mÉmoire de fin d’Études - accueilh.meziane.free.fr/memoire_ebm.pdf · 1 république algérienne...
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Reacutepublique Algeacuterienne Deacutemocratique et Populaire
Ministegravere de lrsquoenseignement Supeacuterieur et de la Recherche Scientifique Universiteacute Abou Bekr BELKAID ndashTLEMCEN-
Deacutepartement de LrsquoELECTRONIQUE
MEacuteMOIRE DE FIN DrsquoEacuteTUDES preacutesenteacute agrave
LA FACULTE DES SCIENCES DE LrsquoINGENIEUR
Pour obtenir le titre de
INGEacuteNIEUR DrsquoETAT
Speacutecialiteacute
ELECTRONIQUE BIOMEDICALE
Soutenu par
MEZIANE Hadj Boumeacutediegravene
le 02 juillet 2003
Titre
Acquisition de signaux Electrocardiogrammes (ECG) agrave lrsquoaide de
la carte DSPACE
Encadreur Mr Chafik KARA-TERKI
Jury
President Mr ACHIKH Examinateur MrA BESSAIumlD
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Table des matiegraveres
Introduction
CHAPITRE -I- Geacuteneacuteraliteacutes sur le systegraveme cardiovasculairehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
I La fonction du cœur helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I1Rappels anatomiques et fonctionnels helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I2 Lrsquoeacutelectrogeacutenegravese cardiaque helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
I21Potentiels drsquoaction helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I22Propagation de lrsquoexcitation helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I23La commande rythmique du cœur helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
I 231 Le systegraveme nerveux autonome helliphelliphelliphellip I 2311 Le systegraveme nerveux parasympathique helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I 2312Le systegraveme sympathique helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
CHAPITRE -II- Meacutethodes de recueil du signal Electrocardiogramme ECGhelliphelliphelliphelliphelliphellip
II 1 Preacutesentation II11Electrocardiogramme II111Historique II112Introduction physiologique II113Utilisation Meacutedicale
II 2 Electrocardiographie II21Principe de fonctionnement II22Appareillage II23Electrocardiogramme ambulatoire de Holter II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur II25Electrodes II26Deacuterivations II27Traceacute des reacutesultats sur papier II 3 Electronique associeacutee II31Amplification II32Traitement du signal II321Deacutetection des ondes QRS
II322Numeacuterique II 4 Evolution II 5 Stockage des donneacutees II 6 Conclusion
CHAPITRE -III-
Programmation de la carte drsquoacquisition temps-reacuteel DSPACE DS1103
III Introduction III1Les diffeacuterentes meacutethodes de programmation temps-reacuteel de la carte DS1103 III11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C III12Compilateurs C de DSPACE
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III121Compilateur Microtec PPC pour processeur Motorola PowerPC III122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur slave DSP (Digital
Slave Processor) III13Programme C drsquoacquisition du signal ECG III14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB III141Avantagesde SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en
langage C III142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103 III143Acquisition et filtrage temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) III144Exeacutecution du modegravele ECGREADMDL III15Conclusion
Quelques extensions possibles pour le projet de fin drsquoeacutetudes
IVANNEXES
ANNEXE ndashA-
-Caracteacuteristiques techniques de DSPACE DS1103 et Datasheets
ANNEXE ndashB-
-Les diffeacuterents ports de communication et EntreacuteesSorties
Lexique AnglaisFranccedilais Lexique FranccedilaisAnglais
BIBLIOGRAPHIE
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Introduction
Nous preacutesentons dans ce meacutemoire les travaux reacutealiseacutes au cours de cette derniegravere anneacutee pour lrsquoobtention du diplocircme drsquoingeacutenieur drsquoeacutetat en Electronique Biomeacutedicale Cette courte introduction expose la deacutemarche geacuteneacuterale que nous avons suivie qui sous-tend lrsquoorganisation de ce document Le point de deacutepart de ces travaux est un problegraveme pratique reacutecurrent dans les domaines drsquoactiviteacute pour lesquels le traitement de lrsquoinformation occupe une large place Paradoxalement tandis que ces domaines connaissent des avanceacutees techniques importantes la complexiteacute des moyens que celles-ci mettent en œuvre freine leur diffusion aupregraves drsquoun public non expeacuterimenteacute Le domaine de lrsquoacquisition de signaux physiologiques est crucialement repreacutesentatif de cette difficulteacute Tout drsquoabord la grande quantiteacute et la varieacuteteacute des signaux physiologiques neacutecessitent drsquoecirctre geacutereacutees de maniegravere efficace Ensuite lrsquoinformation que ces signaux contiennent tregraves riche doit ecirctre traiteacutee et analyseacutee et syntheacutetiseacutee en des termes accessibles et exploitables par des meacutedecins en routine Enfin les techniques drsquoacquisition et de visualisation des signaux srsquoameacuteliorant le potentiel drsquoobtention drsquoeacuteleacutements diagnostiques croit et doit donc ecirctre exploitable au mieux par les meacutedecins chercheurs De fait une large communauteacute de scientifiques propose drsquoappreacutehender cette quantiteacute cette richesse et ce potentiel en deacuteveloppant des meacutethodes informatiques de traitement de signaux physiologiques performantes et speacutecifiques Ces meacutethodes sont fondeacutees plus ou moins implicitement sur des connaissances aussi bien meacutethodologiques (eg matheacutematiques statistiques informatiques) que meacutedicales (eg anatomiques physiologiques physiques)Qui plus est ces connaissances interviennent souvent dans lrsquoutilisation judicieuse des meacutethodes pour reacutesoudre des objectifs particuliers de traitement de signaux physiologiques
Bien que les meacutedecins concerneacutes soient demandeurs de ces nouvelles techniques drsquoanalyselrsquoinvestissement qui leur est demandeacute pour savoir les manipuler est telqursquoils se contentent bien souvent de meacutethodes triviales faciles a appreacutehender et dont ils maicirctrisent les reacutesultats
Notre travail srsquoest baseacute sur lrsquoinstallation et la mise en oeuvre de la carte drsquoacquisition temps-reacuteel multiprocesseurs de marque laquo DSPACE DS1103 raquo deacuteveloppeacutee speacutecialement pour le prototypage drsquoapplications en ingeacutenierie automobile et nouvellement acquise par le laboratoire drsquoautomatique de notre universiteacute Elle permet a la fois lrsquoacquisition ou la restitution de signaux analogiques ou digitaux et le controcircle ou la commande des robots Vu les hautes performances et la rapiditeacute qursquooffre cette carte nous nous sommes attacheacutes agrave
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lrsquoappliquer agrave notre domaine drsquointeacuterecirct agrave savoir lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques tel que lrsquoElectrocardiogramme De mecircme nous utiliserons le logiciel SIMULINK de MATLAB et les diffeacuterents compilateurs C approprieacutes pouvoir associer quelques notions de filtrage numeacuterique
Dans le premier chapitre nous preacutesentons les principales fonctions du cœur ainsi qursquoune introduction a lrsquoeacutelectrocardiographie Dans le deuxiegraveme sont deacutetailleacutees les diffeacuterentes meacutethodes permettant de relever le signal Electrocardiogramme (ECG) dans une chaicircne drsquoacquisition par ordinateur et lrsquoimportance de lrsquoamplification et du filtrage des signaux physiologiques
Le chapitre 3 sont preacutesenteacutees les caracteacuteristiques techniques de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et ses diffeacuterents ports drsquoentreacutee et de sortie Les chapitres 4 et 5 traitent la partie principale de notre travail qui
sont
la programmation de la carte drsquoacquisition et sa mise en œuvre pour acqueacuterir les signaux physiologiques
La reacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification du signal ECG
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I La fonction du cœur [extrait du livre de cardiologie eacuteditions Larousse]
Preacuteambule Ce chapitre preacutesente des notions fondamentales sur lrsquoeacutelectrogeacutenegravese cardiaque Il deacutecrit succinctement les caracteacuteristiques du tissu cardiaque auxquelles nous nous reacutefeacutererons dans ce meacutemoire ainsi que les processus de propagation de linflux cardiaque puis les principes fondamentaux de leacutelectrocardiographie et les diffeacuterents types denregistrement Lrsquoaccent sera mis sur leacutelectrocardiogramme agrave haute reacutesolution
I 1 Rappels anatomiques et fonctionnels
Le coeur est situeacute au milieu du meacutediastin ougrave il est partiellement recouvert par les poumons et anteacuterieurement par le sternum et les cartilages des troisiegravemes quatriegravemes et cinquiegravemes cocirctes Les deux tiers du coeur sont situeacutes agrave gauche de la ligne passant par le milieu du corps Il repose sur le diaphragme et est inclineacute en avant et agrave gauche de telle sorte que lapex soit anteacuterieur par rapport au reste du coeur Le coeur est constitueacute de quatre caviteacutes contractiles les oreillettes reccediloivent le sang veineux et les ventricules droit et gauche le propulsent respectivement dans la circulation pulmonaire et dans la circulation systeacutemique (cf figure 1-1) Chaque battement cardiaque est un processus meacutecanique engendreacute par des pheacutenomegravenes bioeacutelectriques notamment ioniques
I 2 Leacutelectrogeacutenegravese cardiaque
Excitabiliteacute et contractiliteacute sont les proprieacuteteacutes essentielles des tissus cardiaques Elles varient selon la localisation de ces tissus dans le myocarde Pendant la peacuteriode drsquoactiviteacute (systole) et de repos (diastole) les cellules cardiaques sont le siegravege drsquoune suite complexe deacuteveacutenements eacutelectriques membranaires et intracellulaires qui entraicircnent le glissement des filaments drsquoactine et de myosine agrave lrsquoorigine du raccourcissement de la cellule donc de la contraction
I21 Potentiel drsquoaction
Ce sont les ions chlorure (Cl-) sodium (Na+) calcium (Ca++) et potassium (K+) qui sont impliqueacutes dans les eacutechanges membranaires Leurs osmolariteacutes intracellulaires et extra cellulaire preacutesentent des valeurs de potentiel eacutelectrochimique tregraves diffeacuterentes speacutecifiques de chaque ion Les gradients des concentrations ioniques sont reacutegis par des meacutecanismes drsquoeacutechange agrave travers des canaux speacutecifiques de la membrane cellulaire Les variations des potentiels observeacutees au cours du cycle cardiaque correspondent agrave des modifications de la permeacuteabiliteacute membranaire pendant les diffeacuterentes phases de ce cycle Pendant la phase de repos (diastole cellulaire) la polarisation membranaire agrave lrsquointeacuterieur de la cellule est neacutegative par rapport agrave lrsquoexteacuterieur crsquoest le potentiel de repos dont la valeur est comprise entre -80 et -90 mV (cf Tableau 1-1)
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Figure 1-1 repreacutesentation du coeur et de lrsquoorigine des gros vaisseaux On distingue eacutegalement les voies de conduction normales de linflux cardiaque [extrait de Tortora et al 1988]
Pendant la phase de systole le potentiel de membrane tend agrave srsquoinverser par suite des variations de permeacuteabiliteacute aux ions Na+ Ca++ et du flux sortant de K+ Lrsquointeacuterieur de la membrane peut alors atteindre des potentiels de +20 agrave +30 mV par rapport agrave lrsquoexteacuterieur de la cellule Cette variation de potentiel de membrane caracteacuteristique de la phase drsquoactiviteacute dune cellule constitue le potentiel drsquoaction (cf Figure 1-2)
Tableau 1-1 concentrations intra et extra-cellulaires des principaux ions impliqueacutes dans les pheacutenomegravenes eacutelectrophysiologiques cardiaques et valeurs des potentiels eacutelectrochimiques deacutequilibre
correspondant [extrait de Noble The initiation of the heartbeat Londres 1973 p 12-13]
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Figure 1-2 repreacutesentation scheacutematique de diffeacuterentes courbes du potentiel drsquoaction [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 132]
La forme du potentiel daction varie selon le tissu consideacutereacute Son amplitude crecircte-agrave-crecircte est de 100 agrave 120 mV La phase de deacutepolarisation est la plupart du temps rapide ou tregraves rapide La vitesse est agrave peu pregraves proportionnelle agrave la vitesse de conduction des tissus La phase rapide de deacutepolarisation est suivie dun plateau plus ou moins long et plus ou moins ample selon le tissu Le tissu nodal (cest-agrave-dire des noeuds sinusal et auriculo-ventriculaire) preacutesente contrairement aux autres une phase de deacutepolarisation lente Durant la phase de deacutepolarisation et une partie de la phase de repolarisation appeleacutee peacuteriode reacutefractaire les cellules sont inexcitables Ces caracteacuteristiques des cellules cardiaques contribuent agrave une bonne synchronisation des meacutecanismes de contraction de lensemble du muscle cardiaque
I22 Propagation de lrsquoexcitation
La transmission de lrsquoexcitation dans les fibres cardiaques srsquoeffectue de proche en proche Elle reacutesulte drsquoun flux de courant entre les cellules qui viennent drsquoecirctre activeacutees et les cellules adjacentes au repos Lrsquoexcitation qui est agrave lrsquoorigine du battement cardiaque prend naissance dans le nœud sinusal (ou noeud de Keith et Flack) Elle se propage de cellule agrave cellule dans toute la masse du muscle auriculaire pour produire la contraction des oreillettes Lexcitation atteint alors le nœud auriculo-ventriculaire (ou noeud dAschoff-Tawara cf figure 13)
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Figure 1-3 principales caracteacuteristiques du systegraveme de conduction dans un cœur humain SAN noeud sinusal (Keith et Flack) B branche anteacuterieure W branche meacutediane T branche posteacuterieure
AVN noeud auriculo-ventriculaire H faisceau de His LBB branche gauche RBB branche droite PF fibres de Purkinje [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 111]
Ce noeud a un rocircle de reacutegulateur Il impose agrave lrsquoonde de propagation un certain retard avant de la transmettre au faisceau de His Celui-ci transmet lrsquoexcitation aux ventricules plus preacuteciseacutement au Faisceau de His et aux fibres de Purkinje qui cheminent sur toute la surface interne des ventricules Le noeud auriculo-ventriculaire et le faisceau de His constituent le seul lien fonctionnel normal entre les eacutetages auriculaire et ventriculaire Gracircce au retard imposeacute par le noeud auriculo-ventriculaire les ventricules ne sont deacutepolariseacutes qursquoapregraves la fin de la contraction des oreillettes donc au moment ougrave les ventricules sont remplis La conduction dans le reacuteseau de Purkinje est tregraves rapide ce qui permet drsquoobtenir une contraction agrave peu pregraves simultaneacutee de lensemble des myocardes ventriculaires droit et gauche drsquoougrave une expulsion optimale du volume sanguin ventriculaire vers les artegraveres La repolarisation se produit ensuite de faccedilon plus lente
I 23 La commande rythmique du coeur Le coeur est un muscle caracteacuteriseacute par une activiteacute automatique spontaneacutee et reacuteguliegravere Le Coeur isoleacute bat agrave une freacutequence qursquoon appelle la freacutequence cardiaque idiopathique Elle est en moyenne de 70 battements par minute chez ladulte Cette freacutequence diminue avec lrsquoacircge et lrsquoentraicircnement physique Sur le coeur normal le noeud sinusal est soumis agrave une reacutegulation extra cardiaque qui a pour effet de reacuteduire la freacutequence cardiaque au repos et de lrsquoaugmenter au cours de lrsquoeffort physique Cette reacutegulation est assureacutee en grande partie par le systegraveme nerveux autonome
I 231 Le systegraveme nerveux autonome Le systegraveme nerveux autonome joue un rocircle cleacute dans la reacutegulation de lactiviteacute cardiaque de la freacutequence de la force des battements cardiaques de la pression arteacuterielle (dilatation ou vasoconstriction des vaisseaux sanguins) Il comprend deux systegravemes drsquoeffet inverses
I2311 Le systegraveme parasympathique Cest leacuteleacutement dominant de la reacutegulation de la freacutequence cardiaque chez lhomme Il permet le ralentissement de la freacutequence cardiaque
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I2312 Le systegraveme sympathique
Il est surtout relieacute aux processus qui impliquent une deacutepense deacutenergie Lorsque lorganisme est en homeacuteostasie la fonction principale du systegraveme sympathique est de combattre les effets du systegraveme parasympathique A linverse de la situation au repos lors dune tension extrecircme par exemple le systegraveme sympathique domine le systegraveme parasympathique surtout dans des situations de stress
I232 Le baroreacuteflexe
Larc baroreacuteflexe est un meacutecanisme de reacutetro-controcircle de la pression arteacuterielle par lequel toute modification de la pression arteacuterielle entraicircne une variation opposeacutee de la freacutequence cardiaque (baroreacuteflexe cardiaque) et des reacutesistances peacuteripheacuteriques (baroreacuteflexe vasomoteur) Ce reacutetro-controcircle a pour objectif de reacuteguler de faccedilon rapide leacutetat tensionnel du systegraveme circulatoire Il reacuteduit la labiliteacute tensionnelle et maintient en toutes circonstances le niveau de pression autour dune valeur moyenne
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II 1 PRESENTATION
[Extrait pris du livre de Lepeschkin E Electrocardiographie Moderne Baltimore Williams et Wilkins 195]
II11 Electrocardiogramme o II111 Historique
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qursquoun courant eacutelectrique accompagne chaque battement cardiaque [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier eacutelectrocardiogramme drsquoun humain
1897 Cleacutement Ader ingeacutenieur eacutelectrique adapte un systegraveme drsquoamplification appeleacute galvanomegravetre agrave corde jusque lagrave utiliseacute pour les communications teacuteleacutegraphiques sous-marines
1903 Einthoven parvient agrave recueillir ces courants drsquoune maniegravere satisfaisante en utilisant un montage eacutelectrique rappelant le pont de Wheatstone
o II112 Introduction physiologique
Lrsquoeacutelectrocardiographie explore lrsquoactiviteacute eacutelectrique du cœur par enregistrement des eacutelectrocardiogrammes traceacutes bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel eacutelectrique induites dans les diffeacuterents points du corps par le cœur en activiteacute Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont doteacutees de proprieacuteteacutes speacuteciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir meacutecanique de contraction et lrsquoactiviteacute eacutelectrique rythmique elle-mecircme lieacutee agrave des deacuteplacements ioniques agrave travers la membrane des cellules
La deacutepolarisation tregraves brusque se maintient environ durant 03 secondes puis est suivie aussitocirct de la repolarisation qui reacutetablira les charges eacutelectriques initiales Elle se propage rapidement de proche en proche aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centiegravemes de seconde environ Cependant comme la repolarisation est beaucoup plus lente la dureacutee totale de lrsquoactivation de la masse cardiaque est de lrsquoordre de 40 centiegravemes de seconde Lrsquoeacutetat de repos eacutelectrique dure environ 60 centiegravemes de seconde Ainsi le rythme de lrsquoactiviteacute du cœur est de 60 agrave 80 activations par minute au repos [2]
Lrsquoeacutelectrocardiographie consiste agrave recueillir au niveau de la peau ces courants drsquoactiviteacutes de la fibre musculaire cardiaque agrave les amplifier puis les enregistrer
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
61
BIBLIOGRAPHIE
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3
4
Table des matiegraveres
Introduction
CHAPITRE -I- Geacuteneacuteraliteacutes sur le systegraveme cardiovasculairehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
I La fonction du cœur helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I1Rappels anatomiques et fonctionnels helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I2 Lrsquoeacutelectrogeacutenegravese cardiaque helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
I21Potentiels drsquoaction helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I22Propagation de lrsquoexcitation helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I23La commande rythmique du cœur helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
I 231 Le systegraveme nerveux autonome helliphelliphelliphellip I 2311 Le systegraveme nerveux parasympathique helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I 2312Le systegraveme sympathique helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
CHAPITRE -II- Meacutethodes de recueil du signal Electrocardiogramme ECGhelliphelliphelliphelliphelliphellip
II 1 Preacutesentation II11Electrocardiogramme II111Historique II112Introduction physiologique II113Utilisation Meacutedicale
II 2 Electrocardiographie II21Principe de fonctionnement II22Appareillage II23Electrocardiogramme ambulatoire de Holter II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur II25Electrodes II26Deacuterivations II27Traceacute des reacutesultats sur papier II 3 Electronique associeacutee II31Amplification II32Traitement du signal II321Deacutetection des ondes QRS
II322Numeacuterique II 4 Evolution II 5 Stockage des donneacutees II 6 Conclusion
CHAPITRE -III-
Programmation de la carte drsquoacquisition temps-reacuteel DSPACE DS1103
III Introduction III1Les diffeacuterentes meacutethodes de programmation temps-reacuteel de la carte DS1103 III11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C III12Compilateurs C de DSPACE
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III121Compilateur Microtec PPC pour processeur Motorola PowerPC III122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur slave DSP (Digital
Slave Processor) III13Programme C drsquoacquisition du signal ECG III14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB III141Avantagesde SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en
langage C III142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103 III143Acquisition et filtrage temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) III144Exeacutecution du modegravele ECGREADMDL III15Conclusion
Quelques extensions possibles pour le projet de fin drsquoeacutetudes
IVANNEXES
ANNEXE ndashA-
-Caracteacuteristiques techniques de DSPACE DS1103 et Datasheets
ANNEXE ndashB-
-Les diffeacuterents ports de communication et EntreacuteesSorties
Lexique AnglaisFranccedilais Lexique FranccedilaisAnglais
BIBLIOGRAPHIE
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Introduction
Nous preacutesentons dans ce meacutemoire les travaux reacutealiseacutes au cours de cette derniegravere anneacutee pour lrsquoobtention du diplocircme drsquoingeacutenieur drsquoeacutetat en Electronique Biomeacutedicale Cette courte introduction expose la deacutemarche geacuteneacuterale que nous avons suivie qui sous-tend lrsquoorganisation de ce document Le point de deacutepart de ces travaux est un problegraveme pratique reacutecurrent dans les domaines drsquoactiviteacute pour lesquels le traitement de lrsquoinformation occupe une large place Paradoxalement tandis que ces domaines connaissent des avanceacutees techniques importantes la complexiteacute des moyens que celles-ci mettent en œuvre freine leur diffusion aupregraves drsquoun public non expeacuterimenteacute Le domaine de lrsquoacquisition de signaux physiologiques est crucialement repreacutesentatif de cette difficulteacute Tout drsquoabord la grande quantiteacute et la varieacuteteacute des signaux physiologiques neacutecessitent drsquoecirctre geacutereacutees de maniegravere efficace Ensuite lrsquoinformation que ces signaux contiennent tregraves riche doit ecirctre traiteacutee et analyseacutee et syntheacutetiseacutee en des termes accessibles et exploitables par des meacutedecins en routine Enfin les techniques drsquoacquisition et de visualisation des signaux srsquoameacuteliorant le potentiel drsquoobtention drsquoeacuteleacutements diagnostiques croit et doit donc ecirctre exploitable au mieux par les meacutedecins chercheurs De fait une large communauteacute de scientifiques propose drsquoappreacutehender cette quantiteacute cette richesse et ce potentiel en deacuteveloppant des meacutethodes informatiques de traitement de signaux physiologiques performantes et speacutecifiques Ces meacutethodes sont fondeacutees plus ou moins implicitement sur des connaissances aussi bien meacutethodologiques (eg matheacutematiques statistiques informatiques) que meacutedicales (eg anatomiques physiologiques physiques)Qui plus est ces connaissances interviennent souvent dans lrsquoutilisation judicieuse des meacutethodes pour reacutesoudre des objectifs particuliers de traitement de signaux physiologiques
Bien que les meacutedecins concerneacutes soient demandeurs de ces nouvelles techniques drsquoanalyselrsquoinvestissement qui leur est demandeacute pour savoir les manipuler est telqursquoils se contentent bien souvent de meacutethodes triviales faciles a appreacutehender et dont ils maicirctrisent les reacutesultats
Notre travail srsquoest baseacute sur lrsquoinstallation et la mise en oeuvre de la carte drsquoacquisition temps-reacuteel multiprocesseurs de marque laquo DSPACE DS1103 raquo deacuteveloppeacutee speacutecialement pour le prototypage drsquoapplications en ingeacutenierie automobile et nouvellement acquise par le laboratoire drsquoautomatique de notre universiteacute Elle permet a la fois lrsquoacquisition ou la restitution de signaux analogiques ou digitaux et le controcircle ou la commande des robots Vu les hautes performances et la rapiditeacute qursquooffre cette carte nous nous sommes attacheacutes agrave
7
lrsquoappliquer agrave notre domaine drsquointeacuterecirct agrave savoir lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques tel que lrsquoElectrocardiogramme De mecircme nous utiliserons le logiciel SIMULINK de MATLAB et les diffeacuterents compilateurs C approprieacutes pouvoir associer quelques notions de filtrage numeacuterique
Dans le premier chapitre nous preacutesentons les principales fonctions du cœur ainsi qursquoune introduction a lrsquoeacutelectrocardiographie Dans le deuxiegraveme sont deacutetailleacutees les diffeacuterentes meacutethodes permettant de relever le signal Electrocardiogramme (ECG) dans une chaicircne drsquoacquisition par ordinateur et lrsquoimportance de lrsquoamplification et du filtrage des signaux physiologiques
Le chapitre 3 sont preacutesenteacutees les caracteacuteristiques techniques de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et ses diffeacuterents ports drsquoentreacutee et de sortie Les chapitres 4 et 5 traitent la partie principale de notre travail qui
sont
la programmation de la carte drsquoacquisition et sa mise en œuvre pour acqueacuterir les signaux physiologiques
La reacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification du signal ECG
8
9
I La fonction du cœur [extrait du livre de cardiologie eacuteditions Larousse]
Preacuteambule Ce chapitre preacutesente des notions fondamentales sur lrsquoeacutelectrogeacutenegravese cardiaque Il deacutecrit succinctement les caracteacuteristiques du tissu cardiaque auxquelles nous nous reacutefeacutererons dans ce meacutemoire ainsi que les processus de propagation de linflux cardiaque puis les principes fondamentaux de leacutelectrocardiographie et les diffeacuterents types denregistrement Lrsquoaccent sera mis sur leacutelectrocardiogramme agrave haute reacutesolution
I 1 Rappels anatomiques et fonctionnels
Le coeur est situeacute au milieu du meacutediastin ougrave il est partiellement recouvert par les poumons et anteacuterieurement par le sternum et les cartilages des troisiegravemes quatriegravemes et cinquiegravemes cocirctes Les deux tiers du coeur sont situeacutes agrave gauche de la ligne passant par le milieu du corps Il repose sur le diaphragme et est inclineacute en avant et agrave gauche de telle sorte que lapex soit anteacuterieur par rapport au reste du coeur Le coeur est constitueacute de quatre caviteacutes contractiles les oreillettes reccediloivent le sang veineux et les ventricules droit et gauche le propulsent respectivement dans la circulation pulmonaire et dans la circulation systeacutemique (cf figure 1-1) Chaque battement cardiaque est un processus meacutecanique engendreacute par des pheacutenomegravenes bioeacutelectriques notamment ioniques
I 2 Leacutelectrogeacutenegravese cardiaque
Excitabiliteacute et contractiliteacute sont les proprieacuteteacutes essentielles des tissus cardiaques Elles varient selon la localisation de ces tissus dans le myocarde Pendant la peacuteriode drsquoactiviteacute (systole) et de repos (diastole) les cellules cardiaques sont le siegravege drsquoune suite complexe deacuteveacutenements eacutelectriques membranaires et intracellulaires qui entraicircnent le glissement des filaments drsquoactine et de myosine agrave lrsquoorigine du raccourcissement de la cellule donc de la contraction
I21 Potentiel drsquoaction
Ce sont les ions chlorure (Cl-) sodium (Na+) calcium (Ca++) et potassium (K+) qui sont impliqueacutes dans les eacutechanges membranaires Leurs osmolariteacutes intracellulaires et extra cellulaire preacutesentent des valeurs de potentiel eacutelectrochimique tregraves diffeacuterentes speacutecifiques de chaque ion Les gradients des concentrations ioniques sont reacutegis par des meacutecanismes drsquoeacutechange agrave travers des canaux speacutecifiques de la membrane cellulaire Les variations des potentiels observeacutees au cours du cycle cardiaque correspondent agrave des modifications de la permeacuteabiliteacute membranaire pendant les diffeacuterentes phases de ce cycle Pendant la phase de repos (diastole cellulaire) la polarisation membranaire agrave lrsquointeacuterieur de la cellule est neacutegative par rapport agrave lrsquoexteacuterieur crsquoest le potentiel de repos dont la valeur est comprise entre -80 et -90 mV (cf Tableau 1-1)
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Figure 1-1 repreacutesentation du coeur et de lrsquoorigine des gros vaisseaux On distingue eacutegalement les voies de conduction normales de linflux cardiaque [extrait de Tortora et al 1988]
Pendant la phase de systole le potentiel de membrane tend agrave srsquoinverser par suite des variations de permeacuteabiliteacute aux ions Na+ Ca++ et du flux sortant de K+ Lrsquointeacuterieur de la membrane peut alors atteindre des potentiels de +20 agrave +30 mV par rapport agrave lrsquoexteacuterieur de la cellule Cette variation de potentiel de membrane caracteacuteristique de la phase drsquoactiviteacute dune cellule constitue le potentiel drsquoaction (cf Figure 1-2)
Tableau 1-1 concentrations intra et extra-cellulaires des principaux ions impliqueacutes dans les pheacutenomegravenes eacutelectrophysiologiques cardiaques et valeurs des potentiels eacutelectrochimiques deacutequilibre
correspondant [extrait de Noble The initiation of the heartbeat Londres 1973 p 12-13]
11
Figure 1-2 repreacutesentation scheacutematique de diffeacuterentes courbes du potentiel drsquoaction [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 132]
La forme du potentiel daction varie selon le tissu consideacutereacute Son amplitude crecircte-agrave-crecircte est de 100 agrave 120 mV La phase de deacutepolarisation est la plupart du temps rapide ou tregraves rapide La vitesse est agrave peu pregraves proportionnelle agrave la vitesse de conduction des tissus La phase rapide de deacutepolarisation est suivie dun plateau plus ou moins long et plus ou moins ample selon le tissu Le tissu nodal (cest-agrave-dire des noeuds sinusal et auriculo-ventriculaire) preacutesente contrairement aux autres une phase de deacutepolarisation lente Durant la phase de deacutepolarisation et une partie de la phase de repolarisation appeleacutee peacuteriode reacutefractaire les cellules sont inexcitables Ces caracteacuteristiques des cellules cardiaques contribuent agrave une bonne synchronisation des meacutecanismes de contraction de lensemble du muscle cardiaque
I22 Propagation de lrsquoexcitation
La transmission de lrsquoexcitation dans les fibres cardiaques srsquoeffectue de proche en proche Elle reacutesulte drsquoun flux de courant entre les cellules qui viennent drsquoecirctre activeacutees et les cellules adjacentes au repos Lrsquoexcitation qui est agrave lrsquoorigine du battement cardiaque prend naissance dans le nœud sinusal (ou noeud de Keith et Flack) Elle se propage de cellule agrave cellule dans toute la masse du muscle auriculaire pour produire la contraction des oreillettes Lexcitation atteint alors le nœud auriculo-ventriculaire (ou noeud dAschoff-Tawara cf figure 13)
