Brevet FR2387456A1 — publié le 19781110

La preste invention concerne un dispositif d'enregis trement, de visualisation et de #traitement de signaux électriques analogiques variables provenant d'une pluralité de points repartis suivant une matrice. On connaît déjà de nombreux dispositifs permettant de rdaliser ces deux fonctions. En particulier, on connaît des dispositifs permettant de déterminer la radio-activite en une surie de points d'un champ exploré à intervalles de temps réguliers, de mémoriser cette répartition, puis de la restituer sur un appareil de visualisation. On connait étalement, dans le domaine de l'exploration ou du sadage par ultra-sons, divers dispositifs permettant d'enregistrer, -à partir d'une même excitation, les échos en provenance de divers points et de les visualiser. Aucun des dispositifs existants a ce jour ne permet à la fois de visualiser l'évolution du signal sous forme d'une courbe de variation dans le temps apprpciable d'un seul coup d4oeil, et de donner la répartition d'un paramètre earactoristique des signaux à un instant donne sur la totalite du champ. La présente invention vise. à fournir un dispositif du genre ci-dessus défini repondant mieux que ceux anterieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est susceptible d'une grande souplesse d'emploi et permet de visualiser soit les signaux individuels, soit leur répartition et ce de façon claire. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif d'enregistrement et de visualisation de signaux électriques analogiques variables, en une pluralité de points répartis suivant une matrice, caracterisé notamment en ce qu'il comporte: pour chaaue point, une chaîne de mesure comportant un capteur de signal et des moyens d'amplification, un échantillonneur multiplexeur permettant de fournir, une cadence déterminée par une horloge, des affales successives d'échantillons de signaux provenant successivement des divers capteurs, un convertisseur analogique/numrisue recevant les signaux provenant du multiplexeur, un calculateur numérique muni d'une mémoire a accès rapide comportant des zones de mémoire-tampon recevant les données fournies par le convertisseur, une mémoire à circulation, à accès direct de la mémoire à accès rapide, permettant de stocker successivement les donnees émises par le convertisseur, rafale aprs rafale, et des moyens de visualisation du contenu des mémoires, le calculateur et lesdites mémoires étant prévus pour permettre, en temps differe, de sélectionner les informations concernant un seul capteur et de restituer la variation dans le temns du signal provenant du capteur, et de visualiser la rénarti- tion d'un paramètre commun de tous lesdits capteurs, pour une meme rafale. L'invention trouve une application particulierement importante, bien aue non exclusive, dans la dtermination du champ de potentiels électrinues biol-oginues R la surface ou à proximité d'un organe, tel au le coeur ou le cerveau. Dans le premier cas les capteurs sont repartis à la surface du thorax. Dans le second, ils sont places à la surface du scalp et, dans les deux cas, repartis selon un reseau regulier à deux dimensions. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif aui en constitue un mode particulier de realisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un bloc diagramme de principe montrant les constituants principaux du dispositif ; - la figure 2 montre schematiquement la représentation, donne par les moyens de visualisation du dispositif, du signal provenant d'un capteur - la fiqure 3 montre schmatiquement la presentation, donnée par les moyens de visualisation du dispositif, des équipotentielles du champ auquel sont soumis les capteurs. Le dispositif représente en figure 1 est susceptible de plusieurs applications. Pour simplifier, on supposera tout d'abord dans ce qui suit au'il est utilise pour déterminer la repartition et ltevolution des potentiels sur une plage du thorax. Un tel dispositif trouve notamment application en 4lectro- cardiologie Le dispositif peut être regarde comme comnortant une partie analogique, destine à l'acquisition des siqnaux, et une partie numerinue de mémorisation,de calcul et de visualisation. Ces deux parties seront successivement décrites. La partie analogique comporte 2 capteurs constitues chacun par une électrode monopolaire appliquée contre le thorax. Les p capteurs sont par exemple disposes suivant une matrice rectangulaire. La figure 1 montre un seul de ces capteurs 11 et la chaîne de mesure aui lui est associee. Dans la pratique, une matrice de 32 capteurs disposés en