L’activité cardiaque et formation du signal ECG

Notions de Base sur l’Electrocardiogramme

L’électrocardiogramme (ECG) est l’instrument de diagnostic non invasif le plus utilisé dans la réalité électromédicale. Il est utilisé depuis de nombreuses années et a subi des améliorations constantes en ce qui concerne l’augmentation du nombre de signaux détectés, le rapport signal perturbation et la possibilité de détection durant l’activité physique. Le principe de l’électrocardiogramme est basé sur les nerfs et les muscles qui ont la propriété de l’excitabilité électrique. En effet, la stimulation de ces derniers provoque un mouvement cyclique d’ions à l’intérieur et à l’extérieur de chacune des cellules activées, ce qui entraine une modification des potentiels entre les membranes. Ce changement de potentiels provoque, à son tour, une impulsion électrique qui se propage à partir du point d’excitation jusqu’aux régions adjacentes. Ce chapitre donne une description générale du système cardio-vasculaire. Un intérêt particulier sera porté à l’étude du signal électrocardiogramme et sa genèse. Aussi les différentes approches utilisées pour sa détection, particulièrement les différentes dérivations, seront décrites et illustrées. Le Système Cardiovasculaire Le système cardiovasculaire a pour fonction d’assurer la distribution en oxygène et en nutriments à l’ensemble de l’organisme.

L’organe moteur de ce système est le coeur ; Ce muscle creux protégé par une enveloppe ; Une membrane constitué de deux couches appelée le péricarde qui entoure le coeur comme un sac, le coeur pèse entre 200 et 400 grammes, il est un petit peu plus grand que le poing. Il est situé entre les poumons, derrière et légèrement à gauche du sternum, et possédant quatre cavités. Le coeur fonctionne comme une pompe musclée propulsant vers les autres organes une masse sanguine de (4 à 5 litres par minute) chargée d’oxygène au niveau des poumons. Il possède sa propre énergie électrique et assure lui-même son alimentation en oxygène [1]. Le coeur est divisé en quatre cavités : deux oreillettes (gauche et droite) et deux ventricules (gauche et droite). Les oreillettes droite et gauche reçoivent le sang des veines; les ventricules droit et gauche envoient le sang dans les artères respectivement vers la petite circulation (circulation pulmonaire) et la grande circulation en direction du reste du corps humain (circulation systémique) (Figure 1.1). Le schéma ci-dessous démontre que le sang oxygéné (de couleur rouge) circule dans le coeur gauche, par contre le sang chargé de gaz carbonique (de couleur bleu) circule dans le coeur droit où le cycle de fonctionnement cardiaque dispose d’une succession de contractions (systoles) et de relaxations (diastoles). La contraction permet l’éjection, et la relaxation, remplissage. Ces deux fonctions sont engendrées par l’activité électrique cardiaque, c’est-à-dire par la circulation d’un courant électrique.

L’Activité Electrique

Le muscle cardiaque contient un tissu particulier à l’origine de l’activité électrique du coeur (1% de l’ensemble des cellules cardiaque). Ce tissu est constitué de cellules auto-excitables qui se contractent spontanément et rythmiquement. C’est le tissu nodal (cellules rythmiques). [3] Les cellules du noeud sinusal génère un courant de dépolarisation et se contractent environ 60 à 110 fois par minute, elles imposent leurs rythmes aux autres cellules. On appelle le potentiel du noeud sinusal le potentiel Pacemaker permet de fournir des impulsions électriques destinées à stimuler le reste des cellules cardiaques [4]. La présence de jonctions ioniques entre les cellules musculaires du myocarde (les myocytes) permettent à ce front de dépolarisation de se propager de manière isotopique par les variétés d’atomes. [5] Seule la présence d’une paroi fibreuse isolante entre les oreillettes et les ventricules impose à l’impulsion électrique de passer par le relais qu’est le noeud auriculo-ventriculaire qui assure la propagation d’impulsion à l’ensemble du ventricule à travers un système de conduction rapide constitué des faisceaux de HIS et des fibres de PURKINJE (figure 1.3). Le noeud sinusal se contracte donc en premier, ce qui déclenche la contraction de l’oreillette droite, et juste après celle de l’oreillette gauche, 1/200 de seconde plus tard. Le potentiel d’action est ensuite transmis au noeud septal au bout d’1/10 de seconde, puis au faisceau de His et au réseau de Purkinje, puis ensuite seulement aux cellules du ventricule, ce qui lui permet de se contracter de la pointe vers le haut, afin de pouvoir expulser le sang dans l’artère (figure 1.3). L’ensemble de la période de contraction dure environ 0,22 seconde.

