de
64 points par octave (384 points par audiogramme). Les audiomètres sont
étalonnés selon la norme AFNOR NFS 31001 et la perte auditive est
exprimée en dB HL(Hearing Level).
Les sujets de l'étude n'ont pas effectué de tirs d'armes pendant au moins
48 h avant l'enregistrement, ils restent néanmoins soumis aux bruits de la vie
courante. Le
test dure environ dix minutes et les sujets se succèdent tout au
long de la journée pendant trois jours.
Traitement du signal audiometrique
La méthodologie générale consiste dans un premier temps à
extraire le
seuil
Minimal d'Audibilité, la Courbe des Oscillations
Résiduelles, les indicateurs audiométriques. usuels et à
détecter les bandes fréquentielles pathologiques (scotomes,
recrutement au seuil).
Dans un deuxième temps, avec une résolution limitée au quart
d'octave [2], un recodage synthétique de l'audiogramme est recherché
grâce à l'Analyse en Composantes Principales [3,4].
estimation
du SMA et detection des
scotomes
L'audiogramme brut (figure 1) doit être lissé des
oscillations pour estimer le
seuil
minimal d'audibilité(SMA). Nous
avons réalisé cette
estimation
par un filtrage numérique
passe bas. La forme du filtre est rectangulaire sur 1/6 octave avec une
pondération uniforme de 1. La recherche automatique des scotomes se fait
par la détection de zones d'affaiblissement auditif du SMA supérieur
à un
seuil
décisionnel. Le seuil décisionnel à chaque
fréquence
est déterminé à partir de la
moyenne
des SMA,
calculée sur les deux oreilles des 406 jeunes non soumis aux tirs d'armes,
plus 2 écarts types (Fig. 1). La courbe
seuil
correspond pour 1000 Hz
à 15 dB et sera dépassé dans 2.5 p. 100 des cas. Ce
seuil
concorde avec les
données
de la littérature pour la classe d'âge
considérée (18-30 ans) dans une
population
non soumise à des
bruits professionnels [5]. Une zone d'affaiblissement est considérée
comme un scotome si elle dépasse le
seuil
décisionnel et si son
étendue
est supérieure ou égale à 1/3 d'octave. Les
scotomes sont introduits dans la base de
données
en précisant les
fréquences
de début et de fin, la
fréquence
et l'amplitude de
l'affaiblissement maximal, et enfin l'aire totale du scotome.
Estimation
de la courbe des oscillations residuelles et recherche des recrutements au
seuil
La méthodologie devant être aussi applicable aux examen en sons continus, la recherche automatique des recrutements au seuil est effectuée.
La différence entre l'audiogramme brut et le SMA fournit la courbe des oscillations
résiduelles. La recherche des recrutements consiste en la détection sur cette
courbe des zones d'amplitude inférieure à 5 dB et d'une
étendue
d'au
moins une 1/2 octave. Elles sont introduites dans la base de
données
en
précisant leurs
fréquences
de début et de fin.
Calcul des indicateurs usuels
A partir des amplitudes du SMA de chaque oreille ( D ou G ), trois indicateurs usuels sont calculés :
1) Le coefficient de perte auditive binaurale, utilisé en médecine du travail[6] : PABm (D ou G) = (2 (500 Hz) + 4 (1000 Hz) + 3 (2000 Hz) + 4000 Hz) / 10 PAB = (7 MIN( Dou G) + MAX(D ou G)) / 8.
2) L'indicateur de perte auditive moyenne [7] PAMm (D ou G) = ( 2000 Hz + 4000 Hz ) / 2 PAM = PAMm (D) + PAMm (G) / 2
3) L'indice précoce d'alerte [8]
IPAm (D ou G) = (3000 Hz + 4000 Hz + 6000 Hz) / 3
IPA = IPAm (D) + IPAm (G) / 2
L'analyse en composantes principales
Nous avons cherché à synthétiser l'information pertinente des
audiogrammes, dans le but de rechercher d'éventuels indices audiométriques.
plus descriptifs (forme et niveau) que les indices usuels et plus adaptés à
notre
population
constituée de jeunes, de milieu militaire, et de sexe masculin ).
