La physique appliquée à la cardiologie Fiche

Auteur : Ouadi BEYA CE.RE.S.P
La physique appliquée à la cardiologie Fiche
Mots clés : ECG, PCG, traitement et analyse du signal, cardiologie.
Disciplines : SVT, électronique, traitement du signal, informatique, physique appliquée.
Niveau : TPL – Term & BTS Electronique
Objectifs :
 Principe d’acquisition et de traitement des signaux
cardiaques
 Présentation de quelques outils de traitement des
signaux cardiaques
I. Introduction
Au dernier test match de l’équipe de France de rugby contre
la Nouvelle Zélande, le score 36 à 12 était sans appel et la
domination des All Blacks sur le monde du ballon ovale est
indiscutable.
Mais l’information passée inaperçue est le port par l’arbitre
de la rencontre d’un système GPS permettant d’enregistrer
en temps réel des informations comme la distance parcou-
rue, la vitesse, les calories consommées et le rythme car-
diaque.
Pour prévenir les risques cardiaques les médecins cherchent
à mettre au point des dispositifs portables autonomes pour
la surveillance des personnes à risque. Ces dispositifs ont
pour but de transmettre en temps réel une alarme à un
centre médical pour intervenir rapidement en cas
d’anomalie sur les signaux cardiaques.
II. Signaux cardiaques
2.1- Fonctionnement du cœur
Si le cœur est souvent associé aux sentiments, la charité, le
bien ou le mal par des expressions du style «il n’a pas de
cœur» ou «il faut écouter votre cœur».
Scientifiquement, c’est un organe musculaire assurant le
rôle de pompe du système sanguin. Son activité à la fois
électrique et mécanique assure la pompe de 8000 litres de
sang par jour avec 100 000 battements quotidiens en
moyenne.
Fig2 : Schéma du cœur (© http://www.infovisual.info)
Cet organe est constitué d’un cœur droit qui renvoie aux
poumons, le sang pauvre en oxygène pour éliminer le
dioxyde de carbone et l’alimenter en oxygène. D’un cœur
gauche qui envoie via les artères le sang oxygéné vers le
reste du corps.
2.2- Electrocardiogramme
L’Electrocardiogramme ou ECG représente l’activité élec-
trique du cœur. Il est constitué de six ondes notées: P-Q-R-
S-T-U. Le maximum R correspond à 1 mV (millivolts).
Fig2 : Electrocardiogramme
Ce signal est périodique dont l’intervalle R-R détermine la
fréquence du cœur dite rythme cardiaque. L’ECG traduit
deux phases du fonctionnement du cœur, sa contraction
qu’on appelle la systole (auriculaire et ventriculaire) qui
représente 1/3 temps de l’ECG et la diastole ou la relaxa-
tion du cœur de l’ordre de 2/3 temps de l’ECG. C’est l'ex-
pulsion rythmique du sang qui provoque le pouls que l'on
peut tâter.
Un adulte, en bonne santé et au repos, a un rythme de 80
pulsations/minute. Alors que le rythme cardiaque d’un
sportif pratiquant de l’endurance, se situe entre 50 et 80
pulsations par minute. Pour déterminer la fréquence car-
diaque maximale théorique pour une personne, on utilise la
relation suivante : ƒ
ƒƒ
ƒ
max
= 220 - âge
(ex : si une personne est âgée de 60 ans  ƒ
max
= 220 - 60 = 140 pls/mn)
2.3- Phonocardiogramme
Le phonocardiogramme ou PCG est un enregistrement
sonore qui traduit l’activité mécanique du cœur, il est com-
posé de deux ondes appelées B1 et B2.
Fig3 : Les ondes B1 et B2 du PCG
U
B1 B2

Auteur : Ouadi BEYA
Le PCG est synchronisé sur l’ECG
et on peut l’entendre
avec un stéthoscope. Sa composante
B1
pic R de l’ECG alors que la composante B2 débute à la fin
de l’onde T de l’ECG.
