Remerciement Traitement de signal biomédical: Analyse des ECG Ce cours a été monté grâce au mémoire de thèse d Aline Cabasson intitulée : «ESTIMATION ET ANALYSE DES INTERVALLES CARDIAQUES» Un grand merci pour son aide! Lien : http://www.i3s.unice.fr/ fr/~cabasson/data/research/cabasson_aline_these.zip Aymeric Histace 1 Aymeric Histace 2 Plan Plan 1. Introduction 4. Bruit et préfiltrage des ECG 5. Estimation et analyse des intervalles 1. Introduction 4. Bruit et préfiltrage des ECG 5. Estimation et analyse des intervalles Aymeric Histace 3 Aymeric Histace 4
1. Introduction Dans le monde occidental, la première cause de mortalité provient des maladies cardiovasculaires et donc d un dun dérèglement de la fonction cardiaque. De nos jours, les médecins possèdent un grand nombre d outils permettant son étude dont le plus connu est l électrocardiogramme. L électrocardiogramme contient énormément d information sur le fonctionnement et les éventuelles pathologies du coeur. Toutefois, les enregistrements sont très souvent bruités et parfois inexploitables. Les importations des méthodes de débruitage et d estimation en traitement du signal fournissent alors une aide importante à l exploitation des données et donc au diagnostic. 1. Introduction Afin de bien comprendre l acquisition et l exploitation de l ECG (ElectroCardioGramme), le système cardiovasculaire sera d abord rapidement présenté. Une présentation succincte de l électrophysiologie du cœur sera également faite afin de mieux appréhender les informations contenues dans l ECG. On s intéressera ensuite à l acquisition de l ECG à proprement dit, puis à son analyse. Plus précisément, on s intéressera dans un premier temps aux méthodes de débruitage des ECG, Puis aux méthodes d estimation des intervalles, en se focalisant sur l intervalle P-R. Aymeric Histace 5 Aymeric Histace 6 Plan 1. Introduction 4. Bruit et préfiltrage des ECG 5. Estimation et analyse des intervalles Le système cardiovasculaire est constitué du cœur et du système vasculaire. Sa fonction première est d assurer la circulation du sang dans l organisme afin de satisfaire aux besoins énergétiques et au renouvellement des cellules. Un cœur moyen pompe environ 6 litres de sang par minute, soit 220 millions de litres de sang en 70 ans de vie. Pour assurer ce pompage, l activité cardiaque et la pression sanguine doivent être soumises à une régulation permanente : l homéostasie. On peut schématiser les fonctionnalités du système cardiovasculaire de la façon suivante : Aymeric Histace 7 Aymeric Histace 8
Le cœur : Représentation schématique du système cardiovasculaire Le cœur est un organe creux et musculaire, comparable à une pompe, qui assure la circulation du sang dans les veines et les artères. Le cœur d un adulte pèse entre 300 et 350 g. Il se décompose en 4 chambres : les oreillettes (ou atria) en haut et les ventricules en bas. Une cloison musculaire épaisse, le septum, divise le cœur en 2 moitiés : chaque côté droit et gauche est composé de d une oreillette et d un dun ventricule. Chaque couple oreillette/ventricule est relié par une valve. Aymeric Histace 9 Aymeric Histace 10 Le cœur : Schéma fonctionnel du coeur Les ventricules ont pour fonction de pomper le sang vers le corps ou vers les poumons. Le ventricule gauche est bien plus massif que le droit parce qu il doit exercer une force considérable pour forcer le sang à travers tout le corps, Tandis que le ventricule droit ne dessert que les poumons. Aymeric Histace 11 Aymeric Histace 12
