Conception et réalisation d’un dispositif de mesure du signal EMG

MEMOIRE DE PROJET DE FIN D’ETUDES Pour l’obtention du Diplôme de MASTER en GENIE BIOMEDICAL
Spécialité : Instrumentation Biomédicale

Anatomie et physiologie musculaire

Le signal Électromyogramme (EMG) est un signal qui représente l’activité électrique du muscle. C’est un outil précieux pour le diagnostic des myopathies et des maladies neuronales; il doit être bien interprété par le médecin pour un diagnostic correct. Il est donc impératif de comprendre les différents types des muscles, le fonctionnement de chacun d’eux, et la genèse de ce signal afin de faciliter la réalisation d’un système permettant l’acquisition de ce signal. Pour répondre aux objectifs fixés nous consacrons ce chapitre sur des informations nécessaires sur l’anatomie des différents muscles et la genèse de signal EMG. Anatomie musculaire Chez l’homme, le muscle est un tissu contractile, qui possède donc la capacité de se contracter en diminuant sa taille et en particulier permet de mobiliser les segments des membres : bras, avant bras, main et doigts pour le membre supérieur ou thoracique ; Cuisse, jambe, pied et doigts pour le membre inférieur ou pelvien. ILe Muscle Le mot muscle vient du mot latin musculus qui signifie « petite souris ». Les muscles peuvent être considérés comme les « moteurs » de l‟organisme. [3] Le muscle est un organe qui assure les fonctions mécaniques du corps humain assure notamment le déplacement des segments corporels, la contraction cardiaque ou encore les fonctions de vasoconstriction/vasodilatation des vaisseaux. Un tissu musculaire est composé de cellules musculaires appelées myocytes ou fibres musculaires (FM) [4]. Les muscles du corps, au nombre de 639, sont nommés selon certains critères : leur situation, leur forme, leur taille relative, et leur type d’action.

Les différents types de muscle a) Muscles striés: Ils sont caractérisés par la présence de stries visibles organisées perpendiculairement à l‟axe des cellules musculaires. Ces dernières sont de forme allongées et poly-nucléées et sont dénommées rhabdo-myocytes. b) Muscles lisses: Ils sont caractérisés par une absence de stries ; un corps cellulaire mono nucléé (à un noyau) on peut citer par exemple quelques organes disposant de tels muscles comme les poumons, muscles gastro-intestinaux, artères. c) Muscle cardiaque : Il permet au coeur de propulser le sang à travers l‟appareil circulatoire. C‟est un muscle viscéral mais strié dont la contraction est involontaire. Il constitue le tissu du coeur et est appelé myocarde. Si le système nerveux régule sa contraction, il est néanmoins doué d’automatisme et peut battre de façon autonome. Fonctions des muscles Les muscles de notre organisme exercent des fonctions importantes à divers degré : Les muscles squelettiques assurent la locomotion, le déplacement et la manipulation. Ils permettent de réagir rapidement face à l’environnement. Les muscles lisses dont le mouvement dans la paroi des vaisseaux sanguins, provoque une pression et dans le système digestif, une contraction. Le muscle cardiaque dont le battement assure la circulation sanguine.

La structure des fibres musculaire

La FM humaine à une longueur pouvant atteindre plusieurs centimètres et un diamètre variant de 10 à 100 μm. Elle est composée d‟une membrane cellulaire appelée sarcolemme et de myofibrilles à l‟intérieur (Figure I.2). Les myofibrilles sont formées d‟unités contractiles, nommées sarcomères, disposées en série. La FM est innervé par un motoneurone (MN) dont le corps cellulaire est localisé dans la corne ventrale de la moelle épinière (système nerveux central). Au niveau du muscle, La jonction entre une FM et un motoneurone est dénommée jonction neuromusculaire (JNM). La commande motrice du système nerveux central vers la périphérie est assurée par un signal électrique (potentiel d‟action, PA) qui se propage le long de la membrane du motoneurone puis le long du sarcolemme. Le sarcolemme s‟invagine régulièrement pour former des tubules transverses (TT) le long de la FM. Au niveau des TT, le signal électrique est internalisé et transformé en signal chimique qui déclenchera la contraction des sarcomères.

Description du matériel Un module Arduino est généralement construit autour d’un microcontrôleur Atmel AVR (ATmega328 ou ATmega2560 pour les versions récentes, ATmega168 ou ATmega8 pour les plus anciennes), et de composants complémentaires qui facilitent la programmation et l’interfaçage avec d’autres circuits. Chaque module possède au moins un régulateur linéaire 5V et un oscillateur à quartz 16 MHz (ou un résonateur céramique dans certains modèles).Le microcontrôleur est préprogrammé avec un bootloader de façon à ce qu’un programmateur dédié ne soit pas nécessaire. Les modules sont programmés au travers d’une connexion série RS-232, mais les connexions permettant cette programmation diffèrent selon les modèles. Les premiers Arduino possédaient un port série, puis l’USB est apparu sur les modèles Diecimila, tandis que certains modules destinés à une utilisation portable se sont affranchis de l’interface de programmation, relocalisée sur un module USB-série dédié (sous forme de carte ou de câble). L’Arduino utilise la plupart des entrées/sorties du microcontrôleur pour l’interfaçage avec les autres circuits, le modèle Diecimila par exemple, possède 14 entrées/sorties numériques. Les modules non officiels « BoArduino » et « Barebones », compatibles avec la technologie Arduino, utilisent des connecteurs mâles pour une utilisation aisée avec des plaques de test.