huit colonnes de quatre capteurs donne en général des résultats satisfaisants. Chaaue capteur 1, porte en general à une tension qui ne dépasse guère le millivolt, attaque un preamplificateur de ten s ion 12 par l'intermediaire d'un cible blindé 13. Tous les préamplificateurs sont relies à une alimentation 14 dont la prise de masse 15 est isolee de celle de l'alimentation de l'ensemble du système. Le patient est lui-même relie à cette masse flottante, pour des raisons de sécurité. L1alimentation 14 est attaquée à partir de l'alimentation qenerale par des moyens d'isolement, tels aucun convertisseur. Une seconde entrée (non représentée) de chaque preamplificateur 12 est de son cote relie a une référence, constitue par un circuit qui fait la moyenne des quatre potentiels prPle- ves par des sondes distinctes, non répresentées, aux extrémités des quatre membres du patient. Les préamplificateurs, nui seront en general tous rassemblés dans un boîtier distinct du reste du système, nourront avoir un gain comoris entre 1000 et 10000 et une freauence de coupure haute de l'ordre de 2000 Hz. un filtre passe-bande commutable peut être prévu pour restreindre davantage cette bande passante lorsqu'on souhaite isoler certaines fréquences. La sortie de chaque préamplificateur 12 est relié, lors du fonctionnement normal, à l'entre d'un amplificateur d'isolement 16. Tous les amplificateurs d'isolement peuvent être prévus sur des cartes et avoir un gain de l'ordre de 1000 à 2000. Ces amplificateurs sont avantageusement munis de moyens d'ajustage du gain et du niveau 0.Entre la sortie de chaque préamplifi- cateur 12 et l'entrée de l'amplificateur 6 correspondant est avantageusement interpose' un commutateur 17 qui permet de séparer l'amplificateur de son préamplificateur et de le relier R un circuit d'étalonnage 18. Ce circuit peut être alimente, par l'intermédiaire d'un commutateur supplementaire 19, soit à la masse flottante de l'alimentation 14, soit à un ou des plots reliés N des étalons, dont un, 20, est représenté.On peut notamment avoir deux stylons, l'un de 25 millivolts et autre de 125 millivolts Pour faciliter le reglaqe, on peut prévoir une matrice de connecteurs 21 dont la répartition reproduit celle des capteurs 11, de façon à pouvoir aisément prélever la tension de sortie de l'amplificateur correspondant à un capteur 11 donné et régler ainsi une à une les différentes voies de mesure. Tous les amplificateurs 15 attaquent un multiplexeur 22 dont la sortie est reliée à un échantillonneur 23 associe à un codeur analogique-numérique 24. Ce dernier est muni de commandes de gain et de ligne de base qui agit sur l'ensemble des signaux. La cadence de multiplexage est evidemment fonction de la dur nécessaire à l'échantillonnage. Cette cadence est fixée sar une horloge 25 qui peut être déclenchée soit manuel lement, a l'aide d'une commande non représentée, soit par un circuit déclencheur 26 en réponse å une excitation extérieure, telle que l'apparition d'un signal de niveau déterminé sur l'un des capteurs Des commandes schématisées par les floches 27 et 25 sont prévues pour régler la cadence d'échantillonnage et la cadence de repotition des opérations de multiplexage, ctest-a- dire la cadence d'emission par le multiplexeur des rafales de signaux provenant des divers capteurs. Naturellement, cette période de répétition ne peut être inferieure N la diurne d'échantillonnage de l'ensemble des signaux provenant des divers canteurs. Si chaque echantillonnaqe dure 8 s et qui est prévu 32 capteurs, la période de repetition ne peut être inforieure N 260 Fs. Le dispositif peut comporter Agacement des voies rapides de mesure, au nombre de quatre par exemple. Chacune de ces voles peut être substituée à un capteur Il et à son preamplificateur associe, a l'aide d'un commutateur 17. Chaque voie rapide comporte un préamplificateur 29 présentant une frequence de coupure haute plus clivée que celle des preamplificateurs 12 (50 KHz par exemple) et permet donc l'acquisition de signaux rapides. Ces voies rapides permettent par exemple de visualiser, en electrocardiologie, les signaux provenant d'un stimulateur cardiaque ou induits par lui. La partie numérique du dispositif comprend essentiellement un calculateur 30, aui peut être de faible puissance et à temps modéré d'exécution d'opération élémentaire, muni d'une mémoire à accès rapide 31, une mémoire de masse 32 (mémoire à disque par exemple) pouva#nt présenter un temps d'accès plus long, un interface 33, des moyens de visualisation 34 (par exemple sur écran cathodique) et un organe d'entrée-sortie 