Bensafia Kahina

7/24/2019 Bensafia Kahina

1/124

MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI, TIZI-OUZOU

FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE ET DE LINFORMATIQUE

DEPARTEMENT DELECTRONIQUE

MEMOIRE DE MAGISTER

Prsent par :

BENSAFIA Kahina

En vue de lobtention du diplme deMagister en Electronique

Option tldtection

Intitul :

Tlsurveillance : Transmission sans fil, par voie GSM, et

traitement du signal lectrocardiographie (ECG)

Devant le jury dexamen compos de :

Mr HAMMOUCHE Kamel M.C classe A lUMMTO Prsident

Mr HADDAB Salah M.C classe A lUMMTO Rapporteur

Mr LAGHROUCHE Mourad Professeur lUMMTO Examinateur

Mr AMEUR Soltane Professeur lUMMTO Examinateur

Soutenu le :


2/124

REMERCIEMENTS

Ce travail n'aurait pu tre ralis sans le soutien de plusieurs personnes. Ladisponibilit et les comptences de chacun m'ont souvent permis de franchir des obstacles en

apparence insurmontables. Que soient donc ici, remercis tous ceux qui m'ont communiqul'nergie et la confiance ncessaires au droulement de cette thse.

Ma reconnaissance et mes remerciements sadressent mon directeur de mmoireMonsieur HADDAB Salah, Maitre de Confrences A luniversit de Tizi Ouzou qui najamais cess de mencourager poursuivre ce travail.Permettez-moi de vous fliciter pourvotre patience exemplaire et vtres bons conseils.

Mes vifs remerciements sadressent galement HAMOUCHE Kamel, Maitre de

Confrences A luniversit Mouloud MAMMERI de Tizi-Ouzou, pour avoir accept deprsider ce jury.

Ma reconnaissance et ma gratitude vont Monsieur LAGHROUCHE Mourad,Professeur luniversit de Tizi-Ouzou pour avoir accept dexaminer ce travail.

Je remercie galement Monsieur AMEUR Soltane, Professeur luniversit de Tizi-Ouzou pour avoir accept dexaminer ce travail.

Je tiens remercier aussi Monsieur AIT BACHIR Youcef pour mavoir aid surmonter des difficults rencontres. Veuillez trouver dans ce travail lexpression de messincres reconnaissances et respects.

Je tiens galement remercier monsieur BELGACEM Neureddine, docteur deluniversit Abou Bekr Belkad de TLEMCEN d'avoir toujours t prsent en me donnantdes conseils et de l'aide d'une trs bonne qualit. J'ai apprci, tout particulirement, sesdmarches d'une trs grande rigueur scientifique qui m'ont form et qui resterons, pour moi,un exemple de conduite dans mes futurs travaux. La russite de ma thse n'aurait pas tpossible sans son aide prcieuse.

Ce travail a t ralis dans un cadre pluridisciplinaire, c'est pourquoi je tiens remercier trs fortement des personnes qui ont t trs prsentes pour le bon droulement dece travail :

Monsieur DJENNOUNE, Professeur luniversit Mouloud MAMMERI de Tizi-Ouzou.

Monsieur GUERMAH, Maitre de Confrences de luniversit MouloudMAMMERI de Tizi-Ouzou.

Monsieur BENAMANE, Maitre de Confrences de luniversit MouloudMAMMERI de Tizi-Ouzou.


3/124

Monsieur HAMICHE docteur de luniversit Mouloud MAMMERI de Tizi-Ouzou.

Mensieurs ELKECHAI, KANANE et ABDELLI, enseignants de luniversitMouloud MAMMERI de Tizi-Ouzou.

Enfin, un grand merci est adress :A ma mre ;A mes surs, mes frres et leurs familles ;A lquipe de lentreprise : SARL 2A&M INFORMATIQUE ;A Mounia ;A Chahira et toute lquipe de son laboratoire L2CSP;Aux membres du laboratoire LAMPA ;A monsieur Nat achour Tarik ;

A madame Zalouk.

Je voudrais galement remercier tous ceux qui ont eu la patience de m'entourer toutau long de ce travail.


4/124

DEDICACES

A la mmoire de mon Pre Meziane.

A tous ceux qui m'ont nourri deleur amour et deleur tendresse.


5/124

SOMMAIRE

Liste des figures

Liste des tableauxIntroduction ... 01

Chapitre I : Gnralits sur le signal ECG

I. Anatomie du cur.... 03

II. Cycle cardiaque... 05

III. La gense du signal lectrique cardiaque... 05

IV. Electrocardiogramme de surface 07

IV.1. Les diffrentes dflexions de lECG. 08IV.2. Les intervalles de lECG 08

V. Techniques et conditions denregistrement dun ECG 09

V.1. En milieu hospitalier. 09

V.2. Lacquisition ambulatoire. 10

VI. Les drivations de llectrocardiogramme. 10

VII. Artefacts visibles sur lECG. 12

VIII. Quelques cas pathologiques courants.. 12

VIII.1. Trouble de rythme 13

VIII.1.1. Bradycardie .. 13

VIII.1.2. La tachycardie .. 14

VIII.2. Trouble de rgularit. 14

VIII.2.1. Flutter ventriculaire ... 14

VIII.2.2. Flutter auriculaire.. 14

VIII.2.3. Fibrillation ventriculaire 14

VIII.2.4. Fibrillation auriculaire .. 15

Conclusion 15

Chapitre II : Acquisition et Transmission du signal ECG

I. La tlmdecine.. 17

I.1. Dfinition ... 17

I.2. Les diffrents types dapplication de la tlmdecine ... 17

I.3. Avantages de la tlsurveillance. 18

II. Structure gnrale du systme.. 19

II.1. Acquisition du signal ECG 20

II.1.1. Les lectrodes . 21

II.1.2. Lamplificateur dinstrumentation. 22

II.1.3. Numrisation du signal ECG .. 23

II.1.4. Description du PIC 16F877 23


6/124

II.1.4.1. Les broches dalimentations... 24

II.1.4.2. Le circuit dhorloge. 25

II.1.4.3. Le circuit dinitialisation 25

II.1.4.4. Le convertisseur analogique numrique. 26

II.1.4.5. La liaison srie USART.. 26II.1.5. Prsentation du MAX232 . 26

II.2. Transmission sans fil du signal ECG 27

II.2.1. Le GSM et le GPRS ... 27

II.2.2. Le module GSM/GPRS (GM862) .. 28

II.2.3. Les commandes AT 29

II.3. Etude de lalimentation . 30

II.4. Schma lectrique de la carte dacquisition ambulatoire . 31

III. Rception du signal ECG 32

III.1. Schma lectronique la rception .. 32

Conclusion. 33

Chapitre III : Mthodes de traitement du signal ECG

I. Les rseaux de neurones.. 34

I.1. Historique . 35

I.2. Le neurone biologique .. 36

I.3. Le neurone artificiel (formel) ... 36

I.4. Types de rseaux de neurones formels . 39I.4.1. Les rseaux feed-forward.. 40

I.4.2. Les rseaux rcurrents... 40

I.5. Lapprentissage 41

I.5.1. Les lments de l'apprentissage connexionniste .. 41

I.5.2. Qu'est-ce qu'un algorithme d'apprentissage ? ... 42

I.6. Proprits des rseaux de neurones .. 43

I.6.1. Lapproximation universelle ... 43

I.6.2. Lapproximation parcimonieuse .. 43

I.6.3. La gnralisation et le sur-apprentissage... 44

I.7. Algorithmes dapprentissage de rtropropagation ... 45

I.7.1. Algorithme du gradient ... 46

I.7.2. Algorithme de Gauss-Newton.. 46

I.7.3. Algorithme de Lavenberg Marquardt 47

II. Mthodes de dtection du complexe QRS 47

II.1. Algorithme bas sur la drive premire . 48

II.2. Algorithme bas sur l'amplitude et la drive premire .. 48

II.3. Algorithme bas sur les drives premire et seconde. 49II.4. Algorithme bas sur les filtres numriques.. 49


7/124

Annexes

II.5. Algorithme de Pan Tompkins... 50

Conclusion.. 50

Chapitre IV : Rsultats et interprtations

I. La base de donnes 51

II. Elimination des artefacts.. 52

II.1. Sparation de la base de donnes 52

II.2. La phase dapprentissage . 52

II.3. Slection dun modle de rseau .. 53

II.4. Rsultats de la phase dapprentissage ... 55

II.5. Rsultats de la phase de test .. 58

II.6. Interprtation . 64

III. Dtection du complexe QRS... 64III.1. Dtection du complexe QRS par la mthode base sur la drive premire et

seconde .. 65

III.1.1. Rsultats de la dtection 66

III.1.2. Discussion .. 66

III.2. Dtection du complexe QRS par la mthode de Pan et Tompkins. 68

III.2.1. Rsultats de la dtection ..... 70

III.2.2. Discussion .. 76

III.3. Organigramme rcapitulatif de dtection ... 77

III.4. Comparaison entre les deux mthodes de dtection... 78III.5. Interprtation . ;.. 80

Conclusion.. 80

Conclusion et perspectives ... 81

Rfrences bibliographiques


8/124

Liste des figures

Figure I.1 Anatomie du cur et des vaisseaux associs 4

Figure I.2 Les phases du potentiel daction dune cellule myocardique et change

ioniques 7

Figure I.3 Diffrentes dflexions de lECG. 8

Figure I.4 Priode dun signal cardiaque avec les intervalles... 9

Figure I.5 Drivations bipolaires dEinthoven 11

Figure I.6 Drivations unipolaires des membres.. 11

Figure I.7 Drivation prcordiales de Wilson... 12

Figure I.8 Bradycardie sinusale 13

Figure I.9 Rythme d'chappement jonctionnel 35 bpm..... 13

Figure I.10 Tachycardie sinusale 14Figure I.11 Fibrillation ventriculaire.. 14

Figure I.12 Fibrillation auriculaire.. 15

Figure II.1 Carte ambulatoire. 16

Figure II.2 Schma synoptique de la chaine de transmission 19

Figure II.3 Chane de traitement 21

Figure II.4 Reprsentation des lectrodes. 22

Figure II.5 Lamplificateur dinstrumentation INA 114... 22

Figure II.6 Le PIC 16F877. 24

Figure II.7 Circuit dhorloge.. 25

Figure II.8 Circuit dinitialisation.. 25Figure II.9 Le MAX 232 26

Figure II.10 Schma synoptique du systme de rception... 27

Figure II.11 Le module GM862... 28

Figure II.12 Schma de fonctionnement des commandes AT. 30

Figure II.13 Lalimentation du circuit lectronique 30

Figure II.14 Schma lectronique de la carte ambulatoire... 31

Figure II.15 Schma synoptique du systme de rception... 32

Figure II.16 Schma lectronique la rception.. 32

Figure III.1 Modle du neurone biologique 36

Figure III.2 Modle gnral du neurone formel.. 36Figure III.3 La fonction Signe. 37