Le battement cardiaque : Chaque battement de cœur entraîne une séquence d événements mécaniques et électriques appelés la révolution cardiaque. Celle-ci consiste en 3 étapes majeures : La systole auriculaire (a) ; La systole ventriculaire (b); La diastole. La diastole est la relaxation de tous les muscles du cœur. Le battement cardiaque : Les phases de contraction harmonieuse des oreillettes et des ventricules sont commandées par la propagation d une impulsion électrique. Cette propagation est possible en raison de l existence d un réseau de propagation au niveau du cœur (fibres). Aymeric Histace 13 Aymeric Histace 14 Le battement cardiaque : Lors d une activité cardiaque normale, la stimulation électrique naît du nœud sinusal. Après avoir traversé l oreillette, cette stimulation électrique transite par le nœud auriculo-ventriculaire. ti l i Et rejoint finalement les ventricules ti via le réseau de distribution nodal Le battement cardiaque : Au repos, l intérieur de la membrane cellulaire des cellules cardiaques est chargé négativement par rapport à l extérieur qui est pris comme référence de potentiel. La valeur de ce potentiel est d environ -90mV. La contraction est due à une dépolarisation (rapide ou lente) des cellules cardiaques. On parle de Potentiel d Action (PA). Ce PA se subdivise en 5 phases distinctes. Aymeric Histace 15 Aymeric Histace 16
Le battement cardiaque : Phase 0 : Inversion rapide de la polarité Phase 1 : Début de repolarisation Le battement cardiaque : C est ce potentiel d action qui se diffuse dans l ensemble des cellules du cœur et donne naissance au battement cardiaque. Phase 2 : Repolarisation lente ou plateau Phase 3 : Repolarisation finale Phase 4 : Potentiel de repos (cellule excitable) Aymeric Histace 17 Aymeric Histace 18 Le battement cardiaque : Le système nerveux autonome: Le muscle cardiaque est unique du fait qu il est capable de maintenir son propre rythme. De lui seul, il battrait à 100 pulsations par minutes. Cependant, cette fréquence peut-être très rapidement modifiée par l activité des nerfs qui innervent le cœur. En particulier, c est le Système Nerveux Autonome (SNA) qui contrôle entre autres, la fréquence de décharge du pacemaker sinusal. Il contrôle également la force de contraction, et la force opposée par les vaisseaux au passage du sang. Le SNA, ou système (neuro-) végétatif, est la partie du système nerveux responsables des fonctions automatiques telles que le digestion, la sudation Il est responsable de la régularisation de l homéostasie Il se subdivise en 2 branches : Le système sympathique Le système parasympathique p Schéma du système nerveux et de ses principaux sous systèmes Aymeric Histace 19 Aymeric Histace 20
Le système nerveux autonome: Les systèmes sympathique et parasympathique sont en permanence activés Le système nerveux sympathique peut augmenter la fréquence et la force des battements cardiaques afin de préparer le corps à un effort physique ou à une situation de stress Le système sympathique libère de la noradrénaline qui diminue le seuil d excitation du nœud sinusal : le cœur réagit en accélérant son rythme. Le système nerveux autonome: Le système parasympathique a de son côté, pour but de diminuer la fréquence des battements cardiaques. Par l intermédiaire du nerf vague un message est transmis entraînant la libération acétycholine. Cette hormone permet de diminuer le rythme de dépolarisation du nœud sinusal et donc par ce biais, la fréquence cardiaque. Les liaisons nerveuses sympathiques sont reliés non seulement au nœud sinusal, mais aussi à l ensemble des cellules cardiaques. Aymeric Histace 21 Aymeric Histace 22 Le système nerveux autonome: La fréquence cardiaque spontanée est de l ordre de 100-110 bpm (battements par minutes). Au repos, l action du système parasympathique prédomine est donc la fréquence cardiaque type est de 60 à 80 bpm. Le système vasculaire : On peut schématiquement le représenté sous la forme suivante : Petite circulation Durant les exercices physiques, le système sympathique augmente cette fréquence pour atteindre jusqu à 200 bmp. Chez un nouveau né la fréquence est de l ordre de 100 à 120 bpm : le système parasympathique ne régule pas encore optimalement la fréquence des battements cardiaques. Grande circulation Aymeric Histace 23 Aymeric Histace 24