35, tel qu'un télétype. Dans la plupart des cas, il suffit d'un minicalculateur à 16 kilomots de 16 bits et d'une mémoire de masse de quelques méga-octets pour stocker les informations n#cessaires, les restituer et les archiver. Avant de décrire plus avant cette partie numérique, il peut être utile d'indiquer les fonctions qu'tell devra remplir - le calculateur et l'interface doivent assurer l'éta- lonnage et l'identification des informations, puis leur transfert, depuis la mémoire 31 et par l'intermédiaire d'un interface 33, vers la mémoire de masse 32 - la mémoire 32 doit effectuer l'archivage des données numériques transmises par le calculateur et l'interface, rafale après rafale -le calculateur, par lecture dans la mémoire de masse et identification des informations correspondant N un capteur donné, fournit aux moyens de visualisation 34 les informations correspondant à un capteur donné au cours-des diverses rafales, de façon à afficher point par point l'évolution dans le temps du signal provenant d'un capteur, en temps différé -le télétype 35 et les moyens d'affichage doivent permettre, en mode conversationnel, de sélectionner le capteur dont le signal sera affiché, et de déterminer différents niveaux de potentiels qui apparaîtront sur les moyens de visualisation, en surimpression de la courbe de variation du signal d'un capteur ; - enfin, le calculateur devra permettre, par lecture dans la mémoire de masse, de faire apparaître sur les moyens de visualisation les courbes équipotentielles du champ'auquel sont soumis les capteurs 11. Pour cela, on peut utiliser un minicalculateur tel que celui vendu sous la désignation "MUFTI 4" par la société INTERTECHNIQUE, ou plus généralement tout minicalculateur ; à titre d'autres exemples, on peut citer le P 852 M de Philips, le PDP 11 et le MITRA 15, associés A un télétype 35 classique. Les moyens de visualisation seront par exemple une console type Tektronix de la série 4010. Quant à la mémoire de masse, il peut s'agir d'une unité a tête mobile et disque fixe amovible type Philips, Microdata ou Ampex. Etant donné l'augmentation actuelle des possibilités des microprocesseurs, en particulier en ce qui concerne la mémoire, on peut envisager l'utilisation dans le dispositif de microprocesseurs actuellement en cours de développement mais non encore commercialisés. Le calculateur 30 fonctionne suivant un logiciel qui peut être soit constitué par un programme, soit câblé, suivant une technique dénommée improprement "microprogrammation". Ce logiciel est avantageusement divisé en deux modules, servant l'un à l'ac acquisition, l'autre à la visualisation. Cette disposition permet de rendre les opérations d'acquisition et de visualisation indépendantes les unes des autres.Elle conduit à adopter pour la mémoire une organisation appropriée qui peut entre la suivante : - en tête, les adresses d'interruption du programme et, si on utilise un télétype comme organe d'entrée-sortie conversation nel, les adresses relais du moniteur du télétype, - le programme proprement dit, dans la mesure où les opérations sont commandées par un programme d'instructions adressables, une zone réservée aux transferts, occupant la majeure partie de la mémoire, et qui sera en général séparée en plusieurs mémoires tampons, au nombre de trois par exemple, - une partie libre éventuelle, recevant par exemple le moniteur du télétype, - une zone contenant les piles de sous-programmes de routine et la pile d'interruptions (qui seront en général prévues pour #tre commandées soit par le coupleur entre calculateur et partie analogique, soit par le coupleur d'entrée de la mémoire de masse). On décrira maintenant la constitution du logiciel dans le cas particulier où l'on souhaite réaliser la visualisation soit de la variation dans le temps du signal fourni par un capteur sélectionné, soit des courbes équipotentielles à un instant donné. Le module d'acquisition, qui gère deux transferts simultanés, l'un de la partie analogique vers la mémoire 31, l'autre de la mémoire 31 vers la mémoire de masse 33, utilise pour ces fonctions les zones tampon de la mémoire. Le logiciel du calculateur 30 est prévu pour faire précéder chaque acquisition d'une vérification et d'un étalonnage des amplificateurs 16. Cette opération peut steffectuer de façon simple en reliant, à l'aide des commutateurs 17 et 19, chaque amplificateur à son tour à des valeurs de tension bien déterminées, dont l'une est nulle. Le logiciel peut être prévu pour interdire toute acquisition jusqu'S la fin de l'étalonnage. L'acquisition de l'information par double