Brevet FR2793131A1 — publié le 20001110

DESCRIPTION La présente invention concerne le domaine de l'acquisition et du traitement de signaux physiologiques, notamment en vue d'améliorer le rapport signal/bruit, et a pour objet un procédé et un dispositif d'acquisition d'un signal d'électrocardiogramme (ECG), sensiblement dépourvu de bruit, en particulier de bruit provenant de variations du champ magnétique local. L'acquisition de signaux physiologiques pose souvent des problèmes de récupération fidèle du signal, puisque généralement faible et noyé dans un bruit important. La difficulté est encore accrue lorsque l'acquisition est réalisée dans un environnement RMN et que le signal concerné est l'électrocardiogramme (ECG). Or, l'électrocardiogramme est le signal physiologique par excellence pour surveiller l'état d'un patient, mais également en tant que signal de séquencement, notamment pour un imageur RMN, par exemple en tant que signal de déclenchement d'une séquence d'acquisition (plus connue sous la désignation "triggering") et/ou en tant que signal de déclenchement d'une fenêtre d'acquisition (plus connue sous la désignation "gating"). En effet, ce signal peut être exploité de différentes manières, notamment par visualisation, analyse de forme, comptage ou analogue, en vue de déterminer des caractéristiques morphologiques, de fréquence ou autre. Le signal d'électrocardiogramme est un signal répétitif dont chaque séquence est constituée par la juxtaposition de plusieurs ondes (P, QRS, T, ST). Le débruitage du signal est bien entendu important en termes de monitorage. En effet, pour que le médecin puisse suivre en temps réel l'évolution du patient, il faut qu'il ait un accès clair à l'information et un ECG bruité n'est d'aucune utilité. La détection des pics dans le complexe QRS est d'une importance capitale. D'une part, pour déterminer la fréquence cardiaque, mais également pour pouvoir synchroniser la prise d'images d'un imageur RMN sur l'ECG ("triggering" / "gating"). Cette synchronisation cardiaque permet d'exciter chaque coupe à un moment qui est toujours le même dans - 2- le cycle cardiaque, et donc d'avoir une image de cette coupe qui s'affranchit des phénomènes de mouvements. Actuellement, cette phase de filtrage de signal d'électrocardiogramme est généralement réalisée par des circuits analogiques ou des cartes dédiées dont les caractéristiques sont figées et les performances limitées et qui ne parviennent pas à débarrasser efficacement le signal d'ECG de ses artefacts et parasites dûs aux perturbations électromagnétiques prévalant en particulier au cours des examens RMN. Ces perturbations électromagnétiques proviennent essentiellement des pics et changements locaux du champ magnétique principal Bo résultant de l'action des gradients mis en oeuvre au cours des expériences RMN et introduisant un signal de bruit dans la boucle de mesure du signal d'ECG, dont l'intensité peut être équivalente, voire supérieure, à celle du signal d'ECG. On notera que Bo est orienté selon l'axe longitudinal du patient, dans le cas d'un appareil RMN à tunnel, et perpendiculairement au plan coronal du patient dans le cas d'un appareil RMN à entrefer du type "ouvert". En considérant que l'orientation du champ principal Bo correspond à l'axe Z d'un repère spatial orthogonal (X, Y, Z), les gradients linéaires en X, Y et Z peuvent être représentés comme suit: dBz dBz dBz grad. X =, grad.Y etgrad.Z = dx dy dz Pour tenter de supprimer ce signal de bruit induit, plusieurs solutions ont déjà été mises en oeuvre. Ainsi, il a été proposé de soumettre le signal d'ECG à un filtre sensible à la vitesse d'accroissement de la tension du signal réglé à une valeur légèrement supérieure à la valeur maximale typique du dV/dt de l'ECG. Toutefois, ce procédé ne permet pas de supprimer le bruit induit par les séquences d'application et de suppression de différents gradients de fréquence élevée. -3- Il a également été proposé de dériver le signal d'ECG prélevé en deux signaux secondaires, de retarder l'un de ces derniers d'une durée correspondant à un multiple de la période du signal de I'ECG