3 lmd biomedical

Université de Skikda 20 Août 55

Enregistrement des signaux physiologiques

Sommaire

1. PROBLÉME DES SIGNAUX PHYSIOLOGIQUES

1.1 Introduction 1.2 Electrocardiogramme 1.3 Electroencéphalogramme 1.4 Le reste des signaux physiologiques 1.5 Caractéristiques des signaux physiologiques

2. ELECTROCARDIOGRAPHIE

2.1 Principe de fonctionnement 2.2 Appareillage 2.3 Electronique associée 2.3.1 Préamplificateur 2.3.2 Filtrage 2.3.3 Amplification 2.3.4 Acquisition des données 2.4 Exercices 2.5 Evolution

3. ELECTROENCEPHALOGRAPHIE

3.1 Appareillage 3.2 Electrodes 3.3 Electronique associée

3.4 Evolutions

4. LE RESTE DES SIGNAUX PHYSIOLOGIQUES

Cour Préparé par Dr. LASHAB Mohamed

Année Universitaire 2009/2010


Chapitre I

PROBLEME DES SIGNAUX PHYSIOLOGIQUES

1. 1 INTRODUCTION

Les premiers électrocardiogrammes (ECG) datent de plus de 100 ans, les premiers électroencéphalogrammes (EEG) sont plus ‘récents’ : 1929. Leurs applications sont uniquement médicales, servant à la détection de maladies et de malformations. L’électroencéphalographie a permis d’avancer considérablement sur notre connaissance du cerveau, avant d’avoir aujourd’hui d’autres méthodes plus efficaces. Ces deux appareils sont néanmoins toujours très utilisés en milieu hospitalier.

Les deux appareils ont été développés uniquement pour les applications médicales, dans un premier temps, de regarder quels aspects physiologiques ils mettent en jeu, et aussi de présenter leurs utilisations, qui ont contribué à l’évolution de la médecine.

Les premiers enregistrements étaient faits avec des procédés physiques qui nous semblent aujourd’hui dépassés. Pour améliorer ces appareils, en nous intéressant à l’importance de l’électronique, ainsi qu’au traitement du signal qui a été développé pour des applications concrètes.

La mesure des signaux physiologiques est perturbée par des grandeurs parasites dont les principales ont origines suivantes :

- L'induction électromagnétique ambiante induit une valeur ei (50 Hz dominant). - Les déplacements mécaniques peau milieu électrolytique, électrodes génèrent des

tensions de perturbation em, dont le spectre correspond à ce lui des déplacements. - L'évolution de la ddp ec due à l'évolution électrochimique du milieu perturbe les

composantes TBF du signal.

Figure 1 Schéma électrique équivalent d'une électrode

Chaque domaine physiologique utilise des électrodes adaptées allant d'aiguilles de quelques microns à des bandes de quelques cm2. Les progrès de la microélectronique permettent déjà de placer un amplificateur intégré contre l'électrode et pour accroître la sécurité de réaliser l'isolation galvanique entre le patient et l'instrument de mesure.

em ec ei

S Ri résistance interne

Tension à vide


1.2 Electrocardiogramme

1.2.1 Historique

1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qu’un courant électrique accompagne chaque battement cardiaque. [1]

1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier électrocardiogramme d’un humain.

1897 Clément Ader, ingénieur électrique, adapte un système d’amplification appelé galvanomètre à corde*, jusque là utilisé pour les communications télégraphiques sous-marines.

1903 Einthoven parvient à recueillir ces courants d’une manière satisfaisante en utilisant un montage électrique rappelant le pont de Wheatstone.

1.2.2 Introduction physiologique

L’électrocardiographie explore l’activité électrique du cœur par enregistrement des électrocardiogrammes, tracés bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel électrique induites dans les différents points du corps par le cœur en activité. Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont dotées de propriétés spéciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir mécanique de contraction et l’activité électrique rythmique, elle-même liée à des déplacements ioniques à travers la membrane des cellules.

La dépolarisation très brusque, se maintient environ durant 0,3 secondes puis est suivie aussitôt de la repolarisation qui rétablira les charges électriques initiales. Elle se propage rapidement de proche en proche, aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centièmes de seconde environ. Cependant, comme la repolarisation est beaucoup plus lente, la durée totale de l’activation de la masse cardiaque est de l’ordre de 40 centièmes de seconde. L’état de repos électrique dure environ 60 centièmes de seconde. Ainsi, le rythme de l’activité du cœur est de 60 à 80 activations par minute au repos. [2]

L’électrocardiographie consiste à recueillir au niveau de la peau ces courants d’activités de la fibre musculaire cardiaque, à les amplifier puis les enregistrer.

o 1.2.3. Utilisation médicale

Les renseignements écrits fournis par l’électrocardiogramme sont de ce type :


fig.1 : Tracé d’un électrocardiogramme [9]

P = onde auriculaire, PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire, QRS = onde ventriculaire rapide ou de dépolarisation, Q = première onde

négative, R première onde positive, S = première ondé négative suivant une onde positive, ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation

Il vient ensuite une phase d’interprétation des tracés obtenus, très délicate, qui demande une connaissance précise de la médecine.

L’électrocardiogramme est utilisé pour suivre les modifications de volume des cavités, les troubles du rythme et les affections coronariennes. Il est parfois nécessaire de recourir à des épreuves d’effort (ECG d’effort), pour le rendre plus sensible.

Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont fréquentes, l’électrocardiographe est un appareil très souvent utilisé

1.3. Electroencéphalogramme

o 1.3.1. Historique

L’existence de l’électricité cérébrale fut démontrée en 1875 par Caton. Le premier enregistrement de cette activité fut réalisé sur un cerveau de chien, en 1913, par Prawdicz-Neminsky, et sur l’homme, en 1924 par Hans Berger, utilisant le galvanomètre à corde, qui publia sa découverte en 1929 et donna à ses enregistrements le nom d’électroencéphalogrammes. [9]

o 1.3.2. Aspect physiologique

Chez adulte, on distingue sur un électroencéphalogramme normal trois sortes d’ondes [3] :

Les ondes α , ou ondes de Berger (les plus significatives). Sur un sujet au repos et les yeux fermés, sa fréquence va de 8 à 13 hertz et son amplitude de 20 à 60 microvolts.

Les ondes β , ou ondes de Bremer, dont la fréquence varie entre 14 et 30 hertz avec une amplitude de 15 à 20 microvolts.


Les ondes δ , de faible fréquence, autour de 3 ou 4 hertz (observées pendant le sommeil, et pour les jeunes enfants).

fig.2 : Ondes cérébrales pour un sujet normal

On retrouve ces trois types d’ondes sur la figure 3.

fig.3 : Spectre en fréquence des ondes relevées par électroencéphalographie

1.3.3. Utilisation médicale

L’électroencéphalographie présente un intérêt, dans le diagnostic de l’épilepsie, des tumeurs cérébrales, des traumatismes crâniens et du cerveau, et de nombreuses maladies du système nerveux.

Avantages

+ Résolution temporelle élevée, de l’ordre du millième de secondes. + La relative simplicité de l’appareillage. + Le coût modeste (environ 300 000 F), + Le caractère non traumatique de la technique.


Inconvénients

Les potentiels étant mesurés à la surface du crâne, les mesures reflètent l’activité électrique au voisinage du cortex uniquement. Il est possible d’introduire des électrodes à l’intérieur du cerveau, mais alors l’EEG perd son caractère inoffensif.

1.4 Le reste des signaux physiologiques

1.4.1 Magnéto cardiogramme Le champ électrique cardiaque crée dans le milieu biologique conducteur des courants ioniques locaux qui établissent un champ magnétique, celui-ci est capté proximité du thorax par un magnétomètre. 1.4.2 Electromyogramme A la contraction d'un muscle obtenu volontairement ou par stimulation nerveuse ou musculaire, correspond la mise en jeux de certain nombre de fibre musculaires qui se dépolarisent puis reviennent a l'état de repos. L'effet global du champ électrique résultant est capté par les électrodes des myographies plantées dans le muscle ou placées à ça surface. 1.4.3 Electronystagmogramme: Electronystagmogramme: L'œil est système polarisé sa partie postérieure rétinienne est negative par rapport à sa partie antérieure coréenne. Le potentiel cornéo - rétinien induit au niveau de la région cranio- faciale antérieure et plus particulièrement péri- orbitaire. Un champ électrique inhomogène dont les lignes iso-potentielles, sont sensiblements symmétriques par rapport au plan sagittal de la tête. Les variation de ce champ électrique dues aux déplacements de l'œil sont recueillies par des électrodes cutanées périorbitaire et donnent lieu a un signal electronystagmogramme. 1.4.4 Rhéogramme

Les variations en volume sanguin, des arrêtes se traduisent électriquement par des variations d'impédance des région anatomiques qu'elles traversent. Lorsqu'un champ électrique est établis uniformément, les variations potentielles recueillies a la surface de la peau, par des électrodes sont liées aux variations en volume sanguin 1.4.5 ERG Electrorétinogramme: L'activité électrique de la rétine, sous l'effet de la simulation lumineuses (monochromatiques), donnent lieu à des potentiels d'action qui sont recueillis dans l'examen Electrorétinogramme a la surface du globe oculaire


1.5 Caractéristiques des signaux physiologiques

Les tableaux ci-dessous caractérisent les signaux physiologiques du point de vue électriques et spectral, ils caractérisent aussi les électrodes utilisées pour chaque type.

Spike

EMG

EEG

ECG

MCG

f.e.m générateur

100mV

5mV

30 à 300uV

0.1 à 3mV

1uv à 1mV

Impédance interne du générateur

50KΩ à 1 MΩ

20KΩ à 100KΩ

5K à 20K

1K à 10K

100 à 3K

S/B (50Hz) Physiologique

0.5 à 50

30

1à100

1à100

0.01

Bande passante

1 à 15KHz

1 à 15KHz

1 à 50Hz

0.1 à 60Hz

0.8 à 60Hz

Tableau1

ENG

RHG

ERG

f.e.m générateur

150uV 10uV

Impédance interne du générateur

5 à 30 KΩ qq100KΩ

S/B (50Hz) Physiologique

2 à 10 1à10 1

Bande passante

0.002 à 10Hz 0.8 à 10Hz 1à1KHz

Tableau 2


Chapitre II

ELECTROCARDIOGRAPHIE Depuis le premier appareil du début du siècle, l’électrocardiographe a évolué en adoptant au fur et à mesure les technologies d’actualité. Ainsi, le signal analogique entraînant une aiguille est devenu numérique, exploité par logiciel, et transmis sur papier par l’intermédiaire d’une imprimante.

• 2.1. Principe de fonctionnement

L’électrocardiographie (ECG) consiste à recueillir les variations du potentiel électrique, à les amplifier puis les enregistrer.

Les signaux captés étant particulièrement faibles, des amplificateurs de hautes performances (gain, linéarité, différentiation, minimum de bruit de fond) sont souvent nécessaires.

Sauf pour des études particulières portant sur les aspects énergétiques de l’électrogénèse, on ne s’intéresse guère à la puissance des générateurs bioélectriques, ni aux courant qu’ils débitent. On a soin au contraire de rendre négligeable le courant extrait par l’instrument de mesure, qui doit être par conséquent à très haute impédance d’entrée, de telle sorte que les phénomènes biologiques ne soient pas perturbés par la mesure.