L’amplitude de B1 et B2 dépend de
la p
osition, du sexe et de l’âge du patient.
III. De l’acquisition au diagnostic
Afin de permettre le traitement cardiologique des patients,
il y a trois phases :
hardware, software, diagnosti
 Partie électronique
: C’est une cascade de blocs, allant de
l’acquisition, l’
amplification…jusqu’à
un ordinateur ou sur un moniteur de surveillance.
 Partie informatique: Des
algorithmes
tement
, le stockage, l’extraction des différents par
mètres du signal numérique.
 Le diagnostic médical
par un cardiologue
3.1- Capter les signaux cardiaques
Dans le cadre de la mise en place d’un dispositif mobile et
ergonomique simplifiant l’
intervention des secouristes sur
les lieux d’accidents ou pour
la surveillance
patients à risque cardiaque
. Des entreprises ont développés
différents appareils
miniatures et facile d’utilisation
(a) Avec les pouces
(b) A base de 3
(c) une montre (d)
l’ECG est une tension électrique
Fig4 : Exemples de
dispositifs d’enregistrement de l’ECG
Pour enregistrer l’ECG [fig. 4b
], il faut au moins trois éle
trodes (dispositif à 3 dérivations). Ces électrodes
sont placées au bras droit (RA)
pour collecter la tension
u
R
(t), au bras gauche (LA)
pour la tension u
gauche (LL) c’est la masse.
Alors, on peut proposer une
modélisation électrique du patient [4] :
Fig 5 :
Modèle électrique d’un patient pour l’ECG
Il existe des dispositifs à base de
7 ou 12 dérivations
permettent
de réaliser une topographie
mais restent contraignants pour le patient. Il est important
de réduire le nombre d’électrodes tout en améliorant la
qualité du signal ECG.
CE.RE.S.P
et on peut l’entendre
B1
débute à la fin du
pic R de l’ECG alors que la composante B2 débute à la fin
L’amplitude de B1 et B2 dépend de
osition, du sexe et de l’âge du patient.
Afin de permettre le traitement cardiologique des patients,
hardware, software, diagnosti
c.
: C’est une cascade de blocs, allant de
amplification…jusqu’à
l’affichage par
un ordinateur ou sur un moniteur de surveillance.
algorithmes
permettant le trai-
, le stockage, l’extraction des différents par
a-
par un cardiologue
Dans le cadre de la mise en place d’un dispositif mobile et
intervention des secouristes sur
la surveillance
à distance de
. Des entreprises ont développés
miniatures et facile d’utilisation
.
(b) A base de 3
électrodes
l’ECG est une tension électrique
dispositifs d’enregistrement de l’ECG
], il faut au moins trois éle
c-
trodes (dispositif à 3 dérivations). Ces électrodes
[fig. 5a]
pour collecter la tension
pour la tension u
L
(t), au pied
Alors, on peut proposer une
Modèle électrique d’un patient pour l’ECG
7 ou 12 dérivations
qui
de réaliser une topographie
complète du cœur
mais restent contraignants pour le patient. Il est important
de réduire le nombre d’électrodes tout en améliorant la
(a) Electrodes
Fig5 : Capteurs
pour l’enregistrement de l’ECG et le PCG
L
’ECG est une tension électrique [fig. 4d] obtenue direct
ment par les électrodes alors
que
PCG est détecté par
un capteur piézoélectrique.
3.2-
Conversion analogique numérique
A la
sortie du capteur, aussi bien le signal analogique ECG
ou PCG doit-
être amplifier, débruiter, échantillonner puis
transmis vers un ordinateur ou un moniteur pour y être
afficher et traiter.
Fig 6 :
Chaîne de traitement électronique de l’ECG
Pour le ECG
la fréquence est limitée entre 10 Hz
tions de la peau) et 100
Hz,
c’est jusqu’à 200 Hz.
