Thème : Electrocardiogramme (ECG)

INTRODUCTION

L'électrocardiogramme (ECG) est un signal qui représente l'activité électrique du cœur.

L'ECG est un élément essentiel que ce soit dans la surveillance des patients ou dans le

diagnostic des maladies cardiovasculaires.

Dans le monde occidental, la première cause de mortalité provient des maladies

cardiovasculaires. Pourtant les médecins disposent de nombreux moyens pour étudier et

vérifier son bon fonctionnement. Notamment, ils utilisent l’électrocardiogramme, qui est une

représentation graphique temporelle des différences de potentiels des forces électriques qui

conduisent à la contraction musculaire cardiaque. L’électrocardiogramme contient

énormément d’informations sur le fonctionnement et les éventuelles pathologies du cœur.

Toutefois, les enregistrements des électrocardiogrammes sont bien souvent bruités et parfois

peu exploitables ; c’est alors qu’intervient le domaine du traitement du signal. Grâce aux

différents outils que ce domaine nous propose, il est par exemple possible de débruiter 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. Il est par ailleurs nécessaire d’avoir une fine

connaissance du fonctionnement cardiaque afin de restituer de façon la plus fidèle son cycle

naturel.

1) Anatomie du cœur humain

Le cœur est un organe creux et musculaire comparable à une pompe, qui assure la circulation

du sang dans les veines et les artères. Dans le corps humain, le cœur se situe un peu à gauche

du centre du thorax, en arrière du sternum. Il est l’élément central du système

cardiovasculaire. Il est connecté au reste de l’organisme par le biais de vaisseaux associés : les

deux veines caves (inférieure et supérieure), les artères pulmonaires, et l’artère aorte, comme

l’illustre la figure suivante.

Figure

Le cœur est donc séparé en deux moitiés indépendan

d’une oreillette et d’un ventricule. Sa partie dr

venant des organes) et assure la circulati

riche en oxygène, et le propulse vers le reste du corps, hormis les poumons.

2) Le battement cardiaque

Chaque battement du cœur entraîne une séquence d’événements mécaniques et électriques

collectivement appelés la révolution cardiaque. Ce

systole auriculaire, la systole ventriculaire et la diastole.

la systole auriculaire

Les oreillettes se contractent et projettent le sang vers les ventricules. Une fois le sang

des oreillettes, les valvules auriculo

ferment. Ceci évite un reflux du sang vers les oreillettes. La fermeture de ces valv

le son familier du battement du cœur.

La systole ventriculaire

Cette phase implique la contraction des ventricules expulsant le sang vers le système

circulatoire. Une fois le sang expulsé, les deux

droite et la valvule aortique à gauc

Figure : schéma fonctionnel du cœur

Le cœur est donc séparé en deux moitiés indépendantes (droite et gauche), chacune

d’une oreillette et d’un ventricule. Sa partie droite contient du sang pauvre en

et assure la circulation pulmonaire ; sa partie gauche renferme du sang

oxygène, et le propulse vers le reste du corps, hormis les poumons.

Le battement cardiaque

Chaque battement du cœur entraîne une séquence d’événements mécaniques et électriques

lés la révolution cardiaque. Celle-ci consiste en trois étapes

systole auriculaire, la systole ventriculaire et la diastole.

la systole auriculaire

et projettent le sang vers les ventricules. Une fois le sang

des oreillettes, les valvules auriculo-ventriculaires entre les oreillettes et les ventri

reflux du sang vers les oreillettes. La fermeture de ces valv

battement du cœur.

riculaire

implique la contraction des ventricules expulsant le sang vers le système

circulatoire. Une fois le sang expulsé, les deux valvules sigmoïdes (la valvule pulmonaire à

droite et la valvule aortique à gauche) se ferment.

tes (droite et gauche), chacune composée

oite contient du sang pauvre en oxygène (sang

auche renferme du sang

oxygène, et le propulse vers le reste du corps, hormis les poumons.

Chaque battement du cœur entraîne une séquence d’événements mécaniques et électriques

ci consiste en trois étapes majeures : la

et projettent le sang vers les ventricules. Une fois le sang expulsé

ventriculaires entre les oreillettes et les ventricules se

reflux du sang vers les oreillettes. La fermeture de ces valvules produit

implique la contraction des ventricules expulsant le sang vers le système

la valvule pulmonaire à

la diastole

Correspond est la relaxation de toutes les parties du cœur, permettant le remplissage passif des

ventricules et l’arrivée de nouveau sang.