2.2. Appareillage

Un électrocardiographe moderne se présente sous la forme d’un appareil compact intégrant de nombreuses fonctions. En effet, celui ci comportait un écran à cristaux liquides, une dizaine de dérivations, une imprimante, un logiciel d’exploitation des résultats, et une possibilité de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette, ou des les transmettre sur une ligne téléphonique. L’appareil pouvait aussi contrôler une épreuve d’effort.

2.2.1. Electrodes

Un des principaux intérêts de l’électrocardiogramme est qu’il n’est pas traumatisant, c’est à dire qu’il ne nécessite pas d’opération chirurgicale ou d’anesthésie. Les électrodes de mesure sont donc simplement placées à divers endroits du corps, directement sur la peau.

L’important pour ces électrodes est qu’elles soient relativement inaltérables et impolarisables. La plaque d’argent, revêtue d’une couche de chlorure d’argent (gel insoluble), sont des bonnes électrodes superficielles et les plus employées (voir fig.4).


fig.4 : Electrodes bipotentielles :

Électrode de métal (argent principalement),

Gel de chlorure d’argent

Les électrodes employées pour l’électrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig.5).

fig.5 : Taille réelle environ 5 cm de longueur maximale.

Celles ci sont jetables après une unique utilisation

2.2.2. Dérivations.

On appelle dérivation un circuit électrique déterminé par un couple d’électrodes. Les électrodes sont positionnées à des endroits du corps bien définis. Pour prendre un exemple simple, considérons les quatre dérivations utilisées au début de l’électrocardiographie, illustrées sur la figure 6


Fig.6 : Placement des électrodes de base pour l’électrocardiogramme

La jambe droite est généralement mise à la masse. On a alors pour chaque dérivation VI, VII et VIII :

VI=VL-VR VII=VF-VR VIII=VF-VL

On trouve alors mathématiquement VI+VIII=VII. Cette équation est appellée relation d’Einthoven.

Mais les techniques utilisées actuellement sont un peu plus complexes comme le décrit la disposition montrée en figure 7. Six électrodes sont placées dans la région du cœur. Les six voies alors récoltées sur l’appareil sont la différence entre chaque électrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)/3. Ces voies provenant d’une région proche du cœur permettent de déceler des petites malformations du muscle cardiaque.

fig.7 : positionnement standard des 6 électrodes proches du cœur pour un relevé de 10 dérivations


2.2.3. Tracé des résultats sur papier

Les premiers électrocardiogrammes provenaient d’un mouvement du stylet sur une bande papier qui déroulait. Aujourd’hui, les tracés se font sur imprimantes, les plus utilisées étant des modèles thermiques. Typiquement, les performances de ces imprimantes sont : une vitesse de déroulement du papier de 5 à 50 mm/s, une précision horizontale de 1000 pps (point par source) à 25mm/s, une résolution verticale de 200 pps, jusqu’à 15 voies sur la même bande de papier.

Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par l’électrocardiogramme, nous pouvons entrer dans l’électronique associée

2.3. Electronique associée

La figure 8 illustre la circuiterie électronique qui suit les électrodes E+ et E-

Figure 8. Chaîne de conditionnement du signal ECG

La figure 8 est un diagramme d’un électrocardiogramme simple, regroupant 4 dérivations :

Sur les appareils modernes, chaque électrode est connectée à un tampon (buffer) à haute impédance d’entrée (typiquement 100 MΩ). Le tampon supporte des hautes tensions, pour protéger les amplificateurs en cas d’électrochoc, envoyé par un défibrillateur par exemple. Ces tampons, ou au moins tout l’étage d’entrée, sont alimentés par une alimentation isolée et stabilisée, dans le but de réduire les risques de chocs électriques. On trouve parfois une batterie pour cet usage. Le signal de mode commun peut être utilisé pour réduire le bruit de mode commun par l’intermédiaire d’une rétroaction agissant sur la jambe droite du patient Sur le schéma de la figure 8, il est possible de choisir une dérivation particulière, grâce au ‘lead-select switch and network’. Il est à noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en même temps. 2.3.1 Préamplificateur différentiel Généralement c'est un amplificateur à grand gain, la tension de sortie en fonction du gain différentiel Ad et le gain commun Ac est :

).(2

. 2121 eeAd

eeAcVs −+

+=

Idéalement Ac =0 et Ad entre 100 et 1000.

Pré amplification

Différentielle

Filtrage

Amplification

E+

E-


Soit en Décibel 20*Log(Ad), entre 40 et 60 dB. On définis aussi le Taux de rejection en mode commun par :

CMRR ou RRMC = Ac

AdLog10*20

CMRR : Commun mode rejection ratio, RRMC : Rapport de rejection en mode commun. Qui définie le Taux de rejection des signaux commun indésirable. 2.3.2 Filtrage Ici on présente quatre types de Filtres à savoir le filtre réjecteur Figure 9, le Filtre passe Haut figure 10, et le Filtre passe bas figure 13, enfin le filtre passe bande figure15 .

Figure 9. Filtre Réjecteur La fréquence de coupure pour le filtre réjecteur est de :

RCFc

π2

3= = 50Hz.

Dans ce type de filtre une seule fréquence est rejetée. Le filtre passe haut est définie comme étant circuit électrique qui fait passer les fréquence supérieur à certain seuil. Les filtres à ordre supérieur se rapprochent du filtre idéal ou à partir d'un certain seuil aucune fréquence ne passe.