L'analyse en conposantes principales (ACP) a été retenue [3,4]. Les 1794 SMA
(897droits et 897gauches) codés de 125 à 8000 Hz avec une résolution
de 1/4 d'octave (24 variables) ont été soumis à l'analyse. Comme on
désire des informations aussi bien sur la forme que sur le niveau des SMA, la
métrique utilisée est unitaire et l'opérateur diagonalisé
est celui de la matrice de variance-covariance .Les études
statistiques
ont
été réalisées avec le logiciel interne du Centre de
Recherches du Service de Santé des Armées [9].
RESULTATS
Sur les 1794 SMA, 224 (12 %) présentent au moins un scotome. La distribution des scotomes sur la gamme de fréquences est bimodale , les scotomes sont majoritaires sur les fréquences extrêmes (74 % des scotomes), avec 49 % dans les basses fréquences avant 1500 Hz et 25 % au delà de 6000 Hz. Nous avons détecté 21 SMA (1.1 %) présentant au moins une zone de recrutement au seuil, malgré la stimulation utilisée. En moyenne dans l'échantillon la perte auditive (moyenne sur 2000-4000Hz) est quasi nulle ( 0.08 dB +- 6.9). L'indice précoce d'alerte est également très faible (O.83 dB +- 7.4), ainsi que l'indice légal en médecine du travail (- 0,45 +- 5.1). Ces résultats sont cohérent avec l'âge de la population étudiée et la non exposition, pour la moitié d'entre eux, aux bruits impulsifs.
Trois facteurs principaux ont pu être extraits de l'analyse en composantes principales.
Avec une inertie cumulée proche de 70 %, ils expliquent une part très importante
du nuage des SMA ( résolution au quart d'octave ).
Le premier facteur noté F1 a une inertie de 40.3 %. Il explique le nuage
en terme de niveau des SMA. C'est un facteur dit de taille ou général, car
dans le plan des cercles de
corrélations
(figure 2), les variables
fréquentielles traitées par l'ACP se retrouvent dans le demi-plan F1 > 0,
ce qui signifie que toutes les
fréquences
de l'audiogramme participent à ce
facteur. Les variables qui contribuent le plus à F1 correspondent aux
fréquences
de 1700 à 3000 Hz . Les variables les moins bien
représentées correspondent aux
fréquences
éloignées
des
fréquences
de conversation. Leur moins bonne représentation peut
s'expliquer par une plus grande difficulté pour le sujet à détecter
les sons à des
fréquences
où l'oreille est peu exercée à
écouter. Ainsi le premier facteur peut-il être considéré comme
représentatif du niveau moyen d'affaiblissement du SMA, mais en donnant plus de
poids aux
fréquences
qui contribuent le plus au facteur.
Le deuxième facteur noté F2 (17.1 % de l'inertie) sépare
les hautes
fréquences
des basses fréquences (figure 2 ). C'est un facteur
de forme, qui détecte l'asymétrie des SMA. F2 est fortement
positif avec un SMA présentant des scotomes dans les hautes
fréquences
de 5000-8000Hz (à l'exclusion des basses
fréquences) et fortement négatif en cas de scotomes
exclusifs dans les basses
fréquences
(125-500Hz). On trouve
une valeur de F2 proche de zéro avec un SMA plat ou
symétrique avec des affaiblissements d'égales
importances sur les basses et les hautes
fréquences.