Le système vasculaire : Il se compose : Des artères ; Des artérioles (petites artères) ; Des capillaires ; Des veinules ; Des veines ; L étude des dysfonctionnements du système cardiovasculaire est rendu possible (entres autres) par l étude de l électrocardiogramme (ECG), qui est une signature électrique du fonctionnement cardiaque. C est Cest à son acquisition et à son exploitation que nous allons maintenant nous intéresser. Aymeric Histace 25 Aymeric Histace 26 Plan 1. Introduction 4. Bruit et préfiltrage des ECG 5. Estimation et analyse des intervalles Historique de l électrocardiographie : Le potentiel électrique généré par l activité musculaire est connu depuis 1842 (travaux de Carlo Matteucci). Les premières expérimentations sont réalisées en 1878 par John B. Sunderson et Frederik Page qui détectent à l aide d un électromètre capillaire les phases QTS et T dont nous reparlerons par la suite. A cette même période, E. Maray et A. Waller montrent que l activité électrique peut être suivie à partir de la peau. En 1887 le premier ECG humain est publié par A. Waller. Aymeric Histace 27 Aymeric Histace 28
Historique de l électrocardiographie : En 1895, William Einthoven mets en évidence les 5 déflexions P,Q, R, S et T. Il publie en 1906 les premières classifications d ECG pathologiques. Il obtient en 1924 le prix Nobel de médecine pour ces travaux. Aujourd hui l électrocardiographie est une technique peu coûteuse permettant à l aide d un examen indolore et sans danger, de surveiller l appareil cardiovasculaire. En particulier, il intervient dans la détection des troubles du rythme cardiaque et la prévention des infarctus du myocarde. Enregistrement de l ECG : L enregistrement électrocardiographique peut se faire de 2 manières : Soit par voie externe à l aide d électrode disposées à la surface du corps. Soit par voie interne en enregistrant l influx électrique à la surface du cœur ou directement à l aide d une sonde endocavitaire. Il se fait sur papier millimétré déroulant à vitesse constante. Ce papier est constitué de carreaux 5mm*5mm eux-mêmes subdivisés en carré de 1mm*1mm. Aymeric Histace 29 Aymeric Histace 30 Enregistrement de l ECG : Dans les conditions standards, le papier est déroulé à la vitesse de 25mm par seconde, de sorte qu un 1 mm corresponde à 0,04s. 04s L étalonnage standard de l électrocardiogramme enregistre en ordonnée une déflexion de 10mm pour un voltage de 1mV. Un étalonnage correct est indispensable pour une bonne interprétation du tracé. On distinguera l ECG de repos de l ECG d effort. Dans le premier cas, le patient est allongé, dans le deuxième il pédale à vitesse constante sur un vélo (la résistance augmente par palier). Enregistrement de l ECG : La technique d exploration la plus répandue et recommandée par l AHA (American Heart Association), utilise l ECG dit à 12 dérivations. Ce dernier s obtient en changeant de position des électrodes périphériques. Il existe également les méthodes d enregistrement de Holter (enregistrement continu sur 24 heures). Et le mapping (de 20 à 200 électrodes sont placées à la surface du corps). Aymeric Histace 31 Aymeric Histace 32
Notion de dipôle électrique : Pour comprendre la notion de dérivation, il faut revenir à une notion de base, celle des différences de potentiels et donc des vecteurs. L ECG est l enregistrement des potentiels électriques parcourant le cœur. La propagation des PA au sein du cœur correspond en fait à la propagation d une zone de dépolarisation (positive) dans un myocarde repolarisé (négatif). Notion de dipôle électrique : Ceci revient donc à enregistrer le vecteur représentant la ddp entre les 2 front positifs et négatifs. Ainsi, un cœur au repos, repolarisé (négatif) ou complétement dépolarisé (positif) donnera un enregistrement nul : le tracé correspondant sera la ligne de base ou ligne