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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POUPLAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POUPLAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MENTOURI – CONSTANTINE- FACULTE DES SCIENCES DE L’INGENIEUR DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE N° d’Ordre :………….. Série :………………... MEMOIRE DE MAGISTER Présenté par : M. Arbatni Khaled Option : Traitement du Signal Thème Soutenu le : 17/12/2007 Examiné par le jury : Président A. Charef Professeur Université de Constantine Rapporteur A. Bennia Professeur Université de Constantine Examinateur M. Khamadja Professeur Université de Constantine Examinateur N. Mansouri Professeur Université de Constantine Année 2007 Réseaux de neurones appliqués à l’analyse et à la modélisation non linéaire du signal ECG Remerciements i Remerciements Je remercie Allah tout puissant qui m'a donné la force et la volonté pour pouvoir finir ce mémoire de magister. Je tiens à remercier profondément mon encadreur : le professeur abdelhak BENNIA pour la confiance qu’il m’a accordée, ses encouragements, et ses précieux conseils. J’exprime ma gratitude envers M. A.CHAREF, professeur à l’université de Mentouri de Constantine de m’avoir fait l’honneur d’accepter de présider le jury, Je tiens à remercier M. M. Khamadja., professeur à l’université Mentouri de Constantine, d’avoir accepter de juger ce travail en tant qu’examinateur, Je remercie Mme. N. Mansouri, Professeur à l’université Mentouri de Constantine, d’avoir accepter de juger ce travail en tant qu’examinateur. Je tiens à remercier, tous ceux qui m'ont enseigné durant toutes mes études et en particulier mes enseignants à l’université de Constantine. Dédicace ii DEDICACE Je dédie ce mémoire A ma mère, Mon père, Et mes frères et mes sœurs. Khaled Arbatni Sommaire iii SOMMAIRE Remerciement………………………………………………………….. i Dédicace ii Sommaire ………………………………………………………………………………... iii Liste des figures vi Liste des tableaux viii Résumé ix Abstract x Introduction générale ……………………………………………………………... 01 Chapitre I : Le Signal ECG 1. Introduction …………………………………………………………………………… 03 2. Le cœur ………………………………………………………………………………... 03 2.1 Anatomie et activité musculaire du cœur…………………………….......... …. … 03 2.2 Activité Electrique du cœur ……………………………………………………... 04 3. L’électrocardiographie ………………………………………………………………… 06 3.1 Définition ……………………………………………………………………......... 06 3.2 Principe de fonctionnement ………………………………………………………. 07 3.3 Enregistrement de l’électrocardiogramme et dérivations ………………………… 08 3.4 L’ECG de Holter…………..……………………………………………………… 09 4. Trace électrique du cœur ……………………………………….……………………... 09 5. Intervalles temporels………………………………………………………………....... 10 6. A quoi sert l’électrocardiogramme ?............................................................................... 12 Chapitre II : les Réseaux de Neurones 1. Introduction …………………………………………………………………………… 13 2. Le neurone……………………………………………………………………………... 13 Sommaire iv 3. Activation et règle de propagation …………………………………………………….. 14 - Règles de propagations ……………………………………………………………. 14 - Fonctions d’activations ………………………………………………..................... 15 4. Topologies des réseaux ………………………………………………………………... 15 4.1 Topologie récurrente ou dynamique……………………………………………… 16 - Réseaux de Jordan…………………………………………………………….. 16 - Réseau d’Elman……………………………………………………………….. 16 - Réseau PRNN…………………………………………………………. ……... 17 Principe de fonctionnement du PRNN………………………………………. La fonction de coûts et la règle d’apprentissage……………………………... 19 21 L’algorithme d’apprentissage RTRL………………………………………... 21 4.2 Topologie statique ou réseau à couches...………………………………………… 24 - Le perceptrone multicouches………………………………………………...... 24 Algorithme d’apprentissage …………………………….................................. 25 Etapes de l’algorithme d’apprentissage……………………………………… 27 - Les réseaux TDL (tapped delay line)...………………………………………. 27 Chapitre III : Détection du Complexe QRS 1. Introduction………………………………………………………………………......... 29 2. Différents Algorithmes de détection du QRS…………………………………………. 29 - Approches dérivatives et filtres numériques…………………………………... 30 - Détection basée sur la transformée en ondelettes………………………………. 32 - Approches basées sur les réseaux de neurones………………………………… 32 3. Théorie………………………………………….……………………………………... 33 4 Filtre adapté et filtre blanchissant………..…….…………………………………........ 33 4.1 Le filtre blanchissant neuromimétique.………………………………………........ 34 4.1.1 Filtre blanchissant adaptatif non linéaire à base d’un PMC………………… 34 - Choix de la langueur de la fenêtre d’entrée…………………………..……. 34 Sommaire v - Choix de la langueur de la couche cachée………………….……………... 35 - Utilisation du pas d’apprentissage variable……………………….………... 36 4.1.2 Filtre blanchissant adaptatif non linéaire à base d’un PRNN……………….. 37 4.2 Filtre adapté …..…………………….…………………………………………….. 41 - Sélection du modèle type………………………………………………………. 41 5. Algorithme de détection…………………………………………………………......... 42 5.1 Détection des pics et règle de décision…………………………………………. 46 6. Evaluation des performances..………………………………………………………... 47 7. Conclusion ……………………………………………………………………………. 49 CONCLUSION GENERAL……………………………………………………………… 51 Références…………………………………………………………………………............ 