Les phases de contractions harmonieuses des oreillettes et des ventricules sont commandées

par la propagation d’une impulsion électrique. Lorsque

diastole est raccourcie ou rallongée tandis que la durée d

3) Genèse du signal cardiaque

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

propagation d’une impulsion électrique le long des fibres mus

la dépolarisation des cellules musculaires. En effet, le cœur

cellules conductrices qui produisent et propagent

cellules qui répondent à ces impulsions par une contraction

Lors d’une activité cardiaque normale, la stimulation électrique du myocarde naît du nœud

sinusal (ou nœud de Keith & Flack), pacemaker naturel du cœur.

l’oreillette, cette stimulation électrique transite par le nœud auriculo

d’Aschoff Tawara) avant de rejoindre les ventricules via le réseau de distribution no

dire, le faisceau de His, les branches de

Figure : Schéma du cœur et de son réseau de conduction électrique

est la relaxation de toutes les parties du cœur, permettant le remplissage passif des

ventricules et l’arrivée de nouveau sang.

Les phases de contractions harmonieuses des oreillettes et des ventricules sont commandées

mpulsion électrique. Lorsque la fréquence cardiaque change,

diastole est raccourcie ou rallongée tandis que la durée de la systole reste relativement

Genèse du signal cardiaque

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

propagation d’une impulsion électrique le long des fibres musculaires cardiaques induite par

la dépolarisation des cellules musculaires. En effet, le cœur comporte un réseau intrinsèque

cellules conductrices qui produisent et propagent des impulsions électriques,

cellules qui répondent à ces impulsions par une contraction.

activité cardiaque normale, la stimulation électrique du myocarde naît du nœud

(ou nœud de Keith & Flack), pacemaker naturel du cœur. Après avoir traversé

cette stimulation électrique transite par le nœud auriculo-ventriculaire (ou nœud

Tawara) avant de rejoindre les ventricules via le réseau de distribution no

faisceau de His, les branches de Tawara et le réseau terminal de Purkinje

Schéma du cœur et de son réseau de conduction électrique

est la relaxation de toutes les parties du cœur, permettant le remplissage passif des

Les phases de contractions harmonieuses des oreillettes et des ventricules sont commandées

la fréquence cardiaque change, la

e la systole reste relativement stable.

provoquée par la

culaires cardiaques induite par

comporte un réseau intrinsèque de

des impulsions électriques, ainsi que des

activité cardiaque normale, la stimulation électrique du myocarde naît du nœud

ès avoir traversé

ventriculaire (ou nœud

Tawara) avant de rejoindre les ventricules via le réseau de distribution nodal c’est à

Tawara et le réseau terminal de Purkinje.

Schéma du cœur et de son réseau de conduction électrique

Figure

Le faisceau de His, les branches droite et gauch

constituent le véritable distributeur de l’influx électrique, qu

sinusal, aux ventricules.

4) L’électrocardiographie

L’électrocardiographie explore l’activité électrique du cœur par

électrocardiogrammes (tracés bidimensionnels qui inscrivent en f

variations du potentiel électrique induites dans les différents points d

activité). L’ECG représente l’activité électrique

notées: P-Q-R-S-T. L’enregistrement s’est fait grâce à

l'apparition de processus de dépolarisation et de

peuvent être recueillis par des électrodes pla

donnent lieu à la forme d'onde globale d'un ECG dit

Figure : Parcours du signal électrique cardiaque

Le faisceau de His, les branches droite et gauche de Tawara, et le réseau de Purkinje

constituent le véritable distributeur de l’influx électrique, qui a pris naissance dans le nœud

L’électrocardiographie

L’électrocardiographie explore l’activité électrique du cœur par enregistrement des

tracés bidimensionnels qui inscrivent en fonction du temps les

du potentiel électrique induites dans les différents points du corps par le cœur en

représente l’activité électrique du cœur. Il est constitué de cinq

L’enregistrement s’est fait grâce à l’onde d'activation qui

cessus de dépolarisation et de repolarisation des cellules du cœur qui

ar des électrodes placées dans des endroits précis. Ces processus

me d'onde globale d'un ECG dit normal, illustré sur la figure

awara, et le réseau de Purkinje

i a pris naissance dans le nœud

enregistrement des

onction du temps les

u corps par le cœur en

r. Il est constitué de cinq ondes

qui permet

repolarisation des cellules du cœur qui

des endroits précis. Ces processus

normal, illustré sur la figure suivante :

