Brevet FR2701380A1 — publié le 19940819

I 1 DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un dis- positif de traitement de signaux biologiques prélevés par des électrodes sur la peau d'un patient. L'invention trouve des applications dans le domaine de l'électrocardiographie, de l'électro- encéphalographie ou de toute autre analyse de signaux biologiques nécessitant des électrodes. Etat de la technique Plusieurs articles de l'art connu concernent de tels dispositifs à électrodes. Un article intitulé "Ground-Free ECG Recording with Two Electrodes" de N V Thakor, J G. Webster (IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol BME-27, N 12, décembre 1980, pages 699 à 704) décrit un enregistrement d'électrocardiogramme (ECG) n'utilisant que deux électrodes Un tel enregistrement nécessite normalement trois électrodes: les deux pre- mières reliées aux entrées différentielles d'un amplifi- cateur ECG et la troisième à la terre Le dispositif décrit, à deux électrodes, permet d'améliorer la sécu- rité du patient en éliminant l'électrode de terre. Un nombre moindre d'électrodes permet d'obtenir une mise en oeuvre plus facile et un coût moindre. Un article intitulé "Electrode Studies for the Long-Term Ambulatory ECG" de N V Thakor et J G Webster ("Medical and Biological Engineering and Computing", 1985, N 23, pages 116 à 121) décrit plusieurs électrodes mises au point pour être utilisées lors d'un électrocardiogramme ambulatoire de longue durée, de manière à éviter le bruit et les artefacts de mouvement qui interfèrent avec un tel enregistrement 1 ECG Cet article décrit quels effets sur le niveau d'artefacts peuvent avoir d'une part une préparation de la peau avant le positionnement des électrodes, et d'autre part une configuration et une position parti- culières des électrodes. Un article intitulé "Improved Ag/Ag Cl Pressure Electrodes" de Y D Kingma, N G Durdle, J. Lenhart, K L Bowes et M M Chambers ("Medical and Biological Engineering and Computing", mai 1983, pages 351-357) décrit de nouveaux types d'électrodes permet- tant d'obtenir des impédances faibles aux fréquences d'utilisation De telles impédances et une dérive faible sont, en effet, nécessaires quand des électrodes sont utilisées pour mesurer des signaux à variation lente telle que l'onde obtenue dans un appareil gastro- intestinal ( 0,01 à 10 Hz). Un article intitulé "Amplification of Biosignals by Body Potential Driving" de C L Levkov ("Medical and Biological Engineering and Computing", mars 1982, pages 248-250) décrit un circuit simple ayant de meilleures caractéristiques que les amplifica- teurs différentiels de l'art connu. Mais aucun de ces documents n'a pour objet de permettre la détection de coupure ou de décollement d'électrodes posées sur un patient, sur lequel on prati- querait un électrocardiogramme, un encéphalogramme, ou toute autre analyse nécessitant un positionnement d'électrodes. Cette détection est fondamentale dans le cas o le patient, par exemple, est en surveillance cardiaque En effet, si le signal cardiaque n'est plus détecté et en l'absence de ce type d'alarme, on ne peut déduire si le patient fait un arrêt cardiaque ou si une électrode est débranchée. 1 L'invention a pour objet un dispositif de traitement de signaux biologiques préLevés par des électrodes, permettant une telle détection. Exposé de l'invention L'invention propose à cet effet un dispo- sitif de traitement de signaux biologiques prélevés par des électrodes placées sur la peau d'un patient comportant au moins deux électrodes de mesure de signal et une électrode de référence, et un amplificateur différentiel d'entrée dont les entrées sont connectées à ces deux électrodes, ledit dispositif étant caracté- risé en ce qu'il comprend un circuit de détection d'absence de courant de polarisation des amplificateurs d'entrée de manière à délivrer un signal d'alarme lors du décollement ou de la déconnexion d'au moins une électrode. l'avantage de ce système est de permettre une détection sans générer d'artefacts et accessoirement une protection contre les chocs de défibrillation. Avantageusement le dispositif de l'invention comprend un circuit de type RC permettant d'éliminer les signaux parasites. Dans une réalisation particulièrement avan- tageuse le circuit de détection comprend: un module d'interruption relié à deux électrodes autres que l'électrode de référence; un module miroir de courant situé en sortie de ce module; un module source de courant relié à la sortie du module miroir de courant; une capacité reliée également à cette même sortie; un module de comparaison, relié également à cette même sortie, délivrant un signal logique d'alarme. 