Figure. III.4 La fonction Sigmode... 38

Figure. III.5 La fonction Tangente hyperbolique..... 38

Figure III.6 La fonction Gaussienne 39

Figure III.7 Rseau de neurones non boucl .. 40

Figure III.8 Rseau de neurones boucl.. 41

Figure III.9 Les lments de l'apprentissage... 41

Figure III.10 Schma bloc de lapprentissage supervis... 42

Figure III.11 Schma bloc de lapprentissage non supervis 42

Figure III.12 Le rseau le plus parcimonieux .. 44

Figure III.13 Schmatisation de lerreur en fonction du nombre dpoques lors de la

phase dapprentissage.. 45


9/124

Figure III.14 Schma bloc dun dtecteur de QRS.. 48

Figure IV.1 Exemple de deux enregistrements ECG de la base de donnes MIT BIH... 51

Figure IV.2 Architecture du rseau de neurones utilis...... 53

Figure IV.3 Organigramme dapprentissage: limination des artefacts ds auxmouvements du patient 54

Figure IV.4 Signal ECG avec les artefacts ds aux mouvements du patient : entre du

rseau....... 55

Figure IV.5 Signal ECG sans artefacts: sortie dsire. 55

Figure IV.6 Entre du rseau en bleu, sortie dsire en rouge 56

Figure IV.7 Rsultats de lentrainement.. 56

Figure IV.8 Sortie du rseau : Phase dapprentissage. 57

Figure IV.9 Sortie du rseau en bleu, sortie dsire en rouge. 57

Figure IV.10 Entre du rseau en bleu, sortie dsire en rouge 58

Figure IV.11 Sortie du rseau et sortie dsire : Phase de test.. 59Figure IV.12 Erreur quadratique moyenne en utilisant lalgorithme de Lavenberg

Marquardt. 59

Figure IV.13 Signal dentre -A- Phase dapprentissage -B- Phase de test (signal 219).. 60

Figure IV.14 Rsultats de la sortie obtenus -A- Phase dapprentissage

-B- Phase de test (signal 219).. 61


Figure IV.16 Rsultats de la sortie obtenus -A- Phase dapprentissage -B- Phase de

test (signal 123) 62


Figure IV.18 Rsultats de la sortie obtenus -A- Squence dapprentissage -B-

Squence de test (signal 231).. 63Figure IV.19 Signal ECG avant normalisation.. 64

Figure IV.20 Signal ECG aprs normalisation.. 65

Figure IV.21 Schma bloc de dtection du complexe QRS par la mthode bas sur la

1eret la 2medrive......

65

Figure IV.22 Signal ECG (Signal 230).. 66

Figure IV.23 Signal ECG aprs la premire drive. 66

Figure IV.24 Signal ECG aprs la deuxime drive 67

Figure IV.25 Signal ECG aprs la sommation.. 67

Figure IV.26 Signal ECG aprs seuillage : Dtection du complexe QRS. 68

Figure IV.27 Schma bloc de dtecteur du complexe QRS par la mthode de Pan et

Tompkins. 69Figure IV.28 Signal ECG (230). 69

Figure IV.29 Fonction de transfert du filtre passe bas... 70

Figure IV.30 Signal ECG aprs filtrage passe bas 70

Figure.IV.31 Fonction de transfert du filtre passe haut. 71

Figure IV.32 Signal ECG aprs filtrage passe haut... 71

Figure IV.33 Signal ECG aprs drivation 72

Figure IV.34 Signal ECG aprs llvation en carr..... 73

Figure IV.35 Signal ECG la sortie de filtre moyenne glissante... 74

Figure IV.36 Dtection du complexe QRS 75

Figure IV.37 Nombre du complexe QRS dans 60 secondes. 76

Figure IV.38 Organigramme de dtection 77


10/124

Liste des tableaux

Tableau II.1 Caractristiques du module GM862............... 29

Tableau III.1 La correspondance entre neurone biologique et neurone artificiel. 39

Tableau IV.1 Erreur quadratique moyenne entre la sortie du rseau et la sortie dsire

dans la phase de dapprentissage et de test 60


dans la phase de dapprentissage et de test (signal 219). 61

Tableau IV.3 Erreur quadratique moyenne entre la sortie du rseau et la sortie dsiredans la phase de dapprentissage et de test (signal 123). 62


dans la phase de dapprentissage et de test (signal 231). 63

Tableau IV.2 Rcapitulatif des rsultats de dtection du complexe QRS par les deux

mthodes, avec un ensemble denregistrement ECG de la base de

donnes MIT BIH....................... 79


11/124

IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN


12/124

1

Introduction

Les maladies cardiaques constituant lune des causes principales d'invalidit et de

dcs et leur apparition augmente avec l'ge. Mme si les connaissances acquises en

cardiologie sont grandes, le cur na pas encore dvoil tous ses secrets. La plupart des dcs

cardiaques se produisent l'extrieur des milieux hospitaliers et de nouvelles stratgies sont

ncessaires pour dtecter, ds que possible, l'apparition d'anomalies cardiaques.

L'lectrocardiographie est l'outil de diagnostic utilis pour valuer la probabilit

danomalies cardiaques. Cest une reprsentation graphique temporelle des diffrences de

potentiels prleves entre plusieurs lectrodes cutanes, ce qui permet davoir une

connaissance sur les phnomnes lectriques qui conduisent la contraction musculaire

cardiaque.

La tlmdecine regroupe les pratiques mdicales permises ou facilites par les

tlcommunications. Ces derniers, et les technologies qui sont associes, permettent la

prestation de soins de sant distance et lchange de linformation mdicale sy rapportant.

Dans ce cadre, de nombreuses tudes ont port sur la conception d'un systme qui

transmet le signal ECG vers les centres de sant, en utilisant le rseau GSM [27], linternet

[26] [30] ou le bluetooth [26] [27] [31].

Lobjectif de ce travail est de proposer un systme permettant lacquisition

ambulatoire du signal ECG puis, sa transmission distance, en utilisant le rseau GSM/GPRS

vers le centre de sant au niveau duquel seffectue le traitement, ce quon appelle la

tlsurveillance. A la rception le traitement du signal ECG seffectue sous le logiciel matlab

et consiste liminer les artefacts ds aux mouvements du patient et la dtection du

complexe QRS, dans le but de faire un diagnostic fiable et de dtecter dventuelles

pathologies.

Dans ce cadre, nous avons partag notre travail comme suit :

Le premier chapitre prsente, sommairement le fonctionnement du systme

cardiovasculaire et permet de comprendre lorigine des signaux lectriques enregistrs par


13/124

2

llectrocardiographie, ainsi que les pathologies les plus rencontres.

Le chapitre deux prsente une description des diffrentes tapes qui permettent

lacquisition, la numrisation et la transmission du signal ECG, lensemble de ces oprations

est regroup dans une seule carte appele carte ambulatoire.

A la rception, le signal doit tre trait pour, dune part, supprimer le bruit tendant

perturber lexploitation des donnes et, dautre part, extraire linformation permettant un

diagnostic fiable. Le chapitre trois dcrit alors les mthodes utilises.

Dans le chapitre quatre, nous prsentons les rsultats de lapplication des rseaux

de neurones pour liminer les artefacts ds aux mouvements du patient ainsi que les rsultats

obtenus par lapplication de deux mthodes de dtection du complexe QRS, lune est base

sur la premire et la deuxime drive, et lautre est lalgorithme de Pan et Tompkins. Une

interprtation et une comparaison des rsultats ont t effectues.

Nous terminons notre travail par une conclusion et les perspectives envisages.


14/124

Chapitre I

GENERALITES SUR LE

SIGNAL ECG


15/124

3


Llectrocardiographie (ECG) est la traduction, sous forme lectrique, du

fonctionnement du muscle cardiaque. Lacquisition du signal ECG indolore et non invasive,

seffectue travers dlectrodes cutanes, convenablement rparties sur le corps humain, etsensible au potentiel lectrique qui commande lactivit musculaire du cur. Cette acquisition

peut seffectuer en milieu hospitalier ou bien de faon ambulatoire, le patient vaquant alors

ses activits quotidiennes.

Nous prsentons, dans ce chapitre, le fonctionnement gnral du systme

cardiovasculaire, ses principales composantes, puis, de manire plus dtaille, le principe de

llectrocardiographie et Les caractristiques du cycle cardiaque ainsi que son processus de

propagation.Nous abordons, galement, quelques pathologies cardiaques susceptibles dtre

dtectes partir du signal acquis.

Cette prsentation se limite au strict ncessaire pour une bonne comprhension de

notre travail, le lecteur intress par une approche mdicale rigoureuse pourra se reporter aux

nombreux ouvrages mdicaux disponibles sur le sujet comme notamment [1], [2] et [4].

I. Anatomie du cur :

Le cur est un organe contractile situ dans le thorax, entre les poumons, et permet

dassurer la circulation sanguine. Derrire le cur se trouvent les vaisseaux les plus

importants : les deux veines caves (infrieure et suprieure), les artres pulmonaires, et l'artre

aorte, comme l'illustre la figure I.1.

Le cur est un muscle creux spar en deux moitis indpendantes (droite et gauche).

Sa partie droite contient du sang pauvre en oxygne, et assure la circulation pulmonaire; sa

partie gauche renferme du sang riche en oxygne, qui est propuls dans tous les tissus.

Chacune des moitis comporte une oreillette et un ventricule qui communiquent par des

valves d'admission (tricuspide droite, et mitrale gauche) qui, l'tat normal, laissent passer

le sang uniquement de l'oreillette vers le ventricule. Il existe aussi des valves d'chappement

qui assurent la communication entre le ventricule droit et l'artre pulmonaire (valve

pulmonaire), ainsi qu'entre le ventricule gauche et l'artre aorte (valve aortique). Ces deux

valves se trouvent l'entre de l'aorte et de l'artre pulmonaire respectivement. Les valves

d'admission et d'chappement empchent le liquide de refluer, et ne doivent jamais tre


16/124

4


ouvertes en mme temps. Sur la figure I.1, nous pouvons voir l'anatomie du cur et des

vaisseaux associs.