Figure 10. Filtre passe Haut (1 ordre)

RZc

Zc

Ve

Vs

+=

Rjc

jc

+=

)/1(

/1

ω

ω

ωjRc+=

1

1

c

jω

ω+

=

1

1

Ve

Vs

Ve

R R

R = 1KΩ

C C C = 470nF

Vs

C

R


Ou ωc = 1/RC est la pulsation de coupure Le diagramme de BODE relative à ce filtre est donné ci-dessous:

Figure 11 Diagramme de BODE filtre passe Haut

Figure 12. Filtre passe Haut (2 ordre)

La fréquence de coupure est de: Fc = HzRC

36.02

1=

π

Figure 13. Filtre passe Bas (1 ordre)

1

ωc ω

Vs Ve

C C

R = 1KΩ

R

C C

R

R

C

R Ve

Ve

Vs

Vs

Ve

Vs

-3dB

2

1


Figure 14. Filtre passe Bas (2 ordre)

Figure 15. Filtre passe Bande

Le Gain du filtre est donnée par:

21

2

ZZZ

VeVs

+=

Où Z1 = R + ωjc

1 et Z2 =

ω

ω

jcR

jcR

1

1

+

.

22231 ωω

ω

CRjRCjRC

VeVs

−+=

Le gain peut être mis sous forme plus simple comme suite :

)1)(1(21

0

ω

ω

ω

ω

ω

ω

jj

j

Ve

Vs

++

=

Où, RC

10 =ω ,

2

5301

−= ωω ,

2

5302

+= ωω

Le diagramme de BODE représentant le Gain du filtre est le suivant:

1ω 0ω 2ω

)(ωVe

Vs

Vs Ve

C R

R C

31

ω


Figure 16. Diagramme de BODE du filtre passe bande

Définitions 1- La bande passante d'un Filtre est l'ensemble des fréquences des signaux que le filtre fait passer de l'enter vers la sortie. 2- La fréquence de coupure d'un filtre c'est la ou les fréquences à partir des quelles fait arrêter ou démarrer la bande passante. 3- L'atténuation du Gain pour une fréquence égale à la fréquence de coupure est de :

-3db, autrement dit : Vs/Ve = 1/ 2 2.3.3. Amplificateur

2.3.3.1 Amplificateur à base de transistor: Les amplificateurs a base de transistor bipolaire sont du type émetteur commun, généralement à double étage, soit le montage suivant:

Figure 17. Montage émetteur commun.

Le Gain du montage est donné par :

Re

Rc

Ve

Vs−=

Dans le cas ou la résistance Re est nulle le Gain devient :

1121

h

Rch

Ve

Vs−=

Où h21 et h11 sont respectivement le gain dynamique et la résistance d'entrée du transistor

2.3.3.2- Amplificateur Opérationnel:

Il existe une très grande variété des amplificateurs opérationnels, le plus utilisé a cause de ces caractéristiques modéré est le MA741. Il existe aussi d'autres on

Ve

+Vcc

Vs

Rc

Re

Rb


peut citer : LF351, TL081, etc. les caractéristiques pratiques d'un amplificateur opérationnel sont en générales les suivantes:

- Résistance d'entée: entre 100KΩ et 1MΩ, le LF351 à une résistance d'entrée de 1012

Ω. - Résistance de sortie: entre 10Ω et 100Ω. - Gain à boucle ouverte: entre 80dB et 100dB. - Rapport de Rejection en Mode Commun, connu par le RRMC, entre 40dB et 80dB.

- Bande passante: entre 1Mhz et 10Mhz. - Tension d'offset: 10-3 à 10-1 V.

fig.18 : Amplificateur inverseur

Le gain de ce type d'amplificateur est donnée par:

G =1

2

R

R

Ve

Vs−=

Figure 19. Amplificateur non inverseur

G = )1(1

2

R

R

Ve

Vs+=

R1

R2

Ve Vs

Ve

Vs

R1 R2


Figure 20. Amplificateur Différentiateur

))(1

21( −+

−+= VeVeR

RVs

2.3.4 Acquisition des données par PC 1) Le Convertisseur analogique numérique : Le convertisseur analogique numérique fait convertir des tensions analogiques en provenance de l'amplificateur en un signal numérique à 8 bits, 12 bits ou 16 bits. Cette opération est conditionnée par trois critères essentiels à savoir : - La fréquence d'échantillonnage, - Le temps de conversion, - La résolution. 2) L'échantillonnage : La fréquence d'échantillonnage idéalement doit être très grande pour que le signal soit parfaitement représenté, mais une fréquence infiniment grande n'est pas possible pour des raison technique (le temps de conversion est limité), pour cela la fréquence minimale d'échantillonnage est donnée par le théorème de Shannon exprimé par :

(max).2 signalechant FF ≥

Le signal d'échantillonnage doit au moins deux fois la fréquence la plus grande du signal. Exemple un signal physiologique tel que L'ECG possède une onde P ayant une fréquence de 10 HZ et les ondes Q,R et S ayant chacune une fréquence de 50 HZ et finalement l'onde T ayant une fréquence de 5 Hz, donc la fréquence d'échantillonnage minimale est de 2*50Hz = 100 HZ.

Ve+

Vs

R1

R2

Ve- R1

R2


Exemple:

Figure 21. Signal du ECG Dans la figure ci-dessus ou chaque graduation correspond à 0.01s calculer les fréquences pour chaque onde. Pour l'onde P : la période est de 0.01*8 = 0.08s est la fréquence est de : (1/0.08) = 12.5 Hz Pour l'onde Q : la période est de 0.01*2 = 0.02s est la fréquence est de : ( 1/0.02) = 50 Hz. Pour l'onde R : la période est de 0.01*3 = 0.03s est la fréquence est de : ( 1/0.03) = 33.3 Hz Pour l'onde S : la période est de 0.01*0.5 = 0.005s est la fréquence est de: 200 Hz Pour l'onde T la période est de 0.01*10 = 0.1s est la fréquence est de: 10 Hz. 3) Le temps de conversion: C'est le temps nécessaire au convertisseur pour convertir une valeur analogique en valeur numérique, ce dernier varie de 1micro second jusqu'à 1milli seconde, pour des signaux ayant une fréquence élevée un temps de conversion très petit est exigé.