1 Chaque module d'interruption comprend un premier transistor, dont la base reçoit le signal d'entrée et l'émetteur est relié à un second transistor monté en diode dont l'émetteur est relié à une tension de référence Le module miroir de courant comprend deux transistors montés en miroir de courant Le module source de courant comprend un premier transistor dont l'émetteur est à la masse et la base reliée à un second transistor monté en diode dont l'émetteur est à la masse et le collecteur à une tension de polarisation au travers d'une résistance. Le module de comparaison comprend un tran- sistor dont le collecteur est à une tension de polarisa- tion et l'émetteur à la masse au travers d'une résistance en parallèLe avec une capacité, le signal de sortie étant pris sur l'émetteur de ce transistor. Avantageusement les transistors du module d'interruption peuvent être doub Lés. Le dispositif de l'invention est particu- Lièrement bien adapté notamment pour la surveillance de malades à domicile. Brève description des dessins La figure 1 illustre un schéma équivalent d'une électrode; la figure 2 illustre le dispositif selon l'invention; la figure 3 illustre le fonctionnement du dispositif selon l'invention. Exposé détai LLé de modes de réalisation Selon l'invention, le dispositif de traite- ment de signaux biologiques préLevés par des électrodes, disposées en différents endroits sur la peau du patient, est tel que: 1 en fonctionnement normal, Le patient présente une faible impédance et les courants de polari- sation de l'amplificateur d'entrée sont absorbés par le malade à travers les électrodes; dans le cas o une électrode se débranche, le courant de polarisation correspondant n'est plus absorbé par le patient mais par le dispositif de l'in- vention qui l'amplifie, pour donner un signal d'alarme. Dans un tel dispositif les électrodes sont le lien entre l'instrumentation de mesure et le milieu biologique On peut distinguer une impédance caractéris- tique du milieu et une impédance d'interface. L'impédance des tissus, constituant le milieu biologique, a pour équivalent électrique une résistance Rext en parallèle avec une capacité Cm en série avec une résistance Rin Rin est la résistance du liquide intracellulaire, Rext est la résistance du liquide extra-cellulaire, Cm est la capacité de la membrane A basses fréquences, le courant circule préférentiellement dans le liquide extra-cellulaire; tandis qu'à hautes fréquences, la capacité se comportant comme un court-circuit, les résistances Rin et Rext en parallèle représentent l'impédance équivalente. L'impédance d'interface est constituée de l'impédance entre l'appareil de mesure et le milieu biologique En considérant le câble liant l'appareil à l'électrode comme constituant de cette dernière, l'impédance d'interface se trouve alors être l'impédance électrode/peau ou l'impédance électrode/milieu biolo- gique Elle se décompose en une impédance électrode/ électrolyte en série avec une impédance d'éLectrode. l'impédance d'électrode est directement liée à la nature du câble et à sa longueur Cependant, pour les électrodes utilisées dans la gamme de fré- quences de l'électrocardiogramme on néglige l'effet 1 capacitif de ces électrodes. L'impédance éLectrode/éLectrolyte est due au gel utilisé qui favorise le contact éLectrode/peau. En effet, la peau est constituée d'une couche de cornée superficielle et d'un film gras la recouvrant, ce qui est équivalent à un condensateur avec une résistance en parallèLe due aux pores, qui sont des canaux plus ou moins conducteurs. Un modèle expérimental très simplifié, représenté sur la figure 1, peut convenir pour décrire l'impédance d'interface, à condition de faire attention aux valeurs extrêmes que peuvent prendre les divers constituants Ce modèle comprend, pour chaque électrode, une tension d'offset E en série avec une résistance R 2 et une résistance R 1 en parallèLe avec une capacité C 1 La résistance R 2 ( 500 j) modélise l'impé- dance du câble et de l'électrode R 1 ( 1 K-i à 300 Kn) simule l'impédance électrolyte/peau et celle du milieu biologique Pour tenir compte de l'effet capacitif éLectrode/milieu biologique, on fait intervenir la capacité C 1 ( 10 n F à 300 n F) La tension d'offset E ( 3 m V à 1 V) correspond à la polarisation des élec- trodes. Le dispositif de l'invention, tel que repré- senté sur la figure 2, comprend: au moins un amplificateur différentiel ayant ses deux entrées 11 et 12 connectées (points A et B) à deux électrodes distinctes 13 et 14 disposées sur la peau 15 d'un patient, une