Le troisième facteur noté F3 explique 11.9 % de
l'inertie du nuage. Dans le plan des
corrélations
F1xF3, il
sépare les
fréquences
intermédiaires (500-5000Hz)
des
fréquences
extrêmes. C'est un indicateur de
convexité ou de forme en U de l'audiogramme sur les
fréquences
intermédiaires, si l'on décide de
prendre pour référence la partie inférieure de
l'audiogramme. Les premiers signes d'une surdité
professionnelle se manifestent par une convexité sur les
fréquences
intermédiaires, l'indicateur de convexité
F3 pourrait donc s'interpréter comme un indicateur précoce
d'apparition et d'évolution d'une surdité professionnelle.[8,10]
Les projections des SMA (figures 3, 4) montrent que la grande majorité
forme un noyau autour de l'origine des axes. Ils correspondent en effet
à la masse des profils estimés normaux d'après les
seuils
de détection retenus. Les SMA qui s'éloignent de
ce noyau correspondent à des pertes auditives. Les
fréquences
plus spécifiquement atteintes sont
décrites par les facteurs F2 et F3. Les projections des
SMA (figure 5) correspondent aux différentes formes de
SMA rencontrées quelque soit l'origine des pertes auditives,
mais F3 étant plus spécifique d'une surdité
professionnelle débutante.
DISCUSSION
La méthodologie développée permet de traiter les audiogrammes quel que soit le type de stimulation (continue ou pulsée). Dans cette campagne la stimulation pulsée a été choisie pour les raisons expliquées dans le recueil des audiogrammes. Les recrutements ne sont généralement pas détectés avec cette stimulation [12, 13], or on observe des "pincements" répondant aux mêmes critères de détection que les recrutements. Bien qu'ils apparaissent rarement dans cet échantillon , 1.1 % des audiogrammes, on peut se poser la question de leur signification clinique : c'est un futur champ d'investigation. La construction des indicateurs usuels privilégiant certaines fréquences se base sur l'observation clinique. La diversité des formules proposées montre qu'il n'y a pas toujours accord sur les fréquences et sur le poids des fréquences dans l'évaluation de la perte globale. Une réponse est apportée grâce aux trois premiers facteurs synthétiques de l'ACP, trois seulement car des arguments sont en faveur de l'exclusion du quatrième facteur et des facteurs suivants : la faiblesse du pourcentage d'inertie expliquée (5% pour F4) et surtout l'impossibilité d'une interprétation claire des facteurs. F1 est un indicateur d'affaiblissement auditif général centré sur 2000 Hz, F2 et F3 sont des indicateurs de forme des SMA. L'orthogonalité des facteurs entre eux présente un avantage certain, la non corrélation évite les redondances d'information comme celles observées dans le calcul des indices usuels. Elle permet ainsi une description assez complète des profils de SMA (complémentarité des facteurs). La projection des SMA le long de l'axe F1 (figure 3 et 4) selon une perte auditive croissante, montre que plus les pertes sont importantes plus les valeurs de F2 et F3, tendent vers zéro : les SMA s'aplatissent. Le plan F2 x F3 (figure 5), représente une véritable typologie indépendante du niveau d'affaiblissement général : les SMA barycentriques sont plats ; les SMA anormaux s'étirent le long des axes F2 (asymétries basses / hautes fréquences.) et F3 (convexité/concavité). Peu de prolongements sont constatés sur l'axe F3 dans le sens de la concavité (perte dans l es basses et hautes fréquences) ; en effet on observe une limite pour les valeurs négatives de F3 identique quelque soit la valeur de F2 et donc des fréquences atteintes. Ceci suggère que les concavités fortes ne sont pas présentes dans notre population ou bien qu'elles sont physiologiquement improbables. La convexité (500-5000 Hz), elle, ne semble pas présenter de limitations, mais montre toutefois qu'elle ne correspond pas à des SMA de très fortes surdités. Ainsi l'interprétation des projections sur le plan F1 x F2 et F1 x F3 montre que plus les pertes auditives augmentent, plus la forme du SMA s'aplatit et la valeur du facteur F1 s'élève. Les facteurs F2 et F3 seraient le témoin des formes débutantes d'hypoacousie, décrites dans l'évolution des surdités professionnelles[8, 10]. On pourrait penser que la faible prévalence et le faible niveau des anomalies audiométriques rende difficile l'application des coefficients calculés à des sujets plus sévèrement atteints, or il ne s'agit pas de détecter ici des sujets atteints de surdité sévère, dépassant le seuil légal de déficit à partir duquel une surdité est indemnisée, mais avant tout de dépister précocément les surdités débutantes au cours d'un suivi chez des sujets jeunes. Les hypoacousies plus importantes n'échappent pas pour autant aux indices calculés : le seuil de déficit de l'indice légal en médecine du travail est fixée à 35 dB et l'on sait qu'il correspond à un réel handicap social : 0.3 % de notre échantillon s'en approche avec 30dB de déficit pour l'indice calculé. Ainsi la méthodologie proposée pourrait permettre une description fine du phénomène d'apparition de la surdité, jusqu'à la surdité légalement déclarée.