isoélectrique. Une électrode voyant un front positif se rapprocher enregistrera un signal positif et à l inverse inverse, si ce front s éloigne séloigne, le signal enregistré sera négatif. C est Cest donc l importance importance, la vitesse, et la direction moyenne du front de propagation qui sont enregistrés au cours de l ECG. Aymeric Histace 33 Aymeric Histace 34 Notion de dipôle électrique : Sachant donc que le front du PA (onde de dépolarisation) à travers le cœur suit le chemin suivant : Notion de dipôle électrique : Une électrode placée au niveau du septum ventriculaire enregistrera le signal suivant : Pointe du septum ventriculaire Ligne isoélectrique Ligne isoélectrique Transmission de l onde de dépolarisation à l ensemble des ventricules Rapprochement Rapprochement Eloignement Aymeric Histace 35 Aymeric Histace 36
Notion de dipôle électrique : Système de dérivations de l ECG : La dérivation correspond à une droite qui lie les 2 points d observation de l activité électrique du cœur à partir desquels on mesure une ddp. Etudions maintenant pratiquement les systèmes d enregistrement. Généralement, les appareils peuvent enregistrer plusieurs ddp en même temps selon l emplacement et le nombre d électrodes réparties sur le corps. Chaque mesure de ces potentiels correspond alors à une dérivation de l ECG. Un système de dérivations consiste en un ensemble cohérent de dérivations, chacun étant définie par la position de l électrode sur le corps. Aymeric Histace 37 Aymeric Histace 38 Système de dérivations de l ECG : L emplacement des électrodes est choisi de manière à couvrir la quasi-totalité de l activité électrique du cœur. Plusieurs systèmes standardisés existent. En général é en cardiologie, i on utilise 12 dérivations, identifiées comme les dérivations standards. Ces 12 dérivations ont été standardisés di par une convention international. Système de dérivations de l ECG : Les 12 dérivations standards s organisent en 3 groupes : 3déi dérivations bipolaires i d Eindhoven dh ; 3 dérivations unipolaires augmentées de Goldberger ; 6 dérivations unipolaires précordiales de Kossman. Intéressons-nous à chacune d entre elles. Elles permettent t d avoir un idée tridimensionnelle i de l activité ité électrique du cœur. Aymeric Histace 39 Aymeric Histace 40
Dérivations bipolaires : La disposition des 3 électrodes bipolaires standards respecte la convention d Eindhoven. Elle se fonde sur les 3 hypothèses suivantes : L activité ité électrique du cœur est équivalente à celle d un dipôle, dont la direction, l orientation et le moment varie au cours de la systole, mais dont l origine reste fixe ; Les membres sont de simples conducteurs linéaires ; Le corps constitue un milieu résistif homogène. Dérivations bipolaires : Eindhoven propose 3 alors les dérivations dites bipolaires (car le potentiel est mesuré entre 2 électrodes) suivantes : DI enregistre la ddp entre le bras gauche (VL) et le bras droit (VR) ; DII enregistre la ddp entre la jambe gauche (VF) et le bras droit (VR) ; DIII enregistre la ddp entre la jambe gauche (VF) et le bras gauche (VL). Aymeric Histace 41 Aymeric Histace 42 Dérivations bipolaires : On forme ainsi un circuit fermé appelé triangle d Eindhoven (équilatéral). Dérivations bipolaires : En pratique, les électrodes sont placés sur les poignets gauche et droit ainsi que sur la cheville gauche. L application de la loi des mailles conduit alors à : Et à DII=DI+DIII (seuls 2 des trois potentiels sont indépendants). Ces dérivations explorent l activité électrique dans le plan frontal. A gauche : emplacement des électrodes suivant le triangle d Eindhoven ; A droite, représentation vectorielle des dérivations et formes d onde associées. Aymeric Histace 43 Aymeric Histace 44
