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.

L'interprétation des facteurs peut être rapprochée de la valeur des indicateurs usuels. F1 est très fortement corrélé ; avec tous les indicateurs ( Tableau 1 ). Il peut être assimilé à un indicateur d'affaiblissement auditif général. F2 est légèrement corrélé ; avec l'indice précoce d'alerte (3000-4000-6000 Hz), ce qui est cohérent puisque les hautes fréquences (5000-8000 Hz) sont l'une des cibles du facteur F2. F3 est plus corrélé ; avec l'indice de perte auditive moyenne (2000-4000Hz) compte tenu de la spécificité de F3 pour les fréquences centrées autour de 2000 Hz. Ceci signifie qu'il existe bien un lien entre la forme (F2 et F3) et le niveau de perte (indicateurs) sur des fréquences privilégiées. F2 et F3 sont complémentaires tout comme l'indice précoce d'alerte et l'indice de perte auditive moyenne. Toutes les corrélations sont significativement différentes de zéro (p < 10 -5) sauf pour F3 et l'indice précoce d'alerte qui ont peu de fréquences cibles communes.

La stabilité de la structure factorielle ainsi obtenue a été vérifiée par la méthode du "bootstrap" [11]. Par un tirage aléatoire (avec remise) dans notre population, 1000 échantillons différents de 1794 audiogrammes ont été obtenus et soumis à l'ACP. On retrouve une inertie totale proche de 70 % (Tableau II), avec de faibles écart-types pour les valeurs propres (coefficient de variation de 5 à 7 %).
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

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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.

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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.