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ECC - ECG
rapport du 12/05/1998Travail de recherche sur le thème de :
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Electrocardiographie Electroencephalographie |
Sommaire
2.1.2 Introduction physiologique*
2.1.3 Utilisation médicale*
2.2.2 Aspect physiologique*
2.2.3 Utilisation médicale*
3.2 Appareillage
3.2.2 Dérivations.*
3.2.3 Tracé des résultats sur papier*
3.3.2 Traitement du signal*
4.2 Electrodes
4.3 Electronique associée
4.3.2 Par rapport à l’ECG.*
4.3.3 Traitement du signal*
4.4.2 Compression de données*
Ce rapport va présenter deux techniques utilisées en médecine : l’électrocardiographie et l’électroencéphalographie. Le préfixe ‘électro’ vient, non pas d’électronique, mais d’électrique, car ces deux techniques exploitent une activité électrique d’un organe (cœur ou cerveau).
Les premiers électrocardiogrammes (ECG) datent de plus de 100 ans, les premiers électroencéphalogrammes (EEG) sont plus ‘récents’ : 1929. Leurs applications sont uniquement médicales, servant à la détection de maladies et de malformations. L’électroencéphalographie a permis d’avancer considérablement sur notre connaissance du cerveau, avant d’avoir aujourd’hui d’autres méthodes plus efficaces. Ces deux appareils sont néanmoins toujours très utilisés en milieu hospitalier.
Les deux appareils ont été développés uniquement pour les applications médicales, il me semble bon, dans un premier temps, de regarder quels aspects physiologiques ils mettent en jeu, et aussi de présenter leurs utilisations, qui ont contribué à l’évolution de la médecine.
Les premiers enregistrements étaient faits avec des procédés physiques qui nous semblent aujourd’hui dépassés. Nous allons voir comment a évolué la technologie, pour améliorer ces appareils, en nous intéressant à l’importance de l’électronique, ainsi qu’au traitement du signal qui a été développé pour des applications concrètes.
Dans un deuxième temps, je vais donc décrire les principes de l’électrocardiographie, son appareillage, et l’électronique utilisée. Je dirais aussi quelques mots sur les évolutions qui font l’objet de recherches actuelles.
J’enchaînerai avec l’électroencéphalogramme, très proche de l’ECG dans les principes et les méthodes. Je parlerai de deux développements concernant le traitement du signal.
Ce rapport sera suivi d’un résumé en deux langues
Les mots suivis d’un * sont expliqués dans les lexiques des dernières pages.
- 2.1.1 Historique
- 2.1.2 Introduction physiologique
- 2.1.3. Utilisation médicale
1842 Un physicien italien Carlo Matteucci montre qu’un courant électrique accompagne chaque battement cardiaque. [1]
1887 Un physiologiste anglais John Burden publie le premier électrocardiogramme d’un humain.
1897 Clément Ader, ingénieur électrique, adapte un système d’amplification appelé galvanomètre à corde*, jusque là utilisé pour les communications télégraphiques sous-marines.
1903 Einthoven parvient à recueillir ces courants d’une manière satisfaisante en utilisant un montage électrique rappelant le pont de Wheatstone*.
L’électrocardiographie explore l’activité électrique du cœur par enregistrement des électrocardiogrammes, tracés bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les variations du potentiel électrique induites dans les différents points du corps par le cœur en activité. Les innombrables cellules musculaires qui le constituent sont dotées de propriétés spéciales dont les deux plus importantes sont le pouvoir mécanique de contraction et l’activité électrique rythmique, elle-même liée à des déplacements ioniques à travers la membrane des cellules.
La dépolarisation très brusque, se maintient environ durant 0,3 secondes puis est suivie aussitôt de la repolarisation qui rétablira les charges électriques initiales. Elle se propage rapidement de proche en proche, aux cellules voisines et finalement au cœur tout entier en 5 centièmes de seconde environ. Cependant, comme la repolarisation est beaucoup plus lente, la durée totale de l’activation de la masse cardiaque est de l’ordre de 40 centièmes de seconde. L’état de repos électrique dure environ 60 centièmes de seconde. Ainsi, le rythme de l’activité du cœur est de 60 à 80 activations par minute au repos. [2]
L’électrocardiographie consiste à recueillir au niveau de la peau ces courants d’activités de la fibre musculaire cardiaque, à les amplifier puis les enregistrer.
