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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de L’Enseignement Sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de L’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI DE TIZI-OUZOU FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE ET D’INFORMATIQUE DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE Mémoire de Fin d’Etudes MASTER ACADEMIQUE Spécialité : Electronique Filière : Electronique biomédical Proposé et Dirigé par : M AMIROU Année universitaire : 2013/2014 L Présentée par: M elle . ADJLOUT Zahia M elle. BELA Fariza Thème : Extraction du rythme cardiaque fœtal (RTF) à partir de l’ECG composite de la mère. Dédicace Mes très chers parents : ce travail est le fruit de vos sacrifices que vous avez consentis pour ma éducation et ma formation. A Mes chers frères. A mes chères sœurs et leurs familles surtous Hayat et son fiancé Amine A tous mes amis avec lesquelles j’ai partagé la joie et le bonheur Fatiha et Thanina , Rachida ,Douh,Liza et Bahdja . A mon futur marie et sa famille. A mon binôme et sa famille. A toutes personnes m’ayant aidées de près ou de loin. Fariza A Mes très chers parents : ce travail est le fruit de vos Sacrifices que vous avez consentis pour mon éducation et ma formation. A Mon chers frères Iddir, Slimane, Hani et surtous Mokrane. A ma chère sœur et sa famille surtous Daris et Rayan. A tous mes amis avec lesquelles j’ai partagé la joie et le bonheur. A mon binôme et sa famille, surtout Hayet. A toutes personnes m’ayant aidées de près ou de loin. Zahia P B Sommaire Introduction générale Chapitre 1 : Electrocardiographie fœtale Introduction ………………………………………………………...1 1.1Circulation sanguine fœtale ……………………………………………... ..1 1.2Physiologie du cœur fœtal………………………………………………...2 1.3Activité électrique du cœur………………………………… …….. ..….....3 1.4Automatisme cardiaque ………………………………………………….4 1.5Electrocardiographie………………………………………………………5 1.5.1Description du signal ECG………………………………………..6 1.5.2 Ondes d’activations……………………………………………..….6 1.5.3 Les segments et intervalles d’un ECG……………………………..7 1.6 ECG d’une femme enceinte……………………………………………..…9 1.7 ECG fœtal………………………………………………………………....10 1.7.1 Contenu fréquentiel d’un ECG composite……………………………...11 1.7.2 Méthodes d’acquisition de l’ECGF……………………………………..12 1.7.2.1 Méthode externe……………………………………………………..12 1.7.2.2 Méthode interne ……………………………………………………..13 1.7.2.3 Cas de plusieurs fétus………………………………………………..14 1.7.3 Types de bruits présents dans le signal ECG……………………………14 1.7.3.1 Bruits d’origine technique…………………………………………..15 1.7.3.1.1 Bruit due au réseau 50Hz……………………………………..15 1.7.3.1.2 Bruits dus au mauvais contact électrode-peau…………………15 1.7.3.1.3 Autres bruit………………………………………………….....15 1.7.3.2 Bruits physiques………………………………………………....16 1.7.3.2.1 Fluctuations de la ligne de base…………………………16 1.7.3.2.2 Bruits dus au signal électromyogramme EMG………….17 1.7.3.2.3 Autres artefacts d’origine physique……………………..17 CONCLUSION……………………………………………………………………………..17 Chapitre 2 : Extraction du RTF, Etat de l’art Introduction………………………………………………………...18 2 Méthodologies d’Extraction de l’ECG du Fœtus…………………………..18 2.1Méthodes d’extraction de l’ECG par Ondelette…………………………..18 2.1.1 Maxima du module…………………………………………………..18 2.1.2 Valeur singulière……………………………………………………..19 2.2 Méthodes de décomposition linéaire et non linéaire……………………..19 2.2.1Méthodes d’analyse en composantes indépendantes………………..20 2.2.2Méthodes d’analyse en composantes principales(PCA)…………….20 2.3 Méthodes filtrage adaptatif……………………………………………….21 2.4 Défis actuels………………………………………………………………22 Conclusions…………………………………………………………………...28 Chapitre 3 : Traitement par ondelettes Introduction………………………………………………………...29 3.1De la Transformée de Fourier à la Transformée en ondelettes……………29 3.1.1 Insuffisances de la Transformée de Fourier…………………………….29 3.1.2Transformée de Fourier à Court Terme (TFCT)………………………...31 3.2 La transformée en ondelettes……………………………………………..32 3.2.1 La fonction d’ondelettes……………………………………………32 3.2.2 construction de famille ondelettes…………………………………33 3.2.3 Propriétés de la fonction de l’ondelette…………………………...33 3.3 La transformée en ondelette continue et discrète…………………………34 3.3.1Transformée en Ondelettes Continue (CWT)…………………….