53 Introduction générale 1 INTRODUCTION A travers ce mémoire, on va aborder un sujet d’actualité qui est l’analyse et la modélisation non linéaire du signal électrocardiogramme (ECG) avec des techniques basés sur les réseaux de neurones qui sont des agents de traitement et d’approximation très performants. Dans le diagnostic des pathologies cardiaques, le signal ECG constitue l’apport le plus important pour le cardiologue. Le signal ECG de Holter représente l’enregistrement du signal électrocardiogramme pendant 24 heurs et plus, ce qui rende le constat visuel impossible ou fastidieux d’ou la nécessité d’une analyse automatique rapide et fiable. On trouve dans la littérature beaucoup d’algorithmes conçus spécialement pour analyser le signal ECG d’une manière automatique. La nature non linéaire et non stationnaire de ce signal et les bruits qui l’affectent constituent un obstacle devant son exploitation automatique fructueuse. La nécessité de dépasser ces obstacles est la cause de l’utilisation d’une variété d’approches et techniques pour son traitement. Par exemple, on trouve dans la littérature des approches qui utilisent le filtrage passe haut ou filtrage passe bande, les transformées en ondelettes, la dérivation non entière, les algorithmes basés sur les réseaux de neurones. On trouve aussi d’autre approches et techniques utilisées pour le traitement du signal ECG tel que : le filtrage adaptative et filtres numériques, les modèles cachés de Markov, la morphologie mathématique, la transformation de Hilbert, les algorithmes génétiques etc. Notre plan de travail comporte trois chapitres. Le premier chapitre sera consacré à l’introduction de l’élément principal du système cardiovasculaire ; le cœur, et au principe du signal électrocardiogramme (ECG). Le deuxième chapitre est dédié aux réseaux de neurones et ses différentes approches et catégories. Une étude plus approfondie sera réservée Introduction générale 2 aux réseaux PRNN, TDL et PMC. Le chapitre trois traite la détection du complexe QRS, qui présente une étape clé dans toute sorte de traitement et d’analyse automatique du signal ECG. nous avons finalisé ce chapitre par l’exposition des résultats des tests et de filtrage effectués sur les signaux ECG de la base de donnée standard de MIT/BIH, et les résultats de notre algorithme de détection des complexe QRS présents dans ces signaux. Nous avons terminer ce modeste travail par une conclusion générale et indications sur des perspectives et souhaites du traitement automatique du signal ECG. Chapitre I Le Signal ECG 3 Le Signal ECG 1. Introduction Dans ce chapitre en va présenter le fonctionnement de l’élément principal du système cardiovasculaire ; le cœur , puis on va examiner d’une manière plus détaillée, le principe de l’électrocardiogramme (ECG) qui désigne l’enregistrement de l’activité électrique du cœur. . 2. Le cœur Elément principal du système cardiovasculaire, qui est un muscle appelé myocarde, d’un volume de poignet sert à propulser le sang vers tout le corps humain à travers les vaisseaux sanguins. Dans le corps humain, le cœur se situe dans le médiastin. C'est la partie médiane de la cage thoracique délimitée par les deux poumons, le sternum et la colonne vertébrale. Il se trouve un peu à gauche du centre du thorax, en arrière du sternum, sur le diaphragme. C'est un organe creux mû par un muscle, le myocarde, et enrobé du péricarde (pericardium) ; il est entouré par les poumons. Les vaisseaux sanguins sont décomposés en deux grands systèmes, le système artériel et le système veineux. Le premier système assure l’acheminement du sang oxygéné vers les organes, et le deuxième sert à ramener le sang pauvre en oxygène au coeur. 2.1 Anatomie et activité musculaire du cœur Le cœur est divisé en deux parties par une cloison, une partie droite et une partie gauche. Chaque partie est divisée elle-même en deux parties, une partie haute qui sont les oreillettes et une partie basse qui sont les deux ventricules . La figure 1.1 illustre la structure anatomique détaillée du cœur humain. Chapitre I Le Signal ECG 4 Figure 1.1. Cœur. Le sang pauvre en oxygène arrive au cœur par la veine cave. Il y entre par l’oreillette droite, et en est chassé par sa contraction appelée systole auriculaire qui le déplace dans le ventricule droit. La contraction ventriculaire (systole ventriculaire) propulse le sang du ventricule droit vers les poumons où il va se charger en oxygène. De retour au cœur par les veines pulmonaires, le sang s’accumule dans l’oreillette gauche puis, lors de la contraction auriculaire, passe dans le ventricule gauche qui lors de la systole ventriculaire l’envoie vers les organes par l’artère Aorte. Du fait que le muscle cardiaque est myogénique, les contractions rythmiques se produisent spontanément et sont coordonnées par une impulsion électrique qui le stimule. Dans le prochain paragraphe en va aborder le processus de contraction cardiaque du point de vue électrique. 2.2 Activité Electrique du cœur Le mouvement des ions Na + à travers les membranes des cellules des fibres cardiaques (dépolarisation et la re-polarisation des cellules) génère une différence de potentiel Chapitre I Le Signal ECG 5 électrique qui provoque ainsi la contraction et la décontraction respectivement du fibre cardiaque. Dans l’état normal du cœur, la dépolarisation du muscle cardiaque (inversion de la polarité électrique de la membrane par passage actif d'ions Na + à travers celle-ci) prend naissance dans la partie haute de l’oreillette droite dans le nœud sinusoïdal de Keith et flack. Cette dépolarisation s’effectuée d’une manière autonome avec un rythme de 70 à 100 fois par uploads/Litterature/ arb5016.pdf