Les parois du cur sont constitues par le muscle cardiaque, appel myocarde,

compos d'un ensemble de cellules musculaires cardiaques. Le myocarde est tapiss

l'intrieur par l'endocarde, et est entour l'extrieur par le pricarde. Les oreillettes sont

spares par le septum interauriculaire et les ventricules par le septum interventriculaire. La

paroi ventriculaire gauche et le septum sont plus pais que la paroi ventriculaire droite. La

pompe gauche effectue le travail le plus important, car elle envoie le sang vers

tous les tissus

o la pression est considrablement plus grande que celle de la circulation pulmonaire

pompe par le ventricule droit. Contrairement celles des ventricules, les parois des

oreillettes sont trs fines.Il est noter que le fonctionnement du cur (cycle cardiaque) peut tre modifi par

lactivit des nerfs du systme nerveux. Pour plus de dtails voir annexe A.

Figure I.1 Anatomie du curet des vaisseaux associs.


17/124

5


II. Cycle cardiaque

Chaque battement du cur entrane une squence dvnements mcaniques et

lectriques collectivement appels cycle cardiaque. Celui-ci consiste en trois tapes majeures :la systole auriculaire, la systole ventriculaire et la diastole.

Dans la systole auriculaire, les oreillettes se contractent et projettent le sang vers les

ventricules. Une fois le sang expuls des oreillettes, les valvules auriculo-ventriculaires entre

les oreillettes et les ventricules se ferment. Ceci vite un reflux du sang vers les oreillettes.

La systole ventriculaire implique la contraction des ventricules expulsant le sang vers

le systme circulatoire. Une fois le sang expuls, les deux valvules, pulmonaire droite etaortique gauche se ferment.

Enfin, la diastole est la relaxation de toutes les parties du cur, permettant le

remplissage passif des ventricules et larrive de nouveau sang.

Les phases de contractions harmonieuses des oreillettes et des ventricules sont

commandes par la propagation dune impulsion lectrique. Lorsque la frquence cardiaque

change, la diastole est raccourcie ou rallonge tandis que la dure de la systole reste

relativement stable.

III. La gense du signal lectrique cardiaque

Comme tous les muscles du corps, la contraction du myocarde est provoque par la

propagation dune impulsion lectrique le long des fibres musculaires cardiaques induite par

la dpolarisation des cellules musculaires. En effet, le cur comporte un rseau intrinsque de

cellules conductrices qui produisent et propagent des impulsions lectriques, ainsi que des

cellules qui rpondent ces impulsions par une contraction. Lors dune activit cardiaque

normale, la stimulation lectrique du myocarde nat du nud sinusal, le pacemaker naturel du

cur. Pendant la priode dactivit (lie la systole) et de repos (lie la diastole), les

cellules cardiaques sont le sige de phnomnes lectriques complexes membranaires et

intracellulaires, qui sont lorigine de la contraction.


18/124

6


Chaque cellule cardiaque est le sige dchanges membranaires dans lesquels sont

impliqus diffrents ions : le sodium Na+,le potassium K+, le calcium Ca2+et le chlorure Cl.

Les variations de potentiel observes au cours dun cycle cardiaque, correspondent desmodifications de la permabilit membranaire et sont lies aux changes ioniques. Au repos,

lintrieur de la membrane cellulaire est charg ngativement par rapport lextrieur, pris

comme rfrence. Cette diffrence de potentiel (potentiel de repos cellulaire) dpend des

concentrations ioniques dans les milieux intra et extracellulaire ; pour les cellules

ventriculaires, sa valeur est voisine de -90 mV (figure I.2). Quand une impulsion lectrique

damplitude suffisante agit sur une cellule excitable, lintrieur de la cellule devient

rapidement positif par rapport lextrieur cause des changes ioniques dcrits par la suite.

Ce processus est la dpolarisation cellulaire et est suivi par le processus de repolarisation

cellulaire, cest dire lorsque la cellule revient son tat de repos. Les changes ioniques qui

dfinissent le potentiel daction, prsent sur la figure I.2, comprend cinq (05) phases

successives.

La phase 0 ou dpolarisation rapide : Aprs une excitation lectrique au-dessus du

seuil dactivation de la cellule, un afflux rapide dions Na+pntre dans la cellule et inverse

rapidement la polarit de cette dernire.

La phase 1 ou dbut de repolarisation : Elle est caractrise par une repolarisation

rapide et de courte dure, de linactivation des canaux Na+ et au flux sortant dions de

potassium K+.

La phase 2 ou repolarisation lente : Elle est due lentre lente des ions Ca2+dans

la cellule, et qui attnue linfluence des canaux K+ continuant sortir, ralentissant ainsi la

phase de repolarisation.

La phase 3 ou repolarisation : Elle correspond la phase de repolarisation finale, et

se caractrise par la fermeture des canaux ioniques spcifiques qui ramne la cellule au

potentiel de repos original. Durant cette phase, les ions K+sont toujours sortants tandis que le

potentiel de la cellule tend vers son seuil de repos.

La phase 4 ou phase de repos : Elle correspond au potentiel de repos, o la cellule

est facilement excitable.


19/124

7


Figure I.2 Les phases du potentiel daction dune cellule myocardique et change ioniques.

IV. Electrocardiogramme de surface

L'lectrocardiogramme est la reprsentation graphique du potentiel lectrique qui

commande l'activit musculaire du cur. Ce potentiel est recueilli par des lectrodes mises

la surface de la peau. Le signal est reu par un appareil nomm llectrocardiographie.

LECG se prsente alors comme une suite de dflexions (ondes lectrique) spares

par des intervalles, correspondant, chacune, une phase de fonctionnement du cur.


20/124

8


IV.1. Les diffrentes dflexions de lECG

LECG enregistre, successivement, la dpolarisation et la repolarisation

auriculaires, puis la dpolarisation et la repolarisation ventriculaires. Ces phnomnes sont

suivis dun repos lectrique qui correspond la ligne de base iso lectrique. Lorsque le

systme dacquisition est mis en fonctionnement, apparait une succession de dflexions,

spares par des intervalles, qui ont une terminologie bien prcise (figure I.3).

Onde P: Dflexion correspondant la dpolarisation des oreillettes droite et gauche,

dune

amplitude infrieure 2,5 mm, et dune dure infrieure 0,11s.

Onde Ta : Dflexion correspondant la repolarisation des oreillettes, habituellement non

visible.ComplexeQRS: Ensemble des dflexions correspondant la dpolarisation des ventricules,

sa dure doit tre comprise entre 0,06s et 0,1s.

Onde T : Dflexion correspondante la repolarisation ventriculaire.

Figure I.3 Les diffrentes dflexions de lECG.

IV.2. Les intervalles de lECG

Les diffrents phnomnes prcdemment cits se retrouvent dans lallure du signal

lectrique issu du systme dacquisition de lECG (figure I.4). Le signal se dcompose alors

comme suit :

Intervalle PR ou PQR : Correspond au temps de conduction auriculo-ventriculaire (de

dbut de londe P au dbut du complexe QRS),

sa dure doit tre comprise entre 0,12s et 0,2s.

OD : Oreillette Droite.OG : Oreillette Gauche.

VD : Ventricule Droite.

VG : Ventricule Gauche.


21/124

9


Intervalle ST ou RST: Il spare la fin de la dpolarisation (fin du complexe QRS) et le

dbut de la repolarisation ventriculaire (dbut de londe T).

Intervalle QT: Il s'agit de la distance entre le dbut du complexe QRS et la fin de l'onde

T, englobant la dpolarisation et la repolarisation ventriculaires.

Intervalle RR: Cet intervalle dsigne le temps entre deux ondes R successives. La facilit

de la dtection de londe R donne limportance de cet intervalle qui sert mesurer la

frquence cardiaque.

Figure I.4 - Priode dun signal cardiaque avec les intervalles.

V. Techniques et conditions denregistrement dun ECG

V.1. En milieu hospitalier :

Lenregistrement se fait sur un papier millimtr qui se droule une vitesse constante

de 25 mm par seconde. Llectrocardiogramme enregistre, en ordonnes, une dflexion de 10

mm pour un voltage de 1 millivolt.

Pour faire un enregistrement nous devons respecter certaines conditions :

Le patient doit tre couch sur le dos et dans une position confortable et

protg du froid.

Les lectrodes cutanes doivent tre convenablement disposes et les contacts

lectrodesfils doivent tre vrifis.

Le patient doit tre dtendu pour viter les tremblements musculaires qui

causent un parasitage de la ligne de base et de diffrentes dflexions.


22/124

10


V.2. Lacquisition ambulatoire

Cest une technique denregistrement de lactivit cardiaque dun sujet pendant 24 ou 48

heures, lui permettant de continuer ses activits normalement, sans alitement ni

hospitalisation. Cet examen connu sous le terme Holter permet lanalyse du rythme cardiaque

dun individu de faon y dceler dventuelles pathologiques cardiovasculaires, qui ne

pouvant tre dtectes qu partir denregistrement de longue dure.

Le Holter est particulirement indiqu dans le cas de certaines pathologies cardiaques

mais aussi en prvention, chez des individus risque porteurs dun stimulateur cardiaque quil

faut surveiller. Son utilisation est recommande pour la surveillance darythmies cardiaques et

pour dpister une ischmie myocardique silencieuse (cest--dire sans douleur thoracique)

chez des sujets facteur de risque lev (tabac, alcool, sucre, hypertension artrielle, etc).Si, au niveau du principe, le systme dacquisition rpond aux mmes normes que celui

utilis en milieu hospitalier, la prise en compte du caractre ambulatoire ncessite lutilisation

dune alimentation autonome (pile) et la rduction de dimension du systme.

VI. Les drivations de llectrocardiogramme

Lacquisition du signal ECG est assure par des lectrodes de surface, dont

lemplacement sur le thorax du patient dfinit un type de drivation. Les emplacements deslectrodes sont choisis de manire explorer la quasi-totalit du champ lectrique cardiaque.

En cardiologie, lexamen le plus complet est lECG 12 drivations, pour lequel le signal est

visualis selon 12 axes privilgis.