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Figure 1-3 principales caracteacuteristiques du systegraveme de conduction dans un cœur humain SAN noeud sinusal (Keith et Flack) B branche anteacuterieure W branche meacutediane T branche posteacuterieure
AVN noeud auriculo-ventriculaire H faisceau de His LBB branche gauche RBB branche droite PF fibres de Purkinje [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 111]
Ce noeud a un rocircle de reacutegulateur Il impose agrave lrsquoonde de propagation un certain retard avant de la transmettre au faisceau de His Celui-ci transmet lrsquoexcitation aux ventricules plus preacuteciseacutement au Faisceau de His et aux fibres de Purkinje qui cheminent sur toute la surface interne des ventricules Le noeud auriculo-ventriculaire et le faisceau de His constituent le seul lien fonctionnel normal entre les eacutetages auriculaire et ventriculaire Gracircce au retard imposeacute par le noeud auriculo-ventriculaire les ventricules ne sont deacutepolariseacutes qursquoapregraves la fin de la contraction des oreillettes donc au moment ougrave les ventricules sont remplis La conduction dans le reacuteseau de Purkinje est tregraves rapide ce qui permet drsquoobtenir une contraction agrave peu pregraves simultaneacutee de lensemble des myocardes ventriculaires droit et gauche drsquoougrave une expulsion optimale du volume sanguin ventriculaire vers les artegraveres La repolarisation se produit ensuite de faccedilon plus lente
I 23 La commande rythmique du coeur Le coeur est un muscle caracteacuteriseacute par une activiteacute automatique spontaneacutee et reacuteguliegravere Le Coeur isoleacute bat agrave une freacutequence qursquoon appelle la freacutequence cardiaque idiopathique Elle est en moyenne de 70 battements par minute chez ladulte Cette freacutequence diminue avec lrsquoacircge et lrsquoentraicircnement physique Sur le coeur normal le noeud sinusal est soumis agrave une reacutegulation extra cardiaque qui a pour effet de reacuteduire la freacutequence cardiaque au repos et de lrsquoaugmenter au cours de lrsquoeffort physique Cette reacutegulation est assureacutee en grande partie par le systegraveme nerveux autonome
I 231 Le systegraveme nerveux autonome Le systegraveme nerveux autonome joue un rocircle cleacute dans la reacutegulation de lactiviteacute cardiaque de la freacutequence de la force des battements cardiaques de la pression arteacuterielle (dilatation ou vasoconstriction des vaisseaux sanguins) Il comprend deux systegravemes drsquoeffet inverses
I2311 Le systegraveme parasympathique Cest leacuteleacutement dominant de la reacutegulation de la freacutequence cardiaque chez lhomme Il permet le ralentissement de la freacutequence cardiaque
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I2312 Le systegraveme sympathique
Il est surtout relieacute aux processus qui impliquent une deacutepense deacutenergie Lorsque lorganisme est en homeacuteostasie la fonction principale du systegraveme sympathique est de combattre les effets du systegraveme parasympathique A linverse de la situation au repos lors dune tension extrecircme par exemple le systegraveme sympathique domine le systegraveme parasympathique surtout dans des situations de stress
I232 Le baroreacuteflexe
Larc baroreacuteflexe est un meacutecanisme de reacutetro-controcircle de la pression arteacuterielle par lequel toute modification de la pression arteacuterielle entraicircne une variation opposeacutee de la freacutequence cardiaque (baroreacuteflexe cardiaque) et des reacutesistances peacuteripheacuteriques (baroreacuteflexe vasomoteur) Ce reacutetro-controcircle a pour objectif de reacuteguler de faccedilon rapide leacutetat tensionnel du systegraveme circulatoire Il reacuteduit la labiliteacute tensionnelle et maintient en toutes circonstances le niveau de pression autour dune valeur moyenne
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II 1 PRESENTATION
[Extrait pris du livre de Lepeschkin E Electrocardiographie Moderne Baltimore Williams et Wilkins 195]
II11 Electrocardiogramme o II111 Historique
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qursquoun courant eacutelectrique accompagne chaque battement cardiaque [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier eacutelectrocardiogramme drsquoun humain
1897 Cleacutement Ader ingeacutenieur eacutelectrique adapte un systegraveme drsquoamplification appeleacute galvanomegravetre agrave corde jusque lagrave utiliseacute pour les communications teacuteleacutegraphiques sous-marines
1903 Einthoven parvient agrave recueillir ces courants drsquoune maniegravere satisfaisante en utilisant un montage eacutelectrique rappelant le pont de Wheatstone
o II112 Introduction physiologique
Lrsquoeacutelectrocardiographie explore lrsquoactiviteacute eacutelectrique du cœur par enregistrement des eacutelectrocardiogrammes traceacutes bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel eacutelectrique induites dans les diffeacuterents points du corps par le cœur en activiteacute Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont doteacutees de proprieacuteteacutes speacuteciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir meacutecanique de contraction et lrsquoactiviteacute eacutelectrique rythmique elle-mecircme lieacutee agrave des deacuteplacements ioniques agrave travers la membrane des cellules
La deacutepolarisation tregraves brusque se maintient environ durant 03 secondes puis est suivie aussitocirct de la repolarisation qui reacutetablira les charges eacutelectriques initiales Elle se propage rapidement de proche en proche aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centiegravemes de seconde environ Cependant comme la repolarisation est beaucoup plus lente la dureacutee totale de lrsquoactivation de la masse cardiaque est de lrsquoordre de 40 centiegravemes de seconde Lrsquoeacutetat de repos eacutelectrique dure environ 60 centiegravemes de seconde Ainsi le rythme de lrsquoactiviteacute du cœur est de 60 agrave 80 activations par minute au repos [2]
Lrsquoeacutelectrocardiographie consiste agrave recueillir au niveau de la peau ces courants drsquoactiviteacutes de la fibre musculaire cardiaque agrave les amplifier puis les enregistrer
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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Table des matiegraveres
Introduction
CHAPITRE -I- Geacuteneacuteraliteacutes sur le systegraveme cardiovasculairehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
I La fonction du cœur helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I1Rappels anatomiques et fonctionnels helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I2 Lrsquoeacutelectrogeacutenegravese cardiaque helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
I21Potentiels drsquoaction helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I22Propagation de lrsquoexcitation helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I23La commande rythmique du cœur helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
I 231 Le systegraveme nerveux autonome helliphelliphelliphellip I 2311 Le systegraveme nerveux parasympathique helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I 2312Le systegraveme sympathique helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
CHAPITRE -II- Meacutethodes de recueil du signal Electrocardiogramme ECGhelliphelliphelliphelliphelliphellip
II 1 Preacutesentation II11Electrocardiogramme II111Historique II112Introduction physiologique II113Utilisation Meacutedicale
II 2 Electrocardiographie II21Principe de fonctionnement II22Appareillage II23Electrocardiogramme ambulatoire de Holter II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur II25Electrodes II26Deacuterivations II27Traceacute des reacutesultats sur papier II 3 Electronique associeacutee II31Amplification II32Traitement du signal II321Deacutetection des ondes QRS
II322Numeacuterique II 4 Evolution II 5 Stockage des donneacutees II 6 Conclusion
CHAPITRE -III-
Programmation de la carte drsquoacquisition temps-reacuteel DSPACE DS1103
III Introduction III1Les diffeacuterentes meacutethodes de programmation temps-reacuteel de la carte DS1103 III11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C III12Compilateurs C de DSPACE
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III121Compilateur Microtec PPC pour processeur Motorola PowerPC III122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur slave DSP (Digital
Slave Processor) III13Programme C drsquoacquisition du signal ECG III14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB III141Avantagesde SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en
langage C III142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103 III143Acquisition et filtrage temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) III144Exeacutecution du modegravele ECGREADMDL III15Conclusion
Quelques extensions possibles pour le projet de fin drsquoeacutetudes
IVANNEXES
ANNEXE ndashA-
-Caracteacuteristiques techniques de DSPACE DS1103 et Datasheets
ANNEXE ndashB-
-Les diffeacuterents ports de communication et EntreacuteesSorties
Lexique AnglaisFranccedilais Lexique FranccedilaisAnglais
BIBLIOGRAPHIE
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Introduction
Nous preacutesentons dans ce meacutemoire les travaux reacutealiseacutes au cours de cette derniegravere anneacutee pour lrsquoobtention du diplocircme drsquoingeacutenieur drsquoeacutetat en Electronique Biomeacutedicale Cette courte introduction expose la deacutemarche geacuteneacuterale que nous avons suivie qui sous-tend lrsquoorganisation de ce document Le point de deacutepart de ces travaux est un problegraveme pratique reacutecurrent dans les domaines drsquoactiviteacute pour lesquels le traitement de lrsquoinformation occupe une large place Paradoxalement tandis que ces domaines connaissent des avanceacutees techniques importantes la complexiteacute des moyens que celles-ci mettent en œuvre freine leur diffusion aupregraves drsquoun public non expeacuterimenteacute Le domaine de lrsquoacquisition de signaux physiologiques est crucialement repreacutesentatif de cette difficulteacute Tout drsquoabord la grande quantiteacute et la varieacuteteacute des signaux physiologiques neacutecessitent drsquoecirctre geacutereacutees de maniegravere efficace Ensuite lrsquoinformation que ces signaux contiennent tregraves riche doit ecirctre traiteacutee et analyseacutee et syntheacutetiseacutee en des termes accessibles et exploitables par des meacutedecins en routine Enfin les techniques drsquoacquisition et de visualisation des signaux srsquoameacuteliorant le potentiel drsquoobtention drsquoeacuteleacutements diagnostiques croit et doit donc ecirctre exploitable au mieux par les meacutedecins chercheurs De fait une large communauteacute de scientifiques propose drsquoappreacutehender cette quantiteacute cette richesse et ce potentiel en deacuteveloppant des meacutethodes informatiques de traitement de signaux physiologiques performantes et speacutecifiques Ces meacutethodes sont fondeacutees plus ou moins implicitement sur des connaissances aussi bien meacutethodologiques (eg matheacutematiques statistiques informatiques) que meacutedicales (eg anatomiques physiologiques physiques)Qui plus est ces connaissances interviennent souvent dans lrsquoutilisation judicieuse des meacutethodes pour reacutesoudre des objectifs particuliers de traitement de signaux physiologiques
Bien que les meacutedecins concerneacutes soient demandeurs de ces nouvelles techniques drsquoanalyselrsquoinvestissement qui leur est demandeacute pour savoir les manipuler est telqursquoils se contentent bien souvent de meacutethodes triviales faciles a appreacutehender et dont ils maicirctrisent les reacutesultats
Notre travail srsquoest baseacute sur lrsquoinstallation et la mise en oeuvre de la carte drsquoacquisition temps-reacuteel multiprocesseurs de marque laquo DSPACE DS1103 raquo deacuteveloppeacutee speacutecialement pour le prototypage drsquoapplications en ingeacutenierie automobile et nouvellement acquise par le laboratoire drsquoautomatique de notre universiteacute Elle permet a la fois lrsquoacquisition ou la restitution de signaux analogiques ou digitaux et le controcircle ou la commande des robots Vu les hautes performances et la rapiditeacute qursquooffre cette carte nous nous sommes attacheacutes agrave
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lrsquoappliquer agrave notre domaine drsquointeacuterecirct agrave savoir lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques tel que lrsquoElectrocardiogramme De mecircme nous utiliserons le logiciel SIMULINK de MATLAB et les diffeacuterents compilateurs C approprieacutes pouvoir associer quelques notions de filtrage numeacuterique
Dans le premier chapitre nous preacutesentons les principales fonctions du cœur ainsi qursquoune introduction a lrsquoeacutelectrocardiographie Dans le deuxiegraveme sont deacutetailleacutees les diffeacuterentes meacutethodes permettant de relever le signal Electrocardiogramme (ECG) dans une chaicircne drsquoacquisition par ordinateur et lrsquoimportance de lrsquoamplification et du filtrage des signaux physiologiques
Le chapitre 3 sont preacutesenteacutees les caracteacuteristiques techniques de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et ses diffeacuterents ports drsquoentreacutee et de sortie Les chapitres 4 et 5 traitent la partie principale de notre travail qui
sont
la programmation de la carte drsquoacquisition et sa mise en œuvre pour acqueacuterir les signaux physiologiques
La reacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification du signal ECG
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I La fonction du cœur [extrait du livre de cardiologie eacuteditions Larousse]
Preacuteambule Ce chapitre preacutesente des notions fondamentales sur lrsquoeacutelectrogeacutenegravese cardiaque Il deacutecrit succinctement les caracteacuteristiques du tissu cardiaque auxquelles nous nous reacutefeacutererons dans ce meacutemoire ainsi que les processus de propagation de linflux cardiaque puis les principes fondamentaux de leacutelectrocardiographie et les diffeacuterents types denregistrement Lrsquoaccent sera mis sur leacutelectrocardiogramme agrave haute reacutesolution
I 1 Rappels anatomiques et fonctionnels
Le coeur est situeacute au milieu du meacutediastin ougrave il est partiellement recouvert par les poumons et anteacuterieurement par le sternum et les cartilages des troisiegravemes quatriegravemes et cinquiegravemes cocirctes Les deux tiers du coeur sont situeacutes agrave gauche de la ligne passant par le milieu du corps Il repose sur le diaphragme et est inclineacute en avant et agrave gauche de telle sorte que lapex soit anteacuterieur par rapport au reste du coeur Le coeur est constitueacute de quatre caviteacutes contractiles les oreillettes reccediloivent le sang veineux et les ventricules droit et gauche le propulsent respectivement dans la circulation pulmonaire et dans la circulation systeacutemique (cf figure 1-1) Chaque battement cardiaque est un processus meacutecanique engendreacute par des pheacutenomegravenes bioeacutelectriques notamment ioniques
I 2 Leacutelectrogeacutenegravese cardiaque
Excitabiliteacute et contractiliteacute sont les proprieacuteteacutes essentielles des tissus cardiaques Elles varient selon la localisation de ces tissus dans le myocarde Pendant la peacuteriode drsquoactiviteacute (systole) et de repos (diastole) les cellules cardiaques sont le siegravege drsquoune suite complexe deacuteveacutenements eacutelectriques membranaires et intracellulaires qui entraicircnent le glissement des filaments drsquoactine et de myosine agrave lrsquoorigine du raccourcissement de la cellule donc de la contraction
I21 Potentiel drsquoaction
Ce sont les ions chlorure (Cl-) sodium (Na+) calcium (Ca++) et potassium (K+) qui sont impliqueacutes dans les eacutechanges membranaires Leurs osmolariteacutes intracellulaires et extra cellulaire preacutesentent des valeurs de potentiel eacutelectrochimique tregraves diffeacuterentes speacutecifiques de chaque ion Les gradients des concentrations ioniques sont reacutegis par des meacutecanismes drsquoeacutechange agrave travers des canaux speacutecifiques de la membrane cellulaire Les variations des potentiels observeacutees au cours du cycle cardiaque correspondent agrave des modifications de la permeacuteabiliteacute membranaire pendant les diffeacuterentes phases de ce cycle Pendant la phase de repos (diastole cellulaire) la polarisation membranaire agrave lrsquointeacuterieur de la cellule est neacutegative par rapport agrave lrsquoexteacuterieur crsquoest le potentiel de repos dont la valeur est comprise entre -80 et -90 mV (cf Tableau 1-1)
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Figure 1-1 repreacutesentation du coeur et de lrsquoorigine des gros vaisseaux On distingue eacutegalement les voies de conduction normales de linflux cardiaque [extrait de Tortora et al 1988]
Pendant la phase de systole le potentiel de membrane tend agrave srsquoinverser par suite des variations de permeacuteabiliteacute aux ions Na+ Ca++ et du flux sortant de K+ Lrsquointeacuterieur de la membrane peut alors atteindre des potentiels de +20 agrave +30 mV par rapport agrave lrsquoexteacuterieur de la cellule Cette variation de potentiel de membrane caracteacuteristique de la phase drsquoactiviteacute dune cellule constitue le potentiel drsquoaction (cf Figure 1-2)
Tableau 1-1 concentrations intra et extra-cellulaires des principaux ions impliqueacutes dans les pheacutenomegravenes eacutelectrophysiologiques cardiaques et valeurs des potentiels eacutelectrochimiques deacutequilibre
correspondant [extrait de Noble The initiation of the heartbeat Londres 1973 p 12-13]
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Figure 1-2 repreacutesentation scheacutematique de diffeacuterentes courbes du potentiel drsquoaction [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 132]
La forme du potentiel daction varie selon le tissu consideacutereacute Son amplitude crecircte-agrave-crecircte est de 100 agrave 120 mV La phase de deacutepolarisation est la plupart du temps rapide ou tregraves rapide La vitesse est agrave peu pregraves proportionnelle agrave la vitesse de conduction des tissus La phase rapide de deacutepolarisation est suivie dun plateau plus ou moins long et plus ou moins ample selon le tissu Le tissu nodal (cest-agrave-dire des noeuds sinusal et auriculo-ventriculaire) preacutesente contrairement aux autres une phase de deacutepolarisation lente Durant la phase de deacutepolarisation et une partie de la phase de repolarisation appeleacutee peacuteriode reacutefractaire les cellules sont inexcitables Ces caracteacuteristiques des cellules cardiaques contribuent agrave une bonne synchronisation des meacutecanismes de contraction de lensemble du muscle cardiaque
I22 Propagation de lrsquoexcitation
La transmission de lrsquoexcitation dans les fibres cardiaques srsquoeffectue de proche en proche Elle reacutesulte drsquoun flux de courant entre les cellules qui viennent drsquoecirctre activeacutees et les cellules adjacentes au repos Lrsquoexcitation qui est agrave lrsquoorigine du battement cardiaque prend naissance dans le nœud sinusal (ou noeud de Keith et Flack) Elle se propage de cellule agrave cellule dans toute la masse du muscle auriculaire pour produire la contraction des oreillettes Lexcitation atteint alors le nœud auriculo-ventriculaire (ou noeud dAschoff-Tawara cf figure 13)
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Figure 1-3 principales caracteacuteristiques du systegraveme de conduction dans un cœur humain SAN noeud sinusal (Keith et Flack) B branche anteacuterieure W branche meacutediane T branche posteacuterieure
AVN noeud auriculo-ventriculaire H faisceau de His LBB branche gauche RBB branche droite PF fibres de Purkinje [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 111]
Ce noeud a un rocircle de reacutegulateur Il impose agrave lrsquoonde de propagation un certain retard avant de la transmettre au faisceau de His Celui-ci transmet lrsquoexcitation aux ventricules plus preacuteciseacutement au Faisceau de His et aux fibres de Purkinje qui cheminent sur toute la surface interne des ventricules Le noeud auriculo-ventriculaire et le faisceau de His constituent le seul lien fonctionnel normal entre les eacutetages auriculaire et ventriculaire Gracircce au retard imposeacute par le noeud auriculo-ventriculaire les ventricules ne sont deacutepolariseacutes qursquoapregraves la fin de la contraction des oreillettes donc au moment ougrave les ventricules sont remplis La conduction dans le reacuteseau de Purkinje est tregraves rapide ce qui permet drsquoobtenir une contraction agrave peu pregraves simultaneacutee de lensemble des myocardes ventriculaires droit et gauche drsquoougrave une expulsion optimale du volume sanguin ventriculaire vers les artegraveres La repolarisation se produit ensuite de faccedilon plus lente
I 23 La commande rythmique du coeur Le coeur est un muscle caracteacuteriseacute par une activiteacute automatique spontaneacutee et reacuteguliegravere Le Coeur isoleacute bat agrave une freacutequence qursquoon appelle la freacutequence cardiaque idiopathique Elle est en moyenne de 70 battements par minute chez ladulte Cette freacutequence diminue avec lrsquoacircge et lrsquoentraicircnement physique Sur le coeur normal le noeud sinusal est soumis agrave une reacutegulation extra cardiaque qui a pour effet de reacuteduire la freacutequence cardiaque au repos et de lrsquoaugmenter au cours de lrsquoeffort physique Cette reacutegulation est assureacutee en grande partie par le systegraveme nerveux autonome
I 231 Le systegraveme nerveux autonome Le systegraveme nerveux autonome joue un rocircle cleacute dans la reacutegulation de lactiviteacute cardiaque de la freacutequence de la force des battements cardiaques de la pression arteacuterielle (dilatation ou vasoconstriction des vaisseaux sanguins) Il comprend deux systegravemes drsquoeffet inverses
I2311 Le systegraveme parasympathique Cest leacuteleacutement dominant de la reacutegulation de la freacutequence cardiaque chez lhomme Il permet le ralentissement de la freacutequence cardiaque
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I2312 Le systegraveme sympathique
Il est surtout relieacute aux processus qui impliquent une deacutepense deacutenergie Lorsque lorganisme est en homeacuteostasie la fonction principale du systegraveme sympathique est de combattre les effets du systegraveme parasympathique A linverse de la situation au repos lors dune tension extrecircme par exemple le systegraveme sympathique domine le systegraveme parasympathique surtout dans des situations de stress
I232 Le baroreacuteflexe
Larc baroreacuteflexe est un meacutecanisme de reacutetro-controcircle de la pression arteacuterielle par lequel toute modification de la pression arteacuterielle entraicircne une variation opposeacutee de la freacutequence cardiaque (baroreacuteflexe cardiaque) et des reacutesistances peacuteripheacuteriques (baroreacuteflexe vasomoteur) Ce reacutetro-controcircle a pour objectif de reacuteguler de faccedilon rapide leacutetat tensionnel du systegraveme circulatoire Il reacuteduit la labiliteacute tensionnelle et maintient en toutes circonstances le niveau de pression autour dune valeur moyenne
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II 1 PRESENTATION
[Extrait pris du livre de Lepeschkin E Electrocardiographie Moderne Baltimore Williams et Wilkins 195]
II11 Electrocardiogramme o II111 Historique
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qursquoun courant eacutelectrique accompagne chaque battement cardiaque [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier eacutelectrocardiogramme drsquoun humain
1897 Cleacutement Ader ingeacutenieur eacutelectrique adapte un systegraveme drsquoamplification appeleacute galvanomegravetre agrave corde jusque lagrave utiliseacute pour les communications teacuteleacutegraphiques sous-marines
1903 Einthoven parvient agrave recueillir ces courants drsquoune maniegravere satisfaisante en utilisant un montage eacutelectrique rappelant le pont de Wheatstone
o II112 Introduction physiologique
Lrsquoeacutelectrocardiographie explore lrsquoactiviteacute eacutelectrique du cœur par enregistrement des eacutelectrocardiogrammes traceacutes bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel eacutelectrique induites dans les diffeacuterents points du corps par le cœur en activiteacute Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont doteacutees de proprieacuteteacutes speacuteciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir meacutecanique de contraction et lrsquoactiviteacute eacutelectrique rythmique elle-mecircme lieacutee agrave des deacuteplacements ioniques agrave travers la membrane des cellules
La deacutepolarisation tregraves brusque se maintient environ durant 03 secondes puis est suivie aussitocirct de la repolarisation qui reacutetablira les charges eacutelectriques initiales Elle se propage rapidement de proche en proche aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centiegravemes de seconde environ Cependant comme la repolarisation est beaucoup plus lente la dureacutee totale de lrsquoactivation de la masse cardiaque est de lrsquoordre de 40 centiegravemes de seconde Lrsquoeacutetat de repos eacutelectrique dure environ 60 centiegravemes de seconde Ainsi le rythme de lrsquoactiviteacute du cœur est de 60 agrave 80 activations par minute au repos [2]
Lrsquoeacutelectrocardiographie consiste agrave recueillir au niveau de la peau ces courants drsquoactiviteacutes de la fibre musculaire cardiaque agrave les amplifier puis les enregistrer
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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BIBLIOGRAPHIE
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[3] httpwwwseassmuedu~cd
[4] httpwwwdspacede
[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
4
Table des matiegraveres
Introduction
CHAPITRE -I- Geacuteneacuteraliteacutes sur le systegraveme cardiovasculairehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
I La fonction du cœur helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I1Rappels anatomiques et fonctionnels helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I2 Lrsquoeacutelectrogeacutenegravese cardiaque helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
I21Potentiels drsquoaction helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I22Propagation de lrsquoexcitation helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I23La commande rythmique du cœur helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
I 231 Le systegraveme nerveux autonome helliphelliphelliphellip I 2311 Le systegraveme nerveux parasympathique helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip I 2312Le systegraveme sympathique helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
CHAPITRE -II- Meacutethodes de recueil du signal Electrocardiogramme ECGhelliphelliphelliphelliphelliphellip
II 1 Preacutesentation II11Electrocardiogramme II111Historique II112Introduction physiologique II113Utilisation Meacutedicale
II 2 Electrocardiographie II21Principe de fonctionnement II22Appareillage II23Electrocardiogramme ambulatoire de Holter II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur II25Electrodes II26Deacuterivations II27Traceacute des reacutesultats sur papier II 3 Electronique associeacutee II31Amplification II32Traitement du signal II321Deacutetection des ondes QRS
II322Numeacuterique II 4 Evolution II 5 Stockage des donneacutees II 6 Conclusion
CHAPITRE -III-
Programmation de la carte drsquoacquisition temps-reacuteel DSPACE DS1103
III Introduction III1Les diffeacuterentes meacutethodes de programmation temps-reacuteel de la carte DS1103 III11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C III12Compilateurs C de DSPACE
5
III121Compilateur Microtec PPC pour processeur Motorola PowerPC III122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur slave DSP (Digital
Slave Processor) III13Programme C drsquoacquisition du signal ECG III14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB III141Avantagesde SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en
langage C III142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103 III143Acquisition et filtrage temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) III144Exeacutecution du modegravele ECGREADMDL III15Conclusion
Quelques extensions possibles pour le projet de fin drsquoeacutetudes
IVANNEXES
ANNEXE ndashA-
-Caracteacuteristiques techniques de DSPACE DS1103 et Datasheets
ANNEXE ndashB-
-Les diffeacuterents ports de communication et EntreacuteesSorties
Lexique AnglaisFranccedilais Lexique FranccedilaisAnglais
BIBLIOGRAPHIE
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Introduction
Nous preacutesentons dans ce meacutemoire les travaux reacutealiseacutes au cours de cette derniegravere anneacutee pour lrsquoobtention du diplocircme drsquoingeacutenieur drsquoeacutetat en Electronique Biomeacutedicale Cette courte introduction expose la deacutemarche geacuteneacuterale que nous avons suivie qui sous-tend lrsquoorganisation de ce document Le point de deacutepart de ces travaux est un problegraveme pratique reacutecurrent dans les domaines drsquoactiviteacute pour lesquels le traitement de lrsquoinformation occupe une large place Paradoxalement tandis que ces domaines connaissent des avanceacutees techniques importantes la complexiteacute des moyens que celles-ci mettent en œuvre freine leur diffusion aupregraves drsquoun public non expeacuterimenteacute Le domaine de lrsquoacquisition de signaux physiologiques est crucialement repreacutesentatif de cette difficulteacute Tout drsquoabord la grande quantiteacute et la varieacuteteacute des signaux physiologiques neacutecessitent drsquoecirctre geacutereacutees de maniegravere efficace Ensuite lrsquoinformation que ces signaux contiennent tregraves riche doit ecirctre traiteacutee et analyseacutee et syntheacutetiseacutee en des termes accessibles et exploitables par des meacutedecins en routine Enfin les techniques drsquoacquisition et de visualisation des signaux srsquoameacuteliorant le potentiel drsquoobtention drsquoeacuteleacutements diagnostiques croit et doit donc ecirctre exploitable au mieux par les meacutedecins chercheurs De fait une large communauteacute de scientifiques propose drsquoappreacutehender cette quantiteacute cette richesse et ce potentiel en deacuteveloppant des meacutethodes informatiques de traitement de signaux physiologiques performantes et speacutecifiques Ces meacutethodes sont fondeacutees plus ou moins implicitement sur des connaissances aussi bien meacutethodologiques (eg matheacutematiques statistiques informatiques) que meacutedicales (eg anatomiques physiologiques physiques)Qui plus est ces connaissances interviennent souvent dans lrsquoutilisation judicieuse des meacutethodes pour reacutesoudre des objectifs particuliers de traitement de signaux physiologiques
Bien que les meacutedecins concerneacutes soient demandeurs de ces nouvelles techniques drsquoanalyselrsquoinvestissement qui leur est demandeacute pour savoir les manipuler est telqursquoils se contentent bien souvent de meacutethodes triviales faciles a appreacutehender et dont ils maicirctrisent les reacutesultats
Notre travail srsquoest baseacute sur lrsquoinstallation et la mise en oeuvre de la carte drsquoacquisition temps-reacuteel multiprocesseurs de marque laquo DSPACE DS1103 raquo deacuteveloppeacutee speacutecialement pour le prototypage drsquoapplications en ingeacutenierie automobile et nouvellement acquise par le laboratoire drsquoautomatique de notre universiteacute Elle permet a la fois lrsquoacquisition ou la restitution de signaux analogiques ou digitaux et le controcircle ou la commande des robots Vu les hautes performances et la rapiditeacute qursquooffre cette carte nous nous sommes attacheacutes agrave
7
lrsquoappliquer agrave notre domaine drsquointeacuterecirct agrave savoir lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques tel que lrsquoElectrocardiogramme De mecircme nous utiliserons le logiciel SIMULINK de MATLAB et les diffeacuterents compilateurs C approprieacutes pouvoir associer quelques notions de filtrage numeacuterique
Dans le premier chapitre nous preacutesentons les principales fonctions du cœur ainsi qursquoune introduction a lrsquoeacutelectrocardiographie Dans le deuxiegraveme sont deacutetailleacutees les diffeacuterentes meacutethodes permettant de relever le signal Electrocardiogramme (ECG) dans une chaicircne drsquoacquisition par ordinateur et lrsquoimportance de lrsquoamplification et du filtrage des signaux physiologiques
Le chapitre 3 sont preacutesenteacutees les caracteacuteristiques techniques de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et ses diffeacuterents ports drsquoentreacutee et de sortie Les chapitres 4 et 5 traitent la partie principale de notre travail qui
sont
la programmation de la carte drsquoacquisition et sa mise en œuvre pour acqueacuterir les signaux physiologiques
La reacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification du signal ECG
8
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I La fonction du cœur [extrait du livre de cardiologie eacuteditions Larousse]
