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Représentation synchrone du signal électro-cardiographique

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        <publicationYear>2015</publicationYear>
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	    <date dateType="Created">Sat 18 Apr 2015</date>
	    <date dateType="Updated">Mon 25 Jul 2016</date>
            <date dateType="Submitted">Sat 16 Sep 2017</date>
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1 Représentation Synchrone du signal Electro-cardiographique Kawther SOUALHI Afef ELLOUMI Noureddine ELLOUZE Laboratoire Signal Image et Technologies de l’Information, ENIT BP 37 Belvédère Tunis, Université de Tunis El Manar s.kawther@enit.rnu.tn a.elloumi@enit.rnu.tn n.ellouze@enit.rnu.tn Résumé - Cet article présente une nouvelle façon de représenter un signal ECG sous forme d’image. La méthode décompose le signal ECG en battements en se basant sur la référence temporelle R du complexe QRS. Une matrice paramétrée en ligne par le rang du QRS comporte les tranches du signal autour de cette référence temporelle. La matrice forme une image de représentation qui fait ressortir les caractéristiques du signal ECG, en vue du diagnostic des cardiopathies. Les mesures opérées sur les signaux de la base internationale QT permet de montrer les performances de la méthode de représentation. Mots clés - Imagerie électro-cardiographique, Signaux ECG, détection QRS, représentation synchrone. I. INTRODUCTION L’électrocardiographe utilisé depuis près d’un siècle, par les médecins cardiologues, comme outil d’exploration du comportement électrique du cœur, a connu des évolutions technologiques et reste l’appareil d’exploration non invasive par excellence du système cardio-vasculaire. Usant de critères biens définis et de protocoles bien établis, l’électrocardiogramme (ECG) est devenu un support d’information incontournable pour l’exploration du système cardiaque. Le signal ECG porte quantité d’informations pertinentes apportant des indications précieuses sur le fonctionnement électrique du cœur, tels que le rythme et la forme des ondes. L’ECG formé de douze signaux, mesure l’activité cardiaque du cœur à l’aide d’électrodes, sous forme de six dérivations bipolaires (DI, DII, DIII. …) qui permettent l’observation du comportement électrique du cœur sur le plan horizontal, et six dérivations précordiales (V1, V2 …V6) qui permettent l’observation du comportement électrique du cœur sur le plan vertical. Ce signal est formé de périodes, comprenant des ondes caractéristiques, l’onde P, le complexe QRS et l’onde T. L’onde P traduit la phase de dépolarisation des oreillettes, le complexe QRS traduit la phase de dépolarisation des ventricules, l’onde T la phase de re- polarisation, c'est-à-dire le retour à l’état électrique de repos du myocarde. Ces différentes ondes ainsi que les intervalles PQ et ST traduisent le phénomène de génération et de conduction électrique dans le cœur, ainsi que les problèmes de conduction associés aux arythmies liés aux variabilités du rythme de contraction du cœur. La lecture du signal ECG est une opération complexe qui nécessite l’observation du tracé sur un temps très important, nécessitant d’opérer l’association de phénomènes intra et inter signaux. Nous proposons ici une nouvelle forme de lecture plus compacte, qui profite de la forme cyclique du signal en lui associant une image représentant un cycle dans chaque ligne. Ainsi nous proposons une représentation sous forme d’image du signal ECG synchronisée par le QRS. Cette représentation permet d’observer le signal ECG, non plus comme un défilement séquentiel du signal dans le temps, mais sous forme d’un ordonnancement vertical des cycles repérés par les complexes QRS. Cette représentation est dépendante de la qualité de segmentation du signal ECG. La méthode est basée sur la détection du complexe QRS, qui s’opère généralement sur la dérivation DII de l’ECG, toutes les dérivations étant naturellement en phase. La technique de détection du QRS doit être fiable, particulièrement en présence de signaux bruités (cardiopathies sévères, bruits, artéfacts et variabilités liés à la mesure). Le plan de cet article est le suivant : Un premier paragraphe présente le signal électrocardiogramme, suivi d’un paragraphe sur la localisation de l’onde R, et un autre qui expose la méthode de représentation image des signaux ECG, le dernier paragraphe présente quelques résultats de représentation image de signaux de la base internationale de données QT. II. LE SIGNAL ELECTROCARDIOGRAMME L’onde électrique qui trouve son origine dans le nœud sinusal se propage dans les tissus musculaires des oreillettes, La dépolarisation