Carte de mise en forme du signal phono cardiographique

Bruits cardiaques normaux

Dans un cœur normal, seul le premier et le deuxième bruit S1 et S2 sont nettement audibles au stéthoscope. La Figure I-7 représente l’évolution de la révolution cardiaque en illustrant les bruits cardiaques ainsi que le signal électrocardiographique associé. Fig.I-7 – Exploration du système cardiovasculaire: pression, volume ventriculaire, ECG & PCG Premier bruit S1 Le premier bruit est dû à la fermeture des valves mitrale et tricuspide (valves auriculo-ventriculaires). Ces deux valves peuvent parfois être entendues de manière distincte au moment de leur fermeture. Chez un sujet sain, la valve mitrale se ferme souvent moins de 30 ms avant la valve tricuspide, ce qui ne doit l’apex et le long du bord gauche du sternum, à l’aide de la membrane du stéthoscope. Dédoublement physiologique de S1 Chez environ 80% des sujets sains, le premier bruit peut être perçu comme deux bruits séparés. Les composantes mitrale et tricuspide sont produites avec un intervalle d’à peu près 0,02 – 0,04 seconde. Le dédoublement du premier bruit est mieux perçu au niveau du bord inférieur gauche du sternum, à l’aide de la membrane du stéthoscope. Dédoublement large de S1 Dans certaines circonstances, le premier bruit peut se trouver largement dédoublé. Un dédoublement anormalement large de S1 peut être dû à des causes soit électriques, soit mécaniques qui créent un asynchronisme au niveau des deux ventricules. Deuxième bruit S2 C’est la fermeture des valves aortique et pulmonaire qui produit le deuxième bruit. Etant donné que le coeur gauche se contracte légèrement avant le coeur droit, la valve aortique se ferme légèrement avant la valve pulmonaire.

Le plus souvent, l’intervalle de temps entre la fermeture des deux valves est trop bref pour permettre d’entendre séparément les deux composantes du bruit. Le deuxième bruit est perçu comme ayant une composante unique. Dédoublement physiologique de S2 Il désigne un second bruit à deux composantes audibles. L’identification d’un dédoublement de S2 peut donner des renseignements importants sur certaines cardiopathies. Lors de l’inspiration, le dédoublement du deuxième bruit est physiologique. Pendant l’inspiration, un plus grand volume de sang veineux systémique passe des veines caves inférieure et supérieure, vers l’oreillette droite puis dans le ventricule droit. L’augmentation du volume sanguin dans le ventricule droit provoque un retard dans la fermeture de la valve pulmonaire. Dans le même temps, la capacité des vaisseaux pulmonaires augmente au niveau des poumons avec pour effet une diminution de la circulation de retour des poumons vers l’oreillette gauche et donc vers le ventricule gauche. II y aura ainsi une éjection plus rapide avec pour conséquence une fermeture prématurée de la valve aortique. Cette fermeture prématurée de la valve aortique et la fermeture retardée de la valve pulmonaire vont produire, lors de l’inspiration, un dédoublement physiologique du deuxième bruit avec un intervalle de 40 ms entre les composantes aortique et pulmonaire.

A l’expiration, le deuxième bruit est généralement perçu sans dédoublement. Dédoublement large de S2 II apparaît lorsque la fermeture des deux valves a lieu avec plus de 0,03 s d’écart au cours de l’expiration. Le dédoublement du bruit peut alors s’entendre à la fois à l’inspiration et à l’expiration; il sera souvent accentué à l’inspiration. Les dédoublements pathologiques sont mieux perçus à la base du coeur, du côté gauche, à l’aide de la membrane du stéthoscope. Parmi les causes impliquées dans la production du dédoublement large du deuxième bruit, les deux plus importantes sont le bloc de branche droit et la sténose pulmonaire. Dans le cas du bloc de branche droit, il y a un retard de l’activation électrique qui déclenche la contraction du ventricule droit. Dans ces circonstances, le ventricule droit se contracte plus tard que d’habitude, ce qui entraîne un retard de fermeture de la valve pulmonaire. L’obstruction de la valve pulmonaire ou sténose pulmonaire peut également causer un retard de fermeture, d’où un dédoublement large de S2.