Preacuteambule Ce chapitre preacutesente des notions fondamentales sur lrsquoeacutelectrogeacutenegravese cardiaque Il deacutecrit succinctement les caracteacuteristiques du tissu cardiaque auxquelles nous nous reacutefeacutererons dans ce meacutemoire ainsi que les processus de propagation de linflux cardiaque puis les principes fondamentaux de leacutelectrocardiographie et les diffeacuterents types denregistrement Lrsquoaccent sera mis sur leacutelectrocardiogramme agrave haute reacutesolution
I 1 Rappels anatomiques et fonctionnels
Le coeur est situeacute au milieu du meacutediastin ougrave il est partiellement recouvert par les poumons et anteacuterieurement par le sternum et les cartilages des troisiegravemes quatriegravemes et cinquiegravemes cocirctes Les deux tiers du coeur sont situeacutes agrave gauche de la ligne passant par le milieu du corps Il repose sur le diaphragme et est inclineacute en avant et agrave gauche de telle sorte que lapex soit anteacuterieur par rapport au reste du coeur Le coeur est constitueacute de quatre caviteacutes contractiles les oreillettes reccediloivent le sang veineux et les ventricules droit et gauche le propulsent respectivement dans la circulation pulmonaire et dans la circulation systeacutemique (cf figure 1-1) Chaque battement cardiaque est un processus meacutecanique engendreacute par des pheacutenomegravenes bioeacutelectriques notamment ioniques
I 2 Leacutelectrogeacutenegravese cardiaque
Excitabiliteacute et contractiliteacute sont les proprieacuteteacutes essentielles des tissus cardiaques Elles varient selon la localisation de ces tissus dans le myocarde Pendant la peacuteriode drsquoactiviteacute (systole) et de repos (diastole) les cellules cardiaques sont le siegravege drsquoune suite complexe deacuteveacutenements eacutelectriques membranaires et intracellulaires qui entraicircnent le glissement des filaments drsquoactine et de myosine agrave lrsquoorigine du raccourcissement de la cellule donc de la contraction
I21 Potentiel drsquoaction
Ce sont les ions chlorure (Cl-) sodium (Na+) calcium (Ca++) et potassium (K+) qui sont impliqueacutes dans les eacutechanges membranaires Leurs osmolariteacutes intracellulaires et extra cellulaire preacutesentent des valeurs de potentiel eacutelectrochimique tregraves diffeacuterentes speacutecifiques de chaque ion Les gradients des concentrations ioniques sont reacutegis par des meacutecanismes drsquoeacutechange agrave travers des canaux speacutecifiques de la membrane cellulaire Les variations des potentiels observeacutees au cours du cycle cardiaque correspondent agrave des modifications de la permeacuteabiliteacute membranaire pendant les diffeacuterentes phases de ce cycle Pendant la phase de repos (diastole cellulaire) la polarisation membranaire agrave lrsquointeacuterieur de la cellule est neacutegative par rapport agrave lrsquoexteacuterieur crsquoest le potentiel de repos dont la valeur est comprise entre -80 et -90 mV (cf Tableau 1-1)
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Figure 1-1 repreacutesentation du coeur et de lrsquoorigine des gros vaisseaux On distingue eacutegalement les voies de conduction normales de linflux cardiaque [extrait de Tortora et al 1988]
Pendant la phase de systole le potentiel de membrane tend agrave srsquoinverser par suite des variations de permeacuteabiliteacute aux ions Na+ Ca++ et du flux sortant de K+ Lrsquointeacuterieur de la membrane peut alors atteindre des potentiels de +20 agrave +30 mV par rapport agrave lrsquoexteacuterieur de la cellule Cette variation de potentiel de membrane caracteacuteristique de la phase drsquoactiviteacute dune cellule constitue le potentiel drsquoaction (cf Figure 1-2)
Tableau 1-1 concentrations intra et extra-cellulaires des principaux ions impliqueacutes dans les pheacutenomegravenes eacutelectrophysiologiques cardiaques et valeurs des potentiels eacutelectrochimiques deacutequilibre
correspondant [extrait de Noble The initiation of the heartbeat Londres 1973 p 12-13]
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Figure 1-2 repreacutesentation scheacutematique de diffeacuterentes courbes du potentiel drsquoaction [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 132]
La forme du potentiel daction varie selon le tissu consideacutereacute Son amplitude crecircte-agrave-crecircte est de 100 agrave 120 mV La phase de deacutepolarisation est la plupart du temps rapide ou tregraves rapide La vitesse est agrave peu pregraves proportionnelle agrave la vitesse de conduction des tissus La phase rapide de deacutepolarisation est suivie dun plateau plus ou moins long et plus ou moins ample selon le tissu Le tissu nodal (cest-agrave-dire des noeuds sinusal et auriculo-ventriculaire) preacutesente contrairement aux autres une phase de deacutepolarisation lente Durant la phase de deacutepolarisation et une partie de la phase de repolarisation appeleacutee peacuteriode reacutefractaire les cellules sont inexcitables Ces caracteacuteristiques des cellules cardiaques contribuent agrave une bonne synchronisation des meacutecanismes de contraction de lensemble du muscle cardiaque
I22 Propagation de lrsquoexcitation
La transmission de lrsquoexcitation dans les fibres cardiaques srsquoeffectue de proche en proche Elle reacutesulte drsquoun flux de courant entre les cellules qui viennent drsquoecirctre activeacutees et les cellules adjacentes au repos Lrsquoexcitation qui est agrave lrsquoorigine du battement cardiaque prend naissance dans le nœud sinusal (ou noeud de Keith et Flack) Elle se propage de cellule agrave cellule dans toute la masse du muscle auriculaire pour produire la contraction des oreillettes Lexcitation atteint alors le nœud auriculo-ventriculaire (ou noeud dAschoff-Tawara cf figure 13)
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Figure 1-3 principales caracteacuteristiques du systegraveme de conduction dans un cœur humain SAN noeud sinusal (Keith et Flack) B branche anteacuterieure W branche meacutediane T branche posteacuterieure
AVN noeud auriculo-ventriculaire H faisceau de His LBB branche gauche RBB branche droite PF fibres de Purkinje [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 111]
Ce noeud a un rocircle de reacutegulateur Il impose agrave lrsquoonde de propagation un certain retard avant de la transmettre au faisceau de His Celui-ci transmet lrsquoexcitation aux ventricules plus preacuteciseacutement au Faisceau de His et aux fibres de Purkinje qui cheminent sur toute la surface interne des ventricules Le noeud auriculo-ventriculaire et le faisceau de His constituent le seul lien fonctionnel normal entre les eacutetages auriculaire et ventriculaire Gracircce au retard imposeacute par le noeud auriculo-ventriculaire les ventricules ne sont deacutepolariseacutes qursquoapregraves la fin de la contraction des oreillettes donc au moment ougrave les ventricules sont remplis La conduction dans le reacuteseau de Purkinje est tregraves rapide ce qui permet drsquoobtenir une contraction agrave peu pregraves simultaneacutee de lensemble des myocardes ventriculaires droit et gauche drsquoougrave une expulsion optimale du volume sanguin ventriculaire vers les artegraveres La repolarisation se produit ensuite de faccedilon plus lente
I 23 La commande rythmique du coeur Le coeur est un muscle caracteacuteriseacute par une activiteacute automatique spontaneacutee et reacuteguliegravere Le Coeur isoleacute bat agrave une freacutequence qursquoon appelle la freacutequence cardiaque idiopathique Elle est en moyenne de 70 battements par minute chez ladulte Cette freacutequence diminue avec lrsquoacircge et lrsquoentraicircnement physique Sur le coeur normal le noeud sinusal est soumis agrave une reacutegulation extra cardiaque qui a pour effet de reacuteduire la freacutequence cardiaque au repos et de lrsquoaugmenter au cours de lrsquoeffort physique Cette reacutegulation est assureacutee en grande partie par le systegraveme nerveux autonome
I 231 Le systegraveme nerveux autonome Le systegraveme nerveux autonome joue un rocircle cleacute dans la reacutegulation de lactiviteacute cardiaque de la freacutequence de la force des battements cardiaques de la pression arteacuterielle (dilatation ou vasoconstriction des vaisseaux sanguins) Il comprend deux systegravemes drsquoeffet inverses
I2311 Le systegraveme parasympathique Cest leacuteleacutement dominant de la reacutegulation de la freacutequence cardiaque chez lhomme Il permet le ralentissement de la freacutequence cardiaque
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I2312 Le systegraveme sympathique
Il est surtout relieacute aux processus qui impliquent une deacutepense deacutenergie Lorsque lorganisme est en homeacuteostasie la fonction principale du systegraveme sympathique est de combattre les effets du systegraveme parasympathique A linverse de la situation au repos lors dune tension extrecircme par exemple le systegraveme sympathique domine le systegraveme parasympathique surtout dans des situations de stress
I232 Le baroreacuteflexe
Larc baroreacuteflexe est un meacutecanisme de reacutetro-controcircle de la pression arteacuterielle par lequel toute modification de la pression arteacuterielle entraicircne une variation opposeacutee de la freacutequence cardiaque (baroreacuteflexe cardiaque) et des reacutesistances peacuteripheacuteriques (baroreacuteflexe vasomoteur) Ce reacutetro-controcircle a pour objectif de reacuteguler de faccedilon rapide leacutetat tensionnel du systegraveme circulatoire Il reacuteduit la labiliteacute tensionnelle et maintient en toutes circonstances le niveau de pression autour dune valeur moyenne
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II 1 PRESENTATION
[Extrait pris du livre de Lepeschkin E Electrocardiographie Moderne Baltimore Williams et Wilkins 195]
II11 Electrocardiogramme o II111 Historique
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qursquoun courant eacutelectrique accompagne chaque battement cardiaque [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier eacutelectrocardiogramme drsquoun humain
1897 Cleacutement Ader ingeacutenieur eacutelectrique adapte un systegraveme drsquoamplification appeleacute galvanomegravetre agrave corde jusque lagrave utiliseacute pour les communications teacuteleacutegraphiques sous-marines
1903 Einthoven parvient agrave recueillir ces courants drsquoune maniegravere satisfaisante en utilisant un montage eacutelectrique rappelant le pont de Wheatstone
o II112 Introduction physiologique
Lrsquoeacutelectrocardiographie explore lrsquoactiviteacute eacutelectrique du cœur par enregistrement des eacutelectrocardiogrammes traceacutes bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel eacutelectrique induites dans les diffeacuterents points du corps par le cœur en activiteacute Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont doteacutees de proprieacuteteacutes speacuteciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir meacutecanique de contraction et lrsquoactiviteacute eacutelectrique rythmique elle-mecircme lieacutee agrave des deacuteplacements ioniques agrave travers la membrane des cellules
La deacutepolarisation tregraves brusque se maintient environ durant 03 secondes puis est suivie aussitocirct de la repolarisation qui reacutetablira les charges eacutelectriques initiales Elle se propage rapidement de proche en proche aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centiegravemes de seconde environ Cependant comme la repolarisation est beaucoup plus lente la dureacutee totale de lrsquoactivation de la masse cardiaque est de lrsquoordre de 40 centiegravemes de seconde Lrsquoeacutetat de repos eacutelectrique dure environ 60 centiegravemes de seconde Ainsi le rythme de lrsquoactiviteacute du cœur est de 60 agrave 80 activations par minute au repos [2]
Lrsquoeacutelectrocardiographie consiste agrave recueillir au niveau de la peau ces courants drsquoactiviteacutes de la fibre musculaire cardiaque agrave les amplifier puis les enregistrer
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
33
CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
37
La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
50
51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
53
Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
54
V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
55
V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
56
Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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III121Compilateur Microtec PPC pour processeur Motorola PowerPC III122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur slave DSP (Digital
Slave Processor) III13Programme C drsquoacquisition du signal ECG III14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB III141Avantagesde SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en
langage C III142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103 III143Acquisition et filtrage temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) III144Exeacutecution du modegravele ECGREADMDL III15Conclusion
Quelques extensions possibles pour le projet de fin drsquoeacutetudes
IVANNEXES
ANNEXE ndashA-
-Caracteacuteristiques techniques de DSPACE DS1103 et Datasheets
ANNEXE ndashB-
-Les diffeacuterents ports de communication et EntreacuteesSorties
Lexique AnglaisFranccedilais Lexique FranccedilaisAnglais
BIBLIOGRAPHIE
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Introduction
Nous preacutesentons dans ce meacutemoire les travaux reacutealiseacutes au cours de cette derniegravere anneacutee pour lrsquoobtention du diplocircme drsquoingeacutenieur drsquoeacutetat en Electronique Biomeacutedicale Cette courte introduction expose la deacutemarche geacuteneacuterale que nous avons suivie qui sous-tend lrsquoorganisation de ce document Le point de deacutepart de ces travaux est un problegraveme pratique reacutecurrent dans les domaines drsquoactiviteacute pour lesquels le traitement de lrsquoinformation occupe une large place Paradoxalement tandis que ces domaines connaissent des avanceacutees techniques importantes la complexiteacute des moyens que celles-ci mettent en œuvre freine leur diffusion aupregraves drsquoun public non expeacuterimenteacute Le domaine de lrsquoacquisition de signaux physiologiques est crucialement repreacutesentatif de cette difficulteacute Tout drsquoabord la grande quantiteacute et la varieacuteteacute des signaux physiologiques neacutecessitent drsquoecirctre geacutereacutees de maniegravere efficace Ensuite lrsquoinformation que ces signaux contiennent tregraves riche doit ecirctre traiteacutee et analyseacutee et syntheacutetiseacutee en des termes accessibles et exploitables par des meacutedecins en routine Enfin les techniques drsquoacquisition et de visualisation des signaux srsquoameacuteliorant le potentiel drsquoobtention drsquoeacuteleacutements diagnostiques croit et doit donc ecirctre exploitable au mieux par les meacutedecins chercheurs De fait une large communauteacute de scientifiques propose drsquoappreacutehender cette quantiteacute cette richesse et ce potentiel en deacuteveloppant des meacutethodes informatiques de traitement de signaux physiologiques performantes et speacutecifiques Ces meacutethodes sont fondeacutees plus ou moins implicitement sur des connaissances aussi bien meacutethodologiques (eg matheacutematiques statistiques informatiques) que meacutedicales (eg anatomiques physiologiques physiques)Qui plus est ces connaissances interviennent souvent dans lrsquoutilisation judicieuse des meacutethodes pour reacutesoudre des objectifs particuliers de traitement de signaux physiologiques
Bien que les meacutedecins concerneacutes soient demandeurs de ces nouvelles techniques drsquoanalyselrsquoinvestissement qui leur est demandeacute pour savoir les manipuler est telqursquoils se contentent bien souvent de meacutethodes triviales faciles a appreacutehender et dont ils maicirctrisent les reacutesultats
Notre travail srsquoest baseacute sur lrsquoinstallation et la mise en oeuvre de la carte drsquoacquisition temps-reacuteel multiprocesseurs de marque laquo DSPACE DS1103 raquo deacuteveloppeacutee speacutecialement pour le prototypage drsquoapplications en ingeacutenierie automobile et nouvellement acquise par le laboratoire drsquoautomatique de notre universiteacute Elle permet a la fois lrsquoacquisition ou la restitution de signaux analogiques ou digitaux et le controcircle ou la commande des robots Vu les hautes performances et la rapiditeacute qursquooffre cette carte nous nous sommes attacheacutes agrave
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lrsquoappliquer agrave notre domaine drsquointeacuterecirct agrave savoir lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques tel que lrsquoElectrocardiogramme De mecircme nous utiliserons le logiciel SIMULINK de MATLAB et les diffeacuterents compilateurs C approprieacutes pouvoir associer quelques notions de filtrage numeacuterique
Dans le premier chapitre nous preacutesentons les principales fonctions du cœur ainsi qursquoune introduction a lrsquoeacutelectrocardiographie Dans le deuxiegraveme sont deacutetailleacutees les diffeacuterentes meacutethodes permettant de relever le signal Electrocardiogramme (ECG) dans une chaicircne drsquoacquisition par ordinateur et lrsquoimportance de lrsquoamplification et du filtrage des signaux physiologiques
Le chapitre 3 sont preacutesenteacutees les caracteacuteristiques techniques de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et ses diffeacuterents ports drsquoentreacutee et de sortie Les chapitres 4 et 5 traitent la partie principale de notre travail qui
sont
la programmation de la carte drsquoacquisition et sa mise en œuvre pour acqueacuterir les signaux physiologiques
La reacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification du signal ECG
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I La fonction du cœur [extrait du livre de cardiologie eacuteditions Larousse]
Preacuteambule Ce chapitre preacutesente des notions fondamentales sur lrsquoeacutelectrogeacutenegravese cardiaque Il deacutecrit succinctement les caracteacuteristiques du tissu cardiaque auxquelles nous nous reacutefeacutererons dans ce meacutemoire ainsi que les processus de propagation de linflux cardiaque puis les principes fondamentaux de leacutelectrocardiographie et les diffeacuterents types denregistrement Lrsquoaccent sera mis sur leacutelectrocardiogramme agrave haute reacutesolution
I 1 Rappels anatomiques et fonctionnels
Le coeur est situeacute au milieu du meacutediastin ougrave il est partiellement recouvert par les poumons et anteacuterieurement par le sternum et les cartilages des troisiegravemes quatriegravemes et cinquiegravemes cocirctes Les deux tiers du coeur sont situeacutes agrave gauche de la ligne passant par le milieu du corps Il repose sur le diaphragme et est inclineacute en avant et agrave gauche de telle sorte que lapex soit anteacuterieur par rapport au reste du coeur Le coeur est constitueacute de quatre caviteacutes contractiles les oreillettes reccediloivent le sang veineux et les ventricules droit et gauche le propulsent respectivement dans la circulation pulmonaire et dans la circulation systeacutemique (cf figure 1-1) Chaque battement cardiaque est un processus meacutecanique engendreacute par des pheacutenomegravenes bioeacutelectriques notamment ioniques
I 2 Leacutelectrogeacutenegravese cardiaque
Excitabiliteacute et contractiliteacute sont les proprieacuteteacutes essentielles des tissus cardiaques Elles varient selon la localisation de ces tissus dans le myocarde Pendant la peacuteriode drsquoactiviteacute (systole) et de repos (diastole) les cellules cardiaques sont le siegravege drsquoune suite complexe deacuteveacutenements eacutelectriques membranaires et intracellulaires qui entraicircnent le glissement des filaments drsquoactine et de myosine agrave lrsquoorigine du raccourcissement de la cellule donc de la contraction
I21 Potentiel drsquoaction
Ce sont les ions chlorure (Cl-) sodium (Na+) calcium (Ca++) et potassium (K+) qui sont impliqueacutes dans les eacutechanges membranaires Leurs osmolariteacutes intracellulaires et extra cellulaire preacutesentent des valeurs de potentiel eacutelectrochimique tregraves diffeacuterentes speacutecifiques de chaque ion Les gradients des concentrations ioniques sont reacutegis par des meacutecanismes drsquoeacutechange agrave travers des canaux speacutecifiques de la membrane cellulaire Les variations des potentiels observeacutees au cours du cycle cardiaque correspondent agrave des modifications de la permeacuteabiliteacute membranaire pendant les diffeacuterentes phases de ce cycle Pendant la phase de repos (diastole cellulaire) la polarisation membranaire agrave lrsquointeacuterieur de la cellule est neacutegative par rapport agrave lrsquoexteacuterieur crsquoest le potentiel de repos dont la valeur est comprise entre -80 et -90 mV (cf Tableau 1-1)
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Figure 1-1 repreacutesentation du coeur et de lrsquoorigine des gros vaisseaux On distingue eacutegalement les voies de conduction normales de linflux cardiaque [extrait de Tortora et al 1988]
Pendant la phase de systole le potentiel de membrane tend agrave srsquoinverser par suite des variations de permeacuteabiliteacute aux ions Na+ Ca++ et du flux sortant de K+ Lrsquointeacuterieur de la membrane peut alors atteindre des potentiels de +20 agrave +30 mV par rapport agrave lrsquoexteacuterieur de la cellule Cette variation de potentiel de membrane caracteacuteristique de la phase drsquoactiviteacute dune cellule constitue le potentiel drsquoaction (cf Figure 1-2)
Tableau 1-1 concentrations intra et extra-cellulaires des principaux ions impliqueacutes dans les pheacutenomegravenes eacutelectrophysiologiques cardiaques et valeurs des potentiels eacutelectrochimiques deacutequilibre
correspondant [extrait de Noble The initiation of the heartbeat Londres 1973 p 12-13]
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Figure 1-2 repreacutesentation scheacutematique de diffeacuterentes courbes du potentiel drsquoaction [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 132]
La forme du potentiel daction varie selon le tissu consideacutereacute Son amplitude crecircte-agrave-crecircte est de 100 agrave 120 mV La phase de deacutepolarisation est la plupart du temps rapide ou tregraves rapide La vitesse est agrave peu pregraves proportionnelle agrave la vitesse de conduction des tissus La phase rapide de deacutepolarisation est suivie dun plateau plus ou moins long et plus ou moins ample selon le tissu Le tissu nodal (cest-agrave-dire des noeuds sinusal et auriculo-ventriculaire) preacutesente contrairement aux autres une phase de deacutepolarisation lente Durant la phase de deacutepolarisation et une partie de la phase de repolarisation appeleacutee peacuteriode reacutefractaire les cellules sont inexcitables Ces caracteacuteristiques des cellules cardiaques contribuent agrave une bonne synchronisation des meacutecanismes de contraction de lensemble du muscle cardiaque
I22 Propagation de lrsquoexcitation
La transmission de lrsquoexcitation dans les fibres cardiaques srsquoeffectue de proche en proche Elle reacutesulte drsquoun flux de courant entre les cellules qui viennent drsquoecirctre activeacutees et les cellules adjacentes au repos Lrsquoexcitation qui est agrave lrsquoorigine du battement cardiaque prend naissance dans le nœud sinusal (ou noeud de Keith et Flack) Elle se propage de cellule agrave cellule dans toute la masse du muscle auriculaire pour produire la contraction des oreillettes Lexcitation atteint alors le nœud auriculo-ventriculaire (ou noeud dAschoff-Tawara cf figure 13)
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Figure 1-3 principales caracteacuteristiques du systegraveme de conduction dans un cœur humain SAN noeud sinusal (Keith et Flack) B branche anteacuterieure W branche meacutediane T branche posteacuterieure
AVN noeud auriculo-ventriculaire H faisceau de His LBB branche gauche RBB branche droite PF fibres de Purkinje [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 111]
Ce noeud a un rocircle de reacutegulateur Il impose agrave lrsquoonde de propagation un certain retard avant de la transmettre au faisceau de His Celui-ci transmet lrsquoexcitation aux ventricules plus preacuteciseacutement au Faisceau de His et aux fibres de Purkinje qui cheminent sur toute la surface interne des ventricules Le noeud auriculo-ventriculaire et le faisceau de His constituent le seul lien fonctionnel normal entre les eacutetages auriculaire et ventriculaire Gracircce au retard imposeacute par le noeud auriculo-ventriculaire les ventricules ne sont deacutepolariseacutes qursquoapregraves la fin de la contraction des oreillettes donc au moment ougrave les ventricules sont remplis La conduction dans le reacuteseau de Purkinje est tregraves rapide ce qui permet drsquoobtenir une contraction agrave peu pregraves simultaneacutee de lensemble des myocardes ventriculaires droit et gauche drsquoougrave une expulsion optimale du volume sanguin ventriculaire vers les artegraveres La repolarisation se produit ensuite de faccedilon plus lente
I 23 La commande rythmique du coeur Le coeur est un muscle caracteacuteriseacute par une activiteacute automatique spontaneacutee et reacuteguliegravere Le Coeur isoleacute bat agrave une freacutequence qursquoon appelle la freacutequence cardiaque idiopathique Elle est en moyenne de 70 battements par minute chez ladulte Cette freacutequence diminue avec lrsquoacircge et lrsquoentraicircnement physique Sur le coeur normal le noeud sinusal est soumis agrave une reacutegulation extra cardiaque qui a pour effet de reacuteduire la freacutequence cardiaque au repos et de lrsquoaugmenter au cours de lrsquoeffort physique Cette reacutegulation est assureacutee en grande partie par le systegraveme nerveux autonome
I 231 Le systegraveme nerveux autonome Le systegraveme nerveux autonome joue un rocircle cleacute dans la reacutegulation de lactiviteacute cardiaque de la freacutequence de la force des battements cardiaques de la pression arteacuterielle (dilatation ou vasoconstriction des vaisseaux sanguins) Il comprend deux systegravemes drsquoeffet inverses
I2311 Le systegraveme parasympathique Cest leacuteleacutement dominant de la reacutegulation de la freacutequence cardiaque chez lhomme Il permet le ralentissement de la freacutequence cardiaque
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I2312 Le systegraveme sympathique
Il est surtout relieacute aux processus qui impliquent une deacutepense deacutenergie Lorsque lorganisme est en homeacuteostasie la fonction principale du systegraveme sympathique est de combattre les effets du systegraveme parasympathique A linverse de la situation au repos lors dune tension extrecircme par exemple le systegraveme sympathique domine le systegraveme parasympathique surtout dans des situations de stress
I232 Le baroreacuteflexe
Larc baroreacuteflexe est un meacutecanisme de reacutetro-controcircle de la pression arteacuterielle par lequel toute modification de la pression arteacuterielle entraicircne une variation opposeacutee de la freacutequence cardiaque (baroreacuteflexe cardiaque) et des reacutesistances peacuteripheacuteriques (baroreacuteflexe vasomoteur) Ce reacutetro-controcircle a pour objectif de reacuteguler de faccedilon rapide leacutetat tensionnel du systegraveme circulatoire Il reacuteduit la labiliteacute tensionnelle et maintient en toutes circonstances le niveau de pression autour dune valeur moyenne
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II 1 PRESENTATION
[Extrait pris du livre de Lepeschkin E Electrocardiographie Moderne Baltimore Williams et Wilkins 195]
II11 Electrocardiogramme o II111 Historique
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qursquoun courant eacutelectrique accompagne chaque battement cardiaque [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier eacutelectrocardiogramme drsquoun humain
1897 Cleacutement Ader ingeacutenieur eacutelectrique adapte un systegraveme drsquoamplification appeleacute galvanomegravetre agrave corde jusque lagrave utiliseacute pour les communications teacuteleacutegraphiques sous-marines
1903 Einthoven parvient agrave recueillir ces courants drsquoune maniegravere satisfaisante en utilisant un montage eacutelectrique rappelant le pont de Wheatstone
o II112 Introduction physiologique
Lrsquoeacutelectrocardiographie explore lrsquoactiviteacute eacutelectrique du cœur par enregistrement des eacutelectrocardiogrammes traceacutes bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel eacutelectrique induites dans les diffeacuterents points du corps par le cœur en activiteacute Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont doteacutees de proprieacuteteacutes speacuteciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir meacutecanique de contraction et lrsquoactiviteacute eacutelectrique rythmique elle-mecircme lieacutee agrave des deacuteplacements ioniques agrave travers la membrane des cellules
La deacutepolarisation tregraves brusque se maintient environ durant 03 secondes puis est suivie aussitocirct de la repolarisation qui reacutetablira les charges eacutelectriques initiales Elle se propage rapidement de proche en proche aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centiegravemes de seconde environ Cependant comme la repolarisation est beaucoup plus lente la dureacutee totale de lrsquoactivation de la masse cardiaque est de lrsquoordre de 40 centiegravemes de seconde Lrsquoeacutetat de repos eacutelectrique dure environ 60 centiegravemes de seconde Ainsi le rythme de lrsquoactiviteacute du cœur est de 60 agrave 80 activations par minute au repos [2]
Lrsquoeacutelectrocardiographie consiste agrave recueillir au niveau de la peau ces courants drsquoactiviteacutes de la fibre musculaire cardiaque agrave les amplifier puis les enregistrer
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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Introduction
Nous preacutesentons dans ce meacutemoire les travaux reacutealiseacutes au cours de cette derniegravere anneacutee pour lrsquoobtention du diplocircme drsquoingeacutenieur drsquoeacutetat en Electronique Biomeacutedicale Cette courte introduction expose la deacutemarche geacuteneacuterale que nous avons suivie qui sous-tend lrsquoorganisation de ce document Le point de deacutepart de ces travaux est un problegraveme pratique reacutecurrent dans les domaines drsquoactiviteacute pour lesquels le traitement de lrsquoinformation occupe une large place Paradoxalement tandis que ces domaines connaissent des avanceacutees techniques importantes la complexiteacute des moyens que celles-ci mettent en œuvre freine leur diffusion aupregraves drsquoun public non expeacuterimenteacute Le domaine de lrsquoacquisition de signaux physiologiques est crucialement repreacutesentatif de cette difficulteacute Tout drsquoabord la grande quantiteacute et la varieacuteteacute des signaux physiologiques neacutecessitent drsquoecirctre geacutereacutees de maniegravere efficace Ensuite lrsquoinformation que ces signaux contiennent tregraves riche doit ecirctre traiteacutee et analyseacutee et syntheacutetiseacutee en des termes accessibles et exploitables par des meacutedecins en routine Enfin les techniques drsquoacquisition et de visualisation des signaux srsquoameacuteliorant le potentiel drsquoobtention drsquoeacuteleacutements diagnostiques croit et doit donc ecirctre exploitable au mieux par les meacutedecins chercheurs De fait une large communauteacute de scientifiques propose drsquoappreacutehender cette quantiteacute cette richesse et ce potentiel en deacuteveloppant des meacutethodes informatiques de traitement de signaux physiologiques performantes et speacutecifiques Ces meacutethodes sont fondeacutees plus ou moins implicitement sur des connaissances aussi bien meacutethodologiques (eg matheacutematiques statistiques informatiques) que meacutedicales (eg anatomiques physiologiques physiques)Qui plus est ces connaissances interviennent souvent dans lrsquoutilisation judicieuse des meacutethodes pour reacutesoudre des objectifs particuliers de traitement de signaux physiologiques
Bien que les meacutedecins concerneacutes soient demandeurs de ces nouvelles techniques drsquoanalyselrsquoinvestissement qui leur est demandeacute pour savoir les manipuler est telqursquoils se contentent bien souvent de meacutethodes triviales faciles a appreacutehender et dont ils maicirctrisent les reacutesultats
Notre travail srsquoest baseacute sur lrsquoinstallation et la mise en oeuvre de la carte drsquoacquisition temps-reacuteel multiprocesseurs de marque laquo DSPACE DS1103 raquo deacuteveloppeacutee speacutecialement pour le prototypage drsquoapplications en ingeacutenierie automobile et nouvellement acquise par le laboratoire drsquoautomatique de notre universiteacute Elle permet a la fois lrsquoacquisition ou la restitution de signaux analogiques ou digitaux et le controcircle ou la commande des robots Vu les hautes performances et la rapiditeacute qursquooffre cette carte nous nous sommes attacheacutes agrave
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lrsquoappliquer agrave notre domaine drsquointeacuterecirct agrave savoir lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques tel que lrsquoElectrocardiogramme De mecircme nous utiliserons le logiciel SIMULINK de MATLAB et les diffeacuterents compilateurs C approprieacutes pouvoir associer quelques notions de filtrage numeacuterique
