Rapport simulation-signal biomedical ECG

Projet tutoriel
Réalisé par
Marwa BHOURI
Rania FERCHICHI
Intitulé
Conception d’un système d’analyse et
diagnostic d’un signal biomédicale ECG
Année Universitaire
2016/ 2017
Encadré par : Mme. Imen Ben Ameur
République Tunisienne
*****
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
*****
Université de Monastir
*****
Institut Supérieur d’Informatique et de Mathématiques de Monastir
*****
Département de Technologie

2
Sommaire
Liste de figures
Figure 1 :Les différentes déflexion de l’ECG .....................................................................................5
Figure 2 :Base de donnée www.phsionet.org......................................................................................8
Figure 3:Signal ECG initialement téléchargé.....................................................................................8
Figure 4:Les artefacts visibles sur l’électrocardiogramme..................................................................9
Figure 5:Densité spectrale de puissance d’un enregistrement .............................................................9
Figure 6:Représentation temporelle de l’enregistrement « sel117 »perturbé par un signal................ 10
Figure 7:Représentation temporelle du signal avant et après filtrage................................................ 10
Figure 8:Les familles d'ondelette Daubechies ...................................................................................11
Figure 9:Densité spectrale après filtrage...........................................................................................11
Figure 10:Détection des pics R.........................................................................................................12
Figure 11:Interface élaboré..............................................................................................................13
Introduction générale ..................................................................................................................... 3
Chapitre 1 : Généralité sur les signaux ECG...................................................................................... 4
I) Introduction……………………………………………………………………………………………………………………………….5
I.1) Les différentes déflexions de l’ECG.......................................................................................... 5
I.2) Les intervalles de l’ECG ........................................................................................................... 6
I .3) Les caractéristiques fréquentielles de l’ECG............................................................................ 6
Chapitre 2 : Méthodes de traitement d’un signal ECG ....................................................................... 7
I) Introduction ......................................................................................................................... 8
I.1) Lecture d’un enregistrement téléchargé.................................................................................. 8
I.2) Analyse spectrale du signal ECG ............................................................................................. 9
I.3) Filtrage numérique .............................................................................................................. 10
I.4) Détection de quelques pathologies ....................................................................................... 12
I.5) Présentation de l’interface................................................................................................... 13
Bibliographiques............................................................................................................................ 15

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Introduction générale
Dans le monde occidental, la première cause de mortalité provient des maladies
cardiovasculaires. L'électrocardiogramme (ECG) est un outil de mesure de l'activité électrique du
cœur. Il offre l'opportunité au médecin de décider de l'état structurel et fonctionnel du cœur d'un
patient [1] [2] .La détection traditionnelle d’un ECG se fait voie par voie.
Alors que, en ECG automatisé il s'agit tout d'abord d'opter pour une représentation unique de
l'ensemble de toutes les voies.
Toutefois, les enregistrements des électrocardiogrammes sont bien souvent bruités et parfois
peu exploitables. C’est alors qu’intervient le domaine du traitement du signal.
Grace aux différents outils que ce domaine nous propose, il est par exemple possible de d’ébruiter
et d’analyser les électrocardiogrammes de façon automatique.
L’importation des méthodes de traitement du signal appliquées au domaine du médical, et en
particulier au cardiaque, fournissent alors une aide au diagnostic.
Dans ce travail, nous nous intéressons plus particulièrement à l'analyse et à la détection
automatique de l’onde R constituante ce signal ECG.
Pour présenter notre travail, nous avons divisé notre rapport en deux parties.
Dans le premier chapitre, nous procédons à une étude théorique sur l’ECG.
Dans le deuxième, nous détaillons les différentes étapes de traitement d’un signal ECG. Et nous
finissons par la présentation de principaux éléments de l’interface de contrôle (HMI) géré par
l’environnement de développement GUI sous matlab.

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Chapitre 1 : Généralité sur
les signaux ECG