Troisième bruit (S3)

Le troisième bruit (S3), suit de près le deuxième bruit tôt au cours de la diastole. Chez le sujet sain, S3 est quelquefois désigné comme troisième bruit physiologique. Chez le sujet atteint de maladie cardiaque, on parle de 3è bruit ou galop proto-diastolique ou ventriculaire. En début de diastole, l’impact du sang contre les parois musculaires du ventricule peut créer des vibrations assez intenses pour être perceptibles au niveau de la paroi thoracique. Ce bruit est perçu environ 0,14 – 0, 16 s après le deuxième bruit. Le bruit entendu peut être dû à une mauvaise pression de remplissage ventriculaire et, le cas échéant, permet d’affirmer qu’il y a souffrance ventriculaire. D’autre part, ce bruit se rencontre fréquemment chez les enfants ou les jeunes adultes sains, auquel cas il s’agit d’un S3 physiologique. II est rare de retrouver un troisième bruit chez des sujets sains de plus de trente ans, il est alors le plus souvent d’origine ventriculaire gauche. C’est un bruit de basse fréquence que l’on perçoit le mieux avec le petit pavillon du stéthoscope délicatement appliqué à l’apex, Le 3è bruit d’origine ventriculaire droite, présente des caractéristiques similaires, son intensité est maximale le long du bord gauche du sternum, dans sa partie inférieure et au niveau de l’appendice xiphoïde. II arrive que ce bruit soit mieux perçu à l’inspiration. L’intensité d’un 3è bruit faiblit quand le patient est en position assise ou debout perceptible au niveau de l’appendice xiphoïde ou sous la cage thoracique. Entre S1 et S2 se trouve le petit silence qui correspond a la systole ventriculaire. Entre S2 et S1 suivant se trouve le grand silence correspondant a la diastole ventriculaire. Dans certain cas chez le sujet jeune (50%) , on peut entendre dans le grand silence un troisième bruit S3. Très sourd, peu intense, qui correspond à la phase de remplissage rapide initiale du ventricule gauche, ce rythme a trois temps disparait en position debout. Quatrième Bruit (S4) Il se produit en fin de diastole, juste avant S1 et est le mieux audible au niveau de la région pulmonaire. Il est décelable juste après l’onde P sur l’ECG. Il est produit par l’accélération du sang lors de la systole auriculaire et la fermeture des valves auriculo-ventriculaires. Il est difficilement différentiable de S1, et fortiori d’un dédoublement de ce dernier, surtout en présence d’un souffle présystolique. Le S4 est bien identifiable lors de blocs auriculo-ventriculaire du second degré, et est par contre absent lors de fibrillation atriale.

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Mesures et enregistrements 

Grâce à la carte de mise en forme et d’acquisition du signal phonocardiographique que nous avons développée, nous avons accompli un certain nombre de mesures sur des sujets normaux. Une première étape consiste à recueillir les signaux par le biais d’un oscilloscope numérique. Ensuite, l’acquisition de signaux phonocardiographiques moyennant le système d’acquisition que nous avons conçu autour de la carte Arduino Mega2560 nous a permis d’enregistrer des signaux phonocardiographiques sous forme d’un fichier de données. Nous avons opté à accomplir l’acquisition de données dans un environnement MATLAB vu ses fonctionnalités avancées de traitement numérique du signal disponibles sous forme de toolbox de fonctions. Cet environnement nous permettra de traiter le signal phonocardiographique par la méthode de Welch pour estimer sa densité spectrale de puissance. Puisque la carte multifonctions Arduino Mega2560 dispose de 16 entrées analogiques, et afin de rajouter un moyen de segmentation du signal phonocardiographique, nous avons enregistré le signal électrocardiographique simultanément avec le signal phonocardiographique. La nature des signaux phonocardiographiques mesurés depuis différents points tests de la carte de mise en forme que nous avons développée permet d’apporter les ajustements nécessaires pour avoir en sortie le signal ayant la morphologie adéquate pour l’étape d’acquisition de données.

En effet, la carte multifonctions Arduino Mega2560 requiert en entrée analogique un signal cadré entre 0 et 5 V. Il est alors judicieux d’ajuster la composante continue du signal phonocardiographique à 2.5 V. Le signal phonocardiographique doit couvrir en absolu la marge de 0.5 à 4.5 V. Mesures analogiques La Figure IV-1 illustre un signal phonocardiographique recueilli à la sortie de l’amplificateur développé autour du transistor bipolaire BC550. L’affichage sur l’oscilloscope numérique est fait en couplage DC pour montrer la composante continue du signal. Le gain et l’offset de cet étage amplificateur sont ajustés à travers les valeurs des ajustables Rc et Re reliées respectivement avec le collecteur et l’émetteur du transistor bipolaire. Le signal recueilli est ajusté à être porté par une tension d’offset de 2.5 V nécessaire à l’entrée analogique de la carte Arduino. L’amplification est également à ajuster pour aboutir à un signal phonocardiographique en sortie cadré entre 0.5 et 4.5 V. Le signal phonocardiographique de la Figure IV-1 est d’une amplitude en absolue d’environ 500 mV. Une étape d’amplification s’avère indispensable afin de préparer ce signal à l’entrée analogique de la carte multifonctions Arduino. Afin d’apprécier la qualité du signal recueilli, nous considérons un couplage AC avec l’oscilloscope numérique, et ce afin d’avoir un affichage sans composante continue, comme illustré sur la Figure IV-2. Les bruits cardiaques illustrés sur la Figure IV-1 sont bien mis en forme. Toutefois, ils requièrent une meilleure amplification afin de répondre aux exigences de l’entrée analogique de la carte multifonctions Arduino Meg2560. Les phases systolique et diastolique sont bien délimitées par une morphologie claire des oscillations des bruits cardiaques de cet enregistrement phonocardiographique.