et d'en extraire la composante de bruit, et ensuite d'opérer une soustraction entre le signal non retardé et la composante de bruit d'une période précédente. Néanmoins, ce procédé ne permet d'aboutir à une amélioration notable du signal d'ECG que si le bruit induit, et donc les conditions électromagnétiques, sont sensiblement identiques sur plusieurs périodes du signal d'ECG et si ce dernier est relativement régulier. Or, dans la pratique, ces cas ne sont pas fréquents et il peut en résulter une déformation notable du signal d'ECG. La présente invention a notamment pour but de pallier les inconvénients précités. A cet effet, elle a pour objet un procédé d'acquisition de l'électrocardiogramme (ECG) d'un patient situé dans un environnement électromagnétique perturbateur, consistant à relever sur le patient un signal d'ECG additionné du bruit au niveau de la région cardiaque en tant que signal différentiel résultant des signaux délivrés par deux électrodes faisant partie d'une première boucle de mesure, consistant, en outre, à relever simultanément sur le patient, dans des conditions de perturbations sensiblement identiques, un second signal de mesure renfermant au moins le bruit, en tant que signal différentiel résultant des signaux délivrés par deux électrodes faisant partie d'une seconde boucle de mesure distincte de la première, puis à additionner au ou à soustraire du premier signal d'ECG bruité, en temps réel, ledit second signal de mesure, en fonction de la polarité du bruit dans ce dernier par rapport au bruit dans le signal d'ECG bruité et, enfin, à traiter, à convertir, à transmettre et/ou à afficher en temps réel le signal résultant, représentatif de l'ECG et sensiblement dépourvu de bruit. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci- après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'une tranche transversale d'un patient, à hauteur du coeur, illustrant l'implantation des électrodes selon une première variante de réalisation du procédé selon l'invention, en 4 - particulier par rapport au champ principal Bo dans un appareil RMN à tunnel; la figure 2 est une vue schématique de dessus montrant la disposition des électrodes représentées à la figure 1; la figure 3 est une vue schématique de dessus illustrant une autre disposition des électrodes selon une deuxième variante de réalisation de l'invention; la figure 4 est une vue schématique de dessus illustrant une autre disposition des électrodes selon une troisième variante de réalisation de l'invention; la figure 5 est un schéma bloc illustrant les différentes composantes d'un appareil d'acquisition de l'ECG selon un mode de réalisation particulier de l'invention; les figures 6A et 6B sont des diagrammes temporels de signaux d'électrocardiogrammes recueillis durant l'application d'une séquence RMN, respectivement sans et avec mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et, les figures 7A et 7B sont également des diagrammes temporels de signaux d'électrocardiogrammes recueillis avant et durant l'application d'une séquence RMN, respectivement sans et avec mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Ainsi, le procédé d'acquisition de l'électrocardiogramme (ECG) d'un patient 1 situé dans un environnement électromagnétique perturbateur, consiste tout d'abord à relever sur ledit patient I un signal d'ECG additionné du bruit SI1 au niveau de la région cardiaque en tant que signal différentiel résultant des signaux délivrés par deux électrodes 3, 3' faisant partie d'une première boucle de mesure 2. Conformément à l'invention, ledit procédé consiste, en outre, à relever simultanément sur le patient 1, dans des conditions de perturbations sensiblement identiques, un second signal de mesure S2 renfermant au moins le bruit, en tant que signal différentiel résultant des signaux délivrés par deux électrodes 5, 5' faisant partie d'une seconde boucle de mesure 4 distincte de la première 2, puis à additionner au ou à soustraire du premier signal d'ECG bruité S 1, en temps réel, ledit second signal de mesure S2, en fonction de la polarité du bruit dans ce dernier par rapport au bruit