Les renseignements écrits fournis par l’électrocardiogramme sont de ce type :
fig.1 : Tracé d’un électrocardiogramme [9]
P = onde auriculaire, PR = temps de conduction auriculo-ventriculaire, QRS = onde ventriculaire rapide ou de dépolarisation, Q = première onde négative, R première onde positive, S = première ondé négative suivant une onde positive, ST-T = onde ventriculaire lente ou de repolarisation
Il vient ensuite une phase d’interprétation des tracés obtenus, très délicate, qui demande une connaissance précise de la médecine.
L’électrocardiogramme est utilisé pour suivre les modifications de volume des cavités, les troubles du rythme et les affections coronariennes. Il est parfois nécessaire de recourir à des épreuves d’effort (ECG d’effort*), pour le rendre plus sensible.
Parce que le cœur est un organe vital et que les maladies cardiaques sont fréquentes, l’électrocardiographe est un appareil très souvent utilisé
- 2.2.1. Historique
- 2.2.2. Aspect physiologique
- Les ondes a , ou ondes de Berger (les plus significatives). Sur un sujet au repos et les yeux fermés, sa fréquence va de 8 à 13 hertz et son amplitude de 20 à 60 microvolts.
- Les ondes b , ou ondes de Bremer, dont la fréquence varie entre 14 et 30 hertz avec une amplitude de 15 à 20 microvolts.
- Les ondes d , de faible fréquence, autour de 3 ou 4 hertz (observées pendant le sommeil, et pour les jeunes enfants).
- 2.2.3. Utilisation médicale
- Avantages + Résolution temporelle élevée, de l’ordre du millième de secondes.
- Inconvénients
L’existence de l’électricité cérébrale fut démontrée en 1875 par Caton. Le premier enregistrement de cette activité fut réalisé sur un cerveau de chien, en 1913, par Prawdicz-Neminsky, et sur l’homme, en 1924 par Hans Berger, utilisant le galvanomètre à corde, qui publia sa découverte en 1929 et donna à ses enregistrements le nom d’électroencéphalogrammes. [9]
Chez adulte, on distingue sur un électroencéphalogramme normal trois sortes d’ondes [3] :
fig.2 : Ondes cérébrales pour un sujet normal [4]
On retrouve ces trois types d’ondes sur la figure 3.
fig.3 : Spectre en fréquence des ondes relevées par électroencéphalographie
L’électroencéphalographie présente un intérêt, dans le diagnostic de l’épilepsie, des tumeurs cérébrales, des traumatismes crâniens et du cerveau, et de nombreuses maladies du système nerveux. [11]
+ La relative simplicité de l’appareillage.
+ Le coût modeste (environ 300 000 F),
+ Le caractère non traumatique de la technique.
Les potentiels étant mesurés à la surface du crâne, les mesures reflètent l’activité électrique au voisinage du cortex uniquement. Il est possible d’introduire des électrodes à l’intérieur du cerveau, mais alors l’EEG perd son caractère inoffensif.
Depuis le premier appareil du début du siècle, l’électrocardiographe a évolué en adoptant au fur et à mesure les technologies d’actualité. Ainsi, le signal analogique entraînant une aiguille est devenu numérique, exploité par logiciel, et transmis sur papier par l’intermédiaire d’une imprimante.
3.1. Principe de fonctionnementL’électrocardiographie (ECG) consiste à recueillir les variations du potentiel électrique, à les amplifier puis les enregistrer.
Les signaux captés étant particulièrement faibles, des amplificateurs de hautes performances (gain, linéarité, différentialité, minimum de bruit de fond) sont souvent nécessaires.