Dérivations unipolaires des membres : Quelques années après Eindhoven, Wilson étudie la possibilité de mesurer des potentiels électrocardiographiques unipolaires. Pour ce faire, Wilson propose de créer une référence commune en reliant une résistance de 5kΩ entre chaque extrémité des électrodes du triangle d Eindhoven Eindhoven Et un point référence, appelé borne centrale de Wilson. Dérivations unipolaires des membres : Les nouvelles dérivations sont appelées VF, VR, VL. Dérivations unipolaires de Wilson Dans ce système, le point référence est supposé demeurer à un potentiel constant de valeur quasi-nulle. Aymeric Histace 45 Aymeric Histace 46 Dérivations unipolaires des membres : Peu de temps après, Goldberger proposent les dérivations unipolaires augmentées. Dérivations unipolaires des membres : Les dérivations sont alors appelées avr, avl, avf (augmented). Elles permettent d obtenir des signaux de plus grandes amplitudes que ceux de Wilson. Ces 3 dérivations mesurent la ddp entre chacun des 3 points et le potentiel moyen des 2 autres. Ceci correspond aux dérivations augmentées d un facteur de 1.5 par apport aux dérivations de Wilson. Système de Goldberger pour l enregistrement des 3 dérivations augmentées de Wilson. Aymeric Histace 47 Aymeric Histace 48
Dérivations unipolaires des membres : Synthèse : Dérivations unipolaires précordiales : Pour mesurer les potentiels proches du cœur, 6 électrodes sont placés sur le thorax. Ces électrodes enregistrent les déviations dites précordiales notées de V1 à V6. Représentation vectorielle des dérivations unipolaires de Wilson, et de Goldberger. Electrodes complémentaires utilisées dans le cas d un dun infarctus du myocarde principalement Aymeric Histace 49 Aymeric Histace 50 Les 12 dérivations : Les 12 dérivations donnent une image surfacique de l activité électrique du cœur. Analyse de l ECG : les ondes P, QRS, et T Chaque cycle de dépolarisation/repolarisation du cœur correspond au passage du courant électrique, chez le sujet sain, des oreillettes vers les ventricules qui se contractent dans ce même ordre. Sur le plan électrocardiographique, cela se traduit par l enregistrement toujours dans le même ordre de différentes ondes. Elles sont appelées : P, Q, R, S et T. Aymeric Histace 51 Aymeric Histace 52
Analyse de l ECG : les ondes P, QRS, et T Analyse de l ECG : les ondes P, QRS, et T L onde P correspond à la dépolarisation auriculaire du nœud sinusal vers le nœud auriculo-ventriculaire. La repolarisation auriculaire n apparaît pas sur l ECG, elle est masqué par la dépolarisation ventriculaire. Le complexe QRS correspond à la dépolarisation ventriculaire. L onde T correspond au courant de repolarisation des ventricules. Cette onde succède au complexe QRS. Etapes successives de dépolarisation/repolarisation du cœur qui se traduisent sur le plan échocardiographiques par différentes ondes P, Q, R, S et T. Aymeric Histace 53 Aymeric Histace 54 Analyse de l ECG : les ondes P, QRS, et T L ECG est finalement une description temporel de la transmission du PA dans toutes les cellules du myocarde. Analyse de l ECG : caractéristiques fréquentielles L étude de Takhor et al effectuée en 1984 présente l analyse spectrale de l ECG en isolant le complexe QRS. Les spectres observés sur une moyenne de 150 battements sont représentés sur la figure suivante : Propagation du PA dans le cœur et ondes électrocardiographiques correspondantes obtenues en sommant toutes les contributions des PA. Aymeric Histace 55 Aymeric Histace 56