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I) Introduction
L’électrocardiogramme est la représentation graphique du potentiel électrique qui commande
l’activité musculaire du cœur. Ce potentiel est recueilli par des électrodes mises à la surface de la
peau/Le signal est reçu par un appareil nommé l’electrograhie.
Nous proposons dans cette partie de rappeler quelques notions fondamentales
d’électrocardiographie dont on va parler de caractéristiques de signal ECG normale. La
connaissance de ces notions préliminaires est nécessaire pour comprendre l’utilité des traitements
apportés au signal ECG.
I.1) Les différentes déflexions de l’ECG
L’ECG se présente comme une suite de déflexions (ondes électriques) séparées par des
intervalles, correspond, chacune, à une phase de fonctionnement du cœur.
Il enregistre, successivement, la dépolarisation et la repolarisation auriculaires, puis la
dépolarisation et la repolarisation ventriculaires. Ces phénomènes sont suivi d’un repos électrique
qui correspond à la ligne de base iso électrique .Lorsque le système d’acquisition est mis en
fonctionnement, apparaît une succession de déflexions, séparées par des intervalles, qui ont une
terminologie bien précise.
Onde P : Déflexion correspondant à la dépolarisation des oreillettes droite et gauche, d’une
amplitude inférieure à 2,5 mm, et d’une durée inférieure à 0,11s.
Onde Ta : Déflexion correspondant à la repolarisation des oreillettes, habituellement non visible.
Complexe QRS : ensemble des déflexions correspondant à la dépolarisation des ventricules, sa
durée doit être comprise entre 0,006s et 0,1s.
Onde T : Déflexion correspondante à la repolarisation ventriculaire.
Figure 1 :Les différentes déflexion de l’ECG

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I.2) Les intervalles de l’ECG
Les différents phénomènes précédemment citées se retrouvent dans l’allure du signal
électrique issu du système d’acquisition de l’ECG .Le signal se décompose alors comme suit :
Intervalle PR ou PQR : Correspond au temps de conduction auriculo-ventriculaire (de début de
l’onde P au début du complexe QRS), sa durée doit être comprise entre 0,12s et 0,2s.
Intervalle ST ou RST : Il sépare la fin de la dépolarisation (fin du complexe QRS et le début de la
repolarisation ventriculaire (début de l’onde T).
Intervalle QT : Il s’agit de la distance entre le début du complexe QRS et la fin de l’onde T,
englobant la dépolarisation et la repolarisation ventriculaires.
Intervalle RR : Cet intervalle désigna le temps entre deux ondes R successives. La facilité de la
détection de l’onde R donne l’importance de cet intervalle qui sert à mesurer la fréquence
cardiaque.
I .3) Les caractéristiques fréquentielles de l’ECG
Le spectre de l’ECG normale s’étend entre une fréquence nulle et environ 100 Hz,
• l’onde P se caractérise par une bande spectrale de basse fréquence et de faible amplitude : ses
composantes fréquentielles sont entre 0, 5 Hz et 10 Hz.
• l’onde T se caractérise sur une bande spectrale analogue à celle de l’onde P entre 0, 5 Hz et 10 Hz
• le complexe QRS possède un contenu fréquentiel bien plus important que les autres ondes de
l’ECG. Ses composantes fréquentielles sont entre 10 Hz et 15 Hz.
• le contenu fréquentiel de la ligne de base et des éventuels artefacts de mouvement se situe entre
0, 5 Hz et 7 Hz.

7
Chapitre 2 : Méthodes
de traitement d’un signal ECG

8
I) Introduction
Avant de passer au traitement de notre ECG, une phase de prétraitement s’impose.
Les résultats produits par les filtres analogiques ne sont pas suffisants. De nombreux travaux sont
encore consacrés à la recherche des algorithmes destinés à la purification du signal ECG numérisé.
Les algorithmes récents de filtrage sont à base de la transformation en ondelettes.
Nous allons dans ce chapitre, étudier le fonctionnement de ces traitements : filtrage, détection et
classification des ondes, analyse et interprétation automatiques.
I.1) Lecture d’un enregistrement téléchargé
Nous avons téléchargé nos signaux ECG à partir de la base de données «QT Database (qtdb) »
sous le site www.physionet.org [3] qui est conçue parmi les meilleures bases universelles.
Figure 2 :Base de donnée www.phsionet.org
Nos enregistrements sont de 10 secondes échantillonnées à 2500 points par seconde, provenant de
patients différents et présentant différentes morphologies des ondes composantes du signal.
Commençons par notre premier signal intitulé «sel117», C’est un ECG d’un homme, d’âge 69.
Figure 3:Signal ECG initialement téléchargé