Sauf pour des études particulières portant sur les aspects énergétiques de l’électrogénèse, on ne s’intéresse guère à la puissance des générateurs bioélectriques, ni aux courant qu’ils débitent. On a soin au contraire de rendre négligeable le courant extrait par l’instrument de mesure, qui doit être par conséquent à très haute impédance d’entrée, de telle sorte que les phénomènes biologiques ne soient pas perturbés par la mesure.
J’ai eu l’occasion de voir de près un électrocardiographe moderne. Celui ci se présente sous la forme d’un appareil compact intégrant de nombreuses fonctions. En effet, celui ci comportait un écran à cristaux liquides, une dizaine de dérivations*, une imprimante, un logiciel d’exploitation des résultats, et une possibilité de stocker les enregistrements sur disque dur et disquette, ou des les transmettre sur une ligne téléphonique. L’appareil pouvait aussi contrôler une épreuve d’effort.
3.2.1. Electrodes
Un des principaux intérêts de l’électrocardiogramme est qu’il n’est pas traumatisant, c’est à dire qu’il ne nécessite pas d’opération chirurgicale ou d’anesthésie [3]. Les électrodes de mesure sont donc simplement placées à divers endroits du corps, directement sur la peau.
L’important pour ces électrodes est qu’elles soient relativement inaltérables et impolarisables. La plaque d’argent, revêtue d’une couche de chlorure d’argent (gel insoluble), sont des bonnes électrodes superficielles et les plus employées (voir fig.4).
fig.4 : Electrodes bipotentielles : [4]
électrode de métal (argent principalement),
gel de chlorure d’argent
Les électrodes employées pour l’électrocardiographie en milieu hospitalier sont de ce type (fig.5).
fig.5 : Taille réelle environ 5 cm de longueur maximale.
Celles ci sont jetables après une unique utilisation
On appelle dérivation un circuit électrique déterminé par un couple d’électrodes. Les électrodes sont positionnées à des endroits du corps bien définis. Pour prendre un exemple simple, considérons les quatre dérivations utilisées au début de l’électrocardiographie, illustrées sur la figure 6
Fig.6 : Placement des électrodes de base pour l’électrocardiogramme
La jambe droite est généralement mise à la masse. On a alors pour chaque dérivation VI, VII et VIII :
VI=VL-VRVII=VF-VR
VIII=VF-VL
On trouve alors mathématiquement VI+VIII=VII. Cette équation est appellée relation d’Einthoven.
Mais les techniques utilisée actuellement sont un peu plus complexes comme le décrit la disposition montrée en figure 7. Six électrodes sont placées dans la région du cœur. Les six voies alors récoltées sur l’appareil sont la différence entre chaque électrode et la tension moyenne des trois membres (VI+VIII+VII)/3. Ces voies provenant d’une région proche du cœur permettent de déceler des petites malformations du muscle cardiaque.
fig.7 : positionnement standard des 6 électrodes
proches du cœur pour un relevé de 10 dérivations
Les premiers électrocardiogrammes provenaient d’un mouvement du stylet sur une bande papier qui déroulait. Aujourd’hui, les tracés se font sur imprimantes, les plus utilisées étant des modèles thermiques*. Typiquement, les performances de ces imprimantes sont : une vitesse de déroulement du papier de 5 à 50 mm/s, une précision horizontale de 1000 ppp* à 25mm/s, une résolution verticale de 200 ppp, jusqu’à 15 voies sur la même bande de papier.
Maintenant que nous savons quels sont les principes mis en jeu par l’électrocardiogramme, nous pouvons entrer dans l’électronique associée
La figure 8 est un diagramme d’un électrocardiogramme simple, regroupant 4 dérivations :
fig.8 : diagramme des blocs composant un électrocardiographe.
Sur les appareils modernes, chaque électrode est connectée à un tampon (buffer) à haute impédance d’entrée (typiquement 100 MW ). Le tampon supporte des hautes tensions, pour protéger les amplificateurs en cas d’électrochoc, envoyé par un défibrillateur* par exemple. Ces tampons, ou au moins tout l’étage d’entrée, sont alimentés par une alimentation isolée et stabilisée, dans le but de réduire les risques de chocs électriques. On trouve parfois une batterie pour cet usage.