L'onde P est une déflexion correspondant à la dépolarisation des oreillettes

droite et gauche

Le complexe QRS

dépolarisation des ventricules

L'onde T est une déflexion correspondant à la repolarisation ventriculaire

L’intervalle P-R (ou P

dépolarisation à travers les oreillettes, le nœud auriculo

His et le réseau de Purkinje, jusqu’aux cellules myocardiques ventriculaires. Il

représente le temps de

L’intervalle Q-T : correspond au temps de systole ve

l’excitation des ventricules jusqu’à la fin de leur relaxation

Le segment S-T : correspond à la phase de repolarisation ventriculaire, phase durant

laquelle les cellules ventriculaires sont toutes dépolarisées : il n’y a donc

de propagation électrique

L’intervalle P-P : représente le cycle cardiaque. Classiquement, il n’est pas mesuré.

L’intervalle R-R : sépare les sommets de deux ondes R successives et représente le

cycle de repolarisation ventriculaire. Il est

Dans la suite on va mettre en parallèle, un cas d’ECG normal et le cas d’une ECG anormal.

est une déflexion correspondant à la dépolarisation des oreillettes

droite et gauche

QRS correspond à un ensemble de déflexions dues à la

dépolarisation des ventricules

est une déflexion correspondant à la repolarisation ventriculaire

R (ou P-Q) : correspond au temps de propagation de l’onde de

s les oreillettes, le nœud auriculo-ventriculaire, le faisceau de

Purkinje, jusqu’aux cellules myocardiques ventriculaires. Il

conduction auriculo-ventriculaire

correspond au temps de systole ventriculaire qui va du début de

l’excitation des ventricules jusqu’à la fin de leur relaxation

correspond à la phase de repolarisation ventriculaire, phase durant

laquelle les cellules ventriculaires sont toutes dépolarisées : il n’y a donc

de propagation électrique

représente le cycle cardiaque. Classiquement, il n’est pas mesuré.

sépare les sommets de deux ondes R successives et représente le

de repolarisation ventriculaire. Il est associé à la période cardiaque.

Dans la suite on va mettre en parallèle, un cas d’ECG normal et le cas d’une ECG anormal.

est une déflexion correspondant à la dépolarisation des oreillettes

correspond à un ensemble de déflexions dues à la

est une déflexion correspondant à la repolarisation ventriculaire

temps de propagation de l’onde de

ventriculaire, le faisceau de

Purkinje, jusqu’aux cellules myocardiques ventriculaires. Il

ntriculaire qui va du début de

correspond à la phase de repolarisation ventriculaire, phase durant

laquelle les cellules ventriculaires sont toutes dépolarisées : il n’y a donc pas a priori

représente le cycle cardiaque. Classiquement, il n’est pas mesuré.

sépare les sommets de deux ondes R successives et représente le

associé à la période cardiaque.

Dans la suite on va mettre en parallèle, un cas d’ECG normal et le cas d’une ECG anormal.

Figure : Présence de Fibrillation

Flèche rouge : trémulations de la ligne isoélectrique

Flèche violette : onde P (ECG normal, rythme sinusal)

La fréquence cardiaque normale varie entre 50

bradycardie en dessous de 50-

tachycardies, on distingue le flutter, la fibrillation auriculaire et la fibr

Une fibrillation correspond à des contractions rapides et ir

cœur empêchant le cœur de travailler comme un tout. La

l’action de pompage, et si elle persiste, il y aura arrêt de la circulation et mort cérébrale.

La FA est caractérisée par l’absence d’ondes

oscillations rapides (400 à 700 pa

5) De l’acquisition au diagnostique

Afin de permettre le traitement cardiologique des patients

software et diagnostic.

Partie électronique: C’est une cascade de blocs, allant de l’acquisition,

l’amplification…jusqu’à l’affichage par un ordinateur ou sur un moniteur de

surveillance.

Partie informatique:

l’extraction des différents

Le diagnostic médical par un cardiologue

ibrillation Auriculaire sur l’ECG.

ions de la ligne isoélectrique (Fibrillation auriculaire)

: onde P (ECG normal, rythme sinusal)

e normale varie entre 50-60 BPM (selon les personnes) ; on parle de

-60 BPM et de tachycardie au-dessus de 90-100 BPM. Parmi les

cardies, on distingue le flutter, la fibrillation auriculaire et la fibrillation ventriculaire.