Six axes dans le plan frontal qui correspondent :

Dune part aux trois drivations bipolaires I, II, III dites drivations de Einthoven (figure I.5).

DI : enregistre les diffrences de potentiel lectrique entre le poignet droit et le poignet gauche.DII : enregistre les diffrences de potentiel lectrique entre le poignet droit et la jambe gauche.

DIII : enregistre les diffrences de potentiel lectrique entre le poignet gauche et la jambe gauche.

Dautre part aux drivations unipolaires aVR, aVL, aVF dites de Wilson (figure I.6).

Avl : (arm, Ventricular, Left) pour l'avant-bras gauche.

aVR : (arm, Ventricular, Right) pour l'avant-bras droit.

aVF : (Foot) pour la jambe gauche.


23/124

11


Autre six axes sur le plan transversal qui sont les drivations unipolaires prcordial V 1

V6 dites de Kossman (figure I.7) :

V1 : 4me espace intercostal droit, bord droit du sternum.

V2 : 4me espace intercostal gauche, bord gauche du sternum.V3 : mi-chemin entre V2 et V4.

V4 : 5me espace intercostal gauche, sur la ligne mdio claviculaire.

V5 : mme horizontale que V4, ligne axillaire antrieure.

V6 : mme horizontale que V4, ligne axillaire moyenne.

Figure I.5 Drivations bipolaires dEinthoven.

Figure I.6 Drivations unipolaires des membres.


24/124

12


Figure I.7 - Drivation prcordiales de Kossman.

VII. Artefacts visibles sur lECG

Sur tout enregistrement lectrocardiographique, des vnements indsirables, appels

artefacts, peuvent apparatre et brouiller le trac. Le problme est surtout pos dans le cas

dun traitement automatique o la prsence de ces bruits peut induire en erreur le diagnostic.

Ces bruits peuvent avoir plusieurs origines : techniques, physiques et pathologiques. En autre,

des impulsions indsirables apparaissent invitablement lors dune acquisition ambulatoire,impulsions ds aux mouvements du patient, donc contact lectrode-peau. Nous allons par la

suit dvelopper laspect technique et physique des artefacts prsents sur les tracs

lectrocardiographiques notamment sur les tracs Holter particulirement bruits.

VIII. Quelques cas pathologiques courants

La finalit de notre travail tant de pouvoir surveiller, distance, ltat de sant dunpatient vaquant ses occupations quotidiennes, nous allons citer ici, quelque cas pathologique

courant en prcisant leurs effets sur lallure du signal ECG correspondant.

Les pathologies cardiaques classes dangereuses ou risque sont celles qui peuvent avoir

des consquences graves sur la sant du patient, pouvant provoquer dans les cas extrmes son

dcs. On peut signaler: la Tachycardie Ventriculaire (VT), la FIBrillation Ventriculaire

(VFIB), le FLotter Ventriculaire (VFL) et la Fibrillation Auriculaire (AF).


25/124

13


VIII.1. Trouble de rythme

Lanalyse du rythme ne ncessite que le reprage des ondes R, elle fut donc lun des

premiers traitements automatiques du signal cardiaque.

Un rythme cardiaque rgulier estnormal lorsquil est compris entre 60 et 100 battements par minute (bpm) pendant la journe,

et entre 40 et 80 bpm pendant la nuit [5]. Hors de ces limites, on parle de bradycardie lorsquil

est trop lent, et de tachycardie lorsquil est trop rapide.

VIII.1.1. Bradycardie

La bradycardie est caractrise par une frquence cardiaque infrieure 60 bpm. Elle

est dite dorigine sinusale, jonctionnelle ou ventriculaire, selon le site dinitiation de

limpulsion lectrique lorigine des battements considrs. Nous distinguons alors les cas

suivants :

Bradycardie sinusale

La bradycardie sinusale est caractrise par la prsence systmatique dune onde P

avant les complexes QRS (Figure I.8). Le rythme est de lordre de 40 bpm.

Figure I.8 - Bradycardie sinusale.

Bradycardie dorigine jonctionnelle

L'impulsion lectrique n'est plus transmise des oreillettes aux ventricules. La frquence est

de lordre de 30 60 bpm.

Figure I.9 - Rythme d'chappement jonctionnel 35 bpm.

Bradycardie dorigine ventriculaire

Le rythme a une frquence trs lente, entre 15 et 40 bpm.


26/124

14


VIII.1.2. La tachycardie

linverse de la bradycardie, la tachycardie est caractrise par une frquence

suprieure 100 bpm, elle peut tre dorigine sinusale, auriculaire ou ventriculaire. Dans lecas de la Tachycardie sinusale par exemplela frquence est comprise entre 100 et 180 bpm et

nous observons avant chaque complexe QRS, une onde P.

Figure I.10 - Tachycardie sinusale.

VIII.2. Trouble de rgularit

L'absence de la rgularit des battements cardiaques est une caractristique du rythme

importante pour le diagnostic. Nous distinguons alors les cas suivants :

VIII.2.1. Flutter ventriculaire: La frquence cardiaque est comprise entre 400 et 600

bpm. Sur un ECG, nous remarquons la disparition des ondes P, remplaces par des petites

ondulations anarchiques et irrgulires dans la ligne isolectrique.

VIII.2.2. Flutter auriculaire: Caractrise par la disparition des ondes P, les complexe

QRS sont rgulirement disposs une frquence allant de 100 150 bpm. Londe T et le

segment QT sont normaux.

VIII.2.3. Fibrillation ventriculaire: Caractris par des oscillations anarchiques de la

ligne isolectrique, et on ne reconnait ni londe P ni le complexe QRS (Figure I.11).

Figure I.11 - Fibrillation ventriculaire.


27/124

15


VIII.2.4. Fibrillation auriculaire :La fibrillation auriculaire (Figure I.12) est la plus

frquente des arythmies. Dans cette pathologie, le fonctionnement du myocarde auriculaire est

totalement dsorganis, nous nobservons donc pas dactivit auriculaire prcise (pas dondeP). Ces mouvements anarchiques peuvent nanmoins transmettre quelques impulsions au

nud auriculo-ventriculaire, qui les transmet son tour aux ventricules et entrane leurs

contractions. Comme cette transmission est alatoire, le rythme des complexes QRS est

compltement irrguli. Le rythme moyen est gnralement suprieur 100 bpm, peut

atteindre 200 bpm.

Figure I.12 - Fibrillation auriculaire.

Conclusion

Llectrocardiographie est une technique largement utilise, elle remplit bien sa

fonction et fourni de faon fiable un signal auquel nous pouvons appliquer des mthodes

appropries du traitement de signal. Ce chapitre a pour but de sensibiliser le lecteur

limportance dtudier les diffrentes caractristiques du signal ECG, tels que les amplitudes

des ondes P, Q, R, S et T ,leurs formes, leurs dures ainsi les intervalles qui les sparent afin

de faire un bon diagnostic.


28/124

Chapitre II

AACCQQUUIISSIITTIIOONNEETT

TTRRAANNSSMMIISSSSIIOONNDDUUSSIIGGNNAALLEECCGG


29/124

16


Aprs avoir fait une description gnrale du signal ECG et indiqu la signification des

diffrentes dflexions et intervalles de celui-ci, nous allons prsenter et expliquer les

diffrentes tapes qui permettent lacquisition et la transmission distance, par voie GSM, dusignal ECG. Lensemble est regroup dans une carte dacquisition portative appele carte

ambulatoire (figure II.1).

Figure II.1- Carte ambulatoire.

Le caractre ambulatoire de la carte dacquisition a pour objectif principale de permettre

un suivi continu (surveillance) de ltat du patient se livrant ses activit quotidiennes. En

outre, certaines anomalies cardiaques ne peuvent tre dtectes qu partir denregistrements

ECG de longue dure (quelques heures).La distance de transmission diffre selon le besoin et

les outils utiliss. Parmi ces derniers nous pouvons citer :

Transmission via le Bluetooth [31]: Ce type de transmission consiste

acqurir le signal ECG directement du corps et lenvoyer au tlphone portable par

lintermdiaire du protocole Bluettooth (La distance de transmission est petite).

Transmission via internet [30]:L'internet a t utilis comme un support pour

transmettre le signal ECG, d'un patient un mdecin qui rside distance et rpondra

directement par la mme procdure.

Transmission par Bluetooth et GSM [27]: Ce type de transmission est

compos dun dispositif dacquisition portable du signal ECG (lectrode), dun tlphone

mobile et un serveur de soin de sant. Le signal ECG obtenu par llectrode est transmis vers

le tlphone mobile via le Bluetooth, un message est envoy vers le tlphone mobile du

mdecin travers le rseau GSM.


30/124

17


Transmission par Bluetooth et internet [26]: Le signal ECG est mis par

Bluetooth vers un ordinateur situ une distance de 10-30m, puis transmet vers un autre

ordinateur o se trouve un mdecin consultant qui surveille ltat du patient. Les deux PC sont

connects par internet.

Ces diffrentes oprations font partie dun domaine plus gnral connu sous le

terme tlmdecine.

I. La tlmdecine

I.1. Dfinition

La tlmdecine est un moyen particulirement utile pour optimiser la qualit des

soins par une rapidit collgiale des changes mdicaux au profit de patients dont l'tat de

sant ncessite une rponse adapte, rapide quelle que soit leur situation gographique.

Il existe de nombreuses configurations d'une consultation interactive, mais, le plus

souvent, c'est partir d'un emplacement urbain-rural. Cela signifie que le patient n'a pas

besoin de faire un voyage vers une rgion urbaine pour voir un spcialiste et dans de

nombreux cas, permet d'accder des soins spcialiss. Par ailleurs, certaines pathologies

ncessitent un suivi continu et en temps rel dun patient vaquant ses occupations

quotidiennes.

I.2. Les diffrents types dapplication de la tlmdecine

Selon lobjectif vis, on peut distinguer plusieurs types dapplication de tlmdecine.

La tlconsultation

La tlconsultation seffectue naturellement en relation avec le patient. Ce dernier prend

contact, par tlphone, avec un centre o le mdecin tablit le diagnostic de gravit et prend ladcision dorientation du patient.

La tl assistance

La tl assistance peut tre un acte mdical lorsquun mdecin assiste, distance, un

autre mdecin en train de raliser un acte mdical ou chirurgical, voir, dans le cadre de

lurgence, aide un secouriste ou toute personne portant assistance une personne en danger en

attendant larrive dun mdecin.