Le signal de mode commun peut être utilisé pour réduire le bruit de mode commun par l’intermédiaire d’une rétroaction agissant sur la jambe droite du patient
Sur le schéma ci dessus, il est possible de choisir une dérivation particulière, grâce au ‘lead-select switch and network’. Il est à noter que la plupart des appareils actuels travaillent sur au moins dix voies en même temps.
3.3.1. Amplificateur
Revenons à la fig.8 : une fois la voie sélectionnée, le signal différentiel est amplifié par un amplificateur différentiel à hautes performances.
L’amplificateur différentiel sur chaque voie ressemble à ce modèle :
fig.9 : Amplificateur différentiel [4]
On peut modifier le gain et l’offset en faisant varier Rg et Rf.
On a sur ce modèle une formule donnant le 
, où Ad représente l’amplification de mode différentiel, et Ac l’amplification de mode commun.
La principale caractéristique de celui-ci est un CMRR* très important, vu que normalement, le bruit est réparti uniformément sur toutes les électrodes
fig.10 : Bruit parasite à 60 Hz [4]
Si Ac=0, le montage à amplificateur différentiel va supprimer totalement le bruit de 60 Hz. C’est pourquoi on cherche à avoir Ac le plus faible possible, donc il faut un CMRR le plus fort possible. Pour le Max Personnal de Marquette, le rejet en mode commun est donnée à 130 dB minimum
Il est utile de pouvoir distinguer automatiquement les battements cardiaques. Des algorithmes ont été développé à cet effet [4], et ressemblent sur le principe à ceci :
fig.11 : algorithme permettant la détection des pics
Le signal sortant des amplificateurs est filtré par un filtre passe bas puis un filtre passe haut de caractéristiques de transfert suivantes :
Passe bas : 
Passe haut : 
On retrouve aussi dans le schéma un dérivateur, une cellule qui élève le signal au carré, un retardateur (delay), une porte ET, deux comparateurs (renvoyant un signal TTL* selon le niveau de l’entrée par rapport à T1 et T2)
Le MA filter (moving average filter) correspond à un filtre dont la sortie peut s’écrire : 
, où Nw représente la longueur du moyennage. On a ainsi en sortie Dout un signal TTL renvoyant ‘1’ quand un pic est détecté (voir figure 12)
fig.12 : en haut : signal ECG
en bas : détection des battements cardiaques
La manipulation sur ordinateur s’est généralisé, pour une utilisation plus souple et plus efficace. Cette opération nécessite des signaux échantillonnés. L’appareil que j’ai vu permettait une acquisition de 15 pistes simultanément, avec un taux d’échantillonnage de 4000 Hz. Pour les calculs analytiques (détection des battements, pulsation…), l’appareil utilise 250 échantillons par secondes. Le convertisseur analogique numérique se place alors après le dernier amplificateur différentiel.
Il faut aussi savoir qu’il existe un ECG dit ‘Haute Résolution’ qui échantillonne à plus de 2 kHz, avec un filtre à 400 Hz, et un bit de poids faible qui représente moins de 2,5µV. Là se posent des problèmes de bruit, qu’il faut filtrer soigneusement (avec un filtre de Wiener).
Pour obtenir de meilleures analyses médicales, des nouvelles méthodes de classification des pulsations cardiaques ont été recherchées. Les différences sont tellement fines, que les paramètres de classification diffèrent d’un patient à l’autre. Il est donc quasi impossible de trouver un algorithme permettant cette différenciation. C’est pourquoi les chercheurs se sont orientés assez récemment sur le réseau de neurones* [7]. Celui-ci combine en autre les avantages (que je ne développerais pas ici) de pouvoir apprendre. L’idée est donc les former en leur faisant apprendre une base de plusieurs millions d’enregistrements d’ECG, contenant les détections voulues. Ces réseaux de neurone permettront ainsi de reconnaître ce qu’on leur demande.
L’électroencéphalographe possède beaucoup d’éléments communs à l’électrocardiographe. Les électrodes sont très proches, le système de dérivations est identique (ici, c’est souvent une électrode placée sur le lobe de l’oreille qui sert de référence), les amplificateurs sont semblables.