Pour éliminer les différents parasites
il faut un filtre anti-
repliement passe
sante : ∆ƒ
= 400 Hz
Afin de transférer le signal cardiaque vers un PC, il faut le
numériser par le biais d’un
CNA
numérique)
de fréquence d’échantillonnage de 2kHz ou
4kHz pour
parfaire la résolution du signal cardiaque.
CNA sera suivi d’un filtre
numérique RI
sionnelle Infinie) avant la
transmission
ordinateur ou un centre de décision d’urgence
3.3- Traitement
et analyse multirésolution
Une fois le signal est informatisé
algorithmes
de traitement du signal avant d’en extraire
rythme cardiaque, spectre, densité spectrale
informations, dont
le cardiologue
gnostic et sa prise de décision
a-
Analyse spectrale
(a) Spectre d’un ECG [4]
Fig 6 :
Spectre des signaux cardiaques
Après application de la TFD (Transformée de Fourier di
crète) sur des signaux cardiaques d’un patient normal, on
peut constater que l’ECG est limité à 100 Hz alors que le
(b) Capteur de stéthoscope
pour l’enregistrement de l’ECG et le PCG
’ECG est une tension électrique [fig. 4d] obtenue direct
e-
que
l’enregistrement sonore du
un capteur piézoélectrique.
Conversion analogique numérique
sortie du capteur, aussi bien le signal analogique ECG
être amplifier, débruiter, échantillonner puis
transmis vers un ordinateur ou un moniteur pour y être
Chaîne de traitement électronique de l’ECG
[4]
la fréquence est limitée entre 10 Hz
(vibra-
Hz,
alors que pour le PCG pour
Pour éliminer les différents parasites
repliement passe
-bas, de bande pas-
= 400 Hz
.
Afin de transférer le signal cardiaque vers un PC, il faut le
CNA
(convertisseur analogique
de fréquence d’échantillonnage de 2kHz ou
parfaire la résolution du signal cardiaque.
Ce
numérique RI
I (Réponse Impul-
transmission
du signal vers un
ordinateur ou un centre de décision d’urgence
.
et analyse multirésolution
du signal
Une fois le signal est informatisé
, on peut le traiter par des
de traitement du signal avant d’en extraire
le
rythme cardiaque, spectre, densité spectrale
. Ces différentes
le cardiologue
a besoin dans son dia-
gnostic et sa prise de décision
.
Analyse spectrale
de l’ECG et PCG
(b) Spectre d’un PCG
Spectre des signaux cardiaques
Après application de la TFD (Transformée de Fourier di
s-
crète) sur des signaux cardiaques d’un patient normal, on
peut constater que l’ECG est limité à 100 Hz alors que le

Auteur : Ouadi BEYA CE.RE.S.P
PCG présente 4 pics aux harmoniques 40Hz, 80Hz, 140Hz,
210Hz, ils correspondent à des composantes dans le B1 et
le B2 appelées A1-P1 et A2-P2. Elles informent le cardio-
logue sur le fonctionnement synchrone du cœur droit et
gauche. Quand l’écart temporel ∆t entre A2-P2 dépasse
40ms, alors il y a asynchronisme cardiaque.
Pour rappel, l’expression de la TFD :
2
1
0
b- Transformée en Ondelette TOD
La TOD (Transformée en Ondelettes Discrètes) [3] est
utilisée pour la compression des données numériques des
images, de la vidéo ou du son. C’est le cas en écographie ou
en imagerie médicale et satellitaire.
Elle permet de débruiter les signaux, c’est le cas d’un ECG
[fig. 7] ou un PCG en cardiologie.
(a) ECG bruité (b) ECG débruité
Fig 7 : ECG débruité par la TOD
Son expression est donnée en analogique par la relation :
c- La décomposition modale Empirique EMD
La décomposition modale empirique ou EMD est une mé-
thode d’analyse de signal mise au point en 1998, par N.E.