31/124

18


La tl expertise

La tl expertise a souvent t limite, dans sa dfinition, aux changes entre spcialistes

pour obtenir un deuxime avis. Nous pouvons largir cette dfinition tout acte diagnostic quise ralise en dehors de la prsence du patient. Lacte mdical de tl expertise se dcrit

comme un change entre deux ou plusieurs mdecins qui arrtent ensemble un diagnostic.

La tlsurveillance

La tlsurveillance exploite les techniques de transmission et des traitements pour la

collecte de donnes cliniques dun patient situ un endroit loign. A la rception on

procde un examen clinique des donnes transfres et apporte une rponse relative ces

donnes. Dans notre travail nous nous sommes intresss ce type de tlmdecine.

I.3. Avantages de la tlsurveillance

La tlsurveillance permet la rduction des hospitalisations des nombreux

dplacements, notamment pour les patients gs ou handicaps.

La surveillance des symptmes est assure de faon continue grce les donnes

transmises et temps rel.

Amliore l'autogestion des patients.

Elle facilite laccs aux soins dans les zones daccs difficile.

Elle raccourcit les dlais dattente.

Elle facilite la consultation entre mdecins gnralistes et spcialistes.

Bien que la tlsurveillance ait plusieurs avantages, elle prsente, aussi certaines

limites. En effet, les soins virtuels ne remplaceront jamais le contact avec le mdecin. Pour

tre efficace, la tlmdecine doit rester complmentaire d'un vrai suivi mdical.

Lobjectif de notre tude nest pas diffrent aux objectifs des tudes qui ont t faites,

il est bas sur la surveillance distance, en utilisant des outils un peu diffrents, permettant

une mobilit grande pour le patient car la carte ambulatoire est constitue dun module

GM862 permettant la communication sans fil dans le rseau GSM/GPRS. A la rception, le

signal reu est transfr vers un PC puis trait sous matlab afin de dtecter des caractristiques

essentielles.


32/124

19


Nous allons dcrire les deux oprations assures par notre systme savoir, dune

part, lacquisition et la numrisation des donnes ECG, et dautre part, la transmission sans fil

de ces donnes.

II. Structure gnrale du systme

Le schma de la figure II.2 englobe les phases les plus importantes du systme, de

lacquisition jusquau diagnostic mdical dresser.

Figure II.2 - Schma synoptique de la chaine de transmission.

Le systme de transmission est caractris par trois phases dfinit dans un ordre

chronologique comme suit :

La premire phase o seffectue lacquisition, compose des lectrodes, de

lamplificateur et dun PIC pour lesquelles nous prsentons brivement les diffrentes

caractristiques techniques.

Acquisition

Module

dmission sans fil

Module de

rception sans fil

RceptionTraitement et Diagnostic

Capteur de signal

ECG

Amplificateur de

signal ECGMicrocontrleur

Traitement

logiciel sous

Matlab

Emission

PC


33/124

20


La deuxime phasecorrespond la transmission et comporte le module de traitement

numrique (le microcontrleur), les modules dmission et de rception (GSM/GPRS

GM862).

La troisime phaseporte sur le traitement du signal reu et le diagnostic

correspondant. Nous donnons des algorithmes permettent le traitement du signal, lextraction

de ses diffrents paramtres et nous terminons par un diagnostic mdical correspondant dress

par un cardiologue.

Ltude des deux premires phases est le but de ce chapitre. Par ailleurs la troisime

phase fera lobjet dune tude dans les chapitres III et IV.

II.1. Acquisition du signal ECG

Le systme dacquisitionest constitu de diffrents tages ayant pour but de convertir les

signaux en donnes numrique pouvant tre transmises par voie arienne. Son caractre

portatif impose une alimentation autonome (pile) et la limitation de lencombrement du

systme. Les diffrentes tapes que subi le signal afin de le numriser sont les suivantes :

Capteur: Consiste convertir un signal quelconque en un signal lectrique, dans

notre cas la diffrence de potentiel entre deux points du corps est traduite en un signal

lectrique.

Pr-amplification : Le signal issu des lectrodes tant de faible amplitude, un

amplificateur est ncessaire afin de le rende exploitable.

Pr-filtrage: Permet dliminer les bruits de haute et de basse frquence et garderle signal utile.

Numrisation : Etape qui consiste en lchantillonnage et la quantification du

signal et qui est assure gnralement par un convertisseur analogique numrique.

_ Lchantillonnage: Permet de passer dun signal temps continu en une suite

discrte de valeurs (valeurs mesures intervalles rguliers). On appelle priode

dchantillonnage que lon note Te la dure entre deux chantillons successifs. Dans le cas


34/124

21


o on souhaite reconstituer le signal analogique, et pour respecter le thorme SHANNON.

La frquence dchantillonnage Fe =1/Te doit valoir au moins le double de la frquence

maximale du signal note Fc.

Fe >= 2Fc, alors pour Fc = 100Hz, Fe = 200Hz minimum.

_ La quantification : Permet de mesurer l'amplitude du signal chaque pas

d'chantillonnage. Lamplitude mesure du signal est code sur b bits, donc en 2b classes.

Lapproximation de la valeur analogique par une valeur numrique discrte provoque une

distorsion du signal, dite bruit de quantification. Pour limiter ce bruit on choisit un nombre de

classe lev.

Dans notre cas, toute opration de numrisation se fait dans le micro-contrleur le PIC

16F877.

Figure II.3 - Chane de traitement.

II.1.1. Les lectrodes

Les capteurs utiliss pour lacquisition de signal ECG sont des lectrodes de mesure

qui sont places directement sur la peau (Figure II.4).

La plaque dargent de llectrode est couverte dune couche de chlorure dargent.

Avant de placer les lectrodes sur la peau, nous diffusons un lectrolyte sur lpiderme

pour assurer une bonne conduction.


35/124

22


Figure II.4 - Reprsentation des lectrodes.

Ces lectrodes sont caractrises par :

- Une aptitude capter les basses amplitudes situes dans la gamme de 0,05mV 10mV.

-Une impdance dentre trs leve.

-Un courant dentre trs bas, infrieur 1 mA.

II.1.2. Lamplificateur dinstrumentation

Lamplitude du signal issu des lectrodes est trs faible, un amplificateur est

alors ncessaire. Dans ce cadre notre choix sest port sur le INA 114 (Figure II.5),

Figure II.5 - Lamplificateur dinstrumentation INA 114.

Le INA114 est un amplificateur dinstrumentation de grande prcision, comportant une

impdance dentre trs grande et un taux de rjection en mode communimportant, ce qui

implique une rduction de bruit lentre.


36/124

23


Lamplitude du signal la sortie du capteur se situe entre 1mV et 3 mV, dans ce cas la

rsistance Rg est gale 50, ce qui correspond un gain en tension G de 1000.

G = 1 + (50000/Rg) II.1

Lamplificateur INA114 est compos de trois amplificateurs oprationnels. La souplesse

de ce composant et sa petite taille le rendent idal pour des applications larges et tendues.

II.1.3. Numrisation du signal ECG

Les oprations de numrisation et de stockage seffectuent dans lemicrocontrleur. Lunit de traitement de linformation est le microcontrleur PIC 16F877, le

choix de ce dernier se base sur ses performances et ses caractristiques qui sont directement

lies aux besoins tels qu une mmoire Flash (8Kx14bits), une mmoire EEPROM de 256

octets et un convertisseur analogique numrique. Le 16F877 contient des entres analogiques

numriques (PortA et PortE) adaptes au signal ECG.

Ce microcontrleur PIC 16F877 commande la fois le systme dacquisition et celui de

lmission. Pour relier le PIC au module de transmission nous avons utilis le composant

MAX232, qui assure linterfaage.

Ce microcontrleur PIC 16F877 est partag entre le systme de lacquisition et celui de

lmission.

II.1.4. Description du PIC 16F877

Le 16F877 est un PIC de la srie Mid-range qui utilise des mots de 14 bits. Il

consomme moins de 2mA sous 5V 4 MHz, contient 35 instructions de dure 1 ou 2 cycles.

Ces caractristiques principales sont :

_ Une mmoire programme de type flash de 8 K de 14 bits.

_ Une mmoire RAM de donnes de 368 octets.

_ Une mmoire EEPROM de donnes de 256 octets.

_

Cinq ports d'entre sortie.


37/124

24


_ Un convertisseur analogique numrique de 10 bits.

_ Ports srie (USART, MSSP).

_

Un port parallle._ Trois timer/Compteur cadencs par une horloge interne ou externe quipeut tre

gnre par 4 types d'oscillateurs slectionnables.

_ PORTA : 6 entres sorties RA0 RA5 dont 5 entres du CAN.

_ PORTB : 8 entres-sorties RB0 RB7.

_ PORTC : 8 entres-sorties RC0 RC7.

_ PORTD : 8 entres-sorties RD0 RD7, cest le port interface du microprocesseur.

_ PORTE : 3 entres-sorties RE0 RE2 (CAN).

II.1.4.1. Les broches dalimentations

Comme tout PIC, le 16F877 a des broches dalimentation : 2 pour le 0V (Bleu)

et 2 pour le +5V (Rouge). Il suffit de connecter une de chaque lalimentation pour que le Pic

fonctionne.

II.1.4.2. Le circuit dhorloge

Un signal dhorloge est ncessaire pour piloter le circuit de contrle et de

squencement du microcontrleur. Nous avons choisi un quartz de 4 MHz pour lequel nous

obtenons un (01) million dinstruction par seconde.

Le quartz est branch sur les broches OSC1 et OSC2.tel que illustr par la figure II.7.

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-4

RA4/T0CKI6

7

OSC1/CLKIN13

OSC2/CLKOUT14

RB7/PGD 40

RB6/PGC 39

RB5 38

RB4 37

RB3/PGM 36

RB2 35

RB1 34

RB0/INT 33

RA3/AN3/VREF+5

15

MCLR/Vpp/THV1

U1

X1CRYSTAL

C1

15pf

C2

15pf

Figure II.6 - Circuit dhorloge.


38/124

25


II.1.4.3. Le circuit dinitialisation

Lentre : permet dinitialiser le microcontrleur aprs sa mise sous tension,

active au niveau bas. Une rinitialisation est correctement effectue si cette entre est

maintenue ltat 0 , la figure II.8 reprsente le schma de ce circuit. R1 est la rsistance

de rappel, choisie de manire minimiser le courant entrant dans le PIC.

Figure II.7 - Circuit dinitialisation.