….34 3.3.2Transformée en Ondelettes Discrète …………………………………35 3.3.3Interprétation en bancs de filtres……………………………………...36 3.4Analyse multirésolution……………………………………………….….37 3.4.1La fonction d’échelle……………………………………………....37 3.4.2Décomposition en approximations et détails……………………....38 Conclusion…………………………………………………………………….41 Chapitre 4 : Extraction du RCF par Ondelettes Introduction……………………………………………………………….….42 4.1Base de données………………………………………………………….42 4.2Filtrage du signal………………………………………………………….42 4.2.1 Suppression du bruit de haute fréquence……………………………...43 4.2.1.1Filtrage par seuillage des coefficients de détail……………………43 4.2.1.2 Types de seuillage………………………………………………...45 4.2.2 Correction des dérives de la ligne de base…………………………..47 4.3 Localisation des battements cardiaques du fœtus……………………....47 4.3.1 Détection des QRS de la mère………………………………………….47 4.3.1.1. Décomposition du signal en bandes de fréquences………………49 4.3.1.2 Sélection des bandes de fréquences………………………………..50 4.3.2 Suppression des QRS de la mère……………………………………...51 4.3.3 Extraction des QRS du fœtus………………………………………….51 4.3.3.1 Méthode de Pan et Tompkins……………………………………...52 4.4 Calcul du RCF…………………………………………………………...57 4.5 Algorithme de détection…………………………………………………58 4.6 Discussion des difficultés liées à la nature du signal……………………58 Conclusion…………………………………………………………………..59 Conclusion général Bibliographie Liste des tableaux Tab 2.1:Comparaison des méthodes existantes pour l'extraction de l'ECG fœtal [44]………….………………………………………………………………………26 Tableau 4.1 : correspondance entre détail et bandes de fréquences………………...49 Liste des figures Figure 1.1 circulation sanguine fœtal……………………………………………………………….2 Figure 1.2 Anatomie du cœur………………………………………………………………………3 Figure 1.3 Coupe longitudinale du cœur………………………………………………………...…5 Figure 1.4 signal ECG……………………………………………………………………………..8 Figure 1.5 ECG d’une femme enceinte………………………………………………………...…..9 Figure 1.6 Principe d’enregistrement de l’ECGF………………………………………………....10 Figure 1.7 Représentation temps-fréquence d’un ECG composite…………………………………………11 Figure 1.8 Densité spectrale de puissance d’un QRS de la mère et celle d’un QRS fœtal..…12 Figure 1.9 Acquisition externe………………………………………………………………….....13 Figure 1.10 Acquisition interne ………………………………………………………………….13 Figure 1.11 Multiple grossesse…………………………………………………………….…….14 Figure 1.12 Bruits présent dans un signal ECG………………………………………………….16 Figure 2.1 Exemple typique d’échec de la méthode [13]………………………………………...23 Figure 2.2 Exemple typique d’échec des méthodes multicanales………………………………..25 Figure 3.1.a Exemple de sinusoïdes à différentes fréquences……………………………..……30 Figure 3.1.b Spectres respectifs des 3 sinusoïdes………………………………………...….….30 Figure 3.2 Exemple de sinusoïde non stationnaire (haut) et son spectre d’amplitude (bas)…….30 Figure 3.3 bandes de fréquences associées à différents échelles……………………………..…37 Figure 3.4 Arbre d'analyse multi-résolution………………………………………………….....40 Figure 3.5 principe de décomposition par algorithme………………………………………..….40 Figure 3.6 Décomposition dyadique d'un signal en bandes de fréquences…………………..…..41 Figure 4.1 a)Signal ECG; b) analyse en ondelettes non redondantes du signal ECG c) : Mise en évidence du bruit dans les derniers coefficients de détail de haute résolution…………………..…...44 Figure 4.2 les différents types de seuillages………………………………………………………46 Figure 4.3 résultat de filtrage de signal ECG……………………………………………………..46 Figure 4.4 exemple de ECG présente une variété d’onde R et T avec divers amplitudes… …… 48 Figure 4.5 exemple de détection de QRS de la femme enceinte………………………………….50 Figure 4.6 Exemple d’élimination QRS de la mère………………………………………………51 Figure 4.7 Réponse en fréquence du filtre p-bas propose par Pan et tompkins…………………..52 Figure 4.8 réponse en fréquence du filtre dérivateur à l’échelle loga-rithemique……………….53 Figure 4.9 ECG filtré ; sortie de filtre dérivateur ; sortie de filtre d’intégrateur à fenêtre glissante …………………………………………………………………………………………………….54 Figure 4.10 détection des QRS du fœtus………………………………………………………….55 Figure 4.11 Exemple de détection sur la dérivation DII…………………………………………...56 Figure 4.12 Exemple de la détection sur la dérivation DIII………………………………………..56 Figure 4.13 intervalle R_R……………………………………………………...........