Etude et Réalisation du Système

Pour la Mesure de la Fréquence Cardiaque Le signal électrocardiogramme (ECG) représente l’activité électrique du coeur, il donne des informations pertinentes, ces informations de diagnostic peuvent être obtenues à partir de la forme d’onde d’ECG, par analyse de l’amplitude et la synchronisation relative des différents segments. En général, les dommages du muscle cardiaque, ou infarctus, sont corrélés à la perte d’amplitude et arythmies peuvent être observés et traités: rythmes lents (bradycardie), rythmes rapides (tachycardie); Dans chaque cas, la fréquence cardiaque fournit des informations importantes. Il existe plusieurs types de compteurs de fréquence cardiaque, également connu sous le nom cardio-tachymètre ou cardio-fréquencemètre. L’objectif principal de ce travail consiste à l’étude et la conception d’un Cardio-fréquencemètre, nous réaliserons ainsi dans un premier lieu le système responsable sur l’acquisition du signal ECG, basé sur les électrodes et l’amplificateur d’instrumentation et la détection des ondes utilisée pour le calcul. Une étude plus approfondie est consacré à la réalisation microcontrôlé du système de comptage dans un deuxième lieu. Présentation du Système Dans l’analyse automatique des tracés électrocardiographique l’apparition de chaque complexe QRS doit être détectée car toutes les mesures seront effectuées à partir de la position de celui-ci [12]. Pour notre prototype le complexe QRS détecté va nous permettre d’indiqué la présence des battements du coeur ainsi la mesure de la fréquence cardiaque, ensuite identifier les troubles du rythme cardiaque s’il existe. La détection du complexe QRS doit être fiable en ignorant les artefacts ; en pratique la morphologie de ces derniers varie dans le temps et ce modifie dans la forme, d’un patient a l’autre, ceci implique que l’algorithme de détection doit contenir une certaine souplesse dans le choix des critères de détection [12]. Voici le schéma bloc de la chaine d’acquisition du Cardiofréquencemètre ainsi réalisé.

c. Circuit du Pied Droit Dans les systèmes d’enregistrement d’ECG modernes, le patient n’est souvent pas mis à la terre. Au lieu de cela, l’électrode de la jambe droite est connectée comme indiqué (dans la figure 3.7) à la sortie d’un ampli-op auxiliaire. La tension de mode commun sur le corps est détectée par deux résistances de moyenne Ra, inversées et de rétroaction à la jambe droite par R0 [11]. Ce circuit entraîne en fait une très petite quantité de courant (moins de 1 mA), cette rétroaction du circuit conduit le bruit sur le patient à un niveau inférieur et réduit la tension de mode commun, ce circuit offre un point de référence sur le patient qui est normalement au potentiel de la masse. Le circuit du pied droit est aussi un efficace moyen pour maintenir la sécurité du patient ; dans le cas d’apparition d’un voltage très élevé entre le patient et la terre causé par un courant de fuite, l’ampli-op auxiliaire ne conduit plus le courant vu que la résistance R0 est très grande, cela a pour but de protéger le patient. Pour un exemple d’une résistance de 5MΩ sous une tension de 10V l’amplificateur se sature pour un courant de 2mA. Donc la tension en mode commun sera donne par : 𝒗𝒄𝒎= (𝑹𝑹𝑳 𝒊𝒅𝟏+𝑹𝑭𝑹𝒂) (3.3) La figure 3.8 représente le circuit complet de l’amplificateur AD620 et le circuit du pied droit utiliser dans notre électrocardiographe, se schéma électrique est inspiré du data sheet de l’amplificateur d’instrumentation AD620 de la société Analog Devices.

Conception de la Chaine Numérique La carte d’acquisition numérique est basée sur le microcontrôleur de la famille PIC ; dont on a déjà parlé dans le chapitre 2 ; les PIC sont des composants dit RISC « Reduced Instruction Set Computer » composants a jeu d’instructions réduit. Plus on réduit le nombre d’instructions le décodage sera plus facile et le traitement sera aussi rapide, donc le composant fonctionne plus vite. Notre choix de microcontrôleur est porte sur le PIC16F84A, c’est le composant noyaux de l’interface d’acquisition. Qui va nous permettre d’interpréter le signal TTL résultant de la carte analogique dans le PIC via le programme d’exécution pour la mesure du nombre de battement cardiaque par minute à partir de la fréquence du train d’impulsions coïncidant avec l’onde R. La réalisation et développement de cette application numérique automatique à commencer par un cahier de charge qui définit l’électronique a implanté autour du microcontrôleur : les dispositif d’affichage des BPM précéder par un décodeur de conversion BCD-7segmentscar l’afficheur choisit est un afficheur 7 segments, avec une signalisation sonore avec buzzer ou signalisation lumineuse avec des diodes LED pour indiquer le position du pic R ou mieux dire les battements cardiaques consécutives. Ensuite l’élaboration de l’organigramme ou algorithme puis la rédaction du programme de commande du PIC pour faire fonctionner le circuit (figure 3.15).