• Logiciel utilisé Le logiciel de programmation des modules Arduino est une application Java, libre et Multi plateformes, servant d’éditeur de code et de compilateur, et qui peut transférer le programme au travers de la liaison série (RS-232, Bluetooth ou USB selon le module). Il est également possible de se passer de l’interface Arduino, et de compiler les programmes via l’interface en ligne de commande.

• Le langage Arduino Le langage Arduino est très proche du C et du C++.Pourtant il y a des différences surtout au niveau de l‟écriture des fichiers, Le langage de programmation utilisé est le C++, et lié à la bibliothèque de développement Arduino, permettant l’utilisation de la carte et de ses entrées/sorties.Un programme Arduino est composé de 3 parties :

•La partie déclaration : C‟est une partie pour déclarer les variables (optionnelles)

• Fonction setup () : C‟est une partie initialisation et configuration des entrées / sorties. Elle est appelée une seule fois lorsque le programme commence.

• Fonction loop () : C‟est la partie principale contenant le programme. Elle est répétée indéfiniment en boucle infinie [32]

• Pourquoi Arduino UNO Il y a de nombreuses cartes électroniques qui possèdent des plateformes basées sur des microcontrôleurs disponibles pour l’électronique programmée. Tous ces outils prennent en charge les détails compliqués de la programmation et les intègrent dans une présentation facile à utiliser. De la même façon, le système Arduino simplifie la façon de travailler avec les microcontrôleurs tout en offrant à personnes intéressées plusieurs avantages cités comme suit: • Le prix (réduits) : les cartes Arduino pré-assemblées coûtent moins de 2500 Dinars • Multi plateforme : le logiciel Arduino, écrit en JAVA, tourne sous les systèmes d’exploitation Windows, Macintosh et Linux. La plupart des systèmes à microcontrôleurs sont limités à Windows. •Un environnement de programmation clair et simple.

Conclusion générale

L‟étude menée dans ce projet de fin d‟étude s‟intéresse à la réalisation d‟un système permettant la détection d‟un signal électromyogramme (EMG). En fait, comme il est décrit à travers ce document, les signaux EMG exploitent les phénomènes électrochimiques produits par les contractions musculaires afin de fournir un indice de l‟activité musculaire, ou bien ce sont des signaux qui représentent l‟activité musculaire. L‟objectif visé à travers ce travail est la réalisation d‟une chaine de mesure qui nous permet de faire un prototype d‟acquisition du signal EMG. C‟est la simplicité et le minimum de circuits ; donc un cout minimum qui a été ciblé dans cette réalisation. Le dispositif ainsi réalisé permet alors, à travers des capteurs (les électrodes) et des circuits électroniques simples, de détecter le signal EMG, de l‟amplifier et de le filtrer. La réalisation était faite tel qu‟un ensemble de points tests soient prévus en vue d‟une maintenance facile et d‟une meilleure compréhension des différents circuits entrant dans la réalisation de système. Ainsi à travers cette réalisation beaucoup d‟aspects pratiques ont été étudiés, décrits et assimilées. En effet, les problèmes souvent rencontrés et solutionnés lors du développement du schéma électrique ou encore le schéma du circuit imprimé à travers le logiciel Isis. Les résultats obtenus sur les mesures réalisés sur le système montrent le fonctionnement correct des circuits de mise en forme. Cependant d‟autres circuits à titre d‟exemple le stimulateur devraient être développé pour qu‟on puisse l‟utiliser pour une application médicale.

Abréviations

EMG : Électromyogramme
MEC : Matrice -Extra – Cellulaire
FM : Fibres Musculaires
MN : Motoneurone
JNM : Jonction Neuromusculaire
TT :Tubules Transverses
MHC : Myosin Heavy Chain
PA : Potentiel d‟Action
SNC : Système Nerveux Central
SNP : Système Nerveux Périphérique
UM : Unité Motrice
PAUM : Potentiel d‟Action d‟Unité Motrice
TPAUM : train de Potentiel d’Action d’Unité Motrice
PAFS : potentiels d’action des fibres singulières
EMGS : Électromyographie de surface
Amplis : Amplificateurs
TRMC : taux de rejection en mode commun
AOP : Amplificateur Opérationnel
dB : décibel (unité)
RLC : Resistance, Inductance, Capacité
MHz : Méga hertz
Fc : Fréquence de coupure
BP : Bande Passante
DEC : Décade
DSP : Densité Spectrale de Puissance
PC : Personal Computer
PFE : Projet de Fin d’étude