Figure 22. Echantillonnage T: Période d'échantillonnage, t: Temps de conversion et

Tension analogique

T

R

S

P

Q

t T

t

0.04 seconde


4) La résolution La résolution d'un convertisseur analogique numérique est la plus petite valeur que ce dernier peut convertir, un convertisseur de grande résolution est un convertisseur qui peut convertir la plus petite valeur que possible. Exemple: Un convertisseur de 8 bits et de valeur maximale a convertir de 5 V, à pour résolution : (5/255)=0,01960 V. 8 bits en binaire (11111111) en décimale (255) en hexadécimale (FF). Pour 5 V (11111111) (255) x V (00000001) (1) x = (5/255) V En générale, la résolution = la valeur maximale à convertir / le nombre de binaire

maximale convertis en décimale a) Convertisseur 8 bits b)Convertisseur 16 bits

Figure 23. Résolution de l'ADC Dans la figure 23.a à chaque montée de l'escalier un multiple de la valeur "x" définie précédemment, est effectué. 5) Différent type de convertisseurs: Ils existe plusieurs types de convertisseurs, ils sont caractérisés par leurs simplicité temps de conversion fréquence d'échantillonnage, etc.. On distingue: a) Le convertisseur à pondération (approximations successives): Dans ce type de convertisseur la valeur estimée de la tension d'entrée (en binaire) est convertie en signal analogique (N/A) puis comparée au signal d'entrée originale. Pour identifier la valeur numérique exact il faut N comparaison ou N est le nombre de bits.

t t

Tension analogique Tension analogique


Figure 24.schémas du convertisseur à approximation successives Principe de fonctionnement : Au début tout les bits sont à zéro, pour commence le convertisseur met le bit le plus significatif à un, puis fait comparer au signal d'entré, s'il est inférieur le bit est maintenu s'il est supérieur le bit est mis à zéro. L'opération se répète au nombre des bits, le temps de conversion pour ce genre de convertisseur est de l'ordre de 1 micro seconde. b) Le convertisseur à double rampe : La tension à convertir Ve(t) charge un intégrateur pendant un temps T1, l'intégrateur est en suite déchargé par une tension de référence pendant un temps T2. La durée de décharge est proportionnelle à la tension d'entrée, un oscillateur (horloge) alimente un compteur binaire qui fait compter le nombre d'impulsion par suite la tension d'entrée. Tension d'entrée

C

R

Horloge

Comparateur

Logique de commande

Registres

Convertisseur N/A

Sorties Numériques

Début de conversion Fin de conversion Signal

D'entrée

Affichage Oscillateur

Logique de commande

Compteur binaire


Figure 25. Schémas du convertisseur à double rampe

2.5 Exercices Exercice N°1: R1=100KΩ

Figure 26.Acquisition du signal ECG. 1) Quelle est l'élément manquant, proposer un montage. 2) Calculer la tension d'entrée Ve, le Gain de l'amplificateur, puis la tension de sortie de l'amplificateur Vs. 3) Proposez un filtre passe bas premier ordre tout en calculant les composants RC si l'on s'intéresse aux ondes cardiologiques inférieurs à 50 Hz. 4) Calculer la résolution du convertisseur, pour des signaux de 5Hz, à quoi correspond la valeur en binaire de la tension de sortie. Solution: 1) L'élément maquant est un inverseur en ampli opérationnel ou en transistor, on propose les montages suivant:

Figure 27. Suiveur inverseur 2) Calcul de la tension d'entrée:

mVmVRgRE

REEgVe 99.0

1100

1001 =

+=

+=

Le Gain est : 1001

100

2

1−=−=−=

R

R

Ve

Vs

Impédance D'entrée RE = 100K

Rg = 1 KΩ R2 = 1KΩ

Eg = 1mV

?

Convertisseur A/N 8 Bits, Ve max=2.5V

Filtre passe bas

Ve Vs


La tension de sortie est 100*0.99mV = 99mV le signe moins signifie changement de phase par rapport à la sortie. 3) le filtre passe bas à proposer est le suivant : La fréquence de coupure est de : 1/2πRC = 100 Hz => RC = 1/2π.100 4) Calcul de la résolution: 2.5/255 = 0.0098 la tension de sortie correspond à une valeur en binaire de : 99mV/0.0098 =0.099/0.0098 = 10.1 en décimale et en binaire : (00001010) Exercice N°2:

Figure 28. Acquisition avec un préamplificateur

1) Quelle est la valeur de la résistance rg pour que la valeur de la tension Ve1 soit la moitié de Eg, ici on suppose que la résistance d'entée est égale à 1kΩ.

2) Calculer le Gain Vs2/Ve1, avec Rc1 = 1kΩ, Rc2 = 2KΩ, Re = 470Ω, h11 = 0.5kΩ, h21 = 120.

3) S'il on s'intéresse à faire passer des fréquence supérieur à 100 Hz, Quelle type de Filtre utilise on doit utiliser, proposer un filtre avec les composants RC.

4) Calculer la valeur maximale de la tension d'entrée pour une résolution de 0.00785 et un ADC de 8 bits.

Vs2

Rc2 Rc1 Rb

rg

Eg = 2 mV

+Vcc

Filtre Passe Bas

Convertisseur A/N

Ve1 Re

Vs1

R C


Solution :

1) soit Re la résistance d'entrée, en appliquant le diviseur de tension rge

eEgVe

+ℜ

ℜ=1

1/).1.( VeeVeeEgrg ℜ−ℜ= erg ℜ=⇒ = 1kΩ.