Comme je l’ai présenté dans la première partie, l’électroencéphalographie présente l’intérêt d’être une méthode non invasive, c’est à dire peu traumatisante pour le sujet, contrairement à l’injection ou l’inhalation d’un radioisotope de durée de vie très brève pour l’IRM* ou la tomographie. C’est pourquoi on utilise des simples électrodes de surfaces. Les électrodes sont donc très proches de celles employées pour l’électrocardiographie. Elles sont basées sur le même principe, seule leur taille est différente Leur nombre est en général d’une vingtaine (dans des examens très spécialisé, on peut monter à une centaine)
La aussi, les informations techniques sont très rares. Il est possible de trouver des schémas d’ensemble, comme celui-ci :
fig13. : schéma de fonctionnement de l’électroencéphalogramme.[5]
Les électroencéphalographes possèdent en général au moins 20 voies.
fig.14 :
Les différences de potentiels captées par des électrodes distantes de 3 à 5 cm se situent entre 10 et 200 µV. Les amplificateurs utilisés doivent donc avoir un gain élevé. Ils sont constitués par un préamplificateur dont le bruit de fond est inférieur à 5 µV et un post-amplificateur à liaison continue. Des commandes manuelles permettent de modifier le gain d’amplification entre 10 et 300 µv/cm.
Les différences de potentiels qui se manifestent à la surface du crâne s’établissent entre 1 cycle par seconde environ, et plusieurs dizaines de cycles par secondes. Les amplificateurs doivent donc également être fidèles pour cette gamme de fréquences. Leur précision est généralement de l’ordre de 90% pour une bande passante de 0,1 à 100 hertz.
Les différences de potentiel représentent des signaux d’amplitude relativement faible par rapport à l’amplitude des parasites qui – tel le champ électrique des générateurs industriels – affectent, en général, les deux électrodes d’une dérivation. Pour éliminer ces parasites, on a recours à des amplificateurs différentiels, qui, fournissant à leur sortie une différence de potentiels ne tiennent pas compte de la valeur absolue de la tension à laquelle chacune des deux électrodes de la dérivation est portée par l’énergie électrique qui l’affecte, que celle ci soit d’origine cérébrale ou extra-cérébrale.
L’amplitude des signaux d’EEG est plus faible que ceux de l’ECG, c’est pourquoi les critères définissant les amplificateurs des EEG sont plus exigeants que ceux de l’ECG. Le rapport de réjection de mode commun doit être d’au moins 10000 :1 (soit 80 dB). De plus, durant l’enregistrement, il est nécessaire que le local soit faiblement exposé aux champs électriques extérieurs, car la mesure est très sensible. Cependant, la réponse en basse fréquence n’a pas besoin d’être aussi bonne pour l’EEG que celle de l’ECG. La polarisation des électrodes n’est donc pas aussi prépondérante.
On peut citer les techniques de moyennage qui permettent extraire le signal d’un bruit de fond.
Des filtres peuvent être employés pour atténuer soit les fréquences rapides supérieures à 100, 50, 30 et même 15 Hertz, soit les fréquences lentes (inférieures à 0.3, 0.5 et même 2 Hertz par le choix des constantes de temps respectivement 0.1, 0.3 et 0.7 secondes). Ces atténuations sont en effet parfois nécessaires pour éliminer les composantes rapides ou lentes des différences de potentiel, qui peuvent s’avérer être d’origine extra-cérébrale, ou pour mettre en valeur une bande passante spécifique.
Le reste de la chaîne présente actuellement plusieurs évolutions :
- Miniaturisation de l’équipement (mise au point d’enregistreurs portatifs de la taille d’un baladeur, qui permettent un enregistrement ambulatoire sur 24 heures)
- Numérisation des signaux.
- Traitement numérique du signal d’EEG en vue d’extraire d’avantages d’information.
Je vais maintenant parler de deux sujets, qui ont fait l’objet de recherches récentes.