Une fibrillation correspond à des contractions rapides et irrégulières de plusieurs régions

cœur empêchant le cœur de travailler comme un tout. La fibrillation ventriculaire abolit

l’action de pompage, et si elle persiste, il y aura arrêt de la circulation et mort cérébrale.

actérisée par l’absence d’ondes P sur l’ECG : celles-ci sont remplacées par des

rapides (400 à 700 par minute) de la ligne de base.

De l’acquisition au diagnostique

Afin de permettre le traitement cardiologique des patients, il y a trois phases

C’est une cascade de blocs, allant de l’acquisition,

l’amplification…jusqu’à l’affichage par un ordinateur ou sur un moniteur de

Des algorithmes permettant le traitement, le stockage,

l’extraction des différents paramètres du signal numérique

médical par un cardiologue

tion auriculaire)

on les personnes) ; on parle de

100 BPM. Parmi les

illation ventriculaire.

régulières de plusieurs régions du

fibrillation ventriculaire abolit

l’action de pompage, et si elle persiste, il y aura arrêt de la circulation et mort cérébrale.

ci sont remplacées par des

, il y a trois phases : hardware,

C’est une cascade de blocs, allant de l’acquisition,

l’amplification…jusqu’à l’affichage par un ordinateur ou sur un moniteur de

permettant le traitement, le stockage,

Dans le cadre de la mise en place d’un dispositif mobile et

l’intervention des secouristes sur

patients à risque cardiaque. Des entreprises ont développés

facile d’utilisation.

lace d’un dispositif mobile et ergonomique simplifiant

l’intervention des secouristes sur les lieux d’accidents ou pour la surveillance

Des entreprises ont développés différents appareils miniatures et

ergonomique simplifiant

la surveillance à distance de

différents appareils miniatures et

Figures a) b) c) d) : Exemples de dispositifs d’enregistrement de l’ECG

Pour enregistrer l’ECG, il faut au moins trois électrodes

électrodes sont placées au bras droit (RA)

gauche (LA) pour la tension

proposer une modélisation électrique du patien

Exemples de dispositifs d’enregistrement de l’ECG

Pour enregistrer l’ECG, il faut au moins trois électrodes (dispositif à 3 dérivations). Ces

sont placées au bras droit (RA) pour collecter la tension Ur(t), au bras

Ul(t) au pied gauche (LL) c’est la masse. Alors, on peut

électrique du patient.

dérivations). Ces

r(t), au bras

gauche (LL) c’est la masse. Alors, on peut

Figure : modèle électrique du patient pour l’ECG

Il existe des dispositifs à base de 7 ou 12

topographie complète du cœur

réduire le nombre d’électrodes

A la sortie du capteur, aussi bien le signal analogique ECG ou PCG doit

débruiter, échantillonner puis transmis vers un ordinateur

et traiter.

Figure : chaine de traitement électrique de l’ECG

Pour le ECG la fréquence est limitée entre 10 Hz vibrations de la peau) et 100

éliminer les différents parasites il faut un filtre anti

∆ƒ = 400 Hz

Afin de transférer le signal cardiaque vers un PC, il faut le

(convertisseur analogique numérique) de fréquence d’échantillonnage de 2kHz ou 4kHz

parfaire la résolution du signal

(Réponse Impulsionnelle Infinie) avant la

centre de décision d’urgence.

: modèle électrique du patient pour l’ECG

es dispositifs à base de 7 ou 12 dérivations qui permettent de réaliser

complète du cœur mais restent contraignants pour le patient. Il est important

odes tout en améliorant la qualité du signal ECG.

bien le signal analogique ECG ou PCG doit-être

er, échantillonner puis transmis vers un ordinateur ou un moniteur pour y être

: chaine de traitement électrique de l’ECG

e est limitée entre 10 Hz vibrations de la peau) et 100

miner les différents parasites il faut un filtre anti-repliement passe-bas de bande pas

rdiaque vers un PC, il faut le numériser par le biais d’un CNA

(convertisseur analogique numérique) de fréquence d’échantillonnage de 2kHz ou 4kHz

parfaire la résolution du signal cardiaque. Ce CNA sera suivi d’un filtre numérique R

(Réponse Impulsionnelle Infinie) avant la transmission du signal vers un ordinateur

permettent de réaliser une

Il est important de

qualité du signal ECG.

