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1 République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’enseignement S

1 République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Abou Bekr BELKAID –TLEMCEN- Département de L’ELECTRONIQUE MÉMOIRE DE FIN D’ÉTUDES présenté à LA FACULTE DES SCIENCES DE L’INGENIEUR Pour obtenir le titre de INGÉNIEUR D’ETAT Spécialité ELECTRONIQUE BIOMEDICALE Soutenu par MEZIANE Hadj Boumédiène le 02 juillet 2003 Titre Acquisition de signaux Electrocardiogrammes (ECG) à l’aide de la carte DSPACE Encadreur : Mr. Chafik KARA-TERKI Jury President: Mr. A.CHIKH Examinateur: Mr.A .BESSAÏD 2 3 4 Table des matières Introduction CHAPITRE -I- :Généralités sur le système cardiovasculaire…………………………… I. La fonction du cœur ……………………………………………………….. I.1.Rappels anatomiques et fonctionnels ……………………………………… I.2. L’électrogénèse cardiaque ………………………………………………… I.2.1.Potentiels d’action ……………………………………………………….. I.2.2.Propagation de l’excitation ………………………………………………… I.2.3.La commande rythmique du cœur ………………………………………… I. 2.3.1. Le système nerveux autonome …………......................................... I. 2.3.1.1. Le système nerveux parasympathique ………………………… I. 2.3.1.2.Le système sympathique ………………………………………. CHAPITRE -II- : Méthodes de recueil du signal Electrocardiogramme ECG……………… II. 1. Présentation II.1.1.Electrocardiogramme II.1.1.1.Historique II.1.1.2.Introduction physiologique II.1.1.3.Utilisation Médicale II. 2. Electrocardiographie II.2.1.Principe de fonctionnement II.2.2.Appareillage II.2.3.Electrocardiogramme ambulatoire de Holter II.2.4.Chaine d’acquisition de l’ECG par Micro-ordinateur II.2.5.Electrodes II.2.6.Dérivations II.2.7.Tracé des résultats sur papier II. 3. Electronique associée II.3.1.Amplification II.3.2.Traitement du signal II.3.2.1.Détection des ondes QRS II.3.2.2.Numérique II. 4. Evolution II. 5. Stockage des données II. 6. Conclusion CHAPITRE -III- : Programmation de la carte d’acquisition temps-réel DSPACE DS1103 III. Introduction III.1.Les différentes méthodes de programmation temps-réel de la carte DS1103 III.1.1.Programmation manuelle de la carte DSPACE par langage C III.1.2.Compilateurs C de DSPACE 5 III.1.2.1.Compilateur Microtec PPC pour processeur Motorola PowerPC III.1.2.2.Compilateur C TMS320C3x/C4x pour processeur slave DSP (Digital Slave Processor) III.1.3.Programme C d’acquisition du signal ECG III.1.4.Utilisation du logiciel SIMULINK de MATLAB III.1.4.1.Avantagesde SIMULINK par rapport a la programmation manuelle en langage C III.1.4.2.La bibliothèque d’applications RTI1103 III.1.4.3.Acquisition et filtrage temps-réel du signal Electrocardiogramme (ECG) III.1.4.4.Exécution du modèle ECGREAD.MDL III.1.5.Conclusion Quelques extensions possibles pour le projet de fin d’études IV.ANNEXES ANNEXE –A- : -Caractéristiques techniques de DSPACE DS1103 et Datasheets ANNEXE –B- : -Les différents ports de communication et Entrées/Sorties Lexique Anglais/Français Lexique Français/Anglais BIBLIOGRAPHIE 6 Introduction Nous présentons dans ce mémoire les travaux réalisés au cours de cette dernière année pour l’obtention du diplôme d’ingénieur d’état en Electronique Biomédicale ; Cette courte introduction expose la démarche générale que nous avons suivie, qui sous-tend l’organisation de ce document. Le point de départ de ces travaux est un problème pratique récurrent dans les domaines d’activité pour lesquels le traitement de l’information occupe une large place. Paradoxalement, tandis que ces domaines connaissent des avancées techniques importantes, la complexité des moyens que celles-ci mettent en œuvre freine leur diffusion auprès d’un public non expérimenté. Le domaine de l’acquisition de signaux physiologiques est crucialement représentatif de cette difficulté. Tout d’abord la grande quantité et la variété des signaux physiologiques nécessitent d’être gérées de manière efficace. Ensuite, l’information que ces signaux contiennent, très riche doit être traitée et analysée et synthétisée en des termes accessibles et exploitables par des médecins en routine. Enfin, les techniques d’acquisition et de visualisation des signaux s’améliorant, le potentiel d’obtention d’éléments diagnostiques croit et doit donc être exploitable au mieux par les médecins chercheurs. De fait, une large communauté de scientifiques propose d’appréhender cette quantité, cette richesse et ce potentiel en développant des méthodes informatiques de traitement de signaux physiologiques performantes et spécifiques. Ces méthodes sont fondées plus ou moins implicitement sur des connaissances aussi bien méthodologiques (e.g. mathématiques, statistiques, informatiques) que médicales (e.g. anatomiques, physiologiques, physiques).Qui plus est, ces connaissances interviennent souvent dans l’utilisation judicieuse des méthodes pour résoudre des objectifs particuliers de traitement de signaux physiologiques. Bien que les médecins concernés soient demandeurs de ces nouvelles techniques d’analyse,l’investissement qui leur est demandé pour savoir les manipuler est tel,qu’ils se contentent bien souvent de méthodes triviales ,faciles a appréhender et dont ils maîtrisent les résultats. Notre travail s’est basé sur l’installation et la mise en oeuvre de la carte d’acquisition temps-réel multiprocesseurs de marque « DSPACE DS1103 » développée spécialement pour le prototypage d’applications en ingénierie automobile et nouvellement acquise par le laboratoire d’automatique de notre université. Elle permet a la fois l’acquisition ou la restitution de signaux analogiques ou digitaux et