4.4.1. Localisation spatiale
A priori, l’EEG ne permet pas de faire de l’imagerie, mais recueille simplement des signaux électriques. Des chercheurs [8] ont trouvé des algorithmes qui permettent une localisation spatiale des événements. Pour cela, ils sont partis de résultats obtenus par imagerie à rayon X, qui déterminent les zones du cerveau qui fonctionnent en réponse à des stimuli précis (battements de cils, test auditifs…) et ont fait la même chose avec l’EEG. Ils en ont extrait des rapprochements et des algorithmes spécifiques ont pu être trouvé. Ainsi, en isolant un événement et en observant avec quelle intensité celui-ci a touché les différentes électrodes placées autour du crâne, on peut alors le localiser.
Le principal problème est alors le filtrage spatial. Celui-ci consiste à laisser passer une activité électrique provenant d’une région particulière, et de couper les autres signaux originaires d’autres endroits. Je n’ai pas jugé utile d’entrer dans les détails de la description de ce filtrage, qui est à mon avis assez complexe. Pour plus de renseignement, je renvoie le lecteur à la référence [8]
Les électroencéphalogrammes regroupent beaucoup de données. Si tous les canaux d’un appareil échantillonnent leur signal à 1 kHz, un électroencéphalogramme représente rapidement plusieurs Mega-octets (Mo) de données.
La compression de données est utile pour plusieurs raisons. Premièrement, cela fait baisser les temps de transmission, économise l’espace de stockage, permet de baisser les capacités de mémoire des systèmes portables (ou permet alors d’augmenter le nombre de canaux). Un des premiers but réel est d’acquérir les données d’EEG depuis le domicile du patient, en passant par des moyens de transmission classiques et lents, comme le téléphone. Il est bon de préciser que dans la plupart des cas, un enregistrement de 20 voies, échantillonné à 128 Hz, en 8 bits, est suffisant. Dans ce cas, un petit modem 14.4 kbps* est aussi suffisant. Une infirmière se déplace alors chez le patient, le prépare et installe le matériel. Le spécialiste lit et analyse les données qu’il reçoit à son poste en temps réel, lui faisant gagner du temps.
La compression de données permet aussi d’envisager des appareils portables. En effet, à l’heure actuelle, une des capacités de stockage la plus petite est le disque dur format PCMCIA. Technologiquement très pointus, la taille de ceux-ci est limité à 40 Mo, si on veut rester dans des prix raisonnables. Or un enregistrement de 24 heures demande environ 66 Mo, si on le minimise en utilisant que 12 canaux à 64 kHz. En compressant des données, on peut espérer les caser dans les 40 Mo. Un autre point est essentiel, la compression ne doit pas permettre le restituer le signal avec une qualité le plus proche possible de l’original.
Compte tenu de ces spécifications, des études [10] ont montré que le meilleur algorithme de compression est la technique du codage de Huffman, en conjonction avec un petit traitement informatique, nécessitant un calcul pas trop complexe. On arrive alors à un rapport de compression de 58% pour un signal EEG, qui est très satisfaisant.
Les informations précises sur ces appareils sont difficiles à trouver. Les constructeurs ont développés leurs solutions et évitent de les dévoiler (ce qui peut se comprendre). De plus, les avancées de l’électronique ont poussé les fabricants à intégrer leurs circuits. Ainsi, la partie électronique pure de l’appareil que j’ai pu voir (Max Personnal de Marquette, société américaine) se résume à une carte intégrée regroupant toutes les fonctionnalités de l’appareil, comme le contrôle de l’affichage, de l’impression, d’alimentation, d’amplification, de transfert de données ; si bien qu’il est quasi impossible de retrouver les principes électronique utilisés.
De plus, les informations que j’ai pu trouver concernent des évolutions très récentes, et par conséquent très pointues.
Quoi qu’il en soit de mes recherches, j’ai noté que les deux techniques sont assez similaires. Les deux appareils fonctionnent sur le même principe : des électrodes recueillent des informations électriques fournies par des organes. La tension présente aux électrodes très faible, nécessite une attention particulière aux problèmes de bruit (réduction des parasites..), ce qui demande une amplification très propre pour les fréquences utiles.