être amplifier,

u un moniteur pour y être afficher

e est limitée entre 10 Hz vibrations de la peau) et 100 Hz. Pour

bas de bande passante :

numériser par le biais d’un CNA

(convertisseur analogique numérique) de fréquence d’échantillonnage de 2kHz ou 4kHz pour

d’un filtre numérique RII

du signal vers un ordinateur ou un

Une fois le signal est informatisé

avant d’en extraire le rythme cardiaque

informations, dont le cardiologue

Entre autre on a :

Transformée de Fourier discrète

Après application de la TFD (Transformée de Fourier di

d’un patient normal, on peut constater que l’ECG est limité à 100 Hz

Transformée en Ondelette TOD

Elle est utilisée pour la compression

son. C’est le cas en écographie ou

Elle permet de débruiter les signaux, c’est le cas d’un ECG

Une fois le signal est informatisé on peut traiter par des algorithmes de traitements du signal

le rythme cardiaque, spectre, densité spectrale. Ces différentes

cardiologue a besoin dans son diagnostique et sa prise de décision

Transformée de Fourier discrète :

a TFD (Transformée de Fourier discrète) sur des signaux

peut constater que l’ECG est limité à 100 Hz.

Transformée en Ondelette TOD :

compression des données numériques des images, de la vidéo ou du

C’est le cas en écographie ou en imagerie médicale et satellitaire.

Elle permet de débruiter les signaux, c’est le cas d’un ECG.

des algorithmes de traitements du signal

. Ces différentes

et sa prise de décision.

) sur des signaux cardiaques

images, de la vidéo ou du

La décomposition modale Empirique EMD

La décomposition modale empirique ou EMD est une méthode d’analyse de signal m

point en 1998, par N.E. HUANG ingénieur à la

océanographiques. Par la suite, elle a été introduite dans

Figure A : composantes a(t) et d(t) d’un signal s(t)

Son principe est que tout signal

composante lente a(t) (basses fréquences) appelée

rapide d(t) (hautes fréquences) appelée

(Fonctions Modales Intrinsèques) interprétées

stationnaires.

Si on applique cette méthode sur des signaux

qu’on obtient après 4 itérations

(b) onde ECG après 4 itérations

Figure B : Décomposition par l’EMD de l’ECG

La décomposition modale Empirique EMD :

ition modale empirique ou EMD est une méthode d’analyse de signal m

point en 1998, par N.E. HUANG ingénieur à la NASA, pour l’étude de données

. Par la suite, elle a été introduite dans d’autres domaines d’applications.

composantes a(t) et d(t) d’un signal s(t)

Son principe est que tout signal s(t), peut-être considéré comme superposition d’une

composante lente a(t) (basses fréquences) appelée approximation

rapide d(t) (hautes fréquences) appelée détail. Ces composantes sont des

(Fonctions Modales Intrinsèques) interprétées comme étant des ondes

Si on applique cette méthode sur des signaux cardiaques voici le genre de

4 itérations seulement.

(b) onde ECG après 4 itérations

Décomposition par l’EMD de l’ECG

ition modale empirique ou EMD est une méthode d’analyse de signal mise au

A, pour l’étude de données

d’autres domaines d’applications.

être considéré comme superposition d’une

et une composante

composantes sont des IMF

comme étant des ondes non

voici le genre de résultats

Sur l’ECG on constate [figure B] que l’EMD [1] a permis d’extraire les composantes

PQRST qui étaient noyées dans le signal initial. La mise en évidence de ces ondes permet de

mesurer les décalages temporaires entre ces pics afin de vérifier si la phase systole

(contraction du cœur) se passe correctement. Il peut facilement déterminer le rythme

cardiaque par la mesure de l’intervalle RR.

CONCLUSION

Le traitement du signal est intégré dans la plupart des systèmes d’analyse et d’interprétation

de l’ECG. Ses objectifs sont multiples et comprennent principalement la compensation de

l’ajout d’artéfacts aux signaux d’intérêt, et l’extraction d’informations qui ne sont pas visibles

par une analyse visuelle directe. Puisque des informations cliniques utiles se trouvent dans les

intervalles de temps définis par les ondes caractéristiques de l’ECG, le développement de

méthodes robustes et fiables revêt une grande importance.

Les intervalles de temps définis entre deux ondes caractéristiques de l’ECG fournissent

d’importants indicateurs pour le diagnostic de maladies cardiaques car ils sont le reflet de

processus physiologiques.

Tout comme pour l’onde T, la détection de l’onde P n’est pas évidente, voire davantage

complexe. Effectivement, l’onde P est souvent de faible amplitude et noyée dans le bruit.

Alors que beaucoup d’études portent sur la détection de l’intervalle Q-T, les méthodes

automatiques pour estimer les intervalles P-R sont rares notamment dans le cas où la

fréquence cardiaque est élevée.