2) Gv =1

1

2

2

1

2

2

2

1

2

Ve

Vs

Ve

Vs

Ve

Ve

Ve

Vs

Ve

Vs== puis que Vs1=Ve2, on adonc :

Gv = )Re

2)(

11

121(

Rc

h

Rch −− = 120

47.0

20

5.0

10= 1021

3) Le filtre à utiliser est du type passe haut, on propose le filtre suivant :

La fréquence de coupure étant égale à : 1/ RCπ2 = 100 donc RC = 100.2

1

π

4) la valeur maximale est :

0.0078*255 = 1.91 V Exercice N°3: Soit le filtre passe bas ci-dessous:

1) Calculer la fonction de transfert de ce filtre puis en déduire la fréquence de coupure. 2) Pour un signal Ve(t) de la forme : Ve(t) =10 sin(2π100t) on donne 1/RC = 100,

donner l'expression de la tension de sortie, en suppose que à la fréquence de coupure il y a un déphasage π/2.

3) Même question pour Ve(t) = 5 sin(2π.10t).

Solution : 1) la démonstration est dans le cour on peut arriver à:

C R

R C Ve Vs


)1/(1/ RCjVeVs ω+= La fréquence de coupure est de 1/2πRC 2) le signal est à une fréquence égale à la fréquence de coupure donc

Vs = Ve / 2 = 2

10sin(2π.100.t + π/2)

3- La fréquence du signal étant loin de la fréquence de coupure donc on a :

Vs = Ve = 5 sin(2π10.t) Exercice N°4: Soit une électrode avec un condensateur en parallèle voir figure ci-dessous, pour une source cardiaque ayant pour signal Eg = 10. sin(2π.100.t) + 5. sin(2π50t) + 2. sin(2π.10t) + sin(2π.5t).

1) Quelle sont les signaux successibles de passer à la sortie, pour rg = 1KΩ et C = 1µF. 2)

Exercice N°5: 1) Calculer le gain Vs/Ve

rg

+Vcc Ve

Vs

R1

R2

RZ Vz1

Vz2

C Eg Ve


Exercice N°6 Soit le signal physiologique de la forme :

4321)( SSSStS +++= Avec:

)1002sin(101 tS π=

)102sin(52 tS π=

)1502sin(73 tS π=

)502sin(24 tS π=

1) Faites représentation spectrale du signal S(t) 2) Donner la fréquence d'échantillonnage relative à ce signal. 3) Calculer la valeur de la tension maximale à convertir, pour une résolution de 10-5 et

un convertisseur de 8 bits. 4) On s'intéresse à faire passer seulement les signaux S1 et S2, quelle type de filtre est il

nécessaire à cet effet, calculer les composants RC. 5) Un préamplificateur ayant un gain de 10 dB, et une tension d'entrée de 1mV, calculer

la tension de sortie, puis proposer un montage. 6) Le préamplificateur précédent à un gain en mode commun de 2 dB, calculer le taux

de rejection. 7) Dessiner le montage complet : amplificateur, filtre, ADC.

Solution:

1) Représentation spectrale : 2) Fréquence d'échantillonnage : La fréquence d'échantillonnage est de : 2*150 = 300 Hz 3) Valeur de la tension d'entrée maximale :

10-5 x (255) = 0.00255 V = 2.55 mV

10 5

Amplitudes

50 100 150 200

Fréquences


Exemple sur le signal de l'ECG

fig.29 : Bruit parasite à 60 Hz

Si Ac=0, le montage à amplificateur différentiel va supprimer totalement le bruit de 60 Hz. C’est pourquoi on cherche à avoir Ac le plus faible possible, donc il faut un CMRR le plus fort possible. Pour le Max Personnal de Marquette, le rejet en mode commun est donnée à 130 dB minimum

2.3.2. Traitement du signal

2.3.2.1. Détection des ondes QRS

Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques. Des algorithmes ont été développé à cet effet [4], et ressemblent sur le principe à ceci :

Rc

Cg Eg

rg R1

R2

Filtre passe Bande

Convertisseur A/N 8bits


fig.30 : algorithme permettant la détection des pics

Le signal sortant des amplificateurs est filtré par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caractéristiques de transfert suivantes :

Passe bas :

Passe haut :

On retrouve aussi dans le schéma un dérivateur, une cellule qui élève le signal au carré, un retardateur (delay), une porte ET, deux comparateurs (renvoyant un signal TTL* selon le niveau de l’entrée par rapport à T1 et T2)

Le MA filter (moving average filter) correspond à un filtre dont la sortie peut s’écrire :

Où Nw représente la longueur du moyennage. On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant ‘1’ quand un pic est détecté (voir figure 12)


fig.31 : en haut : signal ECG en bas : détection des battements cardiaques

2.3.2.2. Numérique

La manipulation sur ordinateur s’est généralisée, pour une utilisation plus souple et plus efficace. Cette opération nécessite des signaux échantillonnés. L’appareil que j’ai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultanément, avec un taux d’échantillonnage de 4000 Hz. Pour les calculs analytiques (détection des battements, pulsation…), l’appareil utilise 250 échantillons par secondes. Le convertisseur analogique numérique se place alors après le dernier amplificateur différentiel.

Il faut aussi savoir qu’il existe un ECG dit ‘Haute Résolution’ qui échantillonne à plus de 2 kHz, avec un filtre à 400 Hz, et un bit de poids faible qui représente moins de 2,5µV. Là se posent des problèmes de bruit, qu’il faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener).

2.4. Evolution

Pour obtenir de meilleures analyses médicales, des nouvelles méthodes de classification des pulsations cardiaques ont été recherchées. Les différences sont tellement fines, que les paramètres de classification diffèrent d’un patient à l’autre. Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette différenciation. C’est pourquoi les chercheurs se sont orientés assez récemment sur le réseau de neurones* [7]. Celui-ci combine en autre les avantages de pouvoir apprendre. L’idée est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions d’enregistrements d’ECG, contenant les détections voulues. Ces réseaux de neurone permettront ainsi de reconnaître ce qu’on leur demande.