HUANG ingénieur à la NASA, pour l’étude de données
océanographiques. Par la suite, elle a été introduite dans
d’autres domaines d’applications.
Signal s(t) Approximation a(t) Détail d(t)
Fig 8 : composantes a(t) et d(t) d’un signal s(t)
Son principe [2] est que tout signal [fig. 8] s(t), peut-être
considéré comme superposition d’une composante lente a(t)
(basses fréquences) appelée approximation et une compo-
sante rapide d(t) (hautes fréquences) appelée détail. Ces
composantes sont des IMF (Fonctions Modales Intrin-
sèques) interprétées comme étant des ondes non station-
naires.
Si on applique cette méthode sur des signaux cardiaques
[fig. 9] voici le genre de résultats qu’on obtient après 4
itérations seulement.
(a) ECG initial [4s , 6s] (b) PCG initial [6s , 8s]
(c) Ondes de l’ECG - 4 itérations (d) Bruit dans le PCG - 4 itérations
Fig 9 : Décomposition par l’EMD de l’ECG et PCG
Sur l’ECG on constate [fig. 8c] que l’EMD [1] a permis
d’extraire les composantes PQST qui étaient noyées dans le
signal initial. La mise en évidence de ces ondes permet de
mesurer les décalages temporaires entre ces pics afin véri-
fier si la phase systol (contraction du cœur) se passe correc-
tement. Il peut facilement déterminer le rythme cardiaque
par la mesure de l’intervalle RR.
Appliquée sur le PCG [fig. 8d], l’EMD permis de mettre un
bruit sonore initialement inidentifiable.
IV. Conclusion
La transversalité de cet article confirme que dans un thème
plusieurs domaines de connaissances peuvent être associés.
Ce sujet peut-être mis en place dans le cadre d’un projet
pédagogique, un TPE, un projet d’établissement en partena-
riat avec le service cardiologie d’un centre hospitalier.
Bien sûr, il faut tenir compte du niveau de la classe et les
objectifs pédagogiques à atteindre. Pour une classe de BTS
électronique, on peut traiter les notions d’acquisition, de
filtrage, d’amplification ou conversion analogique numé-
rique avec analyse spectrale. La réalisation d’un circuit
imprimé avec FPGA permettra l’acquisition et le traitement
en temps réel du signal cardiaque.
Sur le web, on peut télécharger des signaux cardiaques à
partir de la base de données MIT. On peut les traiter par un
des logiciels suivants : Audacity, goldwave ou cooledit.
Avec des logiciels libres comme scilab ou octave, il est
possible de réaliser des algorithmes de filtrage et d’analyse
spectrale appliqués sur des signaux cardiaques ou sonores.
V. Références
[1] Beya, O. Bushra, J. Fauvet, E. and Laligant, O. Lew, L.“Application de
l’EMD sur des signaux cardiaques”, CNRIUT- Lille, (2009).
[2] Flandrin, P. Gonçalves, P. and Rilling, G. “ Empirical Mode Decom-
position and its Algorithms ”,IEEE-EURASIP Workship on Nonlinear
Signal and Image Processing NSIP-03, Grado(I),(2003).
[3] Benabdellah, M. RERBAL, S. Habibes, N. Ameziane, A. and Nem-
miche, A “ Traitement numérique du signal physiologique : Application au
débruitage et à l’analyse de l’ECG par ondelettes”, CHU de Telemcen –
Algérie (2005).
[4] Epreuve 2009, physique appliquée du BTS Electronique.
Sitographie:
http://www.atlasducorpshumain.fr/Coeur-et-vaisseaux/
http://www.physionet.org/physiobank/database/ptbdb/
http://www-sante.ujf-grenoble.fr/SANTE/CardioCD/cardio/
http://anatomieludique.unblog.fr/le-coeur/
http://ecg.mit.edu/
R
R
P
Q S
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