auriculaire laisse sur le tracé ECG une déflexion positive c’est l’onde P, qui entraine la contraction des oreillettes. L’impulsion arrive au nœud auriculo- ventriculaire (AV) pendant l’intervalle PR représenté dans le tracé ECG par un petit segment plat. L’impulsion emprunte les voies de conductions rapides (le faisceau de Hiss) et se propage dans les ventricules. La dépolarisation ventriculaire est représentée sur le tracé ECG par le complexe QRS. Q est une onde négative qui n’est pas toujours visible, R est une onde positive est S une onde négative. L’onde T traduit sur le tracé ECG la phase de re-polarisation des ventriculaires. Le segment ST qui représente la durée entre la fin de la dépolarisation et le début de la re-polarisation ventriculaire, correspond à la contraction des ventricules [13]. L’origine de l’onde u est mal connue. 1) Schéma synoptique d’un battement ECG 2 La figure 1 présente schématiquement les différentes ondes du cycle ECG. L’intervalle PR est le temps nécessaire à l’influx pour diffuser à partir du nœud sinusal vers le ventricule, en passant par le muscle auriculaire, le nœud AV et le faisceau de His. Cet intervalle dure entre 120 et 200 ms, une grande partie est consacrée au passage de l’influx dans le nœud AV, le transfert dans le faisceau de His étant très rapide. Si, les oreillettes sont dépolarisées à partir d’une zone très proche du nœud AV, ou si la conduction entre les oreillettes et les ventricules est anormalement rapide, l’intervalle PR est très court. Le complexe QRS témoigne de la dépolarisation des ventricules, sa durée indique le temps mis par l’influx pour diffuser dans les ventricules. Sa durée est inférieure à 120 ms, toute anomalie de conduction dans le ventricule provoque l’élargissement du complexe QRS qui peut atteindre jusqu'à 200 ms. La contraction des ventricules se poursuit avec le segment ST. L’intervalle QT varie avec la fréquence cardiaque, il s’allonge sous l’effet de désordres électrolytiques ou de médicaments, au delà de 450 ms l’intervalle QT devient anormal. IV SEGMENTATION DU SIGNAL ECG La représentation image du signal ECG nécessite une première phase de segmentation qui tient compte de la nature périodique du signal. Chaque période du signal ECG comporte un complexe QRS. La forme caractéristique du complexe QRS et son amplitude importante en fait un candidat naturel pour le marquage du signal avant la segmentation. Techniquement cela se résume en la détection de l’onde R et l’application d’une fenêtre autour de cet endroit. Les différentes techniques de localisation de l’onde R sont multiples : Le filtrage du signal et la méthode de dérivation sont les premières méthodes connues (Okada, Pan et Tompkins). Les approches par réseaux de neurones (Cohen & al) et transformées en ondelettes (Zhang [3] Far], Kadambe [11] Dinh [4]) ont été très utilisées. La méthode du produit multi-échelle (PM) des coefficients en ondelettes, introduite en segmentation de parole par Bouzid [2] et adaptée pour la détection des QRS par Besrour [8], est devenue référence (Soualhi[14], Elloumi[1], Krimi[13] et Hajji[10]). Nous avons adopté cette méthode pour la détection des ondes R du signal ECG, car c’est une des méthodes les plus performantes, particulièrement dans le cas de cardiopathies sévères. Le calcul des coefficients de la transformée en ondelettes est opéré par une ondelette dérivée première d’une gaussienne pour trois échelles successives, les coefficients permettent de donner des maxima aux transitions rapides du signal. Les coefficients de la TO permettent de s’affranchir des prétraitements des signaux, et opèrent une réduction des bruits de l’ECG tels que les résidus du secteur, les faux mouvements et les signaux électro-myographiques. Le produit des coefficients de la TO pour trois échelles successives permet de mieux faire ressortir les maxima. La localisation de l’onde R correspond au passage par zéro du produit multi-échelle des coefficients en ondelettes placé entre le maxima et le minima du PM. La segmentation du signal permet d’associer, à chaque QRS de du signal un ensemble de données correspondant à une tranche de signal d’ordre. A chaque instant Rn on associe une fenêtre de signal de largeur [Rn + k, Rn + p]. Le cas d’une représentation par un battement permet de retenir une période centrée en Rn. Il est possible de sélectionner un intervalle particulier significatif du signal pour représenter des ondes particulières comme par exemple les ondes P et T voisines de l’onde R correspondant. Quand le segment contient plusieurs battements, il est possible de retenir deux battements par QRS, comme par exemple un battement en amont et un battement en aval, ou plusieurs