Chapitre III

ELECTROENCEPHALOGRAPHIE

3.1. Appareillages

L’électroencéphalographe possède beaucoup d’éléments communs à l’électrocardiographe. Les électrodes sont très proches, le système de dérivations est identique (ici, c’est souvent une électrode placée sur le lobe de l’oreille qui sert de référence), les amplificateurs sont semblables.

3.2. Electrodes

L’électroencéphalographie présente l’intérêt d’être une méthode non invasive, c’est à dire peu traumatisante pour le sujet, contrairement à l’injection ou l’inhalation d’un radioisotope de durée de vie très brève pour l’IRM* ou la tomographie. C’est pourquoi on utilise des simples électrodes de surfaces. Les électrodes sont donc très proches de celles employées pour l’électrocardiographie. Elles sont basées sur le même principe, seule leur taille est différente Leur nombre est en général d’une vingtaine (dans des examens très spécialisé, on peut monter à une centaine)

3.3. Electronique associée


La aussi, les informations techniques sont très rares. Il est possible de trouver des schémas d’ensemble, comme celui-ci :

Fig32. : Schéma de fonctionnement de l’électroencéphalogramme.

Les électroencéphalographes possèdent en général au moins 20 voies.

3.3.1. Amplification

fig.33. Amplification du signal EEG:

Les différences de potentiels captées par des électrodes distantes de 3 à 5 cm se situent entre 10 et 200 µV. Les amplificateurs utilisés doivent donc avoir un gain élevé. Ils sont constitués par un préamplificateur dont le bruit de fond est inférieur à 5 µV et un post-amplificateur à liaison continue. Des commandes manuelles permettent de modifier le gain d’amplification entre 10 et 300 µv/cm.

Les différences de potentiels qui se manifestent à la surface du crâne s’établissent entre 1 cycle par seconde environ, et plusieurs dizaines de cycles par secondes. Les


amplificateurs doivent donc également être fidèles pour cette gamme de fréquences. Leur précision est généralement de l’ordre de 90% pour une bande passante de 0,1 à 100 hertz.

Les différences de potentiel représentent des signaux d’amplitude relativement faible par rapport à l’amplitude des parasites qui – tel le champ électrique des générateurs industriels – affectent, en général, les deux électrodes d’une dérivation. Pour éliminer ces parasites, on a recours à des amplificateurs différentiels, qui, fournissant à leur sortie une différence de potentiels ne tiennent pas compte de la valeur absolue de la tension à laquelle chacune des deux électrodes de la dérivation est portée par l’énergie électrique qui l’affecte, que celle ci soit d’origine cérébrale ou extra-cérébrale.

3.3.2. Par rapport à l’ECG.

L’amplitude des signaux d’EEG est plus faible que ceux de l’ECG, c’est pourquoi les critères définissant les amplificateurs des EEG sont plus exigeants que ceux de l’ECG. Le rapport de réjection de mode commun doit être d’au moins 10000 :1 (soit 80 dB). De plus, durant l’enregistrement, il est nécessaire que le local soit faiblement exposé aux champs électriques extérieurs, car la mesure est très sensible. Cependant, la réponse en basse fréquence n’a pas besoin d’être aussi bonne pour l’EEG que celle de l’ECG. La polarisation des électrodes n’est donc pas aussi prépondérante. 3.3.3. Traitement du signal

On peut citer les techniques de moyennage qui permettent extraire le signal d’un bruit de fond. Des filtres peuvent être employés pour atténuer soit les fréquences rapides supérieures à 100, 50, 30 et même 15 Hertz, soit les fréquences lentes (inférieures à 0.3, 0.5 et même 2 Hertz par le choix des constantes de temps respectivement 0.1, 0.3 et 0.7 secondes). Ces atténuations sont en effet parfois nécessaires pour éliminer les composantes rapides ou lentes des différences de potentiel, qui peuvent s’avérer être d’origine extra-cérébrale, ou pour mettre en valeur une bande passante spécifique.

3.4. Evolutions:

Le reste de la chaîne présente actuellement plusieurs évolutions : Miniaturisation de l’équipement (mise au point d’enregistreurs portatifs de la taille d’un baladeur, qui permettent un enregistrement ambulatoire sur 24 heures) Numérisation des signaux. Traitement numérique du signal d’EEG en vue d’extraire d’avantages d’information. On traitera deux sujets, qui ont fait l’objet de recherches récentes. 3.4.1. Localisation spatiale : A priori, l’EEG ne permet pas de faire de l’imagerie, mais recueille simplement des signaux électriques. Des chercheurs [8] ont trouvé des algorithmes qui permettent une localisation spatiale des événements. Pour cela, ils sont partis de résultats obtenus par imagerie à rayon X, qui déterminent les zones du cerveau qui fonctionnent en réponse à des stimuli précis (battements de cils, test auditifs…) et ont fait la même chose avec l’EEG. Ils en ont extrait des rapprochements et des algorithmes spécifiques ont pu être trouvé. Ainsi, en isolant un événement et en observant avec quelle intensité celui-ci a touché les différentes électrodes placées autour du crâne, on peut alors le localiser.


Le principal problème est alors le filtrage spatial. Celui-ci consiste à laisser passer une activité électrique provenant d’une région particulière, et de couper les autres signaux originaires d’autres endroits.

3.4.2. Compression de données :

Les électroencéphalogrammes regroupent beaucoup de données. Si tous les canaux d’un appareil échantillonnent leur signal à 1 kHz, un électroencéphalogramme représente rapidement plusieurs Mega-octets (Mo) de données.