Dans le premier chapitre nous preacutesentons les principales fonctions du cœur ainsi qursquoune introduction a lrsquoeacutelectrocardiographie Dans le deuxiegraveme sont deacutetailleacutees les diffeacuterentes meacutethodes permettant de relever le signal Electrocardiogramme (ECG) dans une chaicircne drsquoacquisition par ordinateur et lrsquoimportance de lrsquoamplification et du filtrage des signaux physiologiques
Le chapitre 3 sont preacutesenteacutees les caracteacuteristiques techniques de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et ses diffeacuterents ports drsquoentreacutee et de sortie Les chapitres 4 et 5 traitent la partie principale de notre travail qui
sont
la programmation de la carte drsquoacquisition et sa mise en œuvre pour acqueacuterir les signaux physiologiques
La reacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification du signal ECG
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I La fonction du cœur [extrait du livre de cardiologie eacuteditions Larousse]
Preacuteambule Ce chapitre preacutesente des notions fondamentales sur lrsquoeacutelectrogeacutenegravese cardiaque Il deacutecrit succinctement les caracteacuteristiques du tissu cardiaque auxquelles nous nous reacutefeacutererons dans ce meacutemoire ainsi que les processus de propagation de linflux cardiaque puis les principes fondamentaux de leacutelectrocardiographie et les diffeacuterents types denregistrement Lrsquoaccent sera mis sur leacutelectrocardiogramme agrave haute reacutesolution
I 1 Rappels anatomiques et fonctionnels
Le coeur est situeacute au milieu du meacutediastin ougrave il est partiellement recouvert par les poumons et anteacuterieurement par le sternum et les cartilages des troisiegravemes quatriegravemes et cinquiegravemes cocirctes Les deux tiers du coeur sont situeacutes agrave gauche de la ligne passant par le milieu du corps Il repose sur le diaphragme et est inclineacute en avant et agrave gauche de telle sorte que lapex soit anteacuterieur par rapport au reste du coeur Le coeur est constitueacute de quatre caviteacutes contractiles les oreillettes reccediloivent le sang veineux et les ventricules droit et gauche le propulsent respectivement dans la circulation pulmonaire et dans la circulation systeacutemique (cf figure 1-1) Chaque battement cardiaque est un processus meacutecanique engendreacute par des pheacutenomegravenes bioeacutelectriques notamment ioniques
I 2 Leacutelectrogeacutenegravese cardiaque
Excitabiliteacute et contractiliteacute sont les proprieacuteteacutes essentielles des tissus cardiaques Elles varient selon la localisation de ces tissus dans le myocarde Pendant la peacuteriode drsquoactiviteacute (systole) et de repos (diastole) les cellules cardiaques sont le siegravege drsquoune suite complexe deacuteveacutenements eacutelectriques membranaires et intracellulaires qui entraicircnent le glissement des filaments drsquoactine et de myosine agrave lrsquoorigine du raccourcissement de la cellule donc de la contraction
I21 Potentiel drsquoaction
Ce sont les ions chlorure (Cl-) sodium (Na+) calcium (Ca++) et potassium (K+) qui sont impliqueacutes dans les eacutechanges membranaires Leurs osmolariteacutes intracellulaires et extra cellulaire preacutesentent des valeurs de potentiel eacutelectrochimique tregraves diffeacuterentes speacutecifiques de chaque ion Les gradients des concentrations ioniques sont reacutegis par des meacutecanismes drsquoeacutechange agrave travers des canaux speacutecifiques de la membrane cellulaire Les variations des potentiels observeacutees au cours du cycle cardiaque correspondent agrave des modifications de la permeacuteabiliteacute membranaire pendant les diffeacuterentes phases de ce cycle Pendant la phase de repos (diastole cellulaire) la polarisation membranaire agrave lrsquointeacuterieur de la cellule est neacutegative par rapport agrave lrsquoexteacuterieur crsquoest le potentiel de repos dont la valeur est comprise entre -80 et -90 mV (cf Tableau 1-1)
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Figure 1-1 repreacutesentation du coeur et de lrsquoorigine des gros vaisseaux On distingue eacutegalement les voies de conduction normales de linflux cardiaque [extrait de Tortora et al 1988]
Pendant la phase de systole le potentiel de membrane tend agrave srsquoinverser par suite des variations de permeacuteabiliteacute aux ions Na+ Ca++ et du flux sortant de K+ Lrsquointeacuterieur de la membrane peut alors atteindre des potentiels de +20 agrave +30 mV par rapport agrave lrsquoexteacuterieur de la cellule Cette variation de potentiel de membrane caracteacuteristique de la phase drsquoactiviteacute dune cellule constitue le potentiel drsquoaction (cf Figure 1-2)
Tableau 1-1 concentrations intra et extra-cellulaires des principaux ions impliqueacutes dans les pheacutenomegravenes eacutelectrophysiologiques cardiaques et valeurs des potentiels eacutelectrochimiques deacutequilibre
correspondant [extrait de Noble The initiation of the heartbeat Londres 1973 p 12-13]
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Figure 1-2 repreacutesentation scheacutematique de diffeacuterentes courbes du potentiel drsquoaction [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 132]
La forme du potentiel daction varie selon le tissu consideacutereacute Son amplitude crecircte-agrave-crecircte est de 100 agrave 120 mV La phase de deacutepolarisation est la plupart du temps rapide ou tregraves rapide La vitesse est agrave peu pregraves proportionnelle agrave la vitesse de conduction des tissus La phase rapide de deacutepolarisation est suivie dun plateau plus ou moins long et plus ou moins ample selon le tissu Le tissu nodal (cest-agrave-dire des noeuds sinusal et auriculo-ventriculaire) preacutesente contrairement aux autres une phase de deacutepolarisation lente Durant la phase de deacutepolarisation et une partie de la phase de repolarisation appeleacutee peacuteriode reacutefractaire les cellules sont inexcitables Ces caracteacuteristiques des cellules cardiaques contribuent agrave une bonne synchronisation des meacutecanismes de contraction de lensemble du muscle cardiaque
I22 Propagation de lrsquoexcitation
La transmission de lrsquoexcitation dans les fibres cardiaques srsquoeffectue de proche en proche Elle reacutesulte drsquoun flux de courant entre les cellules qui viennent drsquoecirctre activeacutees et les cellules adjacentes au repos Lrsquoexcitation qui est agrave lrsquoorigine du battement cardiaque prend naissance dans le nœud sinusal (ou noeud de Keith et Flack) Elle se propage de cellule agrave cellule dans toute la masse du muscle auriculaire pour produire la contraction des oreillettes Lexcitation atteint alors le nœud auriculo-ventriculaire (ou noeud dAschoff-Tawara cf figure 13)
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Figure 1-3 principales caracteacuteristiques du systegraveme de conduction dans un cœur humain SAN noeud sinusal (Keith et Flack) B branche anteacuterieure W branche meacutediane T branche posteacuterieure
AVN noeud auriculo-ventriculaire H faisceau de His LBB branche gauche RBB branche droite PF fibres de Purkinje [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 111]
Ce noeud a un rocircle de reacutegulateur Il impose agrave lrsquoonde de propagation un certain retard avant de la transmettre au faisceau de His Celui-ci transmet lrsquoexcitation aux ventricules plus preacuteciseacutement au Faisceau de His et aux fibres de Purkinje qui cheminent sur toute la surface interne des ventricules Le noeud auriculo-ventriculaire et le faisceau de His constituent le seul lien fonctionnel normal entre les eacutetages auriculaire et ventriculaire Gracircce au retard imposeacute par le noeud auriculo-ventriculaire les ventricules ne sont deacutepolariseacutes qursquoapregraves la fin de la contraction des oreillettes donc au moment ougrave les ventricules sont remplis La conduction dans le reacuteseau de Purkinje est tregraves rapide ce qui permet drsquoobtenir une contraction agrave peu pregraves simultaneacutee de lensemble des myocardes ventriculaires droit et gauche drsquoougrave une expulsion optimale du volume sanguin ventriculaire vers les artegraveres La repolarisation se produit ensuite de faccedilon plus lente
I 23 La commande rythmique du coeur Le coeur est un muscle caracteacuteriseacute par une activiteacute automatique spontaneacutee et reacuteguliegravere Le Coeur isoleacute bat agrave une freacutequence qursquoon appelle la freacutequence cardiaque idiopathique Elle est en moyenne de 70 battements par minute chez ladulte Cette freacutequence diminue avec lrsquoacircge et lrsquoentraicircnement physique Sur le coeur normal le noeud sinusal est soumis agrave une reacutegulation extra cardiaque qui a pour effet de reacuteduire la freacutequence cardiaque au repos et de lrsquoaugmenter au cours de lrsquoeffort physique Cette reacutegulation est assureacutee en grande partie par le systegraveme nerveux autonome
I 231 Le systegraveme nerveux autonome Le systegraveme nerveux autonome joue un rocircle cleacute dans la reacutegulation de lactiviteacute cardiaque de la freacutequence de la force des battements cardiaques de la pression arteacuterielle (dilatation ou vasoconstriction des vaisseaux sanguins) Il comprend deux systegravemes drsquoeffet inverses
I2311 Le systegraveme parasympathique Cest leacuteleacutement dominant de la reacutegulation de la freacutequence cardiaque chez lhomme Il permet le ralentissement de la freacutequence cardiaque
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I2312 Le systegraveme sympathique
Il est surtout relieacute aux processus qui impliquent une deacutepense deacutenergie Lorsque lorganisme est en homeacuteostasie la fonction principale du systegraveme sympathique est de combattre les effets du systegraveme parasympathique A linverse de la situation au repos lors dune tension extrecircme par exemple le systegraveme sympathique domine le systegraveme parasympathique surtout dans des situations de stress
I232 Le baroreacuteflexe
Larc baroreacuteflexe est un meacutecanisme de reacutetro-controcircle de la pression arteacuterielle par lequel toute modification de la pression arteacuterielle entraicircne une variation opposeacutee de la freacutequence cardiaque (baroreacuteflexe cardiaque) et des reacutesistances peacuteripheacuteriques (baroreacuteflexe vasomoteur) Ce reacutetro-controcircle a pour objectif de reacuteguler de faccedilon rapide leacutetat tensionnel du systegraveme circulatoire Il reacuteduit la labiliteacute tensionnelle et maintient en toutes circonstances le niveau de pression autour dune valeur moyenne
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II 1 PRESENTATION
[Extrait pris du livre de Lepeschkin E Electrocardiographie Moderne Baltimore Williams et Wilkins 195]
II11 Electrocardiogramme o II111 Historique
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qursquoun courant eacutelectrique accompagne chaque battement cardiaque [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier eacutelectrocardiogramme drsquoun humain
1897 Cleacutement Ader ingeacutenieur eacutelectrique adapte un systegraveme drsquoamplification appeleacute galvanomegravetre agrave corde jusque lagrave utiliseacute pour les communications teacuteleacutegraphiques sous-marines
1903 Einthoven parvient agrave recueillir ces courants drsquoune maniegravere satisfaisante en utilisant un montage eacutelectrique rappelant le pont de Wheatstone
o II112 Introduction physiologique
Lrsquoeacutelectrocardiographie explore lrsquoactiviteacute eacutelectrique du cœur par enregistrement des eacutelectrocardiogrammes traceacutes bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel eacutelectrique induites dans les diffeacuterents points du corps par le cœur en activiteacute Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont doteacutees de proprieacuteteacutes speacuteciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir meacutecanique de contraction et lrsquoactiviteacute eacutelectrique rythmique elle-mecircme lieacutee agrave des deacuteplacements ioniques agrave travers la membrane des cellules
La deacutepolarisation tregraves brusque se maintient environ durant 03 secondes puis est suivie aussitocirct de la repolarisation qui reacutetablira les charges eacutelectriques initiales Elle se propage rapidement de proche en proche aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centiegravemes de seconde environ Cependant comme la repolarisation est beaucoup plus lente la dureacutee totale de lrsquoactivation de la masse cardiaque est de lrsquoordre de 40 centiegravemes de seconde Lrsquoeacutetat de repos eacutelectrique dure environ 60 centiegravemes de seconde Ainsi le rythme de lrsquoactiviteacute du cœur est de 60 agrave 80 activations par minute au repos [2]
Lrsquoeacutelectrocardiographie consiste agrave recueillir au niveau de la peau ces courants drsquoactiviteacutes de la fibre musculaire cardiaque agrave les amplifier puis les enregistrer
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
30
PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
31
bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
33
CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
34
35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
37
La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
38
include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
40
La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
44
IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
50
51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
53
Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
54
V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
55
V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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lrsquoappliquer agrave notre domaine drsquointeacuterecirct agrave savoir lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques tel que lrsquoElectrocardiogramme De mecircme nous utiliserons le logiciel SIMULINK de MATLAB et les diffeacuterents compilateurs C approprieacutes pouvoir associer quelques notions de filtrage numeacuterique
Dans le premier chapitre nous preacutesentons les principales fonctions du cœur ainsi qursquoune introduction a lrsquoeacutelectrocardiographie Dans le deuxiegraveme sont deacutetailleacutees les diffeacuterentes meacutethodes permettant de relever le signal Electrocardiogramme (ECG) dans une chaicircne drsquoacquisition par ordinateur et lrsquoimportance de lrsquoamplification et du filtrage des signaux physiologiques
Le chapitre 3 sont preacutesenteacutees les caracteacuteristiques techniques de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et ses diffeacuterents ports drsquoentreacutee et de sortie Les chapitres 4 et 5 traitent la partie principale de notre travail qui
sont
la programmation de la carte drsquoacquisition et sa mise en œuvre pour acqueacuterir les signaux physiologiques
La reacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification du signal ECG
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I La fonction du cœur [extrait du livre de cardiologie eacuteditions Larousse]
Preacuteambule Ce chapitre preacutesente des notions fondamentales sur lrsquoeacutelectrogeacutenegravese cardiaque Il deacutecrit succinctement les caracteacuteristiques du tissu cardiaque auxquelles nous nous reacutefeacutererons dans ce meacutemoire ainsi que les processus de propagation de linflux cardiaque puis les principes fondamentaux de leacutelectrocardiographie et les diffeacuterents types denregistrement Lrsquoaccent sera mis sur leacutelectrocardiogramme agrave haute reacutesolution
I 1 Rappels anatomiques et fonctionnels
Le coeur est situeacute au milieu du meacutediastin ougrave il est partiellement recouvert par les poumons et anteacuterieurement par le sternum et les cartilages des troisiegravemes quatriegravemes et cinquiegravemes cocirctes Les deux tiers du coeur sont situeacutes agrave gauche de la ligne passant par le milieu du corps Il repose sur le diaphragme et est inclineacute en avant et agrave gauche de telle sorte que lapex soit anteacuterieur par rapport au reste du coeur Le coeur est constitueacute de quatre caviteacutes contractiles les oreillettes reccediloivent le sang veineux et les ventricules droit et gauche le propulsent respectivement dans la circulation pulmonaire et dans la circulation systeacutemique (cf figure 1-1) Chaque battement cardiaque est un processus meacutecanique engendreacute par des pheacutenomegravenes bioeacutelectriques notamment ioniques
I 2 Leacutelectrogeacutenegravese cardiaque
Excitabiliteacute et contractiliteacute sont les proprieacuteteacutes essentielles des tissus cardiaques Elles varient selon la localisation de ces tissus dans le myocarde Pendant la peacuteriode drsquoactiviteacute (systole) et de repos (diastole) les cellules cardiaques sont le siegravege drsquoune suite complexe deacuteveacutenements eacutelectriques membranaires et intracellulaires qui entraicircnent le glissement des filaments drsquoactine et de myosine agrave lrsquoorigine du raccourcissement de la cellule donc de la contraction
I21 Potentiel drsquoaction
Ce sont les ions chlorure (Cl-) sodium (Na+) calcium (Ca++) et potassium (K+) qui sont impliqueacutes dans les eacutechanges membranaires Leurs osmolariteacutes intracellulaires et extra cellulaire preacutesentent des valeurs de potentiel eacutelectrochimique tregraves diffeacuterentes speacutecifiques de chaque ion Les gradients des concentrations ioniques sont reacutegis par des meacutecanismes drsquoeacutechange agrave travers des canaux speacutecifiques de la membrane cellulaire Les variations des potentiels observeacutees au cours du cycle cardiaque correspondent agrave des modifications de la permeacuteabiliteacute membranaire pendant les diffeacuterentes phases de ce cycle Pendant la phase de repos (diastole cellulaire) la polarisation membranaire agrave lrsquointeacuterieur de la cellule est neacutegative par rapport agrave lrsquoexteacuterieur crsquoest le potentiel de repos dont la valeur est comprise entre -80 et -90 mV (cf Tableau 1-1)
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Figure 1-1 repreacutesentation du coeur et de lrsquoorigine des gros vaisseaux On distingue eacutegalement les voies de conduction normales de linflux cardiaque [extrait de Tortora et al 1988]
Pendant la phase de systole le potentiel de membrane tend agrave srsquoinverser par suite des variations de permeacuteabiliteacute aux ions Na+ Ca++ et du flux sortant de K+ Lrsquointeacuterieur de la membrane peut alors atteindre des potentiels de +20 agrave +30 mV par rapport agrave lrsquoexteacuterieur de la cellule Cette variation de potentiel de membrane caracteacuteristique de la phase drsquoactiviteacute dune cellule constitue le potentiel drsquoaction (cf Figure 1-2)
Tableau 1-1 concentrations intra et extra-cellulaires des principaux ions impliqueacutes dans les pheacutenomegravenes eacutelectrophysiologiques cardiaques et valeurs des potentiels eacutelectrochimiques deacutequilibre
correspondant [extrait de Noble The initiation of the heartbeat Londres 1973 p 12-13]
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Figure 1-2 repreacutesentation scheacutematique de diffeacuterentes courbes du potentiel drsquoaction [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 132]
La forme du potentiel daction varie selon le tissu consideacutereacute Son amplitude crecircte-agrave-crecircte est de 100 agrave 120 mV La phase de deacutepolarisation est la plupart du temps rapide ou tregraves rapide La vitesse est agrave peu pregraves proportionnelle agrave la vitesse de conduction des tissus La phase rapide de deacutepolarisation est suivie dun plateau plus ou moins long et plus ou moins ample selon le tissu Le tissu nodal (cest-agrave-dire des noeuds sinusal et auriculo-ventriculaire) preacutesente contrairement aux autres une phase de deacutepolarisation lente Durant la phase de deacutepolarisation et une partie de la phase de repolarisation appeleacutee peacuteriode reacutefractaire les cellules sont inexcitables Ces caracteacuteristiques des cellules cardiaques contribuent agrave une bonne synchronisation des meacutecanismes de contraction de lensemble du muscle cardiaque
I22 Propagation de lrsquoexcitation
La transmission de lrsquoexcitation dans les fibres cardiaques srsquoeffectue de proche en proche Elle reacutesulte drsquoun flux de courant entre les cellules qui viennent drsquoecirctre activeacutees et les cellules adjacentes au repos Lrsquoexcitation qui est agrave lrsquoorigine du battement cardiaque prend naissance dans le nœud sinusal (ou noeud de Keith et Flack) Elle se propage de cellule agrave cellule dans toute la masse du muscle auriculaire pour produire la contraction des oreillettes Lexcitation atteint alors le nœud auriculo-ventriculaire (ou noeud dAschoff-Tawara cf figure 13)
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Figure 1-3 principales caracteacuteristiques du systegraveme de conduction dans un cœur humain SAN noeud sinusal (Keith et Flack) B branche anteacuterieure W branche meacutediane T branche posteacuterieure
AVN noeud auriculo-ventriculaire H faisceau de His LBB branche gauche RBB branche droite PF fibres de Purkinje [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 111]
Ce noeud a un rocircle de reacutegulateur Il impose agrave lrsquoonde de propagation un certain retard avant de la transmettre au faisceau de His Celui-ci transmet lrsquoexcitation aux ventricules plus preacuteciseacutement au Faisceau de His et aux fibres de Purkinje qui cheminent sur toute la surface interne des ventricules Le noeud auriculo-ventriculaire et le faisceau de His constituent le seul lien fonctionnel normal entre les eacutetages auriculaire et ventriculaire Gracircce au retard imposeacute par le noeud auriculo-ventriculaire les ventricules ne sont deacutepolariseacutes qursquoapregraves la fin de la contraction des oreillettes donc au moment ougrave les ventricules sont remplis La conduction dans le reacuteseau de Purkinje est tregraves rapide ce qui permet drsquoobtenir une contraction agrave peu pregraves simultaneacutee de lensemble des myocardes ventriculaires droit et gauche drsquoougrave une expulsion optimale du volume sanguin ventriculaire vers les artegraveres La repolarisation se produit ensuite de faccedilon plus lente
I 23 La commande rythmique du coeur Le coeur est un muscle caracteacuteriseacute par une activiteacute automatique spontaneacutee et reacuteguliegravere Le Coeur isoleacute bat agrave une freacutequence qursquoon appelle la freacutequence cardiaque idiopathique Elle est en moyenne de 70 battements par minute chez ladulte Cette freacutequence diminue avec lrsquoacircge et lrsquoentraicircnement physique Sur le coeur normal le noeud sinusal est soumis agrave une reacutegulation extra cardiaque qui a pour effet de reacuteduire la freacutequence cardiaque au repos et de lrsquoaugmenter au cours de lrsquoeffort physique Cette reacutegulation est assureacutee en grande partie par le systegraveme nerveux autonome
I 231 Le systegraveme nerveux autonome Le systegraveme nerveux autonome joue un rocircle cleacute dans la reacutegulation de lactiviteacute cardiaque de la freacutequence de la force des battements cardiaques de la pression arteacuterielle (dilatation ou vasoconstriction des vaisseaux sanguins) Il comprend deux systegravemes drsquoeffet inverses
I2311 Le systegraveme parasympathique Cest leacuteleacutement dominant de la reacutegulation de la freacutequence cardiaque chez lhomme Il permet le ralentissement de la freacutequence cardiaque
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I2312 Le systegraveme sympathique
Il est surtout relieacute aux processus qui impliquent une deacutepense deacutenergie Lorsque lorganisme est en homeacuteostasie la fonction principale du systegraveme sympathique est de combattre les effets du systegraveme parasympathique A linverse de la situation au repos lors dune tension extrecircme par exemple le systegraveme sympathique domine le systegraveme parasympathique surtout dans des situations de stress
I232 Le baroreacuteflexe
Larc baroreacuteflexe est un meacutecanisme de reacutetro-controcircle de la pression arteacuterielle par lequel toute modification de la pression arteacuterielle entraicircne une variation opposeacutee de la freacutequence cardiaque (baroreacuteflexe cardiaque) et des reacutesistances peacuteripheacuteriques (baroreacuteflexe vasomoteur) Ce reacutetro-controcircle a pour objectif de reacuteguler de faccedilon rapide leacutetat tensionnel du systegraveme circulatoire Il reacuteduit la labiliteacute tensionnelle et maintient en toutes circonstances le niveau de pression autour dune valeur moyenne
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II 1 PRESENTATION
[Extrait pris du livre de Lepeschkin E Electrocardiographie Moderne Baltimore Williams et Wilkins 195]
II11 Electrocardiogramme o II111 Historique
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qursquoun courant eacutelectrique accompagne chaque battement cardiaque [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier eacutelectrocardiogramme drsquoun humain
1897 Cleacutement Ader ingeacutenieur eacutelectrique adapte un systegraveme drsquoamplification appeleacute galvanomegravetre agrave corde jusque lagrave utiliseacute pour les communications teacuteleacutegraphiques sous-marines
1903 Einthoven parvient agrave recueillir ces courants drsquoune maniegravere satisfaisante en utilisant un montage eacutelectrique rappelant le pont de Wheatstone
o II112 Introduction physiologique
Lrsquoeacutelectrocardiographie explore lrsquoactiviteacute eacutelectrique du cœur par enregistrement des eacutelectrocardiogrammes traceacutes bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel eacutelectrique induites dans les diffeacuterents points du corps par le cœur en activiteacute Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont doteacutees de proprieacuteteacutes speacuteciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir meacutecanique de contraction et lrsquoactiviteacute eacutelectrique rythmique elle-mecircme lieacutee agrave des deacuteplacements ioniques agrave travers la membrane des cellules
La deacutepolarisation tregraves brusque se maintient environ durant 03 secondes puis est suivie aussitocirct de la repolarisation qui reacutetablira les charges eacutelectriques initiales Elle se propage rapidement de proche en proche aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centiegravemes de seconde environ Cependant comme la repolarisation est beaucoup plus lente la dureacutee totale de lrsquoactivation de la masse cardiaque est de lrsquoordre de 40 centiegravemes de seconde Lrsquoeacutetat de repos eacutelectrique dure environ 60 centiegravemes de seconde Ainsi le rythme de lrsquoactiviteacute du cœur est de 60 agrave 80 activations par minute au repos [2]
Lrsquoeacutelectrocardiographie consiste agrave recueillir au niveau de la peau ces courants drsquoactiviteacutes de la fibre musculaire cardiaque agrave les amplifier puis les enregistrer
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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I La fonction du cœur [extrait du livre de cardiologie eacuteditions Larousse]
Preacuteambule Ce chapitre preacutesente des notions fondamentales sur lrsquoeacutelectrogeacutenegravese cardiaque Il deacutecrit succinctement les caracteacuteristiques du tissu cardiaque auxquelles nous nous reacutefeacutererons dans ce meacutemoire ainsi que les processus de propagation de linflux cardiaque puis les principes fondamentaux de leacutelectrocardiographie et les diffeacuterents types denregistrement Lrsquoaccent sera mis sur leacutelectrocardiogramme agrave haute reacutesolution
I 1 Rappels anatomiques et fonctionnels
Le coeur est situeacute au milieu du meacutediastin ougrave il est partiellement recouvert par les poumons et anteacuterieurement par le sternum et les cartilages des troisiegravemes quatriegravemes et cinquiegravemes cocirctes Les deux tiers du coeur sont situeacutes agrave gauche de la ligne passant par le milieu du corps Il repose sur le diaphragme et est inclineacute en avant et agrave gauche de telle sorte que lapex soit anteacuterieur par rapport au reste du coeur Le coeur est constitueacute de quatre caviteacutes contractiles les oreillettes reccediloivent le sang veineux et les ventricules droit et gauche le propulsent respectivement dans la circulation pulmonaire et dans la circulation systeacutemique (cf figure 1-1) Chaque battement cardiaque est un processus meacutecanique engendreacute par des pheacutenomegravenes bioeacutelectriques notamment ioniques
I 2 Leacutelectrogeacutenegravese cardiaque
Excitabiliteacute et contractiliteacute sont les proprieacuteteacutes essentielles des tissus cardiaques Elles varient selon la localisation de ces tissus dans le myocarde Pendant la peacuteriode drsquoactiviteacute (systole) et de repos (diastole) les cellules cardiaques sont le siegravege drsquoune suite complexe deacuteveacutenements eacutelectriques membranaires et intracellulaires qui entraicircnent le glissement des filaments drsquoactine et de myosine agrave lrsquoorigine du raccourcissement de la cellule donc de la contraction
I21 Potentiel drsquoaction
Ce sont les ions chlorure (Cl-) sodium (Na+) calcium (Ca++) et potassium (K+) qui sont impliqueacutes dans les eacutechanges membranaires Leurs osmolariteacutes intracellulaires et extra cellulaire preacutesentent des valeurs de potentiel eacutelectrochimique tregraves diffeacuterentes speacutecifiques de chaque ion Les gradients des concentrations ioniques sont reacutegis par des meacutecanismes drsquoeacutechange agrave travers des canaux speacutecifiques de la membrane cellulaire Les variations des potentiels observeacutees au cours du cycle cardiaque correspondent agrave des modifications de la permeacuteabiliteacute membranaire pendant les diffeacuterentes phases de ce cycle Pendant la phase de repos (diastole cellulaire) la polarisation membranaire agrave lrsquointeacuterieur de la cellule est neacutegative par rapport agrave lrsquoexteacuterieur crsquoest le potentiel de repos dont la valeur est comprise entre -80 et -90 mV (cf Tableau 1-1)
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Figure 1-1 repreacutesentation du coeur et de lrsquoorigine des gros vaisseaux On distingue eacutegalement les voies de conduction normales de linflux cardiaque [extrait de Tortora et al 1988]
Pendant la phase de systole le potentiel de membrane tend agrave srsquoinverser par suite des variations de permeacuteabiliteacute aux ions Na+ Ca++ et du flux sortant de K+ Lrsquointeacuterieur de la membrane peut alors atteindre des potentiels de +20 agrave +30 mV par rapport agrave lrsquoexteacuterieur de la cellule Cette variation de potentiel de membrane caracteacuteristique de la phase drsquoactiviteacute dune cellule constitue le potentiel drsquoaction (cf Figure 1-2)
Tableau 1-1 concentrations intra et extra-cellulaires des principaux ions impliqueacutes dans les pheacutenomegravenes eacutelectrophysiologiques cardiaques et valeurs des potentiels eacutelectrochimiques deacutequilibre
correspondant [extrait de Noble The initiation of the heartbeat Londres 1973 p 12-13]
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Figure 1-2 repreacutesentation scheacutematique de diffeacuterentes courbes du potentiel drsquoaction [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 132]
La forme du potentiel daction varie selon le tissu consideacutereacute Son amplitude crecircte-agrave-crecircte est de 100 agrave 120 mV La phase de deacutepolarisation est la plupart du temps rapide ou tregraves rapide La vitesse est agrave peu pregraves proportionnelle agrave la vitesse de conduction des tissus La phase rapide de deacutepolarisation est suivie dun plateau plus ou moins long et plus ou moins ample selon le tissu Le tissu nodal (cest-agrave-dire des noeuds sinusal et auriculo-ventriculaire) preacutesente contrairement aux autres une phase de deacutepolarisation lente Durant la phase de deacutepolarisation et une partie de la phase de repolarisation appeleacutee peacuteriode reacutefractaire les cellules sont inexcitables Ces caracteacuteristiques des cellules cardiaques contribuent agrave une bonne synchronisation des meacutecanismes de contraction de lensemble du muscle cardiaque
I22 Propagation de lrsquoexcitation
La transmission de lrsquoexcitation dans les fibres cardiaques srsquoeffectue de proche en proche Elle reacutesulte drsquoun flux de courant entre les cellules qui viennent drsquoecirctre activeacutees et les cellules adjacentes au repos Lrsquoexcitation qui est agrave lrsquoorigine du battement cardiaque prend naissance dans le nœud sinusal (ou noeud de Keith et Flack) Elle se propage de cellule agrave cellule dans toute la masse du muscle auriculaire pour produire la contraction des oreillettes Lexcitation atteint alors le nœud auriculo-ventriculaire (ou noeud dAschoff-Tawara cf figure 13)
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Figure 1-3 principales caracteacuteristiques du systegraveme de conduction dans un cœur humain SAN noeud sinusal (Keith et Flack) B branche anteacuterieure W branche meacutediane T branche posteacuterieure