battements dans l’intervalle [Rn-k Rn+p]. V. REPRESENTATION IMAGE DE L’ECG Si la fréquence du signal ECG est un paramètre important du signal cardiaque, la forme des ondes est un paramètre aussi important. Le tracé sur papier millimétré du signal ECG nécessite une étude séquentielle des ondes et des intervalles, une recherche systématique des corrélations et une évaluation constante des périodes. La représentation image permet de visualiser de façon globale les caractéristiques morphologiques et temporelles des ondes. La mise en phase des battements pour la représentation du signal ECG permet d’opérer une analyse comparative et globale. Après la segmentation du signal ECG, la représentation image, utilise la génération d’une matrice de données, et son affichage sous forme image. La représentation image génère une matrice dont les lignes, sont formées par les segments obtenus dans la phase de segmentation, chaque segment d’ordre n de la matrice est associé aux QRS d’ordre n du signal. Les QRS du signal ECG étant localisés, la représentation matricielle associe à chaque ligne repérée par son QRS un intervalle particulier du signal. La représentation d’un battement par ligne montre une période pleine, ce qui permet l’analyse du rythme à travers les périodes successives. VI. RESULTATS La représentation image est l’ensemble des échantillons du signal ECG, qui a l’avantage de faire une étude comparative simultanée des battements successifs. Dans la représentation image, chaque complexe QRS est placé à l’origine des temps. Le segment contient les valeurs du signal se situant autour de cette référence. Les résultats sont donnés sur des signaux de la base de données internationale QT. La base QT est une sélection de 105 signaux ECG, correspondants a 86995 battements, provenant de différentes bases dont essentiellement la base européenne ST-T, la base « MIT BIH Arrythmia », [16] « MIT-BIH Supra-ventricular Arrythmia », « ST change » et « MIT-BIH Normal Sinus Rythm ». Les battements des signaux sont étiquetés en fonction de la nature des battements et de leurs anomalies. La base QT dispose de 13 classes étiquetées dont les plus importantes sont : N : Classe N des ondes normales V : Classe V des ondes Extra systole ventriculaire A : Classe A des ondes Extra systole auriculaire S : Classe S des ondes Extra systole supra ventriculaire F : Classe F des ondes relatives à une Fusion N + S / : Classe / des ondes relatives à un pacemaker f : Classe f des ondes de fusion N + / 3 R : Classe R des ondes de Bloc Branche Gauche ECG Normal (classe N) : Le signal ECG Normal est relatif à un rythme sinusal, il correspond à un espace PR normal de longueur 100 ms à 200 ms, une durée du complexe QRS normale de l’ordre 120 ms, le segment ST normal et l’onde T normale. Le signal Sel 103 est formé de 1048 battements de classe N, il appartient à la base « MIT-BIH Normal Sinus Rythm ». Fig 2a : Extrait de Sel 103 de la Base « MIT-BIH Normal Sinus Rythm » La figure 2a montre un extrait du signal Sel 103, de la Base « MIT-BIH Normal Sinus Rythm », a un battement de 48/mn soit une période de 314 échantillons (1256 ms). L’intervalle PR = 65 pts (260 ms), la largeur QRS = 22 pts (88 ms), l’intervalle ST =54 pts (216ms), l’intervalle QT=135 pts (540 ms). La fréquence d’échantillonnage est de 250Hz. Fig 2b : Représentation 2D signal 103 rythme sinusal La figure 2b montre le complexe QRS centré en 0, l’onde P apparaissant en -50 et l’onde T +100. Le QRS est étroit, l’intervalle QT = 200 normal. Classe Extra Systole Ventriculaire (classe V) : Les extra-systoles ventriculaires apparaissent lorsque la dépolarisation des ventricules apparait plus tôt que prévu ou de n’importe quelle partie du ventricule. L’Extrasystole Ventriculaire se caractérise par l’absence de l’onde P, une onde QRS large et précoce, et une onde T anormale. Fig 3a : Extrait de Sel 233 de la Base « MIT-BIH Arrythmia » Un repos compensateur, permet de synchroniser le battement suivant au rythme sinusal. Le signal Sel 233 est un mélange de 414 battements de type V et 1107 de type N. Le rythme est très irrégulier avec association de complexes normaux et de complexes V. Fig 3b : Représentation 2D signal Sel 233 classe Extra systole ventriculaire Lorsque le signal est une extra systole ventriculaire, la période du signal est variable entre 160 pts (640 ms) et 480 pts (1520 ms). La largeur du complexe QRS = 160 pts (640 ms). Lorsque le signal est normal la période est 280 pts (1120 ms), QRS = 60 pts (240 ms) PR = 80 pts (320ms), ST = 80 pts (320 ms) et QT = 160 pts (640 ms). Pacemaker (classe /) : Un pacemaker assure la stimulation lorsque le nœud sinusal est défaillant. Les complexes QRS sont précédés d’un