…………….57 Introduction générale L'électrocardiogramme est une représentation graphique du potentiel électrique qui commande l'activité musculaire du cœur. Ce potentiel est recueillie par des électrodes posées à la surface du corps. Il se présente comme une suite de déflexions (ondes) répétitives représentant chacune une phase de fonctionnement du cœur. Chaque déformation visible sur ces ondes peut être attribuée à un dysfonctionnement cardiaque ou arythmie. Dans ce présent mémoire, nous portons un travail particulièrement intéressant et à travers lequel nous abordons les ondelettes. Cette méthode s’est imposée depuis une trentaine d’année dans nombreux domaines de la recherche comme un outil performant de traitement du signal. Le premier chapitre présente brièvement le fonctionnement du système cardiovasculaire, et notamment le cœur. Il permet en particulier de comprendre l’origine et la nature des signaux composite d’une femme enceinte enregistrés par l’électrocardiogramme ainsi les différentes méthodes d’acquisition de l’ECG fœtal. Le deuxième chapitre, nous présentons un état de l’art sur diveres méthodes basées sur les ondelettes, séparation de source et d’autres approches ont été proposées pour l’extraction de l’ECG du fœtus (ECGF) à partir de celui de la mère. Le troisième chapitre est composé de la présentation des principes mathématiques des transformées en ondelettes continue et discrète et leurs propriétés les plus connues en privilégiant les aspects liés au traitement du signal. Le calcul des coefficients de détail d’approximations dans la décomposition en ondelettes. Enfin le quatrième chapitre on a illustré dans la première partie le filtrage du signal ECG et dans la deuxième partie les résultats obtenus de l’extraction ECG fœtus en éliminant le complexe QRS de la mère dans le but de calculer le rythme cardiaque du fœtus. Et on terminera par une conclusion générale Introduction Le signal ElectroCardioGramme (ECG) composite de la mère peut fournir des informations utiles sur le cœur du fœtus. Le suivi régulier de la fréquence cardiaque fœtale et la détection précoce d’éventuelles anomalies cardiaques peut aider l’obstétrique et le cardiologue pédiatrique à prescrire des traitements ou à envisager des précautions nécessaires lors de l'accouchement car les maladies et les malformations cardiaques congénitales sont les pathologies natales les plus communes. Ce sont les principales causes de mortalité à la naissance. Chaque année, environ un bébé sur 125, présente une forme de malformations cardiaques congénitales. 1.1 Circulation sanguine fœtale Le sang oxygéné en provenance du placenta est transporté au fœtus par la veine ombilicale. Le sang du fœtus traverse la veine porte vers la veine cave inférieure par l’intermédiaire du canal d’Arantius (voir figure 1.1). A ce niveau, un mélange aura lieu avec le sang appauvri en oxygène provenant de la partie basse du corps du fœtus. Si le débit sanguin est normal, la majeure partie du sang bien oxygéné provenant du placenta passe directement dans l’oreillette gauche par l’intermédiaire du foramen ovale. Cette séparation du sang oxygéné est essentielle car le sang riche en oxygène peut être transporté du ventricule gauche vers le myocarde et les régions supérieures du corps du fœtus. Le sang à concentration basse en oxygène est transporté de l’oreillette droite au ventricule droit puis passe dans l’artère pulmonaire. Il traverse ensuite l’aorte par l’intermédiaire du canal artériel. A partir de l’aorte, le sang est ramené par les artères ombilicales jusqu’au placenta, où il sera réoxygéné pour un nouveau cycle cardiaque. Figure 1.1 uploads/Finance/ adjloutzahia-belaouachef 1 .pdf