transfert, d'abord dans la mémoire 31, puis dans la mémoire 33, peut alors s'effectuer. Le logiciel est prévu pour déterminer une zone libre du disque et placer la tête d'écriture et de lecture sur la zone choisie du disque. La partie analogique étant mise en service, il y aura accumulation des données fournies dans une première zone tampon de la mémoire 31. Lorsque cette zone tampon est complètement remplie, le coupleur entre calculateur et partie analogique enverra une interruption qui conduira à passer à a une autre zone tampon. Le temps de passage d'une zone tampon à une autre en réponse à une interruption doit #tre court, pour ne pas perdre d'informations. Il y a en même temps transfert du contenu de la première zone tampon dans la mémoire de masse, par l'intermédiaire du coupleur de cette mémoire 33, qui interrompt le programme chaque fois qu'un secteur du disque est rempli. Le logiciel permet alors de passer automatiquement à un autre secteur. Il ne semble pas nécessaire de décrire ici un programme permettant d'arriver à un tel résultat, étant donné, d'une part, qu'un tel programme est tout à fait classique et, d'autre part, qu'aucune revendication n'est formulée sur ce programme proprement dit Le module de visualisation fait intervenir également les zones tampon de la mémoire 31. Dans l'exemple envisagé ici, il comporte deux parties distinctes, l'une de visualisation du signal d'un capteur, l'autre de tracé des courbes équipotentielles. Le logiciel peut être prévu de façon que le choix du capteur dont le signal est à visualiser s'effectue à l'aide d'un sélecteur. Toutefois, il est généralement plus avantageux de prévoir un logiciel permettant d'appeler un capteur détermine à l'aide du télétype, à l'aide d'une instruction particulière qui peut s'inscrire en clair sur l'écran de visualisation. On verra alors apparaître sur ltécran une courbe qui aura par exemple l'allure indiquée sur la figure 2. Cette courbe de variation en fonction du temps est réalisée soit par interpolation entre les points successifs gardés en mémoire, soit point par point, le couple étant alors constitué en segments. L'échelle est éventuellement affichée, par exemple sous forme de lignes ~ et 1, cette dernière représentant un étalon. Le logiciel peut être prévu pour passer automatiquement au capteur suivant, une fois que la totalité du signal stocké dans un secteur déterminé du disque a été visualisée. La représentation montrée en figure 2 permet à l,opé- rateur de choisir en pleine connaissance de cause les niveaux de potentiels pour lesquels il souhaite disposer des courbes équipotentielles. L'appareil de visualisation peut par exemple comporter un marqueur permettant d'afficher un niveau à une valeur variable pas par pas avec une quantification à nombre de niveaux suffisant pour que la variation soit pratiquement continue. On peut par exemple prévoir 28 valeurs sur ltintervalle mesurable. Le logiciel est prévu pour afficher la valeur choisie sur l'écran de l'appareil de visualisation. Une fois une valeur slectionne, on l'inscrit en mémoire à l'aide d'une touche qui provoque le maintien ultérieur du niveau et qui de plus indique, face au niveau visualisé, un chiffre de référence. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, huit niveaux de potentiel, indiqués par des chiffres de 1 à 8, sont prévus. Un autre marqueur permet d'indiquer l'oriqine de temps T, puis d'introduire cette origine en mémoire. Le logiciel peut entre prévu pour qu'il soit possible d'indiquer, à l'aide du clavier du télétype, le nombre de cycles successifs à visualiser. Une fois cette opération effectuée, l'affichage des équipotentielles est commandé. En réponse, -le logiciel provoque le transfert bloc par bloc du contenu du secteur choisi de la mémoire par blocs 33 dans les zones tampons de la mémoire 31. Il est évident qu'une simple indication du seuil de potentiel immédiatement inférieur au potentiel de chaque capteur, à l'emplacement de celui-ci, fournirait une indication insuffisamment explicite sur les moyens de visualisation. Il est de beaucoup préférable de prévoir un logiciel susceptible de faire une interpolation de type connu linéaire ou parabolique par exemple, entre les capteurs, et de déterminer les points d'un réseau, plus serré que la matrice de capteurs, Oìl le potentiel est égal au seuil. A titre d'exemple, le logiciel peut être prévu pour fournir un affichage du genre montré en figure 3. Ce logiciel fournit - de façon permanente, un quadrillage dont chaque sommet correspond à la position d'un des capteurs îîi,î, 11 21 Il1,8, 112 l 