AVN noeud auriculo-ventriculaire H faisceau de His LBB branche gauche RBB branche droite PF fibres de Purkinje [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 111]
Ce noeud a un rocircle de reacutegulateur Il impose agrave lrsquoonde de propagation un certain retard avant de la transmettre au faisceau de His Celui-ci transmet lrsquoexcitation aux ventricules plus preacuteciseacutement au Faisceau de His et aux fibres de Purkinje qui cheminent sur toute la surface interne des ventricules Le noeud auriculo-ventriculaire et le faisceau de His constituent le seul lien fonctionnel normal entre les eacutetages auriculaire et ventriculaire Gracircce au retard imposeacute par le noeud auriculo-ventriculaire les ventricules ne sont deacutepolariseacutes qursquoapregraves la fin de la contraction des oreillettes donc au moment ougrave les ventricules sont remplis La conduction dans le reacuteseau de Purkinje est tregraves rapide ce qui permet drsquoobtenir une contraction agrave peu pregraves simultaneacutee de lensemble des myocardes ventriculaires droit et gauche drsquoougrave une expulsion optimale du volume sanguin ventriculaire vers les artegraveres La repolarisation se produit ensuite de faccedilon plus lente
I 23 La commande rythmique du coeur Le coeur est un muscle caracteacuteriseacute par une activiteacute automatique spontaneacutee et reacuteguliegravere Le Coeur isoleacute bat agrave une freacutequence qursquoon appelle la freacutequence cardiaque idiopathique Elle est en moyenne de 70 battements par minute chez ladulte Cette freacutequence diminue avec lrsquoacircge et lrsquoentraicircnement physique Sur le coeur normal le noeud sinusal est soumis agrave une reacutegulation extra cardiaque qui a pour effet de reacuteduire la freacutequence cardiaque au repos et de lrsquoaugmenter au cours de lrsquoeffort physique Cette reacutegulation est assureacutee en grande partie par le systegraveme nerveux autonome
I 231 Le systegraveme nerveux autonome Le systegraveme nerveux autonome joue un rocircle cleacute dans la reacutegulation de lactiviteacute cardiaque de la freacutequence de la force des battements cardiaques de la pression arteacuterielle (dilatation ou vasoconstriction des vaisseaux sanguins) Il comprend deux systegravemes drsquoeffet inverses
I2311 Le systegraveme parasympathique Cest leacuteleacutement dominant de la reacutegulation de la freacutequence cardiaque chez lhomme Il permet le ralentissement de la freacutequence cardiaque
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I2312 Le systegraveme sympathique
Il est surtout relieacute aux processus qui impliquent une deacutepense deacutenergie Lorsque lorganisme est en homeacuteostasie la fonction principale du systegraveme sympathique est de combattre les effets du systegraveme parasympathique A linverse de la situation au repos lors dune tension extrecircme par exemple le systegraveme sympathique domine le systegraveme parasympathique surtout dans des situations de stress
I232 Le baroreacuteflexe
Larc baroreacuteflexe est un meacutecanisme de reacutetro-controcircle de la pression arteacuterielle par lequel toute modification de la pression arteacuterielle entraicircne une variation opposeacutee de la freacutequence cardiaque (baroreacuteflexe cardiaque) et des reacutesistances peacuteripheacuteriques (baroreacuteflexe vasomoteur) Ce reacutetro-controcircle a pour objectif de reacuteguler de faccedilon rapide leacutetat tensionnel du systegraveme circulatoire Il reacuteduit la labiliteacute tensionnelle et maintient en toutes circonstances le niveau de pression autour dune valeur moyenne
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II 1 PRESENTATION
[Extrait pris du livre de Lepeschkin E Electrocardiographie Moderne Baltimore Williams et Wilkins 195]
II11 Electrocardiogramme o II111 Historique
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qursquoun courant eacutelectrique accompagne chaque battement cardiaque [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier eacutelectrocardiogramme drsquoun humain
1897 Cleacutement Ader ingeacutenieur eacutelectrique adapte un systegraveme drsquoamplification appeleacute galvanomegravetre agrave corde jusque lagrave utiliseacute pour les communications teacuteleacutegraphiques sous-marines
1903 Einthoven parvient agrave recueillir ces courants drsquoune maniegravere satisfaisante en utilisant un montage eacutelectrique rappelant le pont de Wheatstone
o II112 Introduction physiologique
Lrsquoeacutelectrocardiographie explore lrsquoactiviteacute eacutelectrique du cœur par enregistrement des eacutelectrocardiogrammes traceacutes bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel eacutelectrique induites dans les diffeacuterents points du corps par le cœur en activiteacute Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont doteacutees de proprieacuteteacutes speacuteciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir meacutecanique de contraction et lrsquoactiviteacute eacutelectrique rythmique elle-mecircme lieacutee agrave des deacuteplacements ioniques agrave travers la membrane des cellules
La deacutepolarisation tregraves brusque se maintient environ durant 03 secondes puis est suivie aussitocirct de la repolarisation qui reacutetablira les charges eacutelectriques initiales Elle se propage rapidement de proche en proche aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centiegravemes de seconde environ Cependant comme la repolarisation est beaucoup plus lente la dureacutee totale de lrsquoactivation de la masse cardiaque est de lrsquoordre de 40 centiegravemes de seconde Lrsquoeacutetat de repos eacutelectrique dure environ 60 centiegravemes de seconde Ainsi le rythme de lrsquoactiviteacute du cœur est de 60 agrave 80 activations par minute au repos [2]
Lrsquoeacutelectrocardiographie consiste agrave recueillir au niveau de la peau ces courants drsquoactiviteacutes de la fibre musculaire cardiaque agrave les amplifier puis les enregistrer
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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I La fonction du cœur [extrait du livre de cardiologie eacuteditions Larousse]
Preacuteambule Ce chapitre preacutesente des notions fondamentales sur lrsquoeacutelectrogeacutenegravese cardiaque Il deacutecrit succinctement les caracteacuteristiques du tissu cardiaque auxquelles nous nous reacutefeacutererons dans ce meacutemoire ainsi que les processus de propagation de linflux cardiaque puis les principes fondamentaux de leacutelectrocardiographie et les diffeacuterents types denregistrement Lrsquoaccent sera mis sur leacutelectrocardiogramme agrave haute reacutesolution
I 1 Rappels anatomiques et fonctionnels
Le coeur est situeacute au milieu du meacutediastin ougrave il est partiellement recouvert par les poumons et anteacuterieurement par le sternum et les cartilages des troisiegravemes quatriegravemes et cinquiegravemes cocirctes Les deux tiers du coeur sont situeacutes agrave gauche de la ligne passant par le milieu du corps Il repose sur le diaphragme et est inclineacute en avant et agrave gauche de telle sorte que lapex soit anteacuterieur par rapport au reste du coeur Le coeur est constitueacute de quatre caviteacutes contractiles les oreillettes reccediloivent le sang veineux et les ventricules droit et gauche le propulsent respectivement dans la circulation pulmonaire et dans la circulation systeacutemique (cf figure 1-1) Chaque battement cardiaque est un processus meacutecanique engendreacute par des pheacutenomegravenes bioeacutelectriques notamment ioniques
I 2 Leacutelectrogeacutenegravese cardiaque
Excitabiliteacute et contractiliteacute sont les proprieacuteteacutes essentielles des tissus cardiaques Elles varient selon la localisation de ces tissus dans le myocarde Pendant la peacuteriode drsquoactiviteacute (systole) et de repos (diastole) les cellules cardiaques sont le siegravege drsquoune suite complexe deacuteveacutenements eacutelectriques membranaires et intracellulaires qui entraicircnent le glissement des filaments drsquoactine et de myosine agrave lrsquoorigine du raccourcissement de la cellule donc de la contraction
I21 Potentiel drsquoaction
Ce sont les ions chlorure (Cl-) sodium (Na+) calcium (Ca++) et potassium (K+) qui sont impliqueacutes dans les eacutechanges membranaires Leurs osmolariteacutes intracellulaires et extra cellulaire preacutesentent des valeurs de potentiel eacutelectrochimique tregraves diffeacuterentes speacutecifiques de chaque ion Les gradients des concentrations ioniques sont reacutegis par des meacutecanismes drsquoeacutechange agrave travers des canaux speacutecifiques de la membrane cellulaire Les variations des potentiels observeacutees au cours du cycle cardiaque correspondent agrave des modifications de la permeacuteabiliteacute membranaire pendant les diffeacuterentes phases de ce cycle Pendant la phase de repos (diastole cellulaire) la polarisation membranaire agrave lrsquointeacuterieur de la cellule est neacutegative par rapport agrave lrsquoexteacuterieur crsquoest le potentiel de repos dont la valeur est comprise entre -80 et -90 mV (cf Tableau 1-1)
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Figure 1-1 repreacutesentation du coeur et de lrsquoorigine des gros vaisseaux On distingue eacutegalement les voies de conduction normales de linflux cardiaque [extrait de Tortora et al 1988]
Pendant la phase de systole le potentiel de membrane tend agrave srsquoinverser par suite des variations de permeacuteabiliteacute aux ions Na+ Ca++ et du flux sortant de K+ Lrsquointeacuterieur de la membrane peut alors atteindre des potentiels de +20 agrave +30 mV par rapport agrave lrsquoexteacuterieur de la cellule Cette variation de potentiel de membrane caracteacuteristique de la phase drsquoactiviteacute dune cellule constitue le potentiel drsquoaction (cf Figure 1-2)
Tableau 1-1 concentrations intra et extra-cellulaires des principaux ions impliqueacutes dans les pheacutenomegravenes eacutelectrophysiologiques cardiaques et valeurs des potentiels eacutelectrochimiques deacutequilibre
correspondant [extrait de Noble The initiation of the heartbeat Londres 1973 p 12-13]
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Figure 1-2 repreacutesentation scheacutematique de diffeacuterentes courbes du potentiel drsquoaction [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 132]
La forme du potentiel daction varie selon le tissu consideacutereacute Son amplitude crecircte-agrave-crecircte est de 100 agrave 120 mV La phase de deacutepolarisation est la plupart du temps rapide ou tregraves rapide La vitesse est agrave peu pregraves proportionnelle agrave la vitesse de conduction des tissus La phase rapide de deacutepolarisation est suivie dun plateau plus ou moins long et plus ou moins ample selon le tissu Le tissu nodal (cest-agrave-dire des noeuds sinusal et auriculo-ventriculaire) preacutesente contrairement aux autres une phase de deacutepolarisation lente Durant la phase de deacutepolarisation et une partie de la phase de repolarisation appeleacutee peacuteriode reacutefractaire les cellules sont inexcitables Ces caracteacuteristiques des cellules cardiaques contribuent agrave une bonne synchronisation des meacutecanismes de contraction de lensemble du muscle cardiaque
I22 Propagation de lrsquoexcitation
La transmission de lrsquoexcitation dans les fibres cardiaques srsquoeffectue de proche en proche Elle reacutesulte drsquoun flux de courant entre les cellules qui viennent drsquoecirctre activeacutees et les cellules adjacentes au repos Lrsquoexcitation qui est agrave lrsquoorigine du battement cardiaque prend naissance dans le nœud sinusal (ou noeud de Keith et Flack) Elle se propage de cellule agrave cellule dans toute la masse du muscle auriculaire pour produire la contraction des oreillettes Lexcitation atteint alors le nœud auriculo-ventriculaire (ou noeud dAschoff-Tawara cf figure 13)
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Figure 1-3 principales caracteacuteristiques du systegraveme de conduction dans un cœur humain SAN noeud sinusal (Keith et Flack) B branche anteacuterieure W branche meacutediane T branche posteacuterieure
AVN noeud auriculo-ventriculaire H faisceau de His LBB branche gauche RBB branche droite PF fibres de Purkinje [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 111]
Ce noeud a un rocircle de reacutegulateur Il impose agrave lrsquoonde de propagation un certain retard avant de la transmettre au faisceau de His Celui-ci transmet lrsquoexcitation aux ventricules plus preacuteciseacutement au Faisceau de His et aux fibres de Purkinje qui cheminent sur toute la surface interne des ventricules Le noeud auriculo-ventriculaire et le faisceau de His constituent le seul lien fonctionnel normal entre les eacutetages auriculaire et ventriculaire Gracircce au retard imposeacute par le noeud auriculo-ventriculaire les ventricules ne sont deacutepolariseacutes qursquoapregraves la fin de la contraction des oreillettes donc au moment ougrave les ventricules sont remplis La conduction dans le reacuteseau de Purkinje est tregraves rapide ce qui permet drsquoobtenir une contraction agrave peu pregraves simultaneacutee de lensemble des myocardes ventriculaires droit et gauche drsquoougrave une expulsion optimale du volume sanguin ventriculaire vers les artegraveres La repolarisation se produit ensuite de faccedilon plus lente
I 23 La commande rythmique du coeur Le coeur est un muscle caracteacuteriseacute par une activiteacute automatique spontaneacutee et reacuteguliegravere Le Coeur isoleacute bat agrave une freacutequence qursquoon appelle la freacutequence cardiaque idiopathique Elle est en moyenne de 70 battements par minute chez ladulte Cette freacutequence diminue avec lrsquoacircge et lrsquoentraicircnement physique Sur le coeur normal le noeud sinusal est soumis agrave une reacutegulation extra cardiaque qui a pour effet de reacuteduire la freacutequence cardiaque au repos et de lrsquoaugmenter au cours de lrsquoeffort physique Cette reacutegulation est assureacutee en grande partie par le systegraveme nerveux autonome
I 231 Le systegraveme nerveux autonome Le systegraveme nerveux autonome joue un rocircle cleacute dans la reacutegulation de lactiviteacute cardiaque de la freacutequence de la force des battements cardiaques de la pression arteacuterielle (dilatation ou vasoconstriction des vaisseaux sanguins) Il comprend deux systegravemes drsquoeffet inverses
I2311 Le systegraveme parasympathique Cest leacuteleacutement dominant de la reacutegulation de la freacutequence cardiaque chez lhomme Il permet le ralentissement de la freacutequence cardiaque
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I2312 Le systegraveme sympathique
Il est surtout relieacute aux processus qui impliquent une deacutepense deacutenergie Lorsque lorganisme est en homeacuteostasie la fonction principale du systegraveme sympathique est de combattre les effets du systegraveme parasympathique A linverse de la situation au repos lors dune tension extrecircme par exemple le systegraveme sympathique domine le systegraveme parasympathique surtout dans des situations de stress
I232 Le baroreacuteflexe
Larc baroreacuteflexe est un meacutecanisme de reacutetro-controcircle de la pression arteacuterielle par lequel toute modification de la pression arteacuterielle entraicircne une variation opposeacutee de la freacutequence cardiaque (baroreacuteflexe cardiaque) et des reacutesistances peacuteripheacuteriques (baroreacuteflexe vasomoteur) Ce reacutetro-controcircle a pour objectif de reacuteguler de faccedilon rapide leacutetat tensionnel du systegraveme circulatoire Il reacuteduit la labiliteacute tensionnelle et maintient en toutes circonstances le niveau de pression autour dune valeur moyenne
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II 1 PRESENTATION
[Extrait pris du livre de Lepeschkin E Electrocardiographie Moderne Baltimore Williams et Wilkins 195]
II11 Electrocardiogramme o II111 Historique
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qursquoun courant eacutelectrique accompagne chaque battement cardiaque [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier eacutelectrocardiogramme drsquoun humain
1897 Cleacutement Ader ingeacutenieur eacutelectrique adapte un systegraveme drsquoamplification appeleacute galvanomegravetre agrave corde jusque lagrave utiliseacute pour les communications teacuteleacutegraphiques sous-marines
1903 Einthoven parvient agrave recueillir ces courants drsquoune maniegravere satisfaisante en utilisant un montage eacutelectrique rappelant le pont de Wheatstone
o II112 Introduction physiologique
Lrsquoeacutelectrocardiographie explore lrsquoactiviteacute eacutelectrique du cœur par enregistrement des eacutelectrocardiogrammes traceacutes bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel eacutelectrique induites dans les diffeacuterents points du corps par le cœur en activiteacute Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont doteacutees de proprieacuteteacutes speacuteciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir meacutecanique de contraction et lrsquoactiviteacute eacutelectrique rythmique elle-mecircme lieacutee agrave des deacuteplacements ioniques agrave travers la membrane des cellules
La deacutepolarisation tregraves brusque se maintient environ durant 03 secondes puis est suivie aussitocirct de la repolarisation qui reacutetablira les charges eacutelectriques initiales Elle se propage rapidement de proche en proche aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centiegravemes de seconde environ Cependant comme la repolarisation est beaucoup plus lente la dureacutee totale de lrsquoactivation de la masse cardiaque est de lrsquoordre de 40 centiegravemes de seconde Lrsquoeacutetat de repos eacutelectrique dure environ 60 centiegravemes de seconde Ainsi le rythme de lrsquoactiviteacute du cœur est de 60 agrave 80 activations par minute au repos [2]
Lrsquoeacutelectrocardiographie consiste agrave recueillir au niveau de la peau ces courants drsquoactiviteacutes de la fibre musculaire cardiaque agrave les amplifier puis les enregistrer
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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Figure 1-1 repreacutesentation du coeur et de lrsquoorigine des gros vaisseaux On distingue eacutegalement les voies de conduction normales de linflux cardiaque [extrait de Tortora et al 1988]
Pendant la phase de systole le potentiel de membrane tend agrave srsquoinverser par suite des variations de permeacuteabiliteacute aux ions Na+ Ca++ et du flux sortant de K+ Lrsquointeacuterieur de la membrane peut alors atteindre des potentiels de +20 agrave +30 mV par rapport agrave lrsquoexteacuterieur de la cellule Cette variation de potentiel de membrane caracteacuteristique de la phase drsquoactiviteacute dune cellule constitue le potentiel drsquoaction (cf Figure 1-2)
Tableau 1-1 concentrations intra et extra-cellulaires des principaux ions impliqueacutes dans les pheacutenomegravenes eacutelectrophysiologiques cardiaques et valeurs des potentiels eacutelectrochimiques deacutequilibre
correspondant [extrait de Noble The initiation of the heartbeat Londres 1973 p 12-13]
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Figure 1-2 repreacutesentation scheacutematique de diffeacuterentes courbes du potentiel drsquoaction [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 132]
La forme du potentiel daction varie selon le tissu consideacutereacute Son amplitude crecircte-agrave-crecircte est de 100 agrave 120 mV La phase de deacutepolarisation est la plupart du temps rapide ou tregraves rapide La vitesse est agrave peu pregraves proportionnelle agrave la vitesse de conduction des tissus La phase rapide de deacutepolarisation est suivie dun plateau plus ou moins long et plus ou moins ample selon le tissu Le tissu nodal (cest-agrave-dire des noeuds sinusal et auriculo-ventriculaire) preacutesente contrairement aux autres une phase de deacutepolarisation lente Durant la phase de deacutepolarisation et une partie de la phase de repolarisation appeleacutee peacuteriode reacutefractaire les cellules sont inexcitables Ces caracteacuteristiques des cellules cardiaques contribuent agrave une bonne synchronisation des meacutecanismes de contraction de lensemble du muscle cardiaque
I22 Propagation de lrsquoexcitation
La transmission de lrsquoexcitation dans les fibres cardiaques srsquoeffectue de proche en proche Elle reacutesulte drsquoun flux de courant entre les cellules qui viennent drsquoecirctre activeacutees et les cellules adjacentes au repos Lrsquoexcitation qui est agrave lrsquoorigine du battement cardiaque prend naissance dans le nœud sinusal (ou noeud de Keith et Flack) Elle se propage de cellule agrave cellule dans toute la masse du muscle auriculaire pour produire la contraction des oreillettes Lexcitation atteint alors le nœud auriculo-ventriculaire (ou noeud dAschoff-Tawara cf figure 13)
12
Figure 1-3 principales caracteacuteristiques du systegraveme de conduction dans un cœur humain SAN noeud sinusal (Keith et Flack) B branche anteacuterieure W branche meacutediane T branche posteacuterieure
AVN noeud auriculo-ventriculaire H faisceau de His LBB branche gauche RBB branche droite PF fibres de Purkinje [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 111]
Ce noeud a un rocircle de reacutegulateur Il impose agrave lrsquoonde de propagation un certain retard avant de la transmettre au faisceau de His Celui-ci transmet lrsquoexcitation aux ventricules plus preacuteciseacutement au Faisceau de His et aux fibres de Purkinje qui cheminent sur toute la surface interne des ventricules Le noeud auriculo-ventriculaire et le faisceau de His constituent le seul lien fonctionnel normal entre les eacutetages auriculaire et ventriculaire Gracircce au retard imposeacute par le noeud auriculo-ventriculaire les ventricules ne sont deacutepolariseacutes qursquoapregraves la fin de la contraction des oreillettes donc au moment ougrave les ventricules sont remplis La conduction dans le reacuteseau de Purkinje est tregraves rapide ce qui permet drsquoobtenir une contraction agrave peu pregraves simultaneacutee de lensemble des myocardes ventriculaires droit et gauche drsquoougrave une expulsion optimale du volume sanguin ventriculaire vers les artegraveres La repolarisation se produit ensuite de faccedilon plus lente
I 23 La commande rythmique du coeur Le coeur est un muscle caracteacuteriseacute par une activiteacute automatique spontaneacutee et reacuteguliegravere Le Coeur isoleacute bat agrave une freacutequence qursquoon appelle la freacutequence cardiaque idiopathique Elle est en moyenne de 70 battements par minute chez ladulte Cette freacutequence diminue avec lrsquoacircge et lrsquoentraicircnement physique Sur le coeur normal le noeud sinusal est soumis agrave une reacutegulation extra cardiaque qui a pour effet de reacuteduire la freacutequence cardiaque au repos et de lrsquoaugmenter au cours de lrsquoeffort physique Cette reacutegulation est assureacutee en grande partie par le systegraveme nerveux autonome
I 231 Le systegraveme nerveux autonome Le systegraveme nerveux autonome joue un rocircle cleacute dans la reacutegulation de lactiviteacute cardiaque de la freacutequence de la force des battements cardiaques de la pression arteacuterielle (dilatation ou vasoconstriction des vaisseaux sanguins) Il comprend deux systegravemes drsquoeffet inverses
I2311 Le systegraveme parasympathique Cest leacuteleacutement dominant de la reacutegulation de la freacutequence cardiaque chez lhomme Il permet le ralentissement de la freacutequence cardiaque
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I2312 Le systegraveme sympathique
Il est surtout relieacute aux processus qui impliquent une deacutepense deacutenergie Lorsque lorganisme est en homeacuteostasie la fonction principale du systegraveme sympathique est de combattre les effets du systegraveme parasympathique A linverse de la situation au repos lors dune tension extrecircme par exemple le systegraveme sympathique domine le systegraveme parasympathique surtout dans des situations de stress
I232 Le baroreacuteflexe
Larc baroreacuteflexe est un meacutecanisme de reacutetro-controcircle de la pression arteacuterielle par lequel toute modification de la pression arteacuterielle entraicircne une variation opposeacutee de la freacutequence cardiaque (baroreacuteflexe cardiaque) et des reacutesistances peacuteripheacuteriques (baroreacuteflexe vasomoteur) Ce reacutetro-controcircle a pour objectif de reacuteguler de faccedilon rapide leacutetat tensionnel du systegraveme circulatoire Il reacuteduit la labiliteacute tensionnelle et maintient en toutes circonstances le niveau de pression autour dune valeur moyenne
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15
II 1 PRESENTATION
[Extrait pris du livre de Lepeschkin E Electrocardiographie Moderne Baltimore Williams et Wilkins 195]
II11 Electrocardiogramme o II111 Historique
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qursquoun courant eacutelectrique accompagne chaque battement cardiaque [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier eacutelectrocardiogramme drsquoun humain
1897 Cleacutement Ader ingeacutenieur eacutelectrique adapte un systegraveme drsquoamplification appeleacute galvanomegravetre agrave corde jusque lagrave utiliseacute pour les communications teacuteleacutegraphiques sous-marines
1903 Einthoven parvient agrave recueillir ces courants drsquoune maniegravere satisfaisante en utilisant un montage eacutelectrique rappelant le pont de Wheatstone
o II112 Introduction physiologique
Lrsquoeacutelectrocardiographie explore lrsquoactiviteacute eacutelectrique du cœur par enregistrement des eacutelectrocardiogrammes traceacutes bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel eacutelectrique induites dans les diffeacuterents points du corps par le cœur en activiteacute Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont doteacutees de proprieacuteteacutes speacuteciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir meacutecanique de contraction et lrsquoactiviteacute eacutelectrique rythmique elle-mecircme lieacutee agrave des deacuteplacements ioniques agrave travers la membrane des cellules
La deacutepolarisation tregraves brusque se maintient environ durant 03 secondes puis est suivie aussitocirct de la repolarisation qui reacutetablira les charges eacutelectriques initiales Elle se propage rapidement de proche en proche aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centiegravemes de seconde environ Cependant comme la repolarisation est beaucoup plus lente la dureacutee totale de lrsquoactivation de la masse cardiaque est de lrsquoordre de 40 centiegravemes de seconde Lrsquoeacutetat de repos eacutelectrique dure environ 60 centiegravemes de seconde Ainsi le rythme de lrsquoactiviteacute du cœur est de 60 agrave 80 activations par minute au repos [2]
Lrsquoeacutelectrocardiographie consiste agrave recueillir au niveau de la peau ces courants drsquoactiviteacutes de la fibre musculaire cardiaque agrave les amplifier puis les enregistrer
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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[8] httpwwwuniversaliscom
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Figure 1-2 repreacutesentation scheacutematique de diffeacuterentes courbes du potentiel drsquoaction [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 132]
La forme du potentiel daction varie selon le tissu consideacutereacute Son amplitude crecircte-agrave-crecircte est de 100 agrave 120 mV La phase de deacutepolarisation est la plupart du temps rapide ou tregraves rapide La vitesse est agrave peu pregraves proportionnelle agrave la vitesse de conduction des tissus La phase rapide de deacutepolarisation est suivie dun plateau plus ou moins long et plus ou moins ample selon le tissu Le tissu nodal (cest-agrave-dire des noeuds sinusal et auriculo-ventriculaire) preacutesente contrairement aux autres une phase de deacutepolarisation lente Durant la phase de deacutepolarisation et une partie de la phase de repolarisation appeleacutee peacuteriode reacutefractaire les cellules sont inexcitables Ces caracteacuteristiques des cellules cardiaques contribuent agrave une bonne synchronisation des meacutecanismes de contraction de lensemble du muscle cardiaque
I22 Propagation de lrsquoexcitation
La transmission de lrsquoexcitation dans les fibres cardiaques srsquoeffectue de proche en proche Elle reacutesulte drsquoun flux de courant entre les cellules qui viennent drsquoecirctre activeacutees et les cellules adjacentes au repos Lrsquoexcitation qui est agrave lrsquoorigine du battement cardiaque prend naissance dans le nœud sinusal (ou noeud de Keith et Flack) Elle se propage de cellule agrave cellule dans toute la masse du muscle auriculaire pour produire la contraction des oreillettes Lexcitation atteint alors le nœud auriculo-ventriculaire (ou noeud dAschoff-Tawara cf figure 13)
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Figure 1-3 principales caracteacuteristiques du systegraveme de conduction dans un cœur humain SAN noeud sinusal (Keith et Flack) B branche anteacuterieure W branche meacutediane T branche posteacuterieure
AVN noeud auriculo-ventriculaire H faisceau de His LBB branche gauche RBB branche droite PF fibres de Purkinje [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 111]
Ce noeud a un rocircle de reacutegulateur Il impose agrave lrsquoonde de propagation un certain retard avant de la transmettre au faisceau de His Celui-ci transmet lrsquoexcitation aux ventricules plus preacuteciseacutement au Faisceau de His et aux fibres de Purkinje qui cheminent sur toute la surface interne des ventricules Le noeud auriculo-ventriculaire et le faisceau de His constituent le seul lien fonctionnel normal entre les eacutetages auriculaire et ventriculaire Gracircce au retard imposeacute par le noeud auriculo-ventriculaire les ventricules ne sont deacutepolariseacutes qursquoapregraves la fin de la contraction des oreillettes donc au moment ougrave les ventricules sont remplis La conduction dans le reacuteseau de Purkinje est tregraves rapide ce qui permet drsquoobtenir une contraction agrave peu pregraves simultaneacutee de lensemble des myocardes ventriculaires droit et gauche drsquoougrave une expulsion optimale du volume sanguin ventriculaire vers les artegraveres La repolarisation se produit ensuite de faccedilon plus lente
I 23 La commande rythmique du coeur Le coeur est un muscle caracteacuteriseacute par une activiteacute automatique spontaneacutee et reacuteguliegravere Le Coeur isoleacute bat agrave une freacutequence qursquoon appelle la freacutequence cardiaque idiopathique Elle est en moyenne de 70 battements par minute chez ladulte Cette freacutequence diminue avec lrsquoacircge et lrsquoentraicircnement physique Sur le coeur normal le noeud sinusal est soumis agrave une reacutegulation extra cardiaque qui a pour effet de reacuteduire la freacutequence cardiaque au repos et de lrsquoaugmenter au cours de lrsquoeffort physique Cette reacutegulation est assureacutee en grande partie par le systegraveme nerveux autonome
I 231 Le systegraveme nerveux autonome Le systegraveme nerveux autonome joue un rocircle cleacute dans la reacutegulation de lactiviteacute cardiaque de la freacutequence de la force des battements cardiaques de la pression arteacuterielle (dilatation ou vasoconstriction des vaisseaux sanguins) Il comprend deux systegravemes drsquoeffet inverses
I2311 Le systegraveme parasympathique Cest leacuteleacutement dominant de la reacutegulation de la freacutequence cardiaque chez lhomme Il permet le ralentissement de la freacutequence cardiaque
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I2312 Le systegraveme sympathique
Il est surtout relieacute aux processus qui impliquent une deacutepense deacutenergie Lorsque lorganisme est en homeacuteostasie la fonction principale du systegraveme sympathique est de combattre les effets du systegraveme parasympathique A linverse de la situation au repos lors dune tension extrecircme par exemple le systegraveme sympathique domine le systegraveme parasympathique surtout dans des situations de stress
I232 Le baroreacuteflexe
Larc baroreacuteflexe est un meacutecanisme de reacutetro-controcircle de la pression arteacuterielle par lequel toute modification de la pression arteacuterielle entraicircne une variation opposeacutee de la freacutequence cardiaque (baroreacuteflexe cardiaque) et des reacutesistances peacuteripheacuteriques (baroreacuteflexe vasomoteur) Ce reacutetro-controcircle a pour objectif de reacuteguler de faccedilon rapide leacutetat tensionnel du systegraveme circulatoire Il reacuteduit la labiliteacute tensionnelle et maintient en toutes circonstances le niveau de pression autour dune valeur moyenne
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II 1 PRESENTATION
[Extrait pris du livre de Lepeschkin E Electrocardiographie Moderne Baltimore Williams et Wilkins 195]
II11 Electrocardiogramme o II111 Historique
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qursquoun courant eacutelectrique accompagne chaque battement cardiaque [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier eacutelectrocardiogramme drsquoun humain
1897 Cleacutement Ader ingeacutenieur eacutelectrique adapte un systegraveme drsquoamplification appeleacute galvanomegravetre agrave corde jusque lagrave utiliseacute pour les communications teacuteleacutegraphiques sous-marines