II.1.4.4. Le convertisseur analogique numrique

Il est constitu d'un module convertisseur huit (08) entres. Les 5 premires

entres sont sur le Port A en PA0, PA1, PA2, PA3 et PA5.Les trois (03) entres

supplmentaires sont en PE0, PE1 et PE2. Le rsultat de la conversion est cod sur 10 bits.

C'est une valeur comprise entre h'000' et h'3FF'. Notre signal ECG est branch lune de ces

pins aprs son amplification.

II.1.4.5. La liaison srie USART

Le microcontrleur PIC 16F877 contient un module dit USART (Universal

Synchronous Asynchronous Reciever Transmitter), ce module permet denvoyer et de

recevoir des donnes en mode srie, soit de faon synchrone ou asynchrone. Le module

USART de notre PIC gre uniquement deux broches TxD et RxD, ces dernires sont

connectes au MAX 232. Pour relier le PIC au module de transmission nous avons utilis le

MAX232


39/124

26


II.1.5. Prsentation du MAX232

Le MAX232 est un composant qui sert d'interfacer entre une liaison srie TTL (0-5V)

et une liaison srie RS232 (+12 -12V) du PC, et ce avec une simple alimentation 5V.

II.2. Transmission sans fil du signal ECG

Aprs numrisation de donnes acquises, ltape suivante a pour objectif de

transmettre, par arienne, ces donnes vers le centre danalyse et de traitement situ

lhpital. La figure ci-dessous rcapitule les tapes suivis.

Figure II.8 - Structure gnrale du systme.

II.2.1. Le GSM et le GPRS

Les terminaux mobiles reposants sur le service GSM (Global System for Mobile

communications) ne pouvaient y accder qu'avec de faibles dbits (9,6 kbit/s), avec le service

GPRS (General Packet Radio Service), ces donnes sont transmises par paquets avec un dbit

plus lev (jusqu 171,2 kbit/s). En effet, le GPRS est le premier protocole commutation

gnrale de donnes par paquets, et constitue une couche supplmentaire un rseau GSM

existant. Larchitecture GSM fournit les services voix, tandis que larchitecture GPRS fournit

les services de donnes par paquets avec un dbit lev.

Carte

Hpital


40/124

27


Le GPRS peut tre considr comme la premire tape de fusion de communication

mobile et de communication gnrale de donnes par paquets. Sur la base de service GPRS, le

client peut tre toujours en ligne et les donnes provenant des capteurs peuvent tre envoyes

vers le centre mdical tout moment et de nimporte quel endroit.

II.2.2. Le module GSM/GPRS (GM862)

Dfinition :parmi les diffrents modles de modules GPRS notre choix sest

port sur le GM862. De faible dimension (43,9mm x 43,9mm x 6,9mm), il ne dpasse pas 18

grammes, de faible consommation, capable de supporter divers modes de communications.

Dot de diverses entres/sorties (50 pins), dinterface de la carte SIM, ce module utilis pourlmission ainsi que pour la rception, peut tre conduit par l'intermdiaire de l'interface srie

en utilisant les commandes AT.

Figure II.9 - Le module GM862.

Nous avons utilis le port srie de GM862 (TxD et RxD). Ces deux derniers sont

connects aux RxD et TxD de l'USART du microcontrleur PIC16F877. La connexion n'estpas directe, mais travers le MAX232. Le module GM862 est command par le PIC en

utilisant les commandes AT.

Nous donnons, dans le tableau suivant, quelques caractristiques techniques du

module GM862.

Rseau GSM/GPRS


41/124

28


Caractristiques techniques :

Caractristiques Dsignations

Dimensions Longueur: 43.9 mm, largeur: 43.9 mm, paisseur: 6.9 mm,

volume: environ 13 cm3.

Poids 18 gr

Plage de temprature de

fonctionnement

20C / +55C

Plage de Temprature de

Stockage

40C / +85C

Frquence de fonctionnement Freq TX (MHz) : allant de 824 au 1909, selon le mode.

Freq RX (MHz) : allant de 8692 au 1989, selon le mode.

Puissance de sortie 1 ou 2 Watts selon le mode.

Tension d'alimentation 3.22 V 4.5 V

Courant consomm < 26 A

Tableau II.1. Caractristiques du module GM862.

II.2.3. Les commandes AT

Dfinition :le module de transmission sans fil GM862 est contrl travers le

port srie en utilisant les commandes AT. Donc ces dernires permettent laccs aux fonctions

dun tlphone portable ou dun module sans fil (GM862) par lintermdiaire dun terminal.

Chaque instruction dbute par les caractres ASCII AT tirs de labrviation Attention

et se termine par un retour chariot, CR : Carriage return.

Trois entits sont dfinies :

TE : Terminal Equipment: un PC ou un microcontrleur.

TA : Terminal Adaptator : assure la liaison entre le ME et le TE.

ME : Mobile Equipment :tlphone portable ou un module GPRS.


42/124

29


Figure II.10 Schma de fonctionnement des commandes AT.

II.3. Etude de lalimentation

La grande majorit des quipements lectroniques a besoin dune source de courant

continu, qui peut tre une pile ou une batterie. Gnralement cette source est constitue dun

circuit transformant le courant alternatif du secteur (220V, 50Hz) en courant continu ce que

nous appelons lalimentation stabilise. Dans notre cas, nous avons eu recours utilisationdune batterie de 9V (figureII.13), laquelle nous intgrons des composants lectroniques

pour une tension rduite 5V, tension ncessaire lalimentation du PIC 16F877 et du

module GM862.

BAT29V

D1BZT03C51

R1

33K

C515 u

alimentation

Figure II.11 - Lalimentation du circuit lectronique.


43/124

30


II.4. Schma lectrique de la carte dacquisition ambulatoire

La carte dacquisition ambulatoire est constitue damplificateur INA114, dun PIC

(16F877), dun MAX232, du module GM862 et dune alimentation, telle que reprsente parla figure II.14.

Le signal analogique issu des lectrodes et aprs son amplification,il doit tre

numris laide du convertisseur analogique numrique du microcontrleur, juste aprs la

numrisation, les donnes sont transfres directement vers le module USART (RC6/TX/CK,

RC7/RX/DT) du PIC, dans le but de les envoyer vers le module de transmission GM86,

travers ladaptateur MAX232.

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-4

RA4/T0CKI6

RA5/AN4/SS7

RE0/AN5/RD8

RE1/AN6/WR9

RE2/AN7/CS10

OSC1/CLKIN13

OSC2/CLKOUT14

RC1/T1OSI/CCP2 16

RC2/CCP1 17

RC3/SCK/SCL 18

RD0/PSP0 19

RD1/PSP1 20

RB7/PGD 40

RB6/PGC 39

RB5 38

RB4 37

RB3/PGM 36

RB2 35

RB1 34

RB0/INT 33

RD7/PSP7 30

RD6/PSP6 29

RD5/PSP5 28

RD4/PSP4 27

RD3/PSP3 22

RD2/PSP2 21

RC7/RX/DT 26

RC6/TX/CK 25

RC5/SDO 24RC4/SDI/SDA

23

RA3/AN3/VREF+5

RC0/T1OSO/T1CKI 15

MCLR/Vpp/THV1

U1

PIC16F877

X1CRYSTAL

C1

15 u

C2

15 u

BAT15V

T1IN11

R1OUT12

T2IN10

R2OUT9

T1OUT 14

R1IN 13

T2OUT 7

R2IN 8

C2+

4

C2-

5

C1+

1

C1-

3

VS+ 2

VS- 6

U2

MAX232

C31u

C41u

GM862

33

46

3

2

1

8

4

U3:A

INA114

elctrode

BAT29V

D1BZT03C51

R133K

C515 u

alimentation

elctrode

bras gauche

bras droit

Vcc

antenne

Figure II.12 - Schma lectronique de la carte ambulatoire.


44/124

31


III. Rception du signal ECG

La rception se fait avec le mme module GPRS (GM862) qui est reli au

microordinateur, ce dernier utilise la liaison asynchrone RS232 pour recevoir les donnes

(figure II.15).

Figure II.13 Schma synoptique du systme de rception.

III.1. Schma lectronique la rception

La liaison entre le module GM862 et PC nest pas directe, et du moment que la liaison

RS232 du PC utilise les niveaux -12V et +12V et le module de transmission utilise 0V et 5V,

alors un adaptateur est ncessaire, cette dernire est assure par le MAX232comme lillustrela figure II.16.

T1IN11

R1OUT12

T2IN10

R2OUT9

T1OUT 14

R1IN 13

T2OUT 7

R2IN 8

C2+

4

C2-

5

C1+

1

C1-

3

VS+ 2

VS- 6

C31u

C4

1u

GM862

33

46

pc

Figure II.14 - Schma lectronique la rception.

Portsrie


45/124

32


Conclusion

Dans ce chapitre nous avons donn les diffrents blocs suivre afin de transmettre le

signal lectrocardiogramme en utilisant le rseau GSM/GPRS, en commenant par les

lectrodes, lamplificateur, le PIC, jusquau module GM862. Tous ces composants constituent

la carte dacquisition et de transmission ambulatoire du signal ECG. A la rception, nous

avons un autre module GM862 connect vers un PC o se sont programms des traitements

logiciels du signal ECG. Le chapitre suivant prsentera les diffrentes mthodes de traitement

qui existent.


46/124

Chapitre III

Mthodes de

traitement du signalECG


47/124

34


De faon gnrale, le traitement du signal est un ensemble de mthodes et techniques

permettant dextraire le maximum dinformations partir dun signal traduisant un

phnomne physique donn.

Dans autre cas, il sagit dexploiter les donnes ECG acquise pour en dduire ltat de

sant du patient. Pour cela nous devons dans un premier temps, supprimer ou, tout au moins,

attnuer fortement les bruits tendant perturber notre signal. Par la suite nous devons choisir

des mthodes adquates qui permettent dextraire les informations ncessaires

ltablissement dun diagnostic fiable.

I. Les rseaux de neurones

Comme nous lavons expliqu prcdemment, le caractre ambulatoire de

lacquisition gnre des artfacts de mouvement sous forme dimpulsions de courtes

dures, donc de large tendue spectral. Une partie des composantes frquentielles de ces

impulsions se retrouve donc dans la bande de frquence utile du signal ECG, et toute

notion de filtrage classique savre alors inefficaces pour remdier cela et supprimer

leffet de ces pics, nous avons opt pour lutilisation des rseaux de neurones.