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On remarque que notre signal présent des bruits et cela peut du aux conditions d’enregistrement de
l’ECG.
Parmi les principaux types de bruits observables sur un signal ECG citons :
*La dérive de la ligne de base : on appelle ligne de base la ligne isoélectrique du cœur. Elle
correspond au trace qui serait observe sur un ECG si le cœur n’avait aucune activité électrique. La
figure 4 montre un exemple de dérive de ligne de base sur un ECG.
*Interférence d’un signal à 50 Hz : les sources principales de ces interférences
proviennent du réseau de distribution électrique (signal a 50 Hz voire 60 Hz dans certains pays) et
des rayonnements électromagnétiques environnants, comme il est illustré dans la figure ci-dessous.
Figure 4:Les artefacts visibles sur l’électrocardiogramme
I.2) Analyse spectrale du signal ECG
Nous remarquons que notre spectre s’étend entre une fréquence nulle et environ 80 Hz.
Figure 5:Densité spectrale de puissance d’un enregistrement
Sur cette figure, on voit que l’énergie de l’ECG est repartie dans la bande [2Hz, 40Hz] qui recouvre
celle des bruits cliniques typiques [4]. On peut constater de ce spectre de fréquence, que notre signal
téléchargé présente que le bruit [5] du aux dérivés de la ligne de base caractérisé par une bande
de fréquence inferieure à 5Hz. Comme vous remarquez il ne contient pas le bruit d’interférence
50Hz, Alors nous avons pensées d’ajouter cette bande de fréquence pour vous faire voyer comment
peut on la filtrer.

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Figure 6:Représentation temporelle de l’enregistrement « sel117 »perturbé
I.3) Filtrage numérique
La plupart des bruits son situés à des fréquences inferieures à 2Hz et supérieure à 50Hz.
La solution à ce problème revient donc à filtrer le signal ECG par un filtre passe bande avec de
fréquence de coupure égale au deux fréquences précédente.
 Filtrage de bruit interférence secteur f=50HZ :
Nous avons utilisé un filtre numérique Butterwoorth [6] passe-bas de fréquence de coupure
normalisé fc=50/100=0.5Hz.
 Filtrage de bruit de la ligne de base f<1.5Hz :
On a utilisé un filtre numérique Butterwoorth passe-haut de fréquence de coupure normalisé
fc=2/100=0.02Hz.
Figure 7:Représentation temporelle du signal avant et après filtrage
Et pour améliorer de plus la qualité de notre ECG, nous avons abordées à la transformation en
ondelettes discrètes : [7] daubechies ‘db4’ à 8 niveaux (8=log2(Fe)) de décomposition.
 Transformation en ondelette discrète
La transformée en ondelettes discrète (DWT, Discrete Wavelet Transform) est une implémentation
utilisant un ensemble discret d'échelles et de translations d'ondelettes obéissant à certaines règles.
En d'autres termes, cette transformée décompose le signal en un ensemble d'ondelettes
mutuellement orthogonales, ce qui constitue la différence principale avec la transformée en
ondelettes continue.

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Elle a été développé comme une approche alternative à la transformé de Fourier pour surmonter le
problème des résolutions temporelle et fréquentielle d’un coté et la non stationnarité des signaux de
l’autre coté. Aussi elle permet de séparer le bruit du reste du signal et fournit une évaluation du
niveau de bruit qui aide à trouver un seuil optimal pour la détection [8].
Il existe plusieurs formes d’ondelette. L’ondelette de Daubechies dbN (où db symbolise le nom
Daubechies et N l’ordre de l’ondelette) est conçue parmi mais la meilleure ondelette dans les
recherches.
L’ondelette Db4 permet d’avoir une bonne représentation du complexe QRS.
Figure 8:Les familles d'ondelette Daubechies
La commande wavedec sous matlab qui permet la décomposition en ondelette.
- ddencmp : permet le lissage de notre signal.
Et enfin la commande wdencmp permet la compression de notre signal afin de réduire la taille
d'information numérique (qualité de l'information compressée à partir de l'information complète),
mais aussi d'accélérer l'affichage d'information (qualité de l'affichage à partir d'un fichier
compressé).
Apres le filtrage, le spectre de puissance sera plus proche du spectre d’un ECG non bruité comme il
est illustré dans la figure ci-dessous.
Figure 9:Densité spectrale après filtrage