La mesure des signaux et de l’amplification est dans les deux cas quelque peu établie, contrairement au traitement du signal. Dans ce domaine, l’arrivée du numérique a permis d’entrer dans une autre dimension, de par sa puissance et sa souplesse d’utilisation. En effet, les ordinateurs ont pu apporter leur rapidité, leur polyvalence, leurs moyens de stockage et de. communication
L’électrocardiographie et l’électroencéphalographie sont deux domaines qui sont apparus au début du siècle. Depuis, les appareils se sont évidemment améliorés et la médecine sait maintenant comment exploiter précisément ces résultats, qui sont très utiles dans la détection d’anomalies ou de maladies physiques ou mentales.
Les deux appareils fonctionnent d’une façon assez similaire. Un signal électrique est capté par des électrodes en argent, l’un provenant des fibres musculaires, l’autre de l’activité électrique des neurones. Les électrodes sont placées sur la peau, et un gel de chlorure d’argent assure la continuité de la conduction. On dit de l’électroencéphalographie et de l’électrocardiographie qu’elles sont des méthodes non invasives, c’est à dire qu’elles ne nécessitent pas d’injection de composé radioactif à vie courte, ne laissent pas de traces, et sont inoffensives.
Dans les deux cas, une électrode sert de référence, la jambe droite pour l’ECG, l’oreille pour l’EEG. Les signaux de chaque dérivation (au nombre d’une dizaine pour l’ECG, et d’une vingtaine pour l’EEG) sont ensuite amplifiés par des amplificateurs différentiels de bonne qualité, possédant un rapport de réjection de mode commun assez élevé (plus de 100 dB). Ceux-ci présentent l’avantage de pouvoir supprimer des interférences que l’on retrouve identiquement dans chaque dérivation. La fréquence des informations contenues dans le signal ne dépasse pas 100 Hz.
Sur tous ces appareils médicaux, on trouve une protection contre les surtensions et autres chocs électriques, car on en connaît le risque. Cette protection se fait par l’intermédiaire de tampons, qui ont une impédance d’entrée très élevée (de l’ordre d’une centaine de mégohms).
La ‘révolution’ du numérique a aussi touché ces appareils, qui peuvent désormais faire quelques analyses, comme la détection d’un battement, d’une séquence, de classification, une localisation plus précise… L’enregistrement sur papier est encore pratiqué, mais va certainement laisser la place à l’affichage graphique, plus souple et assisté des fonctions de calcul de l’ordinateur. De plus, les enregistrements peuvent maintenant se faire à distance et cela permet au patient d’être mieux suivi.
Ces appareils sont aujourd’hui toujours très utilisés en milieu hospitalier. Toutes les améliorations apportés à ceux ci rendent des services à de nombreux patients.
The electrocardiography and electroencephalography are two fields, which appeared at the beginning of the century. Since, the apparatuses obviously improved and medicine knows now how to precisely exploit these results, which are very useful in the detection of anomalies or physical or diseases.
The two apparatuses function in a rather similar way. Silver electrodes collect an electric signal, one coming from muscle fibres, the other from electric activity of the neurons. The electrodes are placed on the skin, electrolytic paste ensures the continuity of conduction. One says electroencephalography and electrocardiography are non-invasive methods. This means that they do not require injection of short life radioactive compounds, do not leave traces, and are inoffensive.
In both cases, an electrode is used as a reference, the right leg for the ECG, the ear for the EEG. Differential good quality amplifiers, having a high common mode rejection ratio (more than 100 dB) then amplify the signals of each derivation (around ten for ECG, and twenty for the EEG). Those have the advantage of being able to remove interference, which one identically finds in each derivation. The frequency of the information contained in the signal does not exceed 100 Hz.
On all these medical apparatuses, one finds an overvoltage protection and other electric shocks, because one knows the risk that they represent. This protection is done via buffers, which have input with very high impedance (around a hundred mega-ohms).
The 'revolution' of numerical also has touched these apparatuses, which can from now make some analyses, like the detection of a beat, a sequence, a classification, or a more precise localisation. The recording on paper is still used, but certainly will leave the place to the graphic display, more flexible and assisted by functions of computer's calculation. Moreover, the recordings can now be done remotely and that makes it possible to the patient to be better followed.