le contrôle ou la commande des robots .Vu les hautes performances et la rapidité qu’offre cette carte, nous nous sommes attachés à 7 l’appliquer à notre domaine d’intérêt à savoir l’acquisition et le traitement de signaux physiologiques tel que l’Electrocardiogramme. De même nous utiliserons le logiciel SIMULINK de MATLAB et les différents compilateurs C appropriés pouvoir associer quelques notions de filtrage numérique. Dans le premier chapitre nous présentons les principales fonctions du cœur ainsi qu’une introduction a l’électrocardiographie. Dans le deuxième sont détaillées les différentes méthodes permettant de relever le signal Electrocardiogramme (ECG) dans une chaîne d’acquisition par ordinateur et l’importance de l’amplification et du filtrage des signaux physiologiques. Le chapitre 3 sont présentées les caractéristiques techniques de la carte d’acquisition DSPACE DS1103 et ses différents ports d’entrée et de sortie. Les chapitres 4 et 5 traitent la partie principale de notre travail qui sont : la programmation de la carte d’acquisition et sa mise en œuvre pour acquérir les signaux physiologiques. La réalisation pratique de la chaîne d’amplification du signal ECG. 8 9 I. La fonction du cœur : [extrait du livre de cardiologie éditions Larousse] Préambule : Ce chapitre présente des notions fondamentales sur l’électrogénèse cardiaque. Il décrit succinctement les caractéristiques du tissu cardiaque auxquelles nous nous référerons dans ce mémoire ainsi que les processus de propagation de l'influx cardiaque, puis les principes fondamentaux de l'électrocardiographie et les différents types d'enregistrement. L’accent sera mis sur l'électrocardiogramme à haute résolution. I. 1. Rappels anatomiques et fonctionnels Le coeur est situé au milieu du médiastin où il est partiellement recouvert par les poumons et antérieurement par le sternum et les cartilages des troisièmes, quatrièmes et cinquièmes côtes. Les deux tiers du coeur sont situés à gauche de la ligne passant par le milieu du corps. Il repose sur le diaphragme et est incliné en avant et à gauche de telle sorte que l'apex soit antérieur par rapport au reste du coeur. Le coeur est constitué de quatre cavités contractiles: les oreillettes reçoivent le sang veineux et les ventricules droit et gauche le propulsent respectivement dans la circulation pulmonaire et dans la circulation systémique (cf. figure 1-1). Chaque battement cardiaque est un processus mécanique engendré par des phénomènes bioélectriques, notamment ioniques. I. 2. L'électrogénèse cardiaque Excitabilité et contractilité sont les propriétés essentielles des tissus cardiaques. Elles varient selon la localisation de ces tissus dans le myocarde. Pendant la période d’activité (systole) et de repos (diastole) les cellules cardiaques sont le siège d’une suite complexe d'événements électriques membranaires et intracellulaires qui entraînent le glissement des filaments d’actine et de myosine à l’origine du raccourcissement de la cellule, donc de la contraction. I.2.1. Potentiel d’action Ce sont les ions chlorure (Cl-), sodium (Na+), calcium (Ca++) et potassium (K+) qui sont impliqués dans les échanges membranaires. Leurs osmolarités intracellulaires et extra cellulaire présentent des valeurs de potentiel électrochimique très différentes, spécifiques de chaque ion. Les gradients des concentrations ioniques sont régis par des mécanismes d’échange à travers des canaux spécifiques de la membrane cellulaire. Les variations des potentiels observées au cours du cycle cardiaque correspondent à des modifications de la perméabilité membranaire pendant les différentes phases de ce cycle. Pendant la phase de repos (diastole cellulaire), la polarisation membranaire à l’intérieur de la cellule est négative par rapport à l’extérieur : c’est le potentiel de repos dont la valeur est comprise entre -80 et -90 mV (cf. Tableau 1-1). 10 Figure 1-1 : représentation du coeur et de l’origine des gros vaisseaux. On distingue également les voies de conduction normales de l'influx cardiaque [extrait de Tortora et al, 1988]. Pendant la phase de systole, le potentiel de membrane tend à s’inverser par suite des variations de perméabilité aux ions Na+, Ca++ et du flux sortant de K+. L’intérieur de la membrane peut alors atteindre des potentiels de +20 à +30 mV par rapport à l’extérieur de la cellule. Cette variation de potentiel de membrane, caractéristique de la phase d’activité d'une cellule, constitue le potentiel d’action (cf. Figure 1-2). Tableau 1-1 : concentrations intra et extra-cellulaires des principaux ions impliqués dans les phénomènes électrophysiologiques cardiaques et valeurs des potentiels électrochimiques d'équilibre correspondant [extrait de Noble, "The initiation of the heartbeat", Londres, 1973, p 12-13] 11 . Figure 1-2 : représentation schématique de différentes courbes du potentiel d’action [extrait de Macfarlane, "Comprehensive electrocardiology", NY, 1989, p. 132]. La forme du potentiel d'action varie selon le tissu considéré. Son amplitude crête-à-crête est de 100 à 120 mV. La phase de dépolarisation est la plupart du temps rapide ou très rapide. La vitesse est à peu près proportionnelle à la vitesse de conduction des tissus. La phase rapide de dépolarisation est suivie d'un plateau plus ou moins long et plus ou moins ample selon le tissu. Le tissu nodal (c'est-à-dire des noeuds sinusal et auriculo-ventriculaire) présente, contrairement aux autres, une phase de dépolarisation lente .Durant la phase de dépolarisation et une partie de la phase uploads/Geographie/ memoire-ebm.pdf