L'volution de la thorie des rseaux de neurones formels est lie directement au

dveloppement des travaux biologiques sur le cerveau humain. Ce dernier est l'organe de

commande le plus complexe et le plus inconnu de la biologie de l'homme ou de l'animal.

Les cellules nerveuses, appeles neurones, sont les lments de base du systme nerveux

central. Ce dernier en possderait environ cent (100) milliards. Dans leur organisation

gnrale et leur systme biochimique les neurones possdent de nombreux points communs

avec les autres cellules. Ils prsentent cependant des caractristiques qui se retrouvent au

niveau des quatre fonctions spcialises qui assument:

- Recevoir des signaux en provenance des neurones voisins;

- Intgrer ces signaux;

- Engendrer un influx nerveux;

- Conduire et transmettre l'influx nerveux un neurone capable de le recevoir.


48/124

35


I.1. Historique

Le champ des rseaux neuronaux est entam par la prsentation en 1943 par

Warren McCulloch et Walter Pitts du neurone formel qui est une abstraction du neurone

physiologique. Ils montrrent galement thoriquement que des rseaux de neurones formels

simples peuvent raliser des fonctions logiques, arithmtiques et symboliques complexes.

Les travaux de McCulloch et Pitts nont pas donn dindication sur une mthode pour

adapter les coefficients synaptiques. En 1949, D. Hebb prsente dans son ouvrage The

Organization of Behavior une rgle dapprentissage qui permet de modifier les valeurs des

coefficients synaptiques en fonction de lactivit des units quils relient.

En 1958, F. Rosenblatt dveloppe le modle du perceptron. Il possde deux couches

de neurones : une couche de perception et une couche lie la prise de dcision. Cest le

premier systme artificiel capable dapprendre par exprience.

Dans la mme priode, Le modle de lADALINE (ADAptive LINar Element) a t

prsent par B. Widrow et Hoff. Ce modle sera par la suite le modle de base des rseaux

multi-couches.

En 1969, M. Minsky et S. Papert publirent un ouvrage mettant en exergue quelqueslimitations thoriques du Perceptron, notamment limpossibilit de traiter des problmes non

linaires.

En 1972, T. Kohonen prsente ses travaux sur les mmoires associatives et propose

des applications la reconnaissance de formes.

Cest en 1982 que J. Hopfield prsente son tude dun rseau compltement reboucl,

dont il analyse la dynamique.

En 1984, cest le systme de rtropropagation du gradient de lerreur qui est le sujet le

plus dbattu dans le domaine.

En 1992 (France), elle est limage du congrs Neuro-Nmes qui a pour thme les

rseaux neuromimtiques et leurs applications.

Aujourdhui, nous retrouvons les rseaux de neurones solidement implants dans

diverses industries.


49/124

36


I.2. Le neurone biologique

L'unit de base de l'organisation du systme nerveux est la cellule nerveuse ou le

neurone. Cette cellule, bien qu'on en ait observ de nombreuses variantes, prsente toujours la

mme fonctionnalit de transfert d'un signal lectrique. Sa structure est d'ailleurs parfaitement

adapte cette tche, nous pouvons, grossirement, la diviser en trois parties : les dendrites, le

corps cellulaire qui porte le noyau et l'axone (figure III.1).

Un neurone peut distribuer des signaux (axones) ou en recevoir (dendrites), les

changes de signaux se font au niveau de synapses, qui relient les dendrites dun neurone aux

axones des autres cellules.

Figure III.1- Modle du neurone biologique.

I.3. Le neurone artificiel (formel)

Le neurone formel est un automate caractris par un petit nombre de fonctions

mathmatiques. Il traite un signal recueilli travers ses connexions entrantes pour fournir un

signal de sortie calcul par la fonction de transfert. Son tat est caractris par trois variables

E, A et S calcules au moyen de trois fonctions successives : la fonction d'entre f (x), la

fonction d'activation g(E) et la fonction de sortie h(A) (figure III.2).

Figure III.2 - Modle gnral du neurone formel.

W2 E

A

S

X1 W1

X2

X3 W3

X4

Xn

W4

Wn

Y


50/124

37


Nous avons donc successivement : E = f (x), A = g(E) et S =h(A). La dfinition de ses trois

fonctions permet donc de fixer le comportement du neurone.

La fonction d'entre

Dans un rseau de n neurones chacun d'entre eux reoit en gnral de 1 n

stimulations en provenance des autres cellules. Les valeurs, binaires ou relles, sont pondres

puis additionnes par la fonction E=f (x) :

III.1

Avec wi est un paramtre de pondration des entres appel poids .Le terme w0x0 (avec x0= 1) cest un poids supplmentaire appel biais gnralement

not b .

La fonction d'activation :

La fonction d'activation des neurones est gnralement l'une des caractristiques

principales d'un type de rseau particulier. En effet l'tat d'un neurone peut tre valeurs

binaires ou relles et la fonction d'activation peut fortement varier d'un type de rseau

l'autre. Les deux familles principales sont la fonction signe, pour les neurones tats binaires,et la fonction sigmode pour les neurones tats rels (figures III.3 et III.4). D'autres

fonctions sont cependant utilisables telles que les fonctions gaussiennes ou les fonctions

hyperboliques (figures III.5 et III.6).

Fonction Signe :

Fonction Signe f(x)= a (2H(x)1) III.2

Avec H(x)fonction de Heaviside : H(x) = 1 si x > 0,

H(x) = 0 sinon III.3

Figure. III.3- La fonction Signe.


51/124

38


Fonction Sigmode :

f (x)=1/ (1+exp(-x)) III.4

f ' (x)=f(x) (1-f(x)) III.5

Figure. III.4- La fonction Sigmode.

Fonction logsigmode :

f(x)=(1-exp(x))/(1+exp(x) ) III.6

Figure. III.5 -La fonction logsigmde.

Fonction gaussienne :

f(x)=exp (-(x-m)2/2) III.7

Avec : m est la moyenne.

est la variance.


52/124

39


Figure.III.6 - La fonction Gaussienne.

Dans notre modle, nous utilisons la fonction sigmode implmente sous Matlab comme

fonction d'activation dans le rseau de neurones, car nos entres sont relles.

La fonction de sortie

L'une des plus importantes particularits du rseau de neurones est de n'avoir qu'une

sortie pour un grand nombre d'entres binaires ou relles, la sortie S est en gnral du mme

type que les entres.

Ce tableau rcapitule la transition entre le neurone biologique et le neurone formel.

Neurone biologique Neurone artificiel

Synapses Poids de connexions

Axone Signal de sortie

Dendrite Signal dentre

Corps cellulaire (Somma) Fonction dactivation

Tableau III.1. La correspondance entre neurone biologique et neurone artificiel.

I.4. Types de rseaux de neurones formels

On distingue deux types de rseaux de neurones : les rseaux non boucls appels

aussi feed-forward et les rseaux boucls, dit aussi rcurrents.


53/124

40


I.4.1. Les rseaux feed-forward

Il s'agit de rseaux appels aussi rseaux de type Perceptron ou statique, ce

sont des rseaux dans lesquels l'information se propage de couche en couche sans retour en

arrire. On peut alors regrouper les neurones en couches selon la longueur de ce chemin

(figure III.7). On parle alors de rseaux deux couches Perceptron monocouche dans

lesquels les neurones de sorties sont directement relis aux neurones d'entres, et le

perceptron multi-couches comprend en plus des deux couches de base une ou plusieurs

couches intermdiaires appeles couches caches. Dans ce type de rseau le temps n'intervient

pas comme variable fonctionnelle c--d que sa sortie ne dpend pas de son pass.

Figure. III.7- Rseau de neurones non boucl.

I.4.2. Les rseaux rcurrents

Par opposition aux rseaux feed-forward, les rseaux rcurrents peuvent contenir des

chemins boucls, passant plusieurs fois par un mme neurone (figure III.8). Grce cette

structure cyclique, un stimuli entrant peut tre partiellement ou totalement remis en question

par l'tat antrieur du rseau ou par larrive de stimuli postrieurs. Ce type de rseau a donc

des capacits thoriques suprieures celles des rseaux non-rcurrents. Les rseaux

rcurrents prsentent donc une dynamique complexe de aux multiples rtroactions internes.

Entres du

rseauSorties du

rseau

Couches

caches


54/124

41


Figure. III.8- Rseau de neurones boucl.

I.5. Lapprentissage

Un rseau de neurones ncessite une phase dapprentissage par laquelle le rseau

construit les liens qui lui permettant deffectuer la mmorisation, la classification et la

prdiction du type de donnes prsentes.

I.5.1. Les lments de l'apprentissage connexionniste

L'apprentissage d'un processus par une architecture connexionniste peut se

rsumer succinctement un change d'informations entre trois lments principaux :

l'environnement (c'est--dire le processus contrler), l'lve (le contrleur proprement dit) et

le superviseur d'apprentissage, qui constitue le professeur (figure III.9).

Figure III.9 - Les lments de l'apprentissage.


55/124

42


I.5.2. Qu'est-ce qu'un algorithme d'apprentissage ?

L'algorithme d'apprentissage est l'opration qui permet de modifier les poids

selon l'volution de l'erreur entre la sortie obtenue et la sortie dsire. Il contrle tout le

comportement futur du rseau de neurones. La capacit de mmorisation et de gnralisation

du rseau rside dans la configuration de ses poids. On trouve trois types d'algorithme

d'apprentissage : l'apprentissage supervis, l'apprentissage non-supervis et lapprentissage

par renforcement.

Apprentissage supervis

C'est actuellement le mode d'apprentissage le plus couramment utilis. Son principe

est lmentaire : on soumet au rseau un grand nombre d'exemples pour lesquels lentre et la

sortie associe sont connues et les poids sont modifis de faon corriger l'erreur commise

par le rseau (figure III.10), c'est--dire la diffrence entre la sortie dsire et la rponse du

rseau l'entre correspondante.

Figure.III.10- Schma bloc de lapprentissage supervis.

Apprentissage non-supervis

Contrairement aux modes superviss, seule une base d'entres est ici fournie au rseau.

Ce dernier doit donc dterminer lui-mme ses sorties en fonction des similarits dtectes

entre les diffrentes entres, cest--dire en fonction dune rgle dauto-organisation.

Figure.III.11 - Schma bloc de lapprentissage non supervis.