spike bref représentant le stimulus fourni par le pacemaker. Fig 3a : Extrait de sel 102 de la Base « MIT-BIH Arrythmia ». Les complexes QRS sont larges car le pacemaker stimule le ventricule droit déclenchant des systoles ventriculaires. Fig 3b : Représentation 2D du signal 102 ( pacemaker ) La période du signal ECG est de 292 pts (1168 ms) soit une fréquence de battements de 51/mn. Le QRS est large égale 48 4 pts (192 ms), l’intervalle ST = 80 pts (320 ms) QT = 150 pts (600 ms). Bloc Branche Gauche (classe R) : La perturbation du processus de conduction du nœud sinusal au niveau du muscle ventriculaire forme un « bloc inter- cardiaque ». Le BBG est un bloc de conduction situé en aval du nœud auriculo-ventriculaire sur une des branches du faisceau de His. L’onde P est présente et le complexe QRS large. Fig 4a : Extrait du signal 231 « MIT-BIH Arrythmia ». Le signal Sel 231 composé de 497 R avec 235 N appartient à la base « MIT-BIH Arrythmia ». Le complexe QRS=22 pts est large (88ms). ST= 54 pts (216 ms) et QT = 135 pts (540 ms). Fig 4b : Représentation 2D signal Sel 231 (Classe R). L’image caractéristique du bloc branche gauche, montre une régularité du rythme. Le trait rouge correspondant à l’onde R (abscisse 0) auquel est associé un tracé bleu qui correspond à l’onde négative du QRS, l’onde P est à -50 et l’onde T =120. VII. CONCLUSION L’interprétation des tracés ECG est une procédure de diagnostique très lourde compte tenu du nombre de tracé et de leur longueur. Le signal ECG périodique est formé de battements contenants un ensemble d’ondes, en particulier l’onde P, les trois ondes formants le complexe QRS et l’onde T. Toute anomalie sur le signal ECG traduit des problèmes de conduction électrique du myocarde ou des variations de rythme. Nous avons proposé une nouvelle méthode de représentation du signal ECG sous forme image. La méthode détecte l’onde R du complexe QRS et opère la segmentation du signal ECG autour de cette référence. Les segments du signal sont rangés dans l’ordre et organisés pour former une matrice image. Cette représentation donne une vision globale du signal, elle fait ressortir les anomalies de rythme ainsi que les intervalles et les formes d’onde. La méthode est appliquée aux signaux de la base de données QT. La lecture de l’image est testée sur des exemples de signaux de rythme sinusal, des extra systoles ventriculaires, de pacemaker et de bloc branche gauche. Les perspectives de ce travail concernent la recherche de la meilleure forme de représentation relativement à l’information recherchée. VIII. BIBLIOGRAPHIE [1] A. Elloumi, Analyse pitch synchrone des signaux ECG, Mastère ATS ENIT Tunis 2004. [2] A. Bouzid, Contribution à la détection des instants d’Ouverture et de fermeture de la glotte sur les signaux de parole voisée par Transformée en ondelettes, Thèse de Doctorat ENIT Tunis 2004. [3] F. Zhang and L. Yong, Novel QRS detection by CWT for ECG sensor, Biomedical Circuits and Systems Conference, pp. 211-214, Montreal, Canada, 2007. [4] H.A.N. Dinh, D.K. Kumar, N.D. Pah and P. Burton, Wavelets for QRS detection, Australasian physical & engineering sciences in medicine, vol.24, pp. 207-211, 2001. [5] M.N. Arzeno, Z.D. Deng and C.S. Poon, Analysis of first- derivative based QRS detection algorithms, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 55, no. 2, pp. 478-484, 2008. [6] P.J.M. Fard, M.H. Moradi and M.R. Tajvidi, A novel approach in R peak detection using hybrid complex wavelet (HCW), International Journal of Cardiology, vol. 124, 2008. [7] R.Besrour, Z.Lachiri and N.Ellouze, Using multiscale product for ECG characterization, Research Letters in Signal Processing, 2009. [8] R. Le Page, Détection et analyse de l’onde P d’un électrocardiogramme : application du dépistage de la fibrillation auriculaire, thèse de doctorat Université de Bretagne Occidentale, 2003. [9] R.V. Andreao, Segmentation de battements ECG par approche markovienne: application à la détection d’ischémies, thèse de doctorat INT Evry, 2004. [10] S. Hajji, Caractérisation du complexe QRS du signal ECG et Identification des arythmies cardiaques, Doctorat ENIT Tunis 2012. [11] S. Kadambe, R. Murray and G.F. Boudreaux-Bartels, Wavelet transform-based QRS complex detector, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 46, no. 7, pp. 838-848, 1999. [12] John R. Hampton, The ECG made Easy, Elsevier 2003. [13] S. Krimi, Contribution à la segmentation et la classification des signaux ECG, Doctorat ENIT Tunis 2010. [14] K. Soualhi représentation synchrone des signaux ECG, Mastère ATS, ENIT, Tunis 2009. [15] Moody GB, Mark RG. The impact of the MIT-BIH Arrhythmia Database, .IEEE Eng in Med and Biol 20(3):45-50 (May-June 2001).