114,8t - des images successives montrant#l'emplacement des équipotentielles dtabord à l'listant T, puis,à des instants successifs ultérieurs, indiqué par des lignes en tirets en bas et à gauche de la figure 2. L'interpolation s'effectue, dans le cas de la figure 3, ligne par ligne, chaque carré du quadrillage correspondant à 8 lignes et 8 colonnes d'emplacements d'interpolation. Sur chaque ligne, le logiciel détermine l'emplacement d'interpolation le plus proche de celui où le potentiel croise l'un des niveaux et provoque l'impression à l'emplacement correspondant d'un caractère représentant un niveau de potentiel du caractère approprié. Le logiciel peut évidemment être prévu pour fournir à la demande, soit un affichage permanent des isopotentielles à un instant donné, soit l'affichage successif des équipotentielles au cours d'une période ou de plusieurs On voit que cette représentation permet par exemple de déterminer le champ électrique cardiaque sans aucune intervention traumatisante et de localiser les zones anormales telles que celles où il n'y a aucune variation de champ par exemple à la suite d'un infarctus. L'invention ne se limite évidemment pas au mode particulier de réalisation qui a été reprësenté-et décrit à titre d'exemple. En particulier, la visualisation peut porter sur des paramètres différents, s'effectuer sur un autre appareil ou être matérialisée par l'emploi de lignes de couleurs différentes (correspondant par exemple chacune à un niveau de potentiel donné). wPefen cAtcewon s 1 -Dispositif d'enregistrement et de visualisation de signaux électri-ques analogiques variables provenant a'une pluralité de points répartis suivant une matrice, caractérisé en ce qu'il comporte - pour chaque point, une chaine de mesure comportant un capteur de signal et des moyens d'amplification, - un échantillonneur multiplexeur permettant de fournir, à une cadence déterminée par une horloge, des rafales successives d'échantillons de signaux provenant successivement des divers capteurs, - un convertisseur analogique/numérique recevant les signaux provenant du multiplexeur, - un calculateur numérique muni a'une mémoire à accès rapide comportant des zones de mémoire-tampon recevant les données fournies par le convertisseur, - une-memoire à circulation à accès direct de la mémoire à accès rapide, permettant de stocker successivement les données émises par le convertisseur, rafale après rafale, - et des moyens de visualisation du contenu des mémoires, le calculateur et lesdites mémoires étant prévus pour permettre, en temps différé, d'une part de sélectionner les informations concernant un seul capteur et de restituer la variation dans le temps du signal provenant du capteur, et d'autre part la visualisation de la répartition d'un paramètre commun de tous lesdits capteurs pour une meme rafale. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, destiné à enregistrer et visualiser les potentiels électriques biologiques en divers points d'un organe, caractérisé en ce que les moyens d'amplification de chaque chaîne comprennent un préamplificateur muni d'une alimentation électrique portée à une masse flottante isolée du réseau électrique général par convertisseur, masse flottante à laquelle est réuni le porteur de organe. 3 - Dispositif suivant l'une quelconque des re#vendications précédentes, caractérisé en ce que le calculateur comporte des moyens pour transférer en séquence dans la mémoire -tampon les données numériques correspondant aux rafales successives stockées dans la mémoire circulation et des moyens pour extraire, d'après leur adresse, les informations correspondant à un capteur sélectionné pour les envoyer aux moyens de visualisation 4 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par des moyens de sélection d'un nombre n de valeurs seuils des si- gnaux d'une rafale déterminée, et pour fournir audits moyens de visualisation l'indication de la valeur du seuil immédiatement inférieure pour représentation en un point simulant la position du capteur dans la matrice. 5 -- Dispositif suivant la#revendIcation 4, caractCrisé en ce que le calculateur comporte des moyens d'interpolation permettant de déterminer les lignes où le signal électrique est égal audit seuil, entre les différents capteurs de la matrice. 6 - Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ledit calculateur est muni de moyens de réglage manuel desdites valeurs seuils et coopère avec les moyens de visualisation pour afficher ledits seuils en même temps que la courbe représentative Qes variations du signal correspondant à l'un des capteurs.