Entre Rseau de

neurones

Sortie

obtenue

Environnement Professeur

Systme

supervis a t -

P t d(t)

e t


56/124

43


Apprentissage par renforcement

L'apprentissage par renforcement constitue un modle dont on ne dispose pas de

l'information ncessaire la construction d'une base d'apprentissage complte. On ne dispose

souvent que d'une information qualitative permettant l'valuation de la rponse calcule, sans

pour autant connatre la rponse la plus adapte. Les algorithmes d'apprentissage par

renforcement, essentiellement dvelopps depuis le dbut des annes quatre-vingts,

permettent alors d'entraner le rseau pour qu'il fournisse, chaque stimulus entrant, la sortie

la plus adquate, autrement dit le systme tant capable de savoir si la rponse qu'il fournit est

correcte ou non, mais il ne connat pas la bonne rponse.

I.6. Proprits des rseaux de neurones

I.6.1. Lapproximation universelle

Proprit : Toute fonction borne suffisamment rgulire peut tre approche

uniformment, avec une prcision arbitraire, dans un domaine fini de lespace de ses

variables, par un rseau de neurones comportant une couche de neurones cachs en nombre

fini, possdant tous la mme fonction dactivation, et un neurone de sortie linaire. HORNIKet al. 1989, HORNIK et al. 1990, HORNIK 1991 [43].

Cette proprit ne donne pas de mthode pour trouver les paramtres du rseau et nest

pas spcifique aux rseaux de neurones. Il existe bien dautres familles de fonctions

paramtres possdant cette proprit, cest le cas notamment des ondelettes.

I.6.2. Lapproximation parcimonieuse

Lorsquon veut modliser un processus partir des donnes, on cherche

toujours obtenir les rsultats les plus satisfaisants possible avec un nombre minimum de

paramtres ajustables (les poids de connexions),HORNIK 1993 a montr que :

Si lapproximation dpend des paramtres ajustables de manire non linaire, elle est

plus parcimonieuse que si elle dpend linairement des paramtres.

Plus prcisment, le nombre de paramtres crot exponentiellement avec le nombre

de variable dans le cas des fonctions linaires par rapport leurs paramtres, alors quil

crot linairement avec ce nombre pour les fonctions non linaires [43].


57/124

44


Figure.III.12 - Le rseau le plus parcimonieux (4 neurones cachs, soit 13 coefficients)

produit bien un meilleur ajustement qu'un rseau trop riche en coefficients

(8 neurones cachs, soit 25 coefficients).

I.6.3. La gnralisation et le sur-apprentissage

Un rseau de neurones ncessite une phase dapprentissage. Lors de cette

phase, le rseau doit possder un critre darrt dapprentissage. Si le rseau apprend trop

longtemps, un phnomne de surapprentissage risque de survenir, entranant une dgradation

des performances en gnralisation. Ainsi, dans un rseau de neurones, partir dun certain

nombre dpoques dentranement, le systme se sur-spcialise par rapport la base dedonnes dapprentissage, il perd sa capacit de gnralisation par rapport aux donnes de test

provenant de la mme source mais qui nont pas encore t traites par le systme. La figure

III.13 reprsente ce phnomne.


58/124

45


Figure.III.13- Schmatisation de lerreur en fonction du nombre dpoques lors de la phase

dapprentissage.

Cette figure prsente lerreur en gnralisation en fonction du nombre dpoques

dapprentissage. On constate que lerreur en gnralisation sur la base dapprentissage ne fait

que dcrotre. Ainsi, le rseau de neurones devient meilleur dpoque en poque pour

classifier la base dentranement. Par contre, partir dun certain nombre dpoques, on

remarque que lerreur en gnralisation sur la base de test augmente. Cet effet est d au faitque le rseau sest sur-spcialis pour la base dentranement et quil perd sa capacit de

gnralisation. Ainsi, il faut arrter lentranement du systme lpoque le plus proche

possible de la frontire entre le sous-apprentissage et le sur-apprentissage.

I.7. Algorithmes dapprentissage de rtropropagation

Quel que soit le cas de l'utilisation du rseau, le processus d'apprentissage supervis

ncessite une base d'exemples compose des entres du rseau associes aux sorties dsires,

la sortie dun neurone i est donne par la relation III.8.

yi = g (ni) = g (wijxi) III.8

O g est la fonction dactivation et w ijest poids synaptique.

yila sortie du imeneurone et xi est lente di imeneurone.

Pendant la phase d'apprentissage, lalgorithme de rtropropagation sert minimiser

lerreur quadratique moyenne (MSE) donne par lquation III.9 entre la sortie calcule et

celle dsire.


59/124

46


III.9

O : iparcourt les indices des neurones de sortie.

N est le nombre de neurones.

ai et ti reprsentent respectivement la sortie mesure et la sortie dsire pour ces neurones.

L'arrt de l'apprentissage est effectu lorsqu'un critre d'arrt est atteint.

A chaque itration la valeur de l'erreur quadratique MSE est renvoye de la couche de sortie

vers les couches caches pour la mise jour des poids et des biais du rseau. L'algorithme de

rtropropagation modifie les poids et les biais dans la direction de diminution de la fonction

de performance.

I.7.1. Algorithme du gradient

Cette mthode consiste chercher le minimum du critre par lutilisation des drives du

critre par rapport chacun des paramtres.

Lexpression de calcul des nouvelles valeurs de poids synaptiques est donne par la relation

suivante :

)()()1( kDAkWkW jiijij =+

III.9

Avec :)(

)()(

kN

kEkD

i

ij

=

III.10

:Pas dapprentissage.

E : Erreur commise par le rseau.

)1( +kWij :Poids synaptique de neuronej de lacouchek+1 au neurone ide la couche k.

)(kAi : Sortie de neurone i de la couchek ;

)(kDj :Drive de lerreur partir de neuronej vers la couchek ;

I.7.2. Algorithme de Gauss-Newton

Cette mthode consiste chercher le minimum de critre par lutilisation des drives

premires et secondes du critre par rapport chacun des paramtres.


60/124

47


I.7.3. Algorithme de Lavenberg Marquardt

L'algorithme interpole l'algorithme de Gauss-Newton et l'algorithme du gradient. Plus

stable que celui de Gauss-Newton. Cest pour cela il est trs efficace pour lentrainement des

rseaux, utilise une approche du second ordre. Il est plus rapide et assure la meilleure

convergence vers un minimum de lerreur quadratique. L'algorithme fut dcouvert par

Kenneth Levenberg, puis publi par Donald Marquardt.

Lalgorithme de Lavenberg Marquardt utilise lapproximation de la matrice Hessienne

(Drive seconde de la fonction cot) suivante :

H=JT J III.11

Le gradient peut tre dcompos sous la forme :

G=JTe III.12

O J est le Jacobien qui contient les drives premires des erreurs du rseau.

e est le vecteur d'erreur

ei = ti- ai III.13

II. Mthodes de dtection du complexe QRS

Le complexe QRS est londe la plus dominante de lECG. Il est li au fonctionnementventriculaire. La largeur et la forme des complexes QRS fournissent beaucoup dinformation

sur ltat du cur ainsi pour la dtection dventuelles pathologies. Par consquent, la

dtection fiable du complexe QRS demeure un domaine de recherche important. Dans

l'environnement clinique, cette dtection est trs difficile. Ceci est d principalement la

morphologie du complexe QRS qui change de manire significative dun tat sain un tat

malade.

L'implmentation des mthodes de dtection du complexe QRS sur des dispositifs de

surveillance et de rgulation est depuis longtemps effectue avec une grande efficacit.

Chaque mthode possde ces avantages et ces inconvnients en termes de performance et de

complexit. Avec les avances en temps de calcul dans le domaine informatique, le poids de

complexit a diminu par rapport la performance.


61/124

48


Les algorithmes les plus rcents sont bass sur :

La drive premire [36] ;

Lamplitude et la drive premire [36], [43] ;

Les drives premire et seconde [36], [43] ;

Des filtres numriques [40] ;

La corrlation [46] ;

Dautres travaux ont utilis les ondelettes [41] et les rseaux de neurones [44].

La structure gnrale dun dtecteur du complexe QRS est compose de quatre tages

(Figure III.14).

Figure III.14 - Schma bloc dun dtecteur de QRS.

II.1. Algorithme bas sur la drive premire

Selon un algorithme propos par Menard, la drive premire est calcule en utilisant

la formule :

Y(n) = -2f (n - 2) f (n - 1) + f (n + 1) + 2f (n + 2) III.14

Un seuil est ensuite calcul comme tant une fraction du maximum de l'expression (III.14).= max {Y (n)} o = 0.7

Les points de la drive premire qui dpassent le seuil sont recherchs, et les premiers points

dpassant le seuil sont considrs comme le dbut dun complexe QRS.

II.2. Algorithme bas sur l'amplitude et la drive premire

Parmi d'autres algorithmes, on peut mentionner celui de Moiret Mahoudex. Un seuil

en amplitude est calcul comme fraction de la plus grande valeur positive du signal :

= max { f (n)}

DtectionFiltrage Transformation

ECG

Rsultat

Seuillage

DtectionFiltrage Transformation

ECG

Rsultat

Seuillage


62/124

49


O la valeur de dpend des caractristiques du signal. Dans l'algorithme, une valeur de

= 0.3 est suggre. La drive premire est calcule par :

Y(n) = f (n - 1) + f (n + 1) III.15

On considre alors deux autres seuils l'un positif 1 et l'autre ngatif 2, les auteurs

recommandent des seuils de valeurs respectives 1 = 0.5 et 2 = -0.3 pour un signal

chantillonn 250Hz.

Un QRS est repr si trois points conscutifs de la drive Y(n) excdent le seuil

positif 1et sont suivis dans les 100 ms qui suivent par deux points conscutifs qui excdent le

seuil ngatif 2. Un QRS est dclar si les conditions suivantes sont vrifies :

Y(i), Y (i + 1), Y (i + 2) > 1 III.16

Y(j), Y (j + 1) < 2 III.17

II.3. Algorithme bas sur les drives premire et seconde

Nous citons ici lalgorithme de Balda. Les valeurs absolues de la drivepremire et seconde sont calcules partir du signal ECG. Puis les deux signaux sont mis

l'chelle et somms. Le signal est analys et passe par un seuillage, tous les points qui sont

suprieurs un seuil sont considrs des complexes

Bensafia Kahina

Documents

Transcript of Bensafia Kahina