These apparatuses today always are very much used in hospitals. All the improvements are helpful for many patients.
¬
[2] Encyclopedia Universalis, tome 8, page 141-147, 1996.
[3] D. Buchla & W. McLachlan, Applied Electronic Instrumentation and Mesurement, MacMillan, 1992
[5] D.M. Considine, Encyclopedia of instrumentation and control, Mc Graw-Hill Book
[6]J. Pan and W. Tompkins, IEEE Transactions on Biomed. Engr, vol 32 page 230-236, Mars 1985
[7] Yu Hen Hu, IEEE Transactions on Biomed. Engr, vol 44 page 891-899, Sept 1997
[8] Barry Van Veen, IEEE Transactions on Biomed. Engr, vol 44 page 867-879, Sept 1997
[9] ALPHA, tome 6, page 2157, éd. Grange Batelière.
[10] Giuliano Antoniol, IEEE Transactions on Biomed. Engr, vol 44 page 105-110, fév 1997
[11] AXIS, Hachette, vol. 2, page 967.
@
Sites Internet :[1] http://homepages.enterprise.net/djenkins/ecghist.html
[4] http://www.seas.smu.edu/~cd/
Défibrillateur, defibrillator, appareil permettant rétablir un rythme cardiaque normal au patient en cas de nécessité. Le but est de produire une décharge électrique destinée à donner simultanément à toutes les fibres cardiaques une simulation apte à dépolariser complètement le cœur et resynchroniser ensuite les fibres.
Dérivation, circuit électrique déterminé par un couple d’électrodes disposées en divers points du corps.
EKG, abréviation courante de l’électrocardiogramme provenant de l’allemand Elektrokardiografie
Electrocardiogramme d’effort, L’électrocardiographe est relié à un vélo d’appartement, ou à un tapis roulant. Il sait ainsi quel est la puissance fournie par le patient à chaque moment, et peut donc mettre en relation les battements cardiaques en fonction de l’effort fourni. Des programmes sont établis, l’appareil contrôlant la pente du tapis roulant ou le freinage du vélo.
Galvanomètre à corde, string galvonometer, ampèremètre mécanique très sensible, qui possède une aiguille qui indique le sens et la force du courant. Les enregistrements se font avec un stylet fixé sur l’aiguille
Impression thermique, l’imprimante passe une buse chauffante au dessus d’un papier spécial (dit thermique, sensible à la chaleur). La buse chauffe des points très précis en quelques millièmes de secondes. Les tracés se conservent environ dix ans s’ils sont stockés dans des lieux adéquats (hygrométrie, température…)
IRM, MRI, Imagerie par Résonance Magnétique, application de la technique d’analyse chimique par résonance magnétique nucléaire, pour donner des images en temps réel, utilisé dans l’examen du cerveau, de la moelle, du cœur…
Pont de Wheatstone, Wheatstone bridge, circuit constitué de 4 branches résistives, utilisé pour détecter une très petite variation d’une des résistances. Utilisé pour mesurer des résistances avec une grande précision, ou des variations infimes.
ppp, point par pouce, dots per inch, résolution d’une imprimante représentant de nombre de points qu’elle peut laisser sur un pouce (correspond à 2.54 cm)
Réseau de neurone, neural network, circuit intégré qui fonctionne d’une manière proche des réseaux de neurone naturel. (voir thème de Rodolphe Bouichou)
TTL, TTL, Transistor Transistor Logique, signal logique, généralement entre 0 et 5V
Common-mode rejection ratio (CMRR), rapport de réjection de mode commun, pour un amplificateur différentiel, le rapport est le gain différentiel en mode commun (souvent exprimé sous forme logarithmique).
dpi, dots per inch, point par pouce, résolution d’une imprimante représentant de nombre de points qu’elle peut laisser sur un pouce (correspond à 2.54 cm)
Kbps, kilo bits per second, kilo bits par seconde, correpond à une vitesse de transmission (principalement sur des lignes téléphonique)