1903 Einthoven parvient agrave recueillir ces courants drsquoune maniegravere satisfaisante en utilisant un montage eacutelectrique rappelant le pont de Wheatstone
o II112 Introduction physiologique
Lrsquoeacutelectrocardiographie explore lrsquoactiviteacute eacutelectrique du cœur par enregistrement des eacutelectrocardiogrammes traceacutes bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel eacutelectrique induites dans les diffeacuterents points du corps par le cœur en activiteacute Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont doteacutees de proprieacuteteacutes speacuteciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir meacutecanique de contraction et lrsquoactiviteacute eacutelectrique rythmique elle-mecircme lieacutee agrave des deacuteplacements ioniques agrave travers la membrane des cellules
La deacutepolarisation tregraves brusque se maintient environ durant 03 secondes puis est suivie aussitocirct de la repolarisation qui reacutetablira les charges eacutelectriques initiales Elle se propage rapidement de proche en proche aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centiegravemes de seconde environ Cependant comme la repolarisation est beaucoup plus lente la dureacutee totale de lrsquoactivation de la masse cardiaque est de lrsquoordre de 40 centiegravemes de seconde Lrsquoeacutetat de repos eacutelectrique dure environ 60 centiegravemes de seconde Ainsi le rythme de lrsquoactiviteacute du cœur est de 60 agrave 80 activations par minute au repos [2]
Lrsquoeacutelectrocardiographie consiste agrave recueillir au niveau de la peau ces courants drsquoactiviteacutes de la fibre musculaire cardiaque agrave les amplifier puis les enregistrer
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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Figure 1-3 principales caracteacuteristiques du systegraveme de conduction dans un cœur humain SAN noeud sinusal (Keith et Flack) B branche anteacuterieure W branche meacutediane T branche posteacuterieure
AVN noeud auriculo-ventriculaire H faisceau de His LBB branche gauche RBB branche droite PF fibres de Purkinje [extrait de Macfarlane Comprehensive electrocardiology NY 1989 p 111]
Ce noeud a un rocircle de reacutegulateur Il impose agrave lrsquoonde de propagation un certain retard avant de la transmettre au faisceau de His Celui-ci transmet lrsquoexcitation aux ventricules plus preacuteciseacutement au Faisceau de His et aux fibres de Purkinje qui cheminent sur toute la surface interne des ventricules Le noeud auriculo-ventriculaire et le faisceau de His constituent le seul lien fonctionnel normal entre les eacutetages auriculaire et ventriculaire Gracircce au retard imposeacute par le noeud auriculo-ventriculaire les ventricules ne sont deacutepolariseacutes qursquoapregraves la fin de la contraction des oreillettes donc au moment ougrave les ventricules sont remplis La conduction dans le reacuteseau de Purkinje est tregraves rapide ce qui permet drsquoobtenir une contraction agrave peu pregraves simultaneacutee de lensemble des myocardes ventriculaires droit et gauche drsquoougrave une expulsion optimale du volume sanguin ventriculaire vers les artegraveres La repolarisation se produit ensuite de faccedilon plus lente
I 23 La commande rythmique du coeur Le coeur est un muscle caracteacuteriseacute par une activiteacute automatique spontaneacutee et reacuteguliegravere Le Coeur isoleacute bat agrave une freacutequence qursquoon appelle la freacutequence cardiaque idiopathique Elle est en moyenne de 70 battements par minute chez ladulte Cette freacutequence diminue avec lrsquoacircge et lrsquoentraicircnement physique Sur le coeur normal le noeud sinusal est soumis agrave une reacutegulation extra cardiaque qui a pour effet de reacuteduire la freacutequence cardiaque au repos et de lrsquoaugmenter au cours de lrsquoeffort physique Cette reacutegulation est assureacutee en grande partie par le systegraveme nerveux autonome
I 231 Le systegraveme nerveux autonome Le systegraveme nerveux autonome joue un rocircle cleacute dans la reacutegulation de lactiviteacute cardiaque de la freacutequence de la force des battements cardiaques de la pression arteacuterielle (dilatation ou vasoconstriction des vaisseaux sanguins) Il comprend deux systegravemes drsquoeffet inverses
I2311 Le systegraveme parasympathique Cest leacuteleacutement dominant de la reacutegulation de la freacutequence cardiaque chez lhomme Il permet le ralentissement de la freacutequence cardiaque
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I2312 Le systegraveme sympathique
Il est surtout relieacute aux processus qui impliquent une deacutepense deacutenergie Lorsque lorganisme est en homeacuteostasie la fonction principale du systegraveme sympathique est de combattre les effets du systegraveme parasympathique A linverse de la situation au repos lors dune tension extrecircme par exemple le systegraveme sympathique domine le systegraveme parasympathique surtout dans des situations de stress
I232 Le baroreacuteflexe
Larc baroreacuteflexe est un meacutecanisme de reacutetro-controcircle de la pression arteacuterielle par lequel toute modification de la pression arteacuterielle entraicircne une variation opposeacutee de la freacutequence cardiaque (baroreacuteflexe cardiaque) et des reacutesistances peacuteripheacuteriques (baroreacuteflexe vasomoteur) Ce reacutetro-controcircle a pour objectif de reacuteguler de faccedilon rapide leacutetat tensionnel du systegraveme circulatoire Il reacuteduit la labiliteacute tensionnelle et maintient en toutes circonstances le niveau de pression autour dune valeur moyenne
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II 1 PRESENTATION
[Extrait pris du livre de Lepeschkin E Electrocardiographie Moderne Baltimore Williams et Wilkins 195]
II11 Electrocardiogramme o II111 Historique
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qursquoun courant eacutelectrique accompagne chaque battement cardiaque [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier eacutelectrocardiogramme drsquoun humain
1897 Cleacutement Ader ingeacutenieur eacutelectrique adapte un systegraveme drsquoamplification appeleacute galvanomegravetre agrave corde jusque lagrave utiliseacute pour les communications teacuteleacutegraphiques sous-marines
1903 Einthoven parvient agrave recueillir ces courants drsquoune maniegravere satisfaisante en utilisant un montage eacutelectrique rappelant le pont de Wheatstone
o II112 Introduction physiologique
Lrsquoeacutelectrocardiographie explore lrsquoactiviteacute eacutelectrique du cœur par enregistrement des eacutelectrocardiogrammes traceacutes bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel eacutelectrique induites dans les diffeacuterents points du corps par le cœur en activiteacute Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont doteacutees de proprieacuteteacutes speacuteciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir meacutecanique de contraction et lrsquoactiviteacute eacutelectrique rythmique elle-mecircme lieacutee agrave des deacuteplacements ioniques agrave travers la membrane des cellules
La deacutepolarisation tregraves brusque se maintient environ durant 03 secondes puis est suivie aussitocirct de la repolarisation qui reacutetablira les charges eacutelectriques initiales Elle se propage rapidement de proche en proche aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centiegravemes de seconde environ Cependant comme la repolarisation est beaucoup plus lente la dureacutee totale de lrsquoactivation de la masse cardiaque est de lrsquoordre de 40 centiegravemes de seconde Lrsquoeacutetat de repos eacutelectrique dure environ 60 centiegravemes de seconde Ainsi le rythme de lrsquoactiviteacute du cœur est de 60 agrave 80 activations par minute au repos [2]
Lrsquoeacutelectrocardiographie consiste agrave recueillir au niveau de la peau ces courants drsquoactiviteacutes de la fibre musculaire cardiaque agrave les amplifier puis les enregistrer
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
30
PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
31
bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
32
III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
33
CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
34
35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
37
La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
38
include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
50
51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
52
Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
53
Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
54
V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
55
V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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I2312 Le systegraveme sympathique
Il est surtout relieacute aux processus qui impliquent une deacutepense deacutenergie Lorsque lorganisme est en homeacuteostasie la fonction principale du systegraveme sympathique est de combattre les effets du systegraveme parasympathique A linverse de la situation au repos lors dune tension extrecircme par exemple le systegraveme sympathique domine le systegraveme parasympathique surtout dans des situations de stress
I232 Le baroreacuteflexe
Larc baroreacuteflexe est un meacutecanisme de reacutetro-controcircle de la pression arteacuterielle par lequel toute modification de la pression arteacuterielle entraicircne une variation opposeacutee de la freacutequence cardiaque (baroreacuteflexe cardiaque) et des reacutesistances peacuteripheacuteriques (baroreacuteflexe vasomoteur) Ce reacutetro-controcircle a pour objectif de reacuteguler de faccedilon rapide leacutetat tensionnel du systegraveme circulatoire Il reacuteduit la labiliteacute tensionnelle et maintient en toutes circonstances le niveau de pression autour dune valeur moyenne
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II 1 PRESENTATION
[Extrait pris du livre de Lepeschkin E Electrocardiographie Moderne Baltimore Williams et Wilkins 195]
II11 Electrocardiogramme o II111 Historique
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qursquoun courant eacutelectrique accompagne chaque battement cardiaque [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier eacutelectrocardiogramme drsquoun humain
1897 Cleacutement Ader ingeacutenieur eacutelectrique adapte un systegraveme drsquoamplification appeleacute galvanomegravetre agrave corde jusque lagrave utiliseacute pour les communications teacuteleacutegraphiques sous-marines
1903 Einthoven parvient agrave recueillir ces courants drsquoune maniegravere satisfaisante en utilisant un montage eacutelectrique rappelant le pont de Wheatstone
o II112 Introduction physiologique
Lrsquoeacutelectrocardiographie explore lrsquoactiviteacute eacutelectrique du cœur par enregistrement des eacutelectrocardiogrammes traceacutes bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel eacutelectrique induites dans les diffeacuterents points du corps par le cœur en activiteacute Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont doteacutees de proprieacuteteacutes speacuteciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir meacutecanique de contraction et lrsquoactiviteacute eacutelectrique rythmique elle-mecircme lieacutee agrave des deacuteplacements ioniques agrave travers la membrane des cellules
La deacutepolarisation tregraves brusque se maintient environ durant 03 secondes puis est suivie aussitocirct de la repolarisation qui reacutetablira les charges eacutelectriques initiales Elle se propage rapidement de proche en proche aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centiegravemes de seconde environ Cependant comme la repolarisation est beaucoup plus lente la dureacutee totale de lrsquoactivation de la masse cardiaque est de lrsquoordre de 40 centiegravemes de seconde Lrsquoeacutetat de repos eacutelectrique dure environ 60 centiegravemes de seconde Ainsi le rythme de lrsquoactiviteacute du cœur est de 60 agrave 80 activations par minute au repos [2]
Lrsquoeacutelectrocardiographie consiste agrave recueillir au niveau de la peau ces courants drsquoactiviteacutes de la fibre musculaire cardiaque agrave les amplifier puis les enregistrer
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
28
29
III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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II 1 PRESENTATION
[Extrait pris du livre de Lepeschkin E Electrocardiographie Moderne Baltimore Williams et Wilkins 195]
II11 Electrocardiogramme o II111 Historique
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qursquoun courant eacutelectrique accompagne chaque battement cardiaque [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier eacutelectrocardiogramme drsquoun humain
1897 Cleacutement Ader ingeacutenieur eacutelectrique adapte un systegraveme drsquoamplification appeleacute galvanomegravetre agrave corde jusque lagrave utiliseacute pour les communications teacuteleacutegraphiques sous-marines
1903 Einthoven parvient agrave recueillir ces courants drsquoune maniegravere satisfaisante en utilisant un montage eacutelectrique rappelant le pont de Wheatstone
o II112 Introduction physiologique
Lrsquoeacutelectrocardiographie explore lrsquoactiviteacute eacutelectrique du cœur par enregistrement des eacutelectrocardiogrammes traceacutes bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel eacutelectrique induites dans les diffeacuterents points du corps par le cœur en activiteacute Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont doteacutees de proprieacuteteacutes speacuteciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir meacutecanique de contraction et lrsquoactiviteacute eacutelectrique rythmique elle-mecircme lieacutee agrave des deacuteplacements ioniques agrave travers la membrane des cellules
La deacutepolarisation tregraves brusque se maintient environ durant 03 secondes puis est suivie aussitocirct de la repolarisation qui reacutetablira les charges eacutelectriques initiales Elle se propage rapidement de proche en proche aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centiegravemes de seconde environ Cependant comme la repolarisation est beaucoup plus lente la dureacutee totale de lrsquoactivation de la masse cardiaque est de lrsquoordre de 40 centiegravemes de seconde Lrsquoeacutetat de repos eacutelectrique dure environ 60 centiegravemes de seconde Ainsi le rythme de lrsquoactiviteacute du cœur est de 60 agrave 80 activations par minute au repos [2]
Lrsquoeacutelectrocardiographie consiste agrave recueillir au niveau de la peau ces courants drsquoactiviteacutes de la fibre musculaire cardiaque agrave les amplifier puis les enregistrer
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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II 1 PRESENTATION
[Extrait pris du livre de Lepeschkin E Electrocardiographie Moderne Baltimore Williams et Wilkins 195]
II11 Electrocardiogramme o II111 Historique
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qursquoun courant eacutelectrique accompagne chaque battement cardiaque [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier eacutelectrocardiogramme drsquoun humain
1897 Cleacutement Ader ingeacutenieur eacutelectrique adapte un systegraveme drsquoamplification appeleacute galvanomegravetre agrave corde jusque lagrave utiliseacute pour les communications teacuteleacutegraphiques sous-marines
1903 Einthoven parvient agrave recueillir ces courants drsquoune maniegravere satisfaisante en utilisant un montage eacutelectrique rappelant le pont de Wheatstone
o II112 Introduction physiologique
Lrsquoeacutelectrocardiographie explore lrsquoactiviteacute eacutelectrique du cœur par enregistrement des eacutelectrocardiogrammes traceacutes bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel eacutelectrique induites dans les diffeacuterents points du corps par le cœur en activiteacute Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont doteacutees de proprieacuteteacutes speacuteciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir meacutecanique de contraction et lrsquoactiviteacute eacutelectrique rythmique elle-mecircme lieacutee agrave des deacuteplacements ioniques agrave travers la membrane des cellules
La deacutepolarisation tregraves brusque se maintient environ durant 03 secondes puis est suivie aussitocirct de la repolarisation qui reacutetablira les charges eacutelectriques initiales Elle se propage rapidement de proche en proche aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centiegravemes de seconde environ Cependant comme la repolarisation est beaucoup plus lente la dureacutee totale de lrsquoactivation de la masse cardiaque est de lrsquoordre de 40 centiegravemes de seconde Lrsquoeacutetat de repos eacutelectrique dure environ 60 centiegravemes de seconde Ainsi le rythme de lrsquoactiviteacute du cœur est de 60 agrave 80 activations par minute au repos [2]
Lrsquoeacutelectrocardiographie consiste agrave recueillir au niveau de la peau ces courants drsquoactiviteacutes de la fibre musculaire cardiaque agrave les amplifier puis les enregistrer
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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o II113 Utilisation meacutedicale
Les renseignements eacutecrits fournis par lrsquoeacutelectrocardiogramme sont de ce type
fig1 Traceacute drsquoun eacutelectrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire QRS = onde ventriculaire rapide ou de deacutepolarisation Q = premiegravere onde neacutegative R premiegravere onde positive S = premiegravere ondeacute neacutegative suivant une onde positive ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
- Lrsquoonde P elle repreacutesente la deacutepolarisation auriculaire Sa dureacutee est de lrsquoordre de 90 ms Cest une onde positive dont lamplitude est normalement infeacuterieure ou eacutegale agrave 02 mV - Le complexe QRS il correspond agrave la deacutepolarisation ventriculaire preacuteceacutedent lrsquoeffet meacutecanique de contraction Sa dureacutee normale est comprise entre 85 et 95 ms - Lrsquoonde T elle correspond agrave la repolarisation des ventricules Londe T normale agrave une amplitude plus faible que le complexe QRS Lintervalle PR
mesure la dureacutee entre le deacutebut de londe P et le deacutebut de Q ou de R Sa dureacutee est comprise entre 120 et 180 ms La phase de repolarisation ST-T est beaucoup plus longue (300-400 ms) que la phase de deacutepolarisation ventriculaire (85-95 ms) La phase de repolarisation auriculaire nrsquoapparaicirct pas sur lrsquoECG car elle est noyeacutee dans le complexe QRS
Il vient ensuite une phase drsquointerpreacutetation des traceacutes obtenus tregraves deacutelicate qui demande une connaissance preacutecise de la meacutedecine Lrsquoeacutelectrocardiogramme est utiliseacute pour suivre les modifications de volume des caviteacutes les troubles du rythme et les affections coronariennes Il est parfois neacutecessaire de recourir agrave des eacutepreuves drsquoeffort (ECG drsquoeffort) pour le rendre plus
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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sensible Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont freacutequentes lrsquoeacutelectrocardiographe est un appareil tregraves souvent utiliseacute
II2 ELECTROCARDIOGRAPHIE
Depuis le premier appareil du deacutebut du siegravecle lrsquoeacutelectrocardiographe a eacutevolueacute en
adoptant au fur et agrave mesure les technologies drsquoactualiteacute Ainsi le signal analogique entraicircnant une aiguille est devenu numeacuterique exploiteacute par logiciel et transmis sur papier par lrsquointermeacutediaire drsquoune imprimante
II21 Principe de fonctionnement
Lrsquoeacutelectrocardiographie (ECG) consiste agrave recueillir les variations du potentiel eacutelectrique agrave les amplifier puis les enregistrer Les signaux capteacutes eacutetant particuliegraverement faibles des amplificateurs de hautes performances (gain lineacuteariteacute diffeacuterentialiteacute minimum de bruit de fond) sont souvent neacutecessaires
Sauf pour des eacutetudes particuliegraveres portant sur les aspects eacutenergeacutetiques de lrsquoeacutelectrogeacutenegravese on ne srsquointeacuteresse guegravere agrave la puissance des geacuteneacuterateurs bioeacutelectriques ni aux courant qursquoils deacutebitent On a soin au contraire de rendre neacutegligeable le courant extrait par lrsquoinstrument de mesure qui doit ecirctre par conseacutequent agrave tregraves haute impeacutedance drsquoentreacutee de telle sorte que les pheacutenomegravenes biologiques ne soient pas perturbeacutes par la mesure
II22 Appareillage
Actuellement il existe des eacutelectrocardiographes modernes tregraves sophistiqueacutes Ils se preacutesentent sous la forme drsquoappareils compacts inteacutegrant de nombreuses fonctions En effet ces appareils comportaient un eacutecran agrave cristaux liquides une dizaine de deacuterivations une imprimante un logiciel drsquoexploitation des reacutesultats et une possibiliteacute de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette ou de les transmettre sur une ligne teacuteleacutephonique et pouvaient aussi controcircler une eacutepreuve drsquoeffort
II23 Electrocardiogramme ambulatoire de Holter
Lrsquoenregistrement eacutelectrocardiographique ambulatoire fut mis au point par Holter [Hol 61] en 1961 Ce type drsquoenregistrement est surtout employeacute pour deacutetecter lrsquoapparition drsquoarythmies et la modification du segment ST-T sur une dureacutee de 24 heures Les eacutelectrodes utiliseacutees sont comme pour tous les ECG des eacutelectrodes en AgAgCl Une preacuteparation de la peau est neacutecessaire afin de limiter les interfeacuterences geacuteneacutereacutees par lrsquointerface peau-eacutelectrode Des recommandations lieacutees au choix des voies enregistreacutees lors de lrsquoacquisition des ECG Holter ont fait lobjet drsquoun article publieacute par lrsquoAmerican Heart Association (AHA) [She 851] Les enregistreurs sont soit analogiques (bande magneacutetique) soit numeacuteriques Linconveacutenient majeur des systegravemes numeacuteriques eacutetait jusquagrave tregraves reacutecemment leur manque de reacutesolution lieacute agrave lutilisation dalgorithmes de compression numeacuterique permettant de stocker les donneacutees dans des meacutemoires solides dont la capaciteacute est limiteacutee agrave quelques meacutega-octets Pour avoir des performances comparables agrave celles des enregistreurs il faudrait des capaciteacutes denviron 80 Mo pour pouvoir stocker 24 heures sur trois voies avec une reacutesolution acceptable Leacutevolution technologique permet denvisager de disposer de telles capaciteacutes dans un avenir proche (meacutemoires Flash ou micro-disques)LrsquoECG Holter est reconnu comme un outil tregraves efficace pour le diagnostic des arythmies transitoires
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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II24Chaine drsquoacquisition de lrsquoECG par Micro-ordinateur [Extrait pris du site httpwwwuniversaliscom]
Le positionnement des eacutelectrodes drsquoacquisition de lrsquoECG-HR a eacutevolueacute en mecircme temps que les capaciteacutes et les limitations des outils de traitement Actuellement le systegraveme de deacuterivations recommandeacutees quoique empirique relegraveve dun consensus international preacuteconisant lutilisation de trois deacuterivations pseudo-orthogonales positionneacutees selon le scheacutema preacutesenteacute dans la figure suivante
Synoptique de la chaicircne drsquoacquisition drsquoun ECG-HR CAN convertisseur Analogiquenumeacuterique UC uniteacute centrale [extrait de Gomes JA Signal Averaged
Electrocardiography NY 1993 p 51]
II25 Electrodes
Un des principaux inteacuterecircts de lrsquoeacutelectrocardiogramme est qursquoil nrsquoest pas traumatisant crsquoest agrave dire qursquoil ne neacutecessite pas drsquoopeacuteration chirurgicale ou drsquoanestheacutesie [3] Les eacutelectrodes de mesure sont donc simplement placeacutees agrave divers endroits du corps directement sur la peau
Lrsquoimportant pour ces eacutelectrodes est qursquoelles soient relativement inalteacuterables et impolarisables La plaque drsquoargent revecirctue drsquoune couche de chlorure drsquoargent (gel insoluble) sont des bonnes eacutelectrodes superficielles et les plus employeacutees (voir fig4)
fig4 Electrodes bipotentielles [4]
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
28
29
III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
49
IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
50
51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
52
Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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Eacutelectrode de meacutetal (argent principalement) gel de chlorure drsquoargent
Les eacutelectrodes employeacutees pour lrsquoeacutelectrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig5)
fig5 Taille reacuteelle environ 5 cm de longueur maximale
Celles ci sont jetables apregraves une unique utilisation
II26 Deacuterivations
On appelle deacuterivation un circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes Les eacutelectrodes sont positionneacutees agrave des endroits du corps bien deacutefinis Pour prendre un exemple simple consideacuterons les quatre deacuterivations utiliseacutees au deacutebut de lrsquoeacutelectrocardiographie illustreacutees sur la figure 6
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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29
III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
33
CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
34
35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
37
La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
54
V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
56
Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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Fig6 Placement des eacutelectrodes de base pour lrsquoeacutelectrocardiogramme
La jambe droite est geacuteneacuteralement mise agrave la masse On a alors pour chaque deacuterivation VI VII et VIII
VI=VL-VR
VII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors matheacutematiquement VI+VIII=VII Cette eacutequation est appeleacutee relation drsquoEinthoven
Mais les techniques utiliseacutees actuellement sont un peu plus complexes comme le deacutecrit la disposition montreacutee en figure 7 Six eacutelectrodes sont placeacutees dans la reacutegion du cœur Les six voies alors reacutecolteacutees sur lrsquoappareil sont la diffeacuterence entre chaque eacutelectrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)3 Ces voies provenant drsquoune reacutegion proche du cœur permettent de deacuteceler des petites malformations du muscle cardiaque
fig7 positionnement standard des 6 eacutelectrodes proches du cœur pour un releveacute de 10 deacuterivations
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II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
55
V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
61
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[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
21
II27 Traceacute des reacutesultats sur papier
Les premiers eacutelectrocardiogrammes provenaient drsquoun mouvement du stylet sur une bande papier qui deacuteroulait Aujourdrsquohui les traceacutes se font sur imprimantes les plus utiliseacutees eacutetant des modegraveles thermiques Typiquement les performances de ces imprimantes sont une vitesse de deacuteroulement du papier de 5 agrave 50 mms une preacutecision horizontale de 1000 ppp agrave 25mms une reacutesolution verticale de 200 ppp jusqursquoagrave 15 voies sur la mecircme bande de papier Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par lrsquoeacutelectrocardiogramme nous pouvons entrer dans lrsquoeacutelectronique associeacutee
II 3 Electronique associeacutee
La figure 8 est un diagramme drsquoun eacutelectrocardiogramme simple regroupant 4 deacuterivations
Sur les appareils modernes chaque eacutelectrode est connecteacutee agrave un tampon (buffer) agrave haute impeacutedance drsquoentreacutee (typiquement 100 MW) Le tampon supporte des hautes tensions pour proteacuteger les amplificateurs en cas drsquoeacutelectrochoc envoyeacute par un deacutefibrillateur par exemple Ces tampons ou au moins tout lrsquoeacutetage drsquoentreacutee sont alimenteacutes par une alimentation isoleacutee et stabiliseacutee dans le but de reacuteduire les risques de chocs eacutelectriques On trouve parfois une batterie pour cet usage
Le signal de mode commun peut ecirctre utiliseacute pour reacuteduire le bruit de mode commun par lrsquointermeacutediaire drsquoune reacutetroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le scheacutema ci dessus il est possible de choisir une deacuterivation particuliegravere gracircce au lsquolead-select switch and networkrsquo Il est agrave noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en mecircme temps
22
II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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BIBLIOGRAPHIE
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[3] httpwwwseassmuedu~cd
[4] httpwwwdspacede
[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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II 31 Amplificateur
Revenons agrave la fig8 une fois la voie seacutelectionneacutee le signal diffeacuterentiel est amplifieacute par un amplificateur diffeacuterentiel agrave hautes performances
Lrsquoamplificateur diffeacuterentiel sur chaque voie ressemble agrave ce modegravele
fig9 Amplificateur diffeacuterentiel [4]
On peut modifier le gain et lrsquooffset en faisant varier Rg et Rf
On a sur ce modegravele une formule donnant le
ougrave Ad repreacutesente lrsquoamplification de mode diffeacuterentiel et Ac lrsquoamplification de mode commun
La principale caracteacuteristique de celui-ci est un CMRR tregraves important vu que normalement le bruit est reacuteparti uniformeacutement sur toutes les eacutelectrodes
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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29
III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
50
51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
54
V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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fig10 Bruit parasite agrave 50 Hz [4]
Si Ac=0 le montage agrave amplificateur diffeacuterentiel va supprimer totalement le bruit de 50 Hz Crsquoest pourquoi on cherche agrave 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 donneacute agrave 130 dB minimum
II 32 Traitement du signal
II321 des ondes QRS Deacutetection
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques Des algorithmes ont eacuteteacute deacuteveloppeacute agrave cet effet [4] et ressemblent sur le principe agrave ceci
fig11 algorithme permettant la deacutetection des pics
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Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
34
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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BIBLIOGRAPHIE
[1] ALPHA tome 6 page 2157 eacuted Grange Bateliegravere
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24
Le signal sortant des amplificateurs est filtreacute par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caracteacuteristiques de transfert suivantes
Passe bas
Passe haut
On retrouve aussi dans le scheacutema un deacuterivateur une cellule qui eacutelegraveve le signal au carreacute un retardateur (delay) une porte ET deux comparateurs (renvoyant un signal TTL selon le niveau de lrsquoentreacutee par rapport agrave T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond agrave un filtre dont la sortie peut srsquoeacutecrire
ougrave Nw repreacutesente la longueur du moyennage On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant lsquo1rsquo quand un pic est deacutetecteacute (voir figure 12)
fig12 en haut signal ECG en bas deacutetection des battements cardiaques
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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II322 Numeacuterique
La manipulation sur ordinateur srsquoest geacuteneacuteraliseacutee pour une utilisation plus souple et plus efficace Cette opeacuteration neacutecessite des signaux eacutechantillonneacutes Lrsquoappareil que jrsquoai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultaneacutement avec un taux drsquoeacutechantillonnage de 4000 Hz Pour les calculs analytiques (deacutetection des battements pulsationhellip) lrsquoappareil utilise 250 eacutechantillons par secondes Le convertisseur analogique numeacuterique se place alors apregraves le dernier amplificateur diffeacuterentiel
Il faut aussi savoir qursquoil existe un ECG dit lsquoHaute Reacutesolutionrsquo qui eacutechantillonne agrave plus de 2 kHz avec un filtre agrave 400 Hz et un bit de poids faible qui repreacutesente moins de 25microV Lagrave se posent des problegravemes de bruit qursquoil faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener)
II 4 Evolution