Après ajustement des valeurs des résistances Rc et Re, nous aboutissons à un réglage de l’amplificateur à pouvoir générer un signal phonocardiographique d’une tension en absolue couvrant les 8 divisions du cadran de l’oscilloscope numérique à un calibre de 500 mV, ce qui correspond à 4 V comme marge de tension en absolu, comme illustré sur la Figure IV-3. Par voie de conséquence, une marge de sécurité en tension absolue égale à 1 V est assurée, ce qui permet d’éviter un éventuel écrêtage du signal phonocardiographique à acquérir. Nous conservons alors cette configuration pour les enregistrements suivants des bruits cardiaques. Cet ajustement du circuit amplificateur permet également de fixer la tesnion d’offset à 2.5 V. Lors du même enregistrement, et après avoir enregistrée la capture d’écran de la Figure IV-3, nous enregistrons une capture d’écran du même signal sur un seul cycle cardiaque, et ce afin d’élucider clairement la nature oscillatoire des bruits cardiaques S1 et S2. En effet, sur la Figure IV-4, un seul cycle cardiaque permet une représentation claire des bruits cardiaques S1 et S2. Ce signal est recueilli à partir du foyer mitral depuis le thorax. Le bruit S1 est alors plus accentué en amplitude que le bruit S2. C’est la fermeture de la valvule mitrale qui contribue considérablement à l’énergie du bruit S1. Le bruit S2 étant généré par la fermeture des valvules semi-lunaires se retrouve d’une amplitude réduite que celle du bruit S1. Ces signaux phonocardiographiques sont d’un très bon rapport signal sur bruit malgré l’ambiance acoustique non-négligeable au niveau du laboratoire. Une étape d’acquisition permettra d’enregistrer ces signaux phonocardiorgaphiques pour servir d’outil d’aide au diagnostic médical suite à un traitement numérique du signal.

Table des matières

Liste des figures
Listes des tableaux
Introduction générale
Chapitre I Système cardiovasculaire et phonocardiographie
I.1. Système cardiovasculaire
I.2. Circulation sanguine
I.3. Auscultation cardiaque
I.3.1. Foyer mitral
I.3.2. Foyer tricuspide
I.3.3. Foyer aortique
I.3.4. Foyer pulmonaire
I.4. Phonocardiographie
I.4.1. Technique
I.4.2. Bruits cardiaques normaux
I.4.3. Pathologies cardiovasculaires
I.5. Conclusion
Chapitre II Carte de mise en forme du signal phono cardiographique
II.1. Microphones
II.1.1. Types de microphones
II.1.2. Microphone électrodynamique à bobine mobile
II.1.3. Microphone piézoélectrique
II.1.4. Microphone à gradient de pression
II.1.5. Microphone à électret
II.2. Conditionnement du microphone à électret
II.2.1. Microphone à électret à trois pattes
II.2.2. Polarisation
II.3. Mise en forme analogique du signal phonocardiographique
II.3.1. Sonde phonocardiographique
II.3.2. Amplification
II.3.3. Filtrage
II.3.4. Amplificateur audio
II.4. Mise en forme du signal électrocardiographique
II.4.1. Amplificateur d’instrumentation
II.4.2. Pilotage du pied droit
II.4.3. Cicruit de mise en forme à base du AD620
II.4.4. Circuit d’offset
II.4.5. Filtre réjecteur
II.5. Conclusion
Chapitre III Acquisition de données
III.1. Introduction
III.2. Hardware
III.3. Software
III.3.1. Firmware
III.3.2. Lecture des données numérisées
III.4. Conclusion
Chapitre IV Mesures et enregistrements
IV.1. Introduction
IV.2. Mesures analogiques
IV.3. Acquisition du signal phonocardiographique
IV.4. Analyse spectrale
IV.5. Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques
Annexe 1 – Système cardiovasculaire
Annexe 2 – Cartes Arduino
Annexe 3 – Quelques Circuits réalisés, avec PCB
Annexe 4 – Fiches techniques

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