La compression de données est utile pour plusieurs raisons. Premièrement, cela fait baisser les temps de transmission, économise l’espace de stockage, permet de baisser les capacités de mémoire des systèmes portables (ou permet alors d’augmenter le nombre de canaux). Un des premiers but réel est d’acquérir les données d’EEG depuis le domicile du patient, en passant par des moyens de transmission classiques et lents, comme le téléphone. Il est bon de préciser que dans la plupart des cas, un enregistrement de 20 voies, échantillonné à 128 Hz, en 8 bits, est suffisant. Dans ce cas, un petit modem 14.4 kbps* est aussi suffisant. Une infirmière se déplace alors chez le patient, le prépare et installe le matériel. Le spécialiste lit et analyse les données qu’il reçoit à son poste en temps réel, lui faisant gagner du temps.

La compression de données permet aussi d’envisager des appareils portables. En effet, à l’heure actuelle, une des capacités de stockage la plus petite est le disque dur format PCMCIA. Technologiquement très pointus, la taille de ceux-ci est limité à 40 Mo, si on veut rester dans des prix raisonnables. Or un enregistrement de 24 heures demande environ 66 Mo, si on le minimise en utilisant que 12 canaux à 64 kHz. En compressant des données, on peut espérer les caser dans les 40 Mo. Un autre point est essentiel, la compression ne doit pas permettre le restituer le signal avec une qualité le plus proche possible de l’original.

Compte tenu de ces spécifications, des études [10] ont montré que le meilleur algorithme de compression est la technique du codage de Huffman, en conjonction avec un petit traitement informatique, nécessitant un calcul pas trop complexe. On arrive alors à un rapport de compression de 58% pour un signal EEG, qui est très satisfaisant.

CONCLUSION Les informations précises sur ces appareils sont difficiles à trouver. Les constructeurs ont développés leurs solutions et évitent de les dévoiler (ce qui peut se comprendre). De plus, les avancées de l’électronique ont poussé les fabricants à intégrer leurs circuits. Ainsi, la partie électronique pure de l’appareil que on a pu voir (Max Personnal de Marquette, société américaine) se résume à une carte intégrée regroupant toutes les fonctionnalités de l’appareil, comme le contrôle de l’affichage, de l’impression, d’alimentation, d’amplification, de transfert de données ; si bien qu’il est quasi impossible de retrouver les principes électronique utilisés.

De plus, les informations que on a pu trouver concernent des évolutions très récentes, et par conséquent très pointues.

Quoi qu’il en soit de mes recherches, on a noté que les deux techniques sont assez similaires. Les deux appareils fonctionnent sur le même principe : des électrodes recueillent des informations électriques fournies par des organes. La tension présente


aux électrodes très faible, nécessite une attention particulière aux problèmes de bruit (réduction des parasites..), ce qui demande une amplification très propre pour les fréquences utiles.

La mesure des signaux et de l’amplification est dans les deux cas quelque peu établie, contrairement au traitement du signal. Dans ce domaine, l’arrivée du numérique a permis d’entrer dans une autre dimension, de par sa puissance et sa souplesse d’utilisation. En effet, les ordinateurs ont pu apporter leur rapidité, leur polyvalence, leurs moyens de stockage et de. Communication

RESUME

L’électrocardiographie et l’électroencéphalographie sont deux domaines qui sont apparus au début du siècle. Depuis, les appareils se sont évidemment améliorés et la médecine sait maintenant comment exploiter précisément ces résultats, qui sont très utiles dans la détection d’anomalies ou de maladies physiques ou mentales.

Les deux appareils fonctionnent d’une façon assez similaire. Un signal électrique est capté par des électrodes en argent, l’un provenant des fibres musculaires, l’autre de l’activité électrique des neurones. Les électrodes sont placées sur la peau, et un gel de chlorure d’argent assure la continuité de la conduction. On dit de l’électroencéphalographie et de l’électrocardiographie qu’elles sont des méthodes non invasives, c’est à dire qu’elles ne nécessitent pas d’injection de composé radioactif à vie courte, ne laissent pas de traces, et sont inoffensives.

Dans les deux cas, une électrode sert de référence, la jambe droite pour l’ECG, l’oreille pour l’EEG. Les signaux de chaque dérivation (au nombre d’une dizaine pour l’ECG, et d’une vingtaine pour l’EEG) sont ensuite amplifiés par des amplificateurs différentiels de bonne qualité, possédant un rapport de réjection de mode commun assez élevé (plus de 100 dB). Ceux-ci présentent l’avantage de pouvoir supprimer des interférences que l’on retrouve identiquement dans chaque dérivation. La fréquence des informations contenues dans le signal ne dépasse pas 100 Hz.

Sur tous ces appareils médicaux, on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs électriques, car on en connaît le risque. Cette protection se fait par l’intermédiaire de tampons, qui ont une impédance d’entrée très élevée (de l’ordre d’une centaine de mégohms).

La ‘révolution’ du numérique a aussi touché ces appareils, qui peuvent désormais faire quelques analyses, comme la détection d’un battement, d’une séquence, de classification, une localisation plus précise… L’enregistrement sur papier est encore pratiqué, mais va certainement laisser la place à l’affichage graphique, plus souple et assisté des fonctions de calcul de l’ordinateur. De plus, les enregistrements peuvent maintenant se faire à distance et cela permet au patient d’être mieux suivi.

Ces appareils sont aujourd’hui toujours très utilisés en milieu hospitalier. Toutes les améliorations apportées à ceux ci rendent des services à de nombreux patients.


BIBLIOGRAPHIE

[2] Encyclopedia Universalis, tome 8, page 141-147, 1996.

[3] D. Buchla & W. McLachlan, Applied Electronic Instrumentation and Mesurement, MacMillan, 1992

[5] D.M. Considine, Encyclopedia of instrumentation and control, Mc Graw-Hill Book

[6]J. Pan and W. Tompkins, IEEE Transactions on Biomed. Engr, vol 32 page 230-236, Mars 1985

[7] Yu Hen Hu, IEEE Transactions on Biomed. Engr, vol 44 page 891-899, Sept 1997.

3 lmd biomedical

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