Pour obtenir de meilleures analyses meacutedicales des nouvelles meacutethodes de classification des pulsations cardiaques ont eacuteteacute rechercheacutees Les diffeacuterences sont tellement fines que les paramegravetres de classification diffegraverent drsquoun patient agrave lrsquoautre Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette diffeacuterenciation Crsquoest pourquoi les chercheurs se sont orienteacutes assez reacutecemment sur le reacuteseau de neurones [7] Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne deacutevelopperais pas ici) de pouvoir apprendre Lrsquoideacutee est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions drsquoenregistrements drsquoECG contenant les deacutetections voulues Ces reacuteseaux de neurone permettront ainsi de reconnaicirctre ce qursquoon leur demande
II5 Stockage des donneacutees
Lrsquoeacutelectrocardiogramme haute reacutesolution moyenneacute peut ecirctre archiveacute sous diffeacuterentes formes Eacutedition sur un support papier (cf figure 1-12) visualiseacute sur un moniteur et stockeacute sur un disque dur ou sur une disquette Geacuteneacuteralement pour les enregistrements ECG-HR seule leacutedition papier est inseacutereacutee dans le dossier du patient Il est cependant inteacuteressant de noter que ces donneacutees comportant des informations cliniques et signaleacutetiques sur le patient ainsi que les Eacutelectrocardiogrammes des trois deacuterivations (signaux de dureacutee de 800 ms eacutechantillonneacutes agrave 1000 eacutechantillonss sur 16 bits) sont de plus en plus souvent stockeacutees eacutelectroniquement dans une base de donneacutees La taille dun enregistrement est denviron 5Ko
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
33
CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
34
35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
37
La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
50
51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
53
Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
54
V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
55
V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
56
Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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Figure 1-12 exemple de reacutesultat dune analyse de lECG-HR sur un patient avec TV (a) deacuterivation X (b) deacuterivation Y (c) deacuterivation Z (d) vecteur amplitude filtreacute entre 40 et 250 Hz
II6 CONCLUSION
Lrsquoeacutelectrocardiologie a beaucoup eacutevolueacute durant cette derniegravere deacutecennie Quelle que soit la meacutethode drsquoacquisition utiliseacutee elle reste un outil incontournable pour le diagnostic des troubles du rythme des infarctus et drsquoun grand nombre de pathologies cardiaques Si les meacutethodes drsquoacquisitions les plus anciennes telles que lrsquoECG agrave 12 deacuterivations et la meacutethode vectocardiographique conservent un attrait clinique important il apparaicirct que lrsquoeacutelectrocardiologie dite quantitative ouvre un nouveau champ dinvestigation en permettant de deacutecouvrir et de quantifier des pheacutenomegravenes eacutelectrocardiologiques de surface traduisant des anomalies fonctionnelles graves LECG-HR moyenneacute apparaicirct comme une technique majeure qui trouve de nombreuses applications cliniques telle que leacutevaluation de lefficaciteacute dun acte de chirurgie antiarythmique ou la preacutediction des TV chez les patients ayant subi un infarctus [Cai96]
Les informations preacutecises sur ces appareils sont difficiles agrave trouver Les constructeurs ont deacuteveloppeacute leurs solutions et eacutevitent de les deacutevoiler (ce qui peut se comprendre) De plus les avanceacutees de lrsquoeacutelectronique ont pousseacute les fabricants agrave inteacutegrer leurs circuits Ainsi la partie eacutelectronique pure de lrsquoappareil que jrsquoai pu voir (Max Personnal de Marquette socieacuteteacute ameacutericaine) se reacutesume agrave une carte inteacutegreacutee regroupant toutes les fonctionnaliteacutes de lrsquoappareil comme le controcircle de lrsquoaffichage de lrsquoimpression drsquoalimentation drsquoamplification de transfert de donneacutees si bien qursquoil est quasi impossible de retrouver les principes eacutelectroniques utiliseacutes
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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De plus les informations que jrsquoai pu trouver concernent des eacutevolutions
tregraves reacutecentes et par conseacutequent tregraves pointues Sur tous ces appareils meacutedicaux on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs eacutelectriques car on en connaicirct le risque Cette protection se fait par lrsquointermeacutediaire de tampons qui ont une impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (de lrsquoordre drsquoune centaine de meacutegohms)La lsquoreacutevolutionrsquo du numeacuterique a aussi toucheacute ces appareils qui peuvent deacutesormais faire quelques analyses comme la deacutetection drsquoun battement drsquoune seacutequence de classification une localisation plus preacutecisehellip Lrsquoenregistrement sur papier est encore pratiqueacute mais va certainement laisser la place agrave lrsquoaffichage graphique plus souple et assisteacute des fonctions de calcul de lrsquoordinateur De plus les enregistrements peuvent maintenant se faire agrave distance et cela permet au patient drsquoecirctre mieux suivi Ces appareils sont aujourdrsquohui toujours tregraves utiliseacutes en milieu hospitalier Toutes les ameacuteliorations apporteacutees agrave ceux ci rendent des services agrave de nombreux patients
La mesure des signaux et de lrsquoamplification est quelque peu eacutetablie contrairement au traitement du signal Dans ce domaine lrsquoarriveacutee du numeacuterique a permis drsquoentrer dans une autre dimension de par sa puissance et sa souplesse drsquoutilisation En effet les ordinateurs ont pu apporter leur rapiditeacute leur polyvalence leurs moyens de stockage et de communication et crsquoest pour cela qursquoon a deacuteveloppeacute un systegraveme drsquoacquisition de lrsquoECG par la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 permettant de numeacuteriser ce signal puis lui appliquer des outils de traitement de signal tregraves eacutevolueacutes en utilisant le logiciel SIMULINK de MATLAB et crsquoest ce qursquoon va deacutetailler dans les chapitres suivants
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
33
CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
34
35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
37
La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
50
51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
53
Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
54
V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
55
V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
56
Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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BIBLIOGRAPHIE
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[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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III1 Preacutesentation de la carte drsquoacquisition dSPACE DS1103
III11 Vue drsquoensemble du systegraveme
Introduction
La carte drsquoacquisition est un carte tregraves performante comportant plusieurs processeurs et dispose de nombreuses entreacutees et sorties analogiques ou numeacuteriques ainsi que des encodeurs increacutementaux pour la commande temps reacuteel de robots
Chaque processeur possegravede son compilateur C approprieacute (un pour PPC Motorola un pour Slave DSP de Texas-Instruments et un autre pour le Slave de SIEMENS)
La carte dispose aussi drsquoune barrette de meacutemoire RAM indeacutependante et qui peut ecirctre augmenteacutee Cette carte peut ecirctre inseacutereacutee au bus ISA de la carte megravere drsquoun ordinateur compatible IBM
PPC La carte drsquoacquisition DS1103 est un systegraveme baseacute sur le processeur Maicirctre (Master) Motorola 604e PPC (400MHZ clock) qui repreacutesente lrsquouniteacute de traitement principale
Uniteacutes drsquoEntreacuteeSortie Un ensemble de peacuteripheacuteriques a bord freacutequemment utiliseacute dans des systegravemes de commande numeacuterique a eacuteteacute ajouteacute au PPC Aussi bien que les convertisseurs AD et DA les ports numeacuteriques drsquoES lrsquo interface seacuterie PPC a aussi la commande des encodeurs increacutementaux qui permettent le deacuteveloppement des controcircleurs avanceacutes pour des robots avec jusqursquoa six joints
Le sous ensemble DSP DSP (Digital Signal Processing) est un processeur esclave (Slave) baseacute sur Texas Instruments TMS320F240 DSP est particuliegraverement conccedilu pour la commande des commandes eacutelectriques Parmi autres Les possibiliteacutes drsquoEntreacuteeSortie le DSP fournit la geacuteneacuteration triphaseacutee de PWM faisant un sous-ensemble utile pour des le controcircle et le guidage drsquoapplications
Le sous ensemble CAN Un autre sous-ensemble baseacute sur le microcontrocircleur de Siemens 80C164 (MC) est employeacute pour les connections entre les diffeacuterents ADC
Master PPC Slave DSP Slave MC Le PPC a accegraves au DSP et aux sous-ensembles des CAN Parleacute en termes de communication drsquointer processeur le PPC est le maicirctre tandis que les DSP et le CAN MC sont des esclaves
La figure suivante donne une vue drsquoensemble des uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
Uniteacutes fonctionnelles du tableau de controcircle de DS1103 PPC
ADC AnalogDigital Converters MC CAN Microcontroller 80C164 CAP Capture DAC DigitalAnalog Converters DPMEM Dual-Ported Memory DSP Digital Signal Processor TMS320F240 PPC Power PC 604e Processor
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PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
61
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30
PWM Pulse Width Modulation
figScheacutema synoptique de la carte DSPACE DS1103
III12Dispositifs drsquoentreacutee Sortie
La Conversion AD bull 4 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes en 4 voies chacun avec une reacutesolution de 16-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 4 micros
bull 4 convertisseurs AD avec 1 voie drsquoentreacutee pour chacun avec une reacutesolution de 12 bit et un temps drsquoeacutechantillonnage de 800 ns Slave DSP ADC bull 2 convertisseurs AD parallegraveles multiplexeacutes sur 8 voies chacun avec une reacutesolution de 10-bit et un temps drsquoeacutechantillonnage 6 micros
EntreacuteeSortie Numeacuterique bull 32-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise bull 19-bit inputoutput avec possibiliteacute de configuration bit-wise DA Conversion bull 2 convertisseurs DA avec 4 voies chacun et une reacutesolution de 14-bit Interface drsquoEncodeurs Increacutementaux
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
34
35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
50
51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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bull 1 voie analogique avec compteur 2238-bit bull 1 voie numeacuterique avec compteur 162432-bit bull 5 voies numeacuteriques avec compteur 24-bit Controcircleur drsquoInterruptions ES Seacuterie _ bull Interface UART standard pouvant ecirctre configureacutee alternativement en mode RS-232 ou RS-422 mode
III13 Exemples drsquoapplications typiques de la DS1103
Les systegravemes dSPACE sont utiliseacutes partout ougrave des systegravemes de controcircle meacutecatroniques rapides sont conccedilus et testeacutes Dans ces pages vous verrez comment optimiser votre processus de deacuteveloppement avec dSPACE et quelques exemples de clients qui lrsquoont deacutejagrave fait avec succegraves
Un deacuteveloppement permanent duniteacutes de controcircle en ingeacutenierie automobile avec fonction de prototypage de fonctions impleacutementation sur calculateurs et test de calculateurs
Deacuteveloppement de reacutegulateur pour applications meacutecatroniques dans le domaine de la technique des entraicircnements de laeacuteronautique et de lespace ainsi que la robotique
Les 9000 systegravemes et plus installeacutes dans le monde entier parlent deux-mecircmes - tout comme notre liste de clients de A comme Audi agrave Z comme ZF
Les produits polyvalents de dSPACE sont utiliseacutes dans de nombreux domaines dapplication tregraves divers les exemples suivants montrent lampleur de leur succegraves
dSPACE Prototyper
TRW Automotive Deacuteveloppement de systegravemes de freinage brake-by-wire
DaimlerChrysler Deacuteveloppement de suspension active
Universiteacute de Paderborn Deacuteveloppement dun entraicircnement magneacutetique pour veacutehicules sur rails
TargetLink
Cars Volvo Chaicircne doutils agrave base de modegraveles
Nord-Micro Reacutegulation de la pression dans la cabine davion
dSPACE Simulator
Audi Simulation de la chaicircne cineacutematique complegravete
Opel Test duniteacutes de controcircle de lhabitacle
Siemens Test dune reacutegulation pour turbines agrave gaz
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
34
35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
40
La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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III14 Preacutesentation des diffeacuterents composants de la carte DS1103
Emplacement de la carte
-La carte drsquoacquisition est directement enfichable au Slot ISA de la carte megravere drsquoun PC il faut aussi preacutevoir 3 brackets libres pour le triple connecteur (P1 P2 P3) [voir fig1]
fig1Emplacement de la carte DSPACE DS1103
III15Le Panneau de Connexion CP1103 et drsquoindicateurs LED CLP1103
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs agrave relier agrave eux Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournit en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques connecteacutes au panneau drsquoacquisition [Voir fig2 et fig3]
CP 1103 (Panneau de connexions)
Le panneau de connexion CP1103 fournit les raccordements faciles agrave utiliser entre le tableau de controcircle de DS1103 PPC et les dispositifs relieacutes agrave lui Des dispositifs peuvent ecirctre individuellement relieacutes deacutebrancheacutes ou eacutechangeacutes sans soudure (liaison physique) Ceci simplifie la construction du systegraveme examinant et deacutepannant
fig2Panneau de connexions CP1103
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CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
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35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
55
V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
33
CLP 1103 (Panneau drsquoindicateurs LED)
Le connecteur et le panneau CLP1103 de LED fournissent en plus une rangeacutee de LED indiquant les eacutetats des signaux numeacuteriques Les Signaux actifs de niveaux bas ne sont pas indiqueacutes sur le panneau plan Les LED ne montrent pas le statut actif du signal mais montrent le niveau de TTL agrave la place (TTL haute - gt la LED est allumeacutee TTL basse - gt la LED est eacuteteinte) Le CLP1103 est eacutequipeacute de 92 LED qui indiquent les eacutetats des signaux numeacuteriques Pour les signaux par accroissement de sonde il y a des amortisseurs avec de veacuteritables entreacutees diffeacuterentielles La puissance exigeacutee pour courir la LED est prise de la tension dalimentation (VCC) du DS1103
fig3Panneau drsquoindicateurs LED CLP1103
III2Datasheets de DSPACE DS1103
34
35
-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
36
IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
37
La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
38
include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
39
La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
40
La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
46
fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
47
IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
50
51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
53
Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
54
V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
55
V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
56
Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
57
Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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-005
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1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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-005
0
005
01
015
1 177 353 529 705 881 1057 1233 1409
Signal (ECG) recueilli par DSPACE DS1103
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
61
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IV Preacuteface
Dans ce chapitre nous allons deacutetailler les principales meacutethodes utiliseacutees lors de la programmation des diffeacuterents ports drsquoentreacuteessorties afin de pouvoir lancer une acquisition et le filtrage en temps reacuteel drsquoun ou plusieurs signaux physiologiques comme lrsquoECG le PCGlrsquoUCG lrsquoEEGlrsquoEMGla Pression arteacuteriellela capaciteacute pulmonaire hellip Puisque notre eacutetude est fondeacutee sur le recueil du signal Electrocardiogramme alors nous avons utiliseacute qursquoune seule entreacutee Analogique qui est celle du Convertisseur Analogique Digital Multiplexeacute ADC1 du panneau de controcircle de la carte DSPACE DS1103
IV 1Les diffeacuterentes Meacutethodes de programmation temps reacuteel de la carte DS1103
Pour programmer la DS1103 nous pouvons utiliser diffeacuterentes meacutethodes seulement il faut respecter certains paramegravetres pour empecirccher les difficulteacutes drsquoutilisation de ce prototype Il faut donc drsquoabord
se familiariser avec lrsquoenvironnement de controcircle de la carte DSPACE
apprendre a maicirctriser convenablement le logiciel de la carte appeleacute laquo CONTROLDESK raquo
apprendre agrave configurer et manipuler les diffeacuterents outils drsquoacquisition de commande et de traitement comme les compilateurs C lrsquoenvironnement SIMULINK de MATLAB ou aussi les scripts du langage PYTHON
IV11Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C
Cette meacutethode est freacutequemment employeacutee par les utilisateurs expeacuterimenteacutes tel que les informaticiens elle est aussi adopteacutee lorsqursquoon nrsquoutilise pas trop de fonctions matheacutematiques comme le traitement du signal sinon la taille du programme risquerait drsquoecirctre trop longue drsquoougrave la programmation manuelle devient encombrante et perdant beaucoup de temps
IV12Compilateurs C de DSPACE
Pour pouvoir compiler et exeacutecuter un programme en C pour lrsquoenvironnement DSPACE DS1103 deux compilateurs sont disponibles
IV121 Compilateur Microtec PPC pour Processeur Motorola PowerPC
Ce compilateur permet de compiler un programme en langage C utilisant le Processeur MOTOROLA PPC de DSPACE sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDOS alors une liste drsquoinstructions et de proceacutedures permettant drsquoacceacuteder directement aux entreacutees sorties de la carte drsquoacquisition est livreacutee avec documentation de la DSPACE Ces fonctions utilisent des bibliothegraveques et des librairies speacuteciales puisque le programme en C doit ecirctre drsquoabord traduit en langage machine cest-agrave-dire en assembleur en employant les instructions du processeur MOTOROLA PowerPC 604e
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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La commande DOWN1103 qui se trouve dans le reacutepertoire DSPACEEXE compile exeacutecute geacutenegravere et charge le programme en C puis lance lrsquoexpeacuterimentation ou la simulation en temps reacuteel selon le scheacutema de principe suivant (fig1)
fig1pricipe geacuteneacuteral de compilation du programme
IV122Compilateur C TMS320C3xC4x pour processeur Slave DSP (Digital Signal Processor) Texas Instruments
De la mecircme faccedilon que la preacuteceacutedente on utilise ce compilateur qui approprieacute au deuxiegraveme processeur de traitements numeacuteriques de Texas Instruments ce processeur est destineacute au controcircle des entreacutees sorties Numeacuteriques (Digital InputOutput) et a cet effet une autre librairie est livreacutee avec la documentation de la DSPACE pour lrsquoutilisation des fonctions sous processeur DSP Texas Instruments
IV13Programme C drsquoacquisition du signal ECG
Dans ce paragraphe on va deacutecrire la meacutethode permettant de programmer manuellement le code en C pour pouvoir acqueacuterir 1 signal analogique depuis lrsquoADC1 multiplexeacute drsquoune reacutesolution de 16-bit une freacutequence drsquoeacutechantillonnage de 250 KHz et un temps drsquoacquisition de 4micros (type ADC a approximations successives) Drsquoabord il faut eacutediter le programme en langage C Voici lrsquoexemple du programme drsquoacquisition READECGC
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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include ltBrtenvhgt
define DT 10e-3 1ms pas entre les eacutechantillons (peacuteriode drsquoeacutechantillonnage) define NINPUTS 2 nombre drsquoentreacutees analogiques
variables pour ControlDesk Float64 u[NINPUTS] Float64 exec_time temps drsquoexeacutecution
void isr_timerA(void)
RTLIB_SRT_ISR_BEGIN() veacuterification srsquoil yrsquoen a drsquoautres acquisitions en cours host_service(1 0) service ControlDesk
RTLIB_TIC_START() deacuteclenchement de la mesure du temps
ds1103_adc_start(DS1103_ADC1) lire du convertisseur 1 canal 1 ds1103_adc_read (1 ampu[0]) exec_time = RTLIB_TIC_READ()
RTLIB_SRT_ISR_END()
void main(void) Int16 temperature
initialisation de ds1103 init() attribue le multiplexeur 1 (convertisseur 1) au canal 1
ds1103_adc_mux_all(1)
RTLIB_TIC_DELAY(20e-6)
RTLIB_SRT_START(DT isr_timerA)
tache de fond while(1) RTLIB_BACKGROUND_SERVICE()
ecrit la tempeacuterature du CPU en section de configuration ds1103_cpu_temp_read(amptemperature)
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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[4] httpwwwdspacede
[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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La deuxiegraveme eacutetape est de concevoir manuellement le fichier SDF (System Descriptor File) permettant de regrouper tous les fichiers geacuteneacutereacutes par le compilateur dans le reacutepertoire ougrave le programme C est stockeacute puis les exeacutecuter ce fichier srsquoencharge de tout lors du lancement drsquoune acquisition Voici lrsquoexemple de READECGSDF
[RTP] Processeur temps reacuteel Type=DS1103 modegravele de la carte drsquoacquisition DSPACE BoardName=ds1103 nom de la carte File= READECGppc fichier compile en langage machine pour Motorola PowerPC TraceFile= READECGtrc fichier comportant les variables [System] Version=10 Status=Start RTP=RTP SystemType=SingleProcessorSystem utilisation drsquoun seul processeur de la carte
La troisiegraveme eacutetape consiste agrave eacutediter le programme permettant de geacuteneacuterer les signaux drsquoentreacutee ou de sortie comme les diffeacuterentes variables employeacutees dans notre programme en C Donc nous sommes obligeacutes de programmer le fichier READECGTRC lrsquoextension TRC indique que crsquoest un fichier regroupant les variables qursquoon voudrait visualiser sous le Plotter du logiciel CONTROLDESK Voici lrsquoexemple de READECGTRC
sampling_period = 10E-3 peacuteriode drsquoeacutechantillonnage en secondes _floating_point_type(64IEEE) type de la variable _integer_type(32) type de la variable -- TRACE signals signaux a tracer -- -- signal name type address group Signals u[0] flt variable stockeacutee en tableau de la variable u adc_1 renames u[0] renomme une variable par un autre nom endgroup group Execution exec_time flt
endgroup
u est la donneacutee (variable) lue par lrsquo ADC1
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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BIBLIOGRAPHIE
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[3] httpwwwseassmuedu~cd
[4] httpwwwdspacede
[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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La quatriegraveme eacutetape est la compilation des programmes eacutediteacutes
READECG C READECGSDF READECGTRC
Apregraves la compilation du programme READECGC par lrsquoinstruction DOWN1103 de lrsquointerpreacuteteur de commandes MSDSOS trois autres fichiers sont geacuteneacutereacutes par le compilateur C de Microtec PPC READECGPPC exeacutecutable pour le processeur temps-reacuteel Motorola PowerPc dans
DS1103 READECGCDD ControlDesk Description file contenant la description de
lrsquoexpeacuterimentation
La derniegravere eacutetape consiste a creacuteer lrsquointerface graphique LAY permettant de visualiser notre signal eacutelectrocardiogramme sous le logiciel drsquoexpeacuterimentation CONTROLDESK Automation approprieacute agrave la DS1103
Voici un exemple de lrsquointerface graphique READECGLAY que nous avions creacuteeacute pour la visualisation et le controcircle de lrsquoacquisition (Voir fig2)
fig2interface graphique de visualisation des signaux
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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BIBLIOGRAPHIE
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[3] httpwwwseassmuedu~cd
[4] httpwwwdspacede
[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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Apregraves avoir lanceacute lrsquoacquisition sous CONTROLDESK et activeacute le mode ANIMATION il faut donc associer chaque variable agrave son endroit par exemple si u[1] est la variable qui contient le signal de lrsquoADC1il faut lrsquoattribuer au PLOTTEUR de visualisation ou bien si P deacutesigne la variable de la peacuteriode il faut donc proceacuteder de la mecircme faccedilon mais en lrsquoassociant au Slider (bouton de reacuteglage)cela nous permettra de controcircler facilement la simulation pendant lrsquoacquisition du signal en temps-reacuteel et sans avoir recours agrave modifier la valeur des variables associeacutees Voir ci-dessous (fig3)
fig3meacutethode drsquoassociation drsquoune variable agrave un plotter
Apregraves avoir attribueacute la variable du signal de lrsquoADC1Mux au plotter nous visualisons notre signal ELECTROCARDIOGRAMME en temps reacuteel drsquoun sujet normal
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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BIBLIOGRAPHIE
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[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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Pour la preacutesente simulation nous avons fixeacute la dureacutee de reacutepeacutetition du signal par la commande Length = 3 secondes le signal obtenu est repreacutesenteacute comme suit
fig4Signal ECG amplifieacute et filtreacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation laquo PHYWE raquo
IV14Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB
DSPACE emploie diffeacuterents logiciels externes agrave part les compilateurs vus preacuteceacutedemment le logiciel MATLAB est un logiciel de simulation tregraves performant Nous pouvons par exemple lancer une acquisition de signaux ou encore le controcircle drsquoun robot mais aussi associer diffeacuterentes opeacuterations de traitement du signal se trouvant dans la bibliothegraveque laquo SIGNAL PROCESSING TOOLBOX raquo de SIMULINK pour le filtrage du signal en temps-reacuteel
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IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
53
Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
54
V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
55
V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
56
Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
57
Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
58
59
LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
60
LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
61
BIBLIOGRAPHIE
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62
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[3] httpwwwseassmuedu~cd
[4] httpwwwdspacede
[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
43
IV141Avantages de SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C
Pour le prototypage de fonctions sous MATLAB il est tregraves facile de creacuteer des modegraveles sous SIMULINK puisque ce logiciel geacutenegravere tous les fichiers qursquoon a besoin pendant la simulation de faccedilon automatique Cela se fait par lrsquointermeacutediaire de la fonction BUILD MODEL (Ctrl B) traduisant le modegravele depuis lrsquoextension MDL vers les codes en C et les bibliothegraveques include en H tout en utilisant une autre toolbox (boite agrave outils) nommeacutee REAL TIME WORKSHOP de SIMULINK Lrsquoautre avantage est drsquoimpleacutementer un grand nombre de fonctions et drsquooutils en un temps minimiseacute ce qui est plus pratique que la programmation manuelle en langage C
IV142La bibliothegraveque drsquoapplications RTI1103
En tapant rti1103 dans lrsquointerpreacuteteur de MATLAB on aura la bibliothegraveque suivante pour la creacuteation de modegraveles sous SIMULINK
fig5Bibliothegraveque RTI1103 repreacutesentant les outils drsquoacquisition de DSPACE DS1103
Comme nous le voyons il y a diffeacuterentes bibliothegraveques et chaque bloc repreacutesente une seacuterie de composants contenant en varieacuteteacute de programmes MATLAB qui apregraves BUILD seront traduits en langage C pour ecirctre ensuite compileacutes et exeacutecuteacutes puis chargeacutes et lieacutes au processeur temps- reacuteel de la carte DS1103 que ce soit le processeur MASTER PPC de Motorola le Slave DSP de Texas Instruments ou bien lrsquoautre processeur Slave de SIEMENS Dans toute notre expeacuterimentation nous avons utiliseacute uniquement un seul Processeur de la carte DS1103 qui est le MASTER PowerPc Motorola puisqursquoil nous suffit largement Donc la bibliothegraveque drsquoapplications impleacutementeacutee a cet effet est la rtilib1103 laquo MASTER PPC raquo de la figure preacuteceacutedente
44
IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
45
La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
46
fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
47
IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
48
Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
49
IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
50
51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
52
Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
55
V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
56
Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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BIBLIOGRAPHIE
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[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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IV143 Acquisition en temps-reacuteel du signal Electrocardiogramme (ECG) par SIMULINK
Pour cette application nous avons deacuteveloppeacute un modegravele employant les 2 blocs suivants
DS1103MUX_ADC_CON1
Caracteacuteristiques de DS1103MUX_ADC_CON1
-Ce bloc de la bibliothegraveque rti1103 de DSPACE peut ecirctre configureacute pour faire lrsquoacquisition jusquagrave 16 signaux Analogiques agrave travers les convertisseurs ADC multiplexeacutes avec la possibiliteacute de choisir 4 entreacutees par bloc -Ces convertisseurs analogiquesdigitaux sont tregraves performants vu leur -Type ADC a approximations successives -Reacutesolution 16 bits -Rapiditeacute caracteacuteriseacutee par la freacutequence drsquoeacutechantillonnage f=250KHz -Temps drsquoacquisition 4micros -Tension drsquoentreacutee -10 agrave +10 volts au maximum
Ce convertisseur 16 bits repreacutesente 65536 niveaux de tension et la diffeacuterence entre chaque niveau lors du passage de bit a bit est de 2065536 =00002550 volts -Pour lrsquoacquisition de lrsquoElectrocardiogramme ce type de convertisseur est parfaitement adapteacute agrave notre expeacuterimentation et ne neacutecessite aucun reacuteglage
SCOPE
Caracteacuteristiques de SCOPE SCOPE est un outil de SIMULINK permettant la visualisation des signauxIl dispose de nombreux outils comme le zoom le reacuteglage des axes X et Y ainsi que la possibiliteacute de visualisation sur plusieurs fenecirctres
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La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
50
51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
60
LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
61
BIBLIOGRAPHIE
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[3] httpwwwseassmuedu~cd
[4] httpwwwdspacede
[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
45
La figure 6 repreacutesente le modegravele drsquoacquisition en temps-reacuteel du signal ECG
fig6modegravele drsquoacquisition sur SIMUMLINK ECGREADMDL
IV144Exeacutecution du modegravele ESSAIECGMDL
Apregraves la compilation du modegravele par lrsquointermeacutediaire de la commande BUILD system
de SIMULINK les fichiers ECGREADSDF et ECGREADTRC geacuteneacutereacute automatiquement par le compilateur sont ouvert agrave lrsquoaide du logiciel ControlDesk Automation pour charger lrsquointerface graphique ECGREADLAY puis charger le fichier SDF au processeur MASTER PPC Motorola La simulation peut ecirctre alors lanceacutee en utilisant le mode ANIMATION sous ControlDesk
La derniegravere eacutetape consiste agrave associer les diffeacuterentes variables agrave leurs instruments drsquoaffichage sur ControlDesk Le Plotter est le plus employeacute pour visualiser les signaux
