Capturer des petits signaux ECG dans le cadre d'applications médicales

ECG signal from lead 1
ECG signal from lead 1
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Votre tâche

En médecine, on utilise très souvent l'électrocardiogramme (ECG) pour surveiller les petites modifications électriques qui interviennent au niveau de la peau d'un patient et qui sont liées à l'activité du cœur humain. Cette mesure simple et non-invasive facilite l'identification de différentes maladies cardiaques. L'industrie médicale élabore des équipements dédiés qui contribuent au diagnostic. La conception et la vérification de ces équipements nécessitent des oscilloscopes précis.

Solution T&M

Un appareil ECG dispose généralement de 12 conducteurs reliées à la poitrine, aux bras et aux jambes du patient. La tension se mesure entre des points de connexion distincts. Cet article décrit l'exemple du conducteur de signaux 1, qui correspond à la tension entre les bras.

La figure de gauche affiche ce signal (conducteur 1) qui se répète selon le rythme cardiaque. Il commence par une onde P qui initie le cycle, se poursuit avec l'intervalle QRS et se termine par l'onde T. Pour l'ingénieur chargé des tests, l'environnement à bruit élevé, la connexion à terminaison unique des conducteurs et la faible amplitude du signal constituent un défi important. Les niveaux typiques sont inférieurs à 1 mV et le rythme du signal de la fréquence cardiaque se situe entre 40 et 220 battements par minute (bpm).

Dans un montage de mesure typique, un amplificateur est indispensable pour hausser le signal, mais présente l'inconvénient d'un bruit supplémentaire, d'un retard spécifique du canal et d'une erreur de décalage. À l'inverse, le moyennage de la forme d'onde reste, quant à lui, incontournable pour la réduction du bruit. En effet, le signal n'est pas répétitif et d'importantes informations seraient alors perdues. Le diagramme présente l'exemple d'une séquence d'impulsions affichant des perturbations non-périodiques, qui offre au personnel médical de précieuses indications sur des maladies spécifiques.

Nonperiodic disturbances in a periodic ECG signal
Nonperiodic disturbances in a periodic ECG signal
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L'amplitude typique du signal ECG est de 1 mV ou moins, en fonction du point de mesure, avec une largeur de bande de < 10 kHz. La faible amplitude rend difficile la capture et l'analyse de ces signaux directement à partir d'oscilloscopes.

Cependant, l'oscilloscope numérique R&S®RTE offre des fonctions essentielles à l'analyse directe et approfondie des signaux.

Captured ECG signal after executing the Autoset.
Captured ECG signal after executing the Autoset.

Application

La capture d'écran montre un signal ECG capturé par le R&S®RTE dans un montage de mesure standard. Le niveau de bruit du signal est élevé ; les ondes P et T sont à peine visibles.

Pour améliorer le signal acquis, on fixe le pas de l'échelle verticale à 500 μV/div, sans limites de zoom ou de largeur de bande. Cette fonction est unique dans cette catégorie d'oscilloscopes. Le mode HD est utilisé avec une limite de largeur de bande de 10 kHz.

La résolution s'en trouve accrue de façon significative, tout comme s'améliore la sensibilité de déclenchement, condition nécessaire pour obtenir une acquisition nette et stable des signaux à des fins d'analyse ultérieure.

Utilisation du test de masque pour faciliter la détection des indications médicales

Ce signal stable permet d'effectuer des tests supplémentaires. Par exemple, un test de masque facilite la détection de diverses indications médicales figurant dans un signal déformé. Différents masques peuvent être appliqués pour tester des indications spécifiques. La capture d'écran montre le signal ECG et le test de masque associé, issus d'un patient en bonne santé. La zone blanche autour de la courbe du signal est la zone admissible ; les zones colorées (en haut et en bas) sont les masques supérieur et inférieur.

Captured ECG signal using 500 μV/div scale, HD mode and mask test.
Captured ECG signal using 500 μV/div scale, HD mode and mask test.

Notez le comportement indiqué sous la forme 1 image/s et 1 acquisition/s dans l'icône de performance ; il équivaut à un rythme cardiaque de 60 bpm. Dans cette configuration, le R&S®RTE déclenche, acquiert et traite chaque impulsion unique, bien que le temps d'acquisition occupe 80 % de la période de 1 s, ce qui laisse juste 200 ms pour le traitement. Cet exemple montre les performances exceptionnelles du R&S®RTE.

ECG signal
ECG signal
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Comparaison avec un oscilloscope haute résolution moderne concurrent

Dans un montage de mesure identique, le R&S®RTE a été remplacé par un oscilloscope haute résolution de 10 bits concurrent. La capture d'écran ci-dessous montre le résultat de la mesure lorsque le mode HighRes est activé, en utilisant la plus basse résolution verticale, soit 1 mV/div.

Il s'avère que l'amplitude du signal est plus faible que la sensibilité de déclenchement ; l'oscilloscope ne peut donc pas se déclencher sur détection du signal. Pour visualiser ce problème sur une capture d'écran, nous augmentons la persistance de l'affichage de quelques secondes, et nous représentons le seuil de déclenchement sous la forme d'une ligne discontinue bleu clair. Les courbes antérieures se présentent sous forme d'ombres (1).

Le filtre appliqué, mis en oeuvre dans le post-traitement des signaux numériques, révèle une largeur de bande insuffisante : les impulsions brèves issues du montage de mesure ne sont donc plus filtrées (2). Le marqueur 3 indique le bruit et l'échelle verticale limitée de 1 mV/div. En conséquence, l'onde P du signal est à peine visible et se trouve noyée dans le bruit.

Résumé

Le R&S®RTE est le meilleur choix pour l'analyse haute fidélité de signaux faibles, tels que ceux d'un ECG. Il est bien adapté aux applications médicales. Le module frontal fournit d'excellentes valeurs de bruit faible et, à 500 μV, l'échelle verticale la plus basse de sa catégorie. L'analyse ne nécessite aucun circuit supplémentaire et le mode HD augmente la résolution verticale, améliore la sensibilité de déclenchement et réduit la puissance du bruit dans la bande. L'utilisateur peut ainsi capturer des détails de signal importants à des fins d'analyse. Le R&S®RTE est à cet égard meilleur que les oscilloscopes haute résolution de la concurrence.