électrode de référence 16 étant disposée en un autre endroit, sur la peau du patient; un dispositif 17 de détection du décol- lement d'une des électrodes comprenant: deux modules 18 et 19 d'interruption comprenant chacun un transistor T 1, T'1 1 dont la base reçoit le signal d'entrée, et l'émetteur est relié à un transistor T 2 monté en diode dont l'émetteur est relié à une tension de polarisation VP, un module 20 miroir de courant comprenant deux transistors T 3 et T 4 ayant leurs émetteurs reliés à une tension de polari- sation VR, la base du transistor d'entrée T 4 étant reliée à son collecteur, à la base du transistor T 3 et aux collecteurs des transistors T 1 et T'I, un module 21 source de courant comprenant un transistor T 7 dont l'émetteur est à La masse, et La base reliée à un tran- sistor T 6 monté en diode dont l'émetteur est à la masse et le collecteur à une tension de polarisation Vset au travers d'une résistance R 2, ces deux transistors T 6 et T 7 étant donc montés en miroir de courant, une capacité C 1 reliée à la sortie du modu Le miroir du courant et à l'entrée du module source de courant, un module 22 de comparaison comprenant un transistor T 5 dont le collecteur est à une tension VR et l'émetteur à la masse au travers d'une résistance R 1 en paral- lèle avec une capacité C 2, le signal de sortie DCE étant pris sur l'émetteur de ce transistor T 5. Dans la réalisation du dispositif de l'in- vention représentée à la figure 2, les transistors de l'amplificateur d'entrée ainsi que les autres tran-35 sistors sont soit de type PNP, soit de type NPN, mais 1 il serait tout aussi possible d'utiliser des transistors de type NPN ou PNP. En fonctionnement normal, lorsque les éLec- trodes sont bien disposées sur la peau du patient, on retrouve la tension de référence VP sur la base des transistors T 1 et T'1 En effet, chaque électrode étant fixée correctement, le courant de polarisation ip circule à travers le patient (ip= 20 n A) puis est absorbé par référence (VP) à laque L Le le patient est connecté Le point A(ou B) est alors à la tension VP Les transistors T 1, T 2 et T'l, T'2 se trouvent bloqués, aucun courant ne circule donc dans les tran- sistors T 4 et T 3 qui se trouvent eux aussi bloqués. Le transistor T 3 ne génère aucun courant dans la capa- cité C 1 Le transistor T 6 conduit Le transistor T 7 génère un courant qui entraîne la décharge de la capa- cité C 1 puis le transistor T 7 se bloque Le transistor T 5 est alors bloqué et la tension DCE est de O volt. Lors du décollement d'au moins une électrode ou de la coupure de la liaison avec au moins une éLec- trode au point A ou/et au point B, le courant de polari- sation ip se retrouve sur la base de T 1 ou/et celle de T'1 Ce (ou ces) transistor(s) est (sont) conduc- teur(s) Le transistor T 4 qui reçoit un courant de base conduit Il en est de même du transistor T 3 qui fournit un courant à la capacité C 1 qui se charge jusqu'à saturation de ce transistor T 3 Le courant ic, résultant de la différence des courants i 2 (=id) et I 3, charge la capacité C 1, tant que cette différence n'est pas nulle Lorsque la charge de C 1 est suffisante, T 5 conduit, produisant en sortie un état logique proche de la tension VR Les transistors T 6 et T 7 continuent de conduire. la résistance R 1 est choisie suffisamment importante pour ne pas perturber la charge de C 1 Le 1 courant i 3 décharge la capacité C 1 en l'absence de décollement Cependant, ce courant est suffisamment faible pour n'absorber que très partiellement le courant i 2, quand il existe.5 Les transitors T 6 et T 7 permettent, lors du rebranchement de la (ou les) électrode(s) d'obtenir une décharge rapide de la capacité C 1. La capacité C 2 impose un temps de réaction au système, permettant d'éliminer tout signal parasite venant de l'entrée (stimulateur cardiaque, artefacts, ) On peut obtenir l'information utile au bout d'en- viron 1/10 ème de seconde, ce qui est largement suffisant dans le domaine considéré. Si le dispositif comporte d'autres élec- trodes, la même structure est alors répétée plusieurs fois. Lorsque l'électrode de référence est débran- chée, aucun courant de polarisation provenant des autres électrodes ne peut être absorbé et l'on détecte alors l'ensemble de tous les courants Là encore, le signal DCE passe à l'état haut On obtient en effet des tensions VA et VB égales Les courants de polarisation ip ne peuvent plus passer par l'électrode de référence. Les transistors T 1 et T' 11 reçoivent donc ces courants25 sur leurs bases respectives On est donc ramené au problème précédent. La figure 3 illustre la détection du