46
fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
47
IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
48
Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
49
IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
50
51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
52
Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
55
V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
56
Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
57
Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
58
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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fig7Signal ECG visualiseacute sur logiciel ControlDesk
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
52
Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
53
Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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BIBLIOGRAPHIE
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62
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Sites Internet
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[4] httpwwwdspacede
[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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IV145Enregistrement du signal ECG pendant lrsquoacquisition
Pendant lrsquoexpeacuterimentation nous avons enregistreacute notre signal ECG par le bouton de la Boite de dialogue des proprieacuteteacutes drsquoacquisition de Controldesk Automation en cochant la case STREAM to Disk (enregistrer sur le disque dur) et en speacutecifiant le nom de et le chemin drsquoenregistrement Pour enregistrer le signal nous pouvons choisir deux formats drsquoenregistrement mat ou csv Les extensions mat peuvent ecirctre exeacutecuteacutees par MATLAB ainsi que csv respectivement par les commandes LOAD et CSVREAD Lrsquointeacuterecirct des fichiers csv crsquoest que les variables du signal sont stockeacutees en valeurs par exemple pour un graphe ayant deux axes (X) et (Y) les valeurs sont stockeacutees en deux colonnes et plusieurs lignes de coordonneacutees et peuvent ecirctre utiles pour la reconstitution du signal par le logiciel EXCEL de Microsoft ou autre
IV146Traceacute du signal ECGREADMAT
Pour reconstruire et traiter un signal ECGREADmat sous MATLAB il suffit de proceacuteder comme suit gtgtload ecgread gtgtplot (ecgreadXDataecgreadY(1)Data)
fig8Signal Electrocardiogramme (ECG) visualiseacute sur MATLAB
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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59
LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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BIBLIOGRAPHIE
[1] ALPHA tome 6 page 2157 eacuted Grange Bateliegravere
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Sites Internet
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[2] httphomepagesenterprisenetdjenkinsecghisthtml
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[4] httpwwwdspacede
[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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Signal agrandi sous MATLAB
fig9ECG agrandi avec ses diffeacuterents paramegravetres Onde P complexe QRS et lrsquoonde T
IV147Traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECGREADMAT
fig10traceacute de la reacuteponse freacutequentielle du signal ECG amplifieacute par lrsquoamplificateurrsquo PHYWErsquo
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
50
51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
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62
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Sites Internet
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[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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IV15Conclusion
Dans ce chapitre nous avons passeacute en revue toutes les eacutetapes permettant lrsquoacquisition en temps-reacuteel du signal physiologique eacutelectrocardiogramme (ECG) De ce fait nous nous sommes familiariseacutes avec diffeacuterents outils de deacuteveloppement lors de notre expeacuterimentation se composant des eacuteleacutements suivants -Un patient pour le preacutelegravevement du signal ECG -Electrodes en Ag ou AgCl pour la deacutetection de lrsquoECG -Mise en forme du signal de faible amplitude par lrsquoAmplificateur
drsquoinstrumentation PHYWE avec un Gain reacuteglable de 100 a 1000 -Reacuteduction des bruits drsquointerfeacuterences dus au secteur de lrsquoalimentation
(50Hz) -Carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 +panneau de controcircle des ES -Conception de lrsquoenvironnement de visualisation et les programmes
drsquoacquisition du signal en passant par les diffeacuterents logiciels drsquoexpeacuterimentation (langage C MatlabSimulink ControlDesk Automation)
La carte DSPACE DS1103 et son environnement mateacuteriel et logiciel constituent donc une plate-forme ideacuteale pour lrsquoacquisition et le traitement de signaux physiologiques Evidemment l lsquoacquisition et le traitement de ces signaux sont conditionneacutes par une bonne chaicircne drsquoamplification doteacutee drsquoune bonne immuniteacute aux bruits particuliegraverement ceux du secteur (50 Hz)
50
51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
52
Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
53
Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
54
V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
55
V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
56
Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
57
Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
58
59
LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
61
BIBLIOGRAPHIE
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[2] Encyclopedia Universalis tome 8 page 141-147 1996
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[19] Sheffield L T Berson A Bragg-Remschell D et al Recommendations for standards of instrumentation and practice in the use of ambulatory electrocardiography Circulation 1985Vol 71 p 626A-36A
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[8] httpwwwuniversaliscom
50
51
VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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BIBLIOGRAPHIE
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[22] Kelen G Henkin R Lannon M et Al Correlation between the signal-averaged ECG fromHolter tapes and real time recordings Am J Cardiol 1989 Vol 63 p1321-5
Sites Internet
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[3] httpwwwseassmuedu~cd
[4] httpwwwdspacede
[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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VReacutealisation pratique de la chaicircne drsquoamplification de lrsquoElectrocardiogramme
Quelques limitations
Lrsquoindisponibiliteacute des composants speacutecialiseacutes en instrumentation
biomeacutedicale et leur coucirct eacuteleveacute nous ont poseacute certaines difficulteacutes Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opeacuterationnel LM324 disponible dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique Mais comme preacutevisible nous nrsquoavions pas obtenu de signaux de bonne qualiteacute Nous avions espeacutereacute pouvoir comme mecircme le traiter agrave lrsquoaide des outils qursquooffre notre carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 en particulier en inteacutegrant des filtres numeacuteriques offerts par SIMULINK mais ce fut peine perdue
Suite a cette deacuteception nous avons opteacute pour lrsquoutilisation de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation biomeacutedicale professionnel de marque laquo PHYWE raquo comportant un eacutetage de filtrage pour lrsquoECG et un autre permettant lrsquoisolation des courants de fuite eacuteliminant tout risque drsquoeacutelectrocution du patientle gain peut ecirctre fixeacute soit a 100 ou 1000
V1Traitement de lrsquoinformation
Apregraves le recueil de lrsquoinformation un traitement de celle-ci est neacutecessaire Ce dernier inclut dans notre cas lrsquoamplification en ameacuteliorant le gain
V2Lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation
Le premier eacutetage de la chaicircne de traitement est le plus important Crsquoest celui ougrave on a recours a lrsquoAmplificateur drsquoinstrumentation (Instrumentation Amplifier)Cet eacuteleacutement prend en charge lrsquoamplification lrsquoadaptation lrsquoeacutelimination de la tension de mode commun et mecircme dans certains cas lrsquoisolation du patient des courants de fuites Un AI est un amplificateur diffeacuterentiel (fig1) adapteacute au traitement de signaux en preacutesence drsquoune tension de mode commun relativement importante et dont les caracteacuteristiques sont les suivantes
Gain diffeacuterentiel reacuteglable (de 1 a 10000)
Impeacutedance drsquoentreacutee tregraves eacuteleveacutee (10 KO en parallegravele avec quelques microF)
Impeacutedance de sortie tregraves faible (01O)
Courant de polarisation des entreacutees tregraves faible (de quelques pA a quelques nA)
Grande stabiliteacute thermique des performances (00015 degc pour le gain diffeacuterentiel)
Taux de reacutejection en mode commun tregraves eacuteleveacute (gt100dB)
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Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
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Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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Sites Internet
[1] httphomepagesenterprisenetdjenkinsecghisthtml
[2] httphomepagesenterprisenetdjenkinsecghisthtml
[3] httpwwwseassmuedu~cd
[4] httpwwwdspacede
[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
52
Le scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation est illustreacute ci-dessous (fig2)
A3i4
R3
A2
V3
R1
Rf
V2
V4
V0
-
+
A1
R2
-
+R1
R4=RG
Rg
V1
-
+
fig1 Scheacutema eacutequivalent drsquoun amplificateur drsquoinstrumentation du type LM324
Avec
i4=4
43
R
vv=
432
12
RR
vv
43
12
vv
vv=1+
4
32
R
R
Le gain diffeacuterentiel (overall differential-mode gain) Ad=4
321
R
RA3
Le gain de mode commun (overall common-mode gain) Ac=A2-A1
Le taux de reacutejection en mode commun (CMRR) CMRR=20log10c
d
A
A
A1 A2 A3 sont les gains en boucle fermeacutee des trois ampli-op
On voit bien que le gain de lrsquoAmplificateur drsquoInstrumentation varie dans le sens contraire de la variation de R4 (qui est aussi appeleacutee RG)Cette reacutesistance est externe et tregraves souvent variable
V3Repreacutesentation des signaux recueillis par lrsquoamplificateur ECG
V31Signal ECG amplifieacute et non filtreacute
La figure ci-dessous repreacutesente le signal ECG bruiteacute amplifieacute par lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation LM324
53
Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
54
V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
55
V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
56
Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
57
Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
58
59
LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
60
LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
61
BIBLIOGRAPHIE
[1] ALPHA tome 6 page 2157 eacuted Grange Bateliegravere
[2] Encyclopedia Universalis tome 8 page 141-147 1996
[3] D Buchla amp W McLachlan Applied Electronic Instrumentation and Mesurement MacMillan 1992
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[5]J Pan and W Tompkins IEEE Transactions on Biomed Engr vol 32 page 230-236 Mars 1985
[6] Yu Hen Hu IEEE Transactions on Biomed Engr vol 44 page 891-899 Sept 1997
[7] Lepeschkin E Modern Electrocardiography Baltimore Williams and Wilkins 1951 [Lew 11] Lewis T The Mechanism of the Heart Beat with Special Reference to Its Clinical Pathology London Shaw 1911
[8] Barry Van Veen IEEE Transactions on Biomed Engr vol 44 page 867-879 Sept 1997
[9] ALPHA tome 6 page 2157 eacuted Grange Bateliegravere
[10] Giuliano Antoniol IEEE Transactions on Biomed Engr vol 44 page 105-110 feacutev 1997
[11] AXIS Hachette vol 2 page 967
[12] Wilson FN Johnston FD MacLeod AG Barker PS Electrocardiograms that represent the potentials variations of a single electrode Am Heart J 1934 Vol 9 p447-58
[13] Goldberger E A simple indifferent electrocardiographic electrode of zero potentials and a technique of obtaining augmented unipolar extremity leads Am Heart J 1942 Vol 23 p483-92
[14] Kossman C E Johnston FD The precordial electrocardiogram I The potential variations of the precordium and of the extremities in normal subjects Am Heart J 1935 Vol 10 p 925-41
[15] William HB On the cause of the phase differences frequently observed between homonymous peaks of the electrocardiogram Am J Physiol 1914Vol 35 p 681-99
[16] Frank E An accurate clinically practical system for spatial vectocardiography Circulation1956 Vol 13 p 737-49
[17] Arnaud P Brohet C Diagnostic electro-vectocardiographique Nauwelaerts et Maloine edsParis 1995 328 p
[18] Holter N J New method for heart studies Continuous electrocardiography of active subjects over long periods is now practical Science 1961 Vol 134 p 1214-20
62
[19] Sheffield L T Berson A Bragg-Remschell D et al Recommendations for standards of instrumentation and practice in the use of ambulatory electrocardiography Circulation 1985Vol 71 p 626A-36A
[20] Evanich M J Newberry O Partridge L D Some limitations of the removal of periodic noise by averaging J Appl Physiol 1972 Vol 33 p 356
[21] Gomes JA Mehra R Barreca P et Al Quantitative analysis of the high frequency components of the signal averaged QRS complex in patients with acute myocardial infarction a prospective study Circulation 1982 Vol 72 p105
[22] Kelen G Henkin R Lannon M et Al Correlation between the signal-averaged ECG fromHolter tapes and real time recordings Am J Cardiol 1989 Vol 63 p1321-5
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[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
53
Fig2 ECG bruiteacute
Pour une meilleure visualisation du signal nous avons agrandi une partie du signal preacuteceacutedemment recueilli agrave lrsquoaide de MATLAB (voir la figure suivante fig2)
0 005 01 015 02 025 03 035 04 045-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8x 10
-3
Fig 2ECG bruiteacute agrandi
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V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
60
LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
61
BIBLIOGRAPHIE
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[16] Frank E An accurate clinically practical system for spatial vectocardiography Circulation1956 Vol 13 p 737-49
[17] Arnaud P Brohet C Diagnostic electro-vectocardiographique Nauwelaerts et Maloine edsParis 1995 328 p
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62
[19] Sheffield L T Berson A Bragg-Remschell D et al Recommendations for standards of instrumentation and practice in the use of ambulatory electrocardiography Circulation 1985Vol 71 p 626A-36A
[20] Evanich M J Newberry O Partridge L D Some limitations of the removal of periodic noise by averaging J Appl Physiol 1972 Vol 33 p 356
[21] Gomes JA Mehra R Barreca P et Al Quantitative analysis of the high frequency components of the signal averaged QRS complex in patients with acute myocardial infarction a prospective study Circulation 1982 Vol 72 p105
[22] Kelen G Henkin R Lannon M et Al Correlation between the signal-averaged ECG fromHolter tapes and real time recordings Am J Cardiol 1989 Vol 63 p1321-5
Sites Internet
[1] httphomepagesenterprisenetdjenkinsecghisthtml
[2] httphomepagesenterprisenetdjenkinsecghisthtml
[3] httpwwwseassmuedu~cd
[4] httpwwwdspacede
[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
54
V32 Etude deacutetailleacutee de lrsquoeacutetage drsquoamplification
Le signal obtenu en employant lrsquoamplificateur opeacuterationnel LM324 est un signal extrecircmement bruiteacute influenceacute principalement par le 50Hz puisque la bande freacutequentielle de lrsquoeacutelectrocardiogramme se situe entre 20 et 40 Hz et donc pour eacuteviter ces perturbations il faut employer des amplificateurs drsquoinstrumentation biomeacutedicale approprieacutes a ce domaine parmi ces amplificateurs performants nous pouvons citer les suivants
Amplificateur drsquoInstrumentation INA 118 de Burr Brown Cet amplificateur est bien adapteacute a lrsquoinstrumentation biomeacutedicale compte tenu de ses caracteacuteristiques Il preacutesente en outre un tregraves bon rapport qualiteacuteprix (moins de 4$)Ces caracteacuteristiques sont les suivantes
o un taux de reacutejection en mode commun (CMRR) eacuteleveacute 110dB min o un courant de polarisation des entreacutees tregraves faible 5nA max o un gain variable de 1 a 10000 o Une tension de compensation tregraves faible 50mV max o Un faible courant de fuite 350mA o Une grande sensibiliteacute thermique des performances 05mVdegC
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation inductive lsquo3656rsquo de Burr Brown
o Une erreur de non lineacuteariteacute de lrsquoordre de 001 o Un isolement entreacuteesortie pour une tension de mode commun de 5000V o Un taux de reacutejection supeacuterieur a 130dB a 60Hz avec un deacuteseacutequilibre des
reacutesistances des sources eacutegal a 5kO gain 1
o La modulation utiliseacutee est celle a largeur drsquoimpulsion
-Ce genre de circuits peut ecirctre utiliseacute pour amplifier les signaux biologiques sans aucun risque drsquoeacutelectrocution pour le patient
Amplificateur drsquoInstrumentation + Isolation optique lsquo3652rsquo de Burr Brown
o Tension de mode commun =2000V continu o Taux de reacutejection de mode commun 140dB o Erreur de non lineacuteariteacute du gain 005 o Bande passante 15 KHz o Courant de fuite maximal 025microA o Capaciteacute de fuite 18 pmicroF
55
V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
56
Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
57
Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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59
LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
60
LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
61
BIBLIOGRAPHIE
[1] ALPHA tome 6 page 2157 eacuted Grange Bateliegravere
[2] Encyclopedia Universalis tome 8 page 141-147 1996
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V4 Scheacutema eacutelectronique et Circuit Imprimeacute de la chaicircne drsquoamplification
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
60
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Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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[16] Frank E An accurate clinically practical system for spatial vectocardiography Circulation1956 Vol 13 p 737-49
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Conclusion Geacuteneacuterale
Ce travail nous a permis de confronter agrave plusieurs obstacles pendant la reacutealisation de la chaicircne drsquoacquisition du signal physiologique qui est lrsquoElectrocardiogramme Tout drsquoabord notre but principal eacutetait lrsquoinstallation et la mise en œuvre de la carte drsquoacquisition DSPACE DS1103 et de son environnement puis lrsquoimpleacutementer dans le domaine biomeacutedical Il faut citer que nous avons rencontreacute un grand nombre de difficulteacutes puisqursquoil fallait maicirctriser tout un ensemble de logiciels et de composants eacutelectroniques avant de mettre en marche la carte DSPACE DS1003Cette carte drsquoacquisition est une carte multiprocesseurs et neacutecessite un compilateur de programmes C pour chaque microp Ces compilateurs C doivent ecirctre obligatoirement installeacutes sur le PC Les logiciels MATLAB et SIMULINK font aussi appel agrave ces compilateurs agrave lrsquoaide de la toolbox de lsquoReal Time Workshoprsquo qui permet de geacuteneacuterer les codes C et les fichiers neacutecessaires agrave lrsquoexeacutecution du modegravele en temps-reacuteel de faccedilon automatique Nous avons aussi la possibiliteacute de programmer et de compiler manuellement pour chaque processeur de la carte DSPACE agrave lrsquoaide de quelques utilitaires comme fonction DOWN1103 sous lrsquointerpreacuteteur de commandes MS DOS
Pour la visualisation et le controcircle de nrsquoimporte quelle expeacuterimentation il faut utiliser le logiciel Controldesk Automation qui preacutesente aussi des difficulteacutes concernant les chargements des expeacuterimentations la conception des interfaces graphiques pour la visualisation des signaux ainsi que la maniegravere drsquoassocier les diffeacuterentes variables aux instruments de commande
Lrsquoautre difficulteacute reacuteside dans la partie eacutelectronique (amplification filtrage isolationhellip) et traitement de signal Lrsquoeacutelectrocardiogramme et les signaux eacutelectrophysiologiques requiegraverent toujours des amplificateurs drsquoinstrumentation vu leur tregraves faible amplitude et demandent des eacutetages de filtres pour lrsquoeacutelimination des tensions de mode commun ainsi que la reacutejection des bruits drsquointerfeacuterences dus principalement au secteur (masse) qui est le 50Hz
Pour notre acquisition nous avions conccedilu eacutelectroniquement un amplificateur ayant un gain ajustable entre 1 et 1000 pour lrsquoimpleacutementer dans notre expeacuterimentation mais malheureusement nous nrsquoavions pas obtenu un bon signal et cela est ducirc a lrsquoindisponibiliteacute de lrsquoamplificateur drsquoinstrumentation comme le lsquoINA118rsquo ou le lsquo3656rsquo de Burr-Brown Mais heureusement notre avions trouveacute un amplificateur drsquoinstrumentation tregraves fiable dans notre laboratoire drsquoeacutelectronique biomeacutedicale ayant des eacutetages filtre et isolation et un reacutegulateur de gain entre 100 et 1000Un reacuteglage du gain a 100 est suffisant pour lrsquoacquisition de lrsquoECG par la carte DSPACE DS1103 un gain infeacuterieur nrsquoa pas eacuteteacute testeacute a cause du reacutegulateur de lrsquoampli qui possegravede que deux eacutetats 100 ou 1000
Enfin nous avons eu la chance de rencontrer et drsquoapprendre plusieurs techniques tel que les logiciels de programmation et de simulation ainsi que lrsquoapprofondissement des connaissances dans le domaine de lrsquoacquisition temps-reacuteel et le traitement du signal physiologique
Nous espeacuterons tout de mecircme que cette carte DSPACE soit exploitable a 100 par nos professeurs et ingeacutenieurs du laboratoire et penser agrave deacutevelopper des applications laquo High-tech raquo comme la commande temps reacuteel de robots en teacuteleacutechirurgie par exemple
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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BIBLIOGRAPHIE
[1] ALPHA tome 6 page 2157 eacuted Grange Bateliegravere
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[15] William HB On the cause of the phase differences frequently observed between homonymous peaks of the electrocardiogram Am J Physiol 1914Vol 35 p 681-99
[16] Frank E An accurate clinically practical system for spatial vectocardiography Circulation1956 Vol 13 p 737-49
[17] Arnaud P Brohet C Diagnostic electro-vectocardiographique Nauwelaerts et Maloine edsParis 1995 328 p
[18] Holter N J New method for heart studies Continuous electrocardiography of active subjects over long periods is now practical Science 1961 Vol 134 p 1214-20
62
[19] Sheffield L T Berson A Bragg-Remschell D et al Recommendations for standards of instrumentation and practice in the use of ambulatory electrocardiography Circulation 1985Vol 71 p 626A-36A
[20] Evanich M J Newberry O Partridge L D Some limitations of the removal of periodic noise by averaging J Appl Physiol 1972 Vol 33 p 356
[21] Gomes JA Mehra R Barreca P et Al Quantitative analysis of the high frequency components of the signal averaged QRS complex in patients with acute myocardial infarction a prospective study Circulation 1982 Vol 72 p105
[22] Kelen G Henkin R Lannon M et Al Correlation between the signal-averaged ECG fromHolter tapes and real time recordings Am J Cardiol 1989 Vol 63 p1321-5
Sites Internet
[1] httphomepagesenterprisenetdjenkinsecghisthtml
[2] httphomepagesenterprisenetdjenkinsecghisthtml
[3] httpwwwseassmuedu~cd
[4] httpwwwdspacede
[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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Quelques extensions possibles pour ce projet de fin drsquoeacutetudes
-Pour ameacuteliorer ce travail nous pouvons deacutevelopper ce projet en creacuteant un logiciel de pilotage indeacutependant de tout environnement externe crsquoest-agrave-dire un programme permettant de controcircler toutes les entreacuteessorties de la carte drsquoacquisition DSPACE et a cet effet la manipulation sera plus simple et speacutecialiseacutee au domaine de lrsquoinstrumentation meacutedicale -Aussi il est possible de faire une acquisition en temps reacuteel sur plusieurs signaux physiologiques puisque la carte DSPACE possegravede 20 entreacutees Analogiques et aussi des entreacutees numeacuteriques (geacutereacutees par le processeur Slave DSP)
Exemple de signaux pouvant ecirctre enregistreacutes et traiteacutes simultaneacutement par la carte DS1103
-PCG Phonocardiogramme -ECG en 12 deacuterivations pour lrsquoeacutetude des arythmies cardiaques sur chaque point du coeur -EMG Electromyogramme -ENG Electroneurogramme -EEG Electroenceacutephalogramme -ERG et EOG Electroreacutetinogramme et Electro-oculogramme -UCG Ultrasonocardiogramme
-Pression arteacuterielle veacutelociteacute du sang Spiromeacutetriehellip
-Il est aussi tregraves inteacuteressant drsquointeacutegrer au logiciel des fonctions permettant de diagnostiquer a distance crsquoest le cas de la teacuteleacutemeacutedecine puisque notre carte DSPACE est destineacutee aux applications rapides temps-reacuteel ce qui pourrait se faire en inteacutegrant des outils de communication notamment les reacuteseaux Internet ou les reacuteseaux locaux LAN se partageant des donneacutees gracircce aux protocoles TCPIP
-En tous cas notre carte drsquoacquisition est un prototype doteacute drsquoune technologie de pointe et est reconnue par de grands professionnels du domaine de lrsquoautomobile et mecircme de lrsquoaviation mais concernant lrsquoingeacutenierie biomeacutedicale il est preacutefeacuterable que cette carte drsquoacquisition soit destineacutee a des applications de teacuteleacutechirurgie crsquoest-agrave-dire la chirurgie assisteacutee par des automates programmables (Robots) et cela pourrait se faire gracircce a ses encodeurs increacutementaux situeacutes au niveau du panneau de controcircle de DSPACE -Pour des expeacuterimentations High-tech nous pouvons renforcer notre prototype en ajoutant drsquoautres cartes drsquoextensions comme la DS1102 DS1104 ou aussi la DS1103 cela nous permettra drsquoaugmenter le nombre drsquoentreacutees et de sorties sans oublier les performances rajouteacutees par les diffeacuterents processeurs de ces cartes
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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BIBLIOGRAPHIE
[1] ALPHA tome 6 page 2157 eacuted Grange Bateliegravere
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[7] Lepeschkin E Modern Electrocardiography Baltimore Williams and Wilkins 1951 [Lew 11] Lewis T The Mechanism of the Heart Beat with Special Reference to Its Clinical Pathology London Shaw 1911
[8] Barry Van Veen IEEE Transactions on Biomed Engr vol 44 page 867-879 Sept 1997
[9] ALPHA tome 6 page 2157 eacuted Grange Bateliegravere
[10] Giuliano Antoniol IEEE Transactions on Biomed Engr vol 44 page 105-110 feacutev 1997
[11] AXIS Hachette vol 2 page 967
[12] Wilson FN Johnston FD MacLeod AG Barker PS Electrocardiograms that represent the potentials variations of a single electrode Am Heart J 1934 Vol 9 p447-58
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[16] Frank E An accurate clinically practical system for spatial vectocardiography Circulation1956 Vol 13 p 737-49
[17] Arnaud P Brohet C Diagnostic electro-vectocardiographique Nauwelaerts et Maloine edsParis 1995 328 p
[18] Holter N J New method for heart studies Continuous electrocardiography of active subjects over long periods is now practical Science 1961 Vol 134 p 1214-20
62
[19] Sheffield L T Berson A Bragg-Remschell D et al Recommendations for standards of instrumentation and practice in the use of ambulatory electrocardiography Circulation 1985Vol 71 p 626A-36A
[20] Evanich M J Newberry O Partridge L D Some limitations of the removal of periodic noise by averaging J Appl Physiol 1972 Vol 33 p 356
[21] Gomes JA Mehra R Barreca P et Al Quantitative analysis of the high frequency components of the signal averaged QRS complex in patients with acute myocardial infarction a prospective study Circulation 1982 Vol 72 p105
[22] Kelen G Henkin R Lannon M et Al Correlation between the signal-averaged ECG fromHolter tapes and real time recordings Am J Cardiol 1989 Vol 63 p1321-5
Sites Internet
[1] httphomepagesenterprisenetdjenkinsecghisthtml
[2] httphomepagesenterprisenetdjenkinsecghisthtml
[3] httpwwwseassmuedu~cd
[4] httpwwwdspacede
[5] httpwwwutcfr
[6]httpwwwinriafrrrrt
[7] httpwwwdeveloppezcom
[8] httpwwwuniversaliscom
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LEXIQUE FRANCAISANGLAIS
Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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Deacutefibrillateur defibrillator appareil permettant reacutetablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de neacutecessiteacute Le but est de produire une deacutecharge eacutelectrique destineacutee agrave donner simultaneacutement agrave toutes les fibres cardiaques une simulation apte agrave deacutepolariser complegravetement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres
Deacuterivation circuit eacutelectrique deacutetermineacute par un couple drsquoeacutelectrodes disposeacutees en divers points du corps
EKG abreacuteviation courante de lrsquoeacutelectrocardiogramme provenant de lrsquoallemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme drsquoeffort Lrsquoeacutelectrocardiographe est relieacute agrave un veacutelo drsquoappartement ou agrave un tapis roulant Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient agrave chaque moment et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de lrsquoeffort fourni Des programmes sont eacutetablis lrsquoappareil controcirclant la pente du tapis roulant ou le freinage du veacutelo
Galvanomegravetre agrave corde string galvanometer ampegraveremegravetre meacutecanique tregraves sensible qui possegravede une aiguille qui indique le sens et la force du courant Les enregistrements se font avec un stylet fixeacute sur lrsquoaiguille
Impression thermique lrsquoimprimante passe une buse chauffante au dessus drsquoun papier speacutecial (dit thermique sensible agrave la chaleur) La buse chauffe des points tregraves preacutecis en quelques milliegravemes de secondes Les traceacutes se conservent environ dix ans srsquoils sont stockeacutes dans des lieux adeacutequats (hygromeacutetrie tempeacuteraturehellip)
IRM MRI Imagerie par Reacutesonance Magneacutetique application de la technique drsquoanalyse chimique par reacutesonance magneacutetique nucleacuteaire pour donner des images en temps reacuteel utiliseacute dans lrsquoexamen du cerveau de la moelle du cœurhellip
Pont de Wheatstone Wheatstone bridge circuit constitueacute de 4 branches reacutesistives utiliseacute pour deacutetecter une tregraves petite variation drsquoune des reacutesistances Utiliseacute pour mesurer des reacutesistances avec une grande preacutecision ou des variations infimes
ppp point par pouce dots per inch reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Reacuteseau de neurone neural network circuit inteacutegreacute qui fonctionne drsquoune maniegravere proche des reacuteseaux de neurone naturel (voir thegraveme de Rodolphe Bouichou)
TTL TTL Transistor Transistor Logique signal logique geacuteneacuteralement entre 0 et 5V
60
LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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[5]J Pan and W Tompkins IEEE Transactions on Biomed Engr vol 32 page 230-236 Mars 1985
[6] Yu Hen Hu IEEE Transactions on Biomed Engr vol 44 page 891-899 Sept 1997
[7] Lepeschkin E Modern Electrocardiography Baltimore Williams and Wilkins 1951 [Lew 11] Lewis T The Mechanism of the Heart Beat with Special Reference to Its Clinical Pathology London Shaw 1911
[8] Barry Van Veen IEEE Transactions on Biomed Engr vol 44 page 867-879 Sept 1997
[9] ALPHA tome 6 page 2157 eacuted Grange Bateliegravere
[10] Giuliano Antoniol IEEE Transactions on Biomed Engr vol 44 page 105-110 feacutev 1997
[11] AXIS Hachette vol 2 page 967
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LEXIQUE ANGLAISFRANCAIS
Common-mode rejection ratio (CMRR) rapport de reacutejection de mode commun pour un amplificateur diffeacuterentiel le rapport est le gain diffeacuterentiel en mode commun (souvent exprimeacute sous forme logarithmique)
dpi dots per inch point par pouce reacutesolution drsquoune imprimante repreacutesentant de nombre de points qursquoelle peut laisser sur un pouce (correspond agrave 254 cm)
Kbps kilo bits per second kilo bits par seconde correspond agrave une vitesse de transmission (principalement sur des lignes teacuteleacutephonique)
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BIBLIOGRAPHIE
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