Analyse de l ECG : caractéristiques fréquentielles Il a été démontré que : Le spectre de l ECG lecg s étend entre une fréquence nulle et 100Hz ; L onde P se caractérise par une bande spectrale de basse fréquence et de faible amplitude : ses composantes fréquentielles sont entre 0,5Hz et 10Hz ; Analyse de l ECG : caractéristiques fréquentielles Il a été démontré que : Le contenu fréquentiel de la ligne de base et des éventuels artéfacts de mouvement se situe entre 0,5Hz et 7Hz. L onde T se caractérise par une bande spectrale identique à l onde P ; Le complexe QRS possède un contenu fréquentiel bien plus important que les autres ondes de l ECG. Ses composantes sont entre 10Hz et 15Hz. Aymeric Histace 57 Aymeric Histace 58 Analyse de l ECG : les intervalles Les intervalles et segments du tracé électrocardiographique sont des paramètres importants, permettant d évaluer la normalité ou non de l espace entre 2 évènements électriques. L intervalle P-R (ou P-Q) correspond au délai entre la dépolarisation de l oreillette et celle du ventricule. C est le temps de propagation de l onde de dépolarisation à travers les oreillettes, le nœud auriculo-ventriculaire, le faisceau de His et le réseau de Purkinje, jusqu aux cellules myocardiques ventriculaires. Il représente le temps de conduction auriculoventriculaire. Analyse de l ECG : les intervalles L intervalle Q-T correspond au temps de systole ventriculaire qui va du début de l excitation des ventricules jusqu à la fin de leur relaxation. Le segment S-T correspond à la phase de repolarisation ventriculaire. Durant cette phase les cellules ventriculaires sont toutes dépolarisées. Il n y a, a priori, pas de propagation électrique. L intervalle P-P représente le cycle cardiaque. Il n est en général pas mesuré. Aymeric Histace 59 Aymeric Histace 60
Analyse de l ECG : les intervalles L intervalle R-R sépare les sommets des 2 ondes R successives et représente le cycle de repolarisation ventriculaire. Il est associé à la période cardiaque. Le rythme cardiaque Lorsque l on parle de rythme cardiaque, on parle à la fois du lieu de genèse du PA et de la régularité ou non de sa propagation. On parle de rythme sinusal régulier lorsque : L intervalle R-R R est quasi-constant, t avec des QRS similaires il i L activité électrique est généré par le nœud sinusal. Analyse de l ECG : le rythme cardiaque Quelques exemples d origine non-sinusal : Jonctionnel : nœud auriculo-ventriculaire ti l i : complexe QRS fin, et onde P rétrograde (après le complexe QRS). Ventriculaire i : myocite ventriculaire ti i : pas d onde d P, complexe QRS élargi. Ectopique : cellules l musculaires auriculaires i : onde P anormal, complexe QRS normal. Atifi Artificiel i : Pacemaker. Aymeric Histace 61 Aymeric Histace 62 Analyse de l ECG : la fréquence cardiaque La fréquence cardiaque est donc le nombre de cycle cardiaque par unité de temps (la minute). C est aussi le nombre de contractions ventriculaires par unité de temps. Sur l ECG, on peut donc la repérer par le nombre de complexe QRS à chaque minute. La fréquence normale varie entre 60 et 80 bpm. En dessous on parle de bradychardie, di au-dessus de 90-100bpm. Analyse de l ECG : la fréquence cardiaque Parmi les tachycardies, on distingue : Le flutter (accélération des contractions ti auriculaires) i ; La fibrillation auriculaire ; La fibrillation ventriculaire. Une fibrillation correspond à des contractions rapides et irrégulières de plusieurs régions du cœur, l empêchant d assurer sa fonction. La fibrillation ventriculaire abolit l action de pompage. Si elle persiste, il y a arrêt de la circulation et mort cérébrale. Aymeric Histace 63 Aymeric Histace 64
Analyse de l ECG : la fibrillation auriculaire Un exemple d ECG pathologique est celui d une personne atteint de fibrillation auriculaire. Analyse de l ECG : la fibrillation auriculaire Les oreillettes ne se contractent plus mais frissonnent. Il s agit du trouble le plus fréquent. Elle correspond à une action non coordonnée des cellules l auriculaires Qui entraîne une contraction ti rapide et irrégulière des ventricules. La FA se caractérise par l absence d onde d P qui est remplacée par des oscillations rapides (400 à 700 bpm) de la ligne de base, appelées ondes f. Un tel dysfonctionnement se caractérise par une baisse de 20% du débit cardiaque (insuffisance cardiaque), et des risques de thromboses. Aymeric Histace 65 Aymeric Histace 66