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I.4) Détection de quelques pathologies
 Détermination de l’intervalle R-R et fréquence cardiaque
Pour déterminer l’intervalle RR nous avons suivit cette démarche [9] :
-Seuillage absolue : On choisit une valeur de seuil supérieure au maximum des ondes P et T.
-On fait un balayage de l’ECG pour déterminer les points d’amplitude supérieure à ce seuil et
remettre à zéros les autres points pour garder seulement l’onde R.
- Ensuite, on utilise la commande findpeaks pour déterminer la position de chaque pic R et son
amplitude.
- l’intervalle RR est la différence entre deux pics R successives multiplié par la période
d’échantillonnage.
- Fréquence cardiaque : est la division de 60 par l’intervalle RR.
Figure 10:Détection des pics R
 Diagnostic
 Pour le premier enregistrement « sel 177 » nous avons trouvé :
-L’intervalle RR=1.17 ms
-La fréquence cardiaque= 51 battement/min
La fréquence cardiaque « normale » est estimée entre 60 et 90 battements par minute [10]. Comme
nous remarquons la fréquence cardiaque de notre enregistrement est inferieure à 60 battements par
minute. Donc cet homme souffre de Bradycardie.
La bradycardie [11] se caractérise par un ralentissement du rythme cardiaque, qui devient trop bas
par rapport à la normale.
 Pour le deuxième enregistrement «sel213 » :
-L’intervalle RR=1.17 ms
-La fréquence cardiaque= 51 battement/min.
Comme nous remarquons que la fréquence cardiaque de notre enregistrement est supérieure à
100 battements par minute. Donc cet homme souffre de Tachycarardie.
La tachycardie [12] est une arythmie cardiaque : elle se manifeste par l'accélération du rythme
cardiaque.

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I.5) Présentation de l’interface
Nous avons élaborées notre interface graphique par l’environnement de développement GUI sous
matlab [13].
Cette interface permet tout d’abord de :
-Introduire le signal à traité soit manuellement (éditions des champs) ou bien automatiquement
(téléchargement a partir d’une base de données d’extension .txt).
-Traitement automatique d’enregistrement ECG :
-Représentation temporelle et fréquentielle.
-Filtrage et diagnostique (nature d’anomalie, fréquence cardiaque).
Figure 11:Interface élaboré

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Conclusion et perspectives
Ce travail, par ces multiples aspects nous a permis de nous rendre compte sur le traitement
d’un signal biomédical ECG.
Il a fallu d’abord réfléchir sur la problématique du sujet et effectuer une recherche bibliographique
avant la mise en place de notre traitement. Cette recherche nous a été utile aussi bien pour le bon
choix du type filtrage d’ECG pour un prétraitement pertinent. Cette recherche bibliographique nous
a guidées aussi bien pour les méthodes de détection de pics R.
Ce projet nous a permis de nous familiariser avec le logiciel : Matlab et l’environnent GUI
avec lequel nous avons implémenté notre interface de traitement.
Ainsi nous avons pu appréhender les différentes étapes nécessaires à la conception et à la mise en
place d’un système de traitement de données biomédicales.
Ce système peut être amélioré par la détection des autres ondes forment le signal ECG, pour un
diagnostic judicieux.
Et aussi par la conception d’un système de surveillance ECG sans fil consiste à remplacer les
conducteurs utilisés dans un système de surveillance ECG normal par une solution sans fil. Le but
ultime serait que le patient aurait simplement des correctifs électroniques sur et donc être libre de se
déplacer.
À la fin de ce rapport, nous tenons à remercier notre cher tuteur Mme. Imen Ben Ameur
pour la passion qu’il nous a communiquée pour ce travail et nous espérons être à la hauteur de ses
attentes.

15
Bibliographiques
[1] : https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectrocardiographie
[2] :http://www.ecardiogram.com/ecglexique_alpha.php?terme_lex=e&id_lex=144&PHPSESSID=
0a62172ed1437d038d5b70d43d7c6aa7
[3] : https://physionet.org/cgi-bin/atm/ATM
[4] :http://www.eulc.edu.eg/eulc_v5/Libraries/Thesis/BrowseThesisPages.aspx?fn=PublicDrawThe
sis&BibID=11869911
[5] : http://www.tesa.prd.fr/docs/journalTESA/These_Cabasson_Aline.pdf
[6] : https://www.mathworks.com/help/signal/ref/butter.html
[7] :http://www.tesa.prd.fr/docs/journalTESA/These_Cabasson_Aline.pdf
[8] http://www.polystim.org/publications/publication_598.pdf
[9] : http://amber.feld.cvut.cz/bmeg/wp-content/uploads/2012/03/Parak-TCP-2011.pdf
[10] : http://campus.cerimes.fr/cardiologie-et-maladies-
vasculaires/enseignement/cardio_309/site/html/cours.pdf
[11] : http://sante-medecine.journaldesfemmes.com/faq/15130-bradycardie-causes-symptomes-et-
traitement
[12] :http://sante-medecine.journaldesfemmes.com/faq/5694-crise-de-tachycardie-causes-et-
symptomes
[13] : https://www.mathworks.com/discovery/matlab-gui.html?s_tid=srchtitle

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