Le traitement préliminaire des audiogrammes a permis de dégager une
méthodologie qui en isolant rapidement les audiogrammes anormaux, devrait
permettre de suivre avec plus de facilité, l'évolution des pertes auditives
des individus au cours des années.
REFERENCES
1. BEKESY (von) G. : Experiments in hearing.New York Mc Graw-Hill Book Company. 1960. 81-83.
2. LARMINAT (de) .P.et THOMAS Y. : Automatique des systèmes linéaires, I- signaux et systèmes, Paris, Flammarion sciences, 1975.
3. HOTELLING H. : Analysis of a complex of statistical variables into principal components. J. Educ. Psy.,1933, 24 , 498-520.
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8. Evaluation de l'exposition au bruit en milieu professionnel et estimation du déficit auditif, induit par le bruit, de populations exposées. Norme française. NF S 31-013 . Avril 1985. Acoustique.AFNOR.
9. PICARD J. et BROUSSON P : Gestion interactive de fichiers dans un progiciel d'analyse de données. Trav. Scient. SSA, 1987, 8, 193-194.
10. HO M.T, QUINOT E. Apparition et aggravation de la surdité dans une population exposée au bruit. Simulation par un modèle épidémiologique stochastique et compartimental. INRS. Cahiers de notes documentaires. 1974 . N°75.
11. EFRON B. Bootstrap methods : another look at the jacknife. Ann. Statist. 1979, 1 , 1-26.
12. HIRSH I. : La mesure de l'audition. Paris. PUF Ed. 161-167.1856.
13. KEIDEL W.D. et NEEF W. : Handbook of sensory physiology .Berlin,
Springer Verlag Ed. . Tome 3. 1976.
F1 | F2 | F3 | |
PABm | 0.80 # | 0.19 # | 0.47 # |
PAMm | 0.78 # | 0.19 # | 0.44 # |
IPAm | 0.85 # | 0.39 # | 0.09 (NS) |
NS : non significatif # : p < 10-5
TABLEAU I :
Corrélation
des facteurs de l'analyse en composantes principales
avec l'indicateur en médecine du travail (PABm), l'indice de perte auditive
moyenne(PAMm) et l'indice précoce d'alerte (IPAm).
 
F1 | F2 | F3 | ||
ACP d'origine | valeurs propres | 597.0 | 253.3 | 175.8 |
% d'inertie expliquée | 40.3 | 17.1 | 11.9 | |
ACP "bootstrap" | valeurs propres | 599.5 ± 42 | 254.1 ± 17 | 175.3 ± 10 |
% d'inertie expliquée | 40.4 ± 2.8 | 17.1 ± 1.2 | 11.8 ± 0.7 |
TABLEAU II : Comparaison des valeurs propres de l'analyse en composantes principales et
de leurs
estimations
par la méthode du "bootstrap".
Légendes
Fig. 1. Visualisation des audiogrammes bruts (AB),du
seuil
minimal d'audibilité
(SMA),
seuil
décisionnel (SD) et courbe des oscillations résiduelles (COR).
Fig. 2. Projection des variables fréquentielles dans le plan des
corrélations
mutuelles des facteurs. Haut : F1xF2. Milieu : F1xF3. Bas : F2xF3.
Fig. 3. Projection des SMA dans le plan des facteurs F1 x F2.
Fig. 4. Projection des SMA dans le plan des facteurs F1 x F3.
Fig. 5 Projection des SMA dans le plan des facteurs F2 x F3.
Article reproduit dans SMEL grâce à l'aimable autorisation des auteurs.