décol- lement de l'électrode A ( 30), de l'électrode B ( 31) ou de l'électrode référence ( 32). Ainsi le dispositif de l'invention absorbe les courants de polarisation lorsqu'une ou plusieurs électrodes se débranchent. En fonctionnement normal (toutes les élec- trodes étant branchées), c'est la détection de ces courants qui indique le dysfonctionnement Les courants 1 ip de polarisation de l'amplificateur d'entrée sont absorbés par le patient et sont collectés par l'élec- trode de référence Ces courants ne traversent pas le dispositif, car celui-ci présente une impédance nettement plus importante que celle du patient Le signal de sortie (DCE) est alors à l'état bas. Par contre, quand une électrode ( 13 ou 14) est déconnectée, le courant ip correspondant ne peut que traverser le dispositif, qui présente une impédance nettement plus faible que l'électrode débranchée, qui est équivalente à un circuit ouvert, donc à une impédance infinie Ce courant est amplifié pour donner le signal d'alarme DCE qui passe à l'état haut. Si une électrode (A ou B) est débranchée, le dispositif détecte un courant ip de polarisation, l'autre étant absorbé par l'électrode de référence. Si Les électrodes (A et B) ou l'électrode de référence (R) ou en dernier Lieu si elles sont toutes déconnec- tées, alors le dispositif récupère les deux courants de polarisation et déclenche l'alarme. On voit que, quel que soit le cas, le fait de récupérer ou non les courants de polarisation donne l'indication de dysfonctionnement ou non. Le système de détection de décollement d'électrode se Lon l'invention permet de réaliser aussi la protection contre les chocs de défibrillation En effet, l'entrée est protégée par les diodes séries que sont les jonctions de base des transistors de dé- tection de décollement Afin que le système puisse absorber plus de courant, les transistors T 1 et T 2 sont doub Lés Une résistance extérieure peut d'ailleurs limiter ce courant. 1 1 REVENDICATIONS 1 1 Dispositif de traitement de signaux biologiques prélevés par des électrodes ( 13, 14, 16) placées sur la peau ( 15) d'un patient comportant au moins deux électrodes ( 13, 14) de mesure de signal et une électrode ( 16) de référence, et au moins un amplificateur différentiel d'entrée ( 10) dont les entrées ( 11, 12) sont connectées à ces deux électrodes ( 13, 14), ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un circuit ( 17) de détection d'absence de courant de polarisation de cet amplificateur diffé- rentiel d'entrée ( 10) de manière à délivrer un signal d'alarme (DCE) lors du décollement ou de la déconnexion d'au moins une électrode. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de type RC permettant d'éliminer les signaux parasites. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de détection ( 17) comprend: un module ( 18, 19) d'interruption relié à deux électrodes ( 12, 13) autres que l'électrode de référence; un module ( 20) miroir de courant situé en sortie de ce module ( 18, 19); un module ( 21) source de courant relié à la sortie du module ( 20) miroir de courant; une capacité (C 1) reliée également à cette même sortie; un module ( 22) de comparaison, relié également à cette même sortie, délivrant un signal logique d'alarme. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque module d'interruption ( 18, 19) comprend un premier transistor (T 1, T'1), 1 dont la base reçoit le signal d'entrée et l'émetteur est relié à un second transistor (T 2) monté en diode dont l'émetteur est relié à une tension de polarisation (VP). 5 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le module ( 20) miroir de courant comprend deux transistors (T 3, T 4) montés en miroir de courant. 6 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le module ( 21) source de courant comprend un premier transistor (T 7) dont l'émetteur est à la masse et la base reliée à un second transistor (T 6) monté en diode dont l'émetteur est à la masse et le collecteur à une tension de polarisation (Vset) au travers d'une résistance (R 2). 7 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le module ( 22) de comparaison comprend un transistor (T 5) dont le collecteur est à une tension de polarisation (VR) et l'émetteur à la masse au travers d'une résistance (R 1) en parallèle avec une capacité (C 2), le signal de sortie (DCE) étant pris sur l'émetteur de ce transistor (T 5). 8 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les transistors (T 1, T 2; T'1, T'2) du module ( 18, 19) d'interruption sont doublés. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour la surveillance de malades à domicile.