dans le signal d'ECG bruité S 1 et, enfin, à traiter, à convertir, à transmettre et/ou à afficher en temps réel le Signal Résultant SR, représentatif de l'ECG et sensiblement dépourvu de bruit. - Pour s'assurer de la présence dans le signal résultant SR d'au moins une composante représentative de l'ECG, il peut être avantageusement prévu que la seconde boucle de mesure 4 soit constituée et disposée de telle manière, qu'en cas d'acquisition par elle d'une composante de signal représentative de l'ECG en plus du ou mélangée au signal de bruit, ladite composante de signal représentative de 1'ECG présente une polarité opposée et/ou une amplitude inférieure à celle(s) de la composante de signal représentative de l'ECG recueillie par la première boucle de mesure 2. En s'inspirant notamment du mode de création et d'application des gradients magnétiques au cours des expériences RMN et des résultats de leurs actions cumulées en termes de création et de variation des intensités des champs magnétiques locaux, l'inventeur a pu déterminer les mesures à prendre pour optimiser la réduction de la composante de signal relative au bruit induit par lesdits gradients dans le signal d'ECG résultant SR. Ainsi, dans le cas d'un patient 1 situé dans un Imageur à Résonance Magnétique Nucléaire ou un appareil d'analyse RMN analogue, les dimensions apparentes pour le flux magnétique, dans un plan PP perpendiculaire à la direction du champ principal Bo, des première et seconde boucles de mesure 2 et 4 formées par les fils de liaison 2' et 4' des électrodes respectives 3, 3' et 5, 5' et les tissus 2", 4" s'étendant entre les deux électrodes 3, 3'; 5, 5' d'une même boucle de mesure 2; 4 sont déterminées pour être similaires, voire identiques. Dans ce contexte d'application, le signal résultant SR pourra être avantageusement utilisé pour la surveillance par monitorage du patient et pour le déclenchement de l'IRMN ("triggering" et/ou "gating"). Comme il ressort d'une comparaison entre les figures 1 et 2 des dessins annexés, d'une part, et les figures 3 et 4, d'autre part, les deux boucles de mesure 2 et 4 pourront, en fonction des applications et de la constitution des moyens capteurs utilisés, soit être physiquement séparées et indépendantes, soit comporter une électrode commune 3', 5'. Conformément à un premier mode de réalisation de l'invention, les première et seconde boucles de mesure 2 et 4 sont disposées sensiblement symétriquement par rapport au plan médian PM du patient 1 perpendiculaire au plan coronal PC de ce dernier, les électrodes 3, 3'; 5, 5' des deux boucles de mesure 2 et 4 étant préférentiellement disposées de manière alignée et en présentant un espacement similaire entre les -6- électrodes de chaque paire 3 et 3'; 5 et 5' (voir figures 1 à 3 et 5 des dessins annexés). En effet, l'inventeur a pu constater que les signaux de bruit relevés par des boucles de mesure 2 et 4 configurées et disposées tel que décrit ci-dessus étaient sensiblement identiques dans le cadre des expériences RMN courantes faisant appel à des gradients de champ magnétique. Selon un second mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 4 des dessins annexés, les trois électrodes 3, 3'; 5, 5' formant les deux boucles de mesure 2 et 4 sont disposées dans une configuration triangulaire au niveau de la région cardiaque de telle manière que la seconde boucle de mesure 4 relève une composante de signal représentative de I'ECG de polarité opposée et d'amplitude sensiblement égale à celle de la composante de signal représentative de lECG relevée par la première boucle de mesure 2. Enfin, en vue de son exploitation en temps réel, notamment dans le cadre d'une surveillance de l'état d'un patient soumis à un examen RMN, le signal SR résultant de l'addition ou de la soustraction des signaux différentiels SI et S2 délivrés par les deux boucles de mesure 2 et 4 peut être traité par un filtre passe-bas 8, puis utilisé pour la modulation en fréquence d'une porteuse et, enfin, transmis vers un appareil 1l 1 muni de moyens d'affichage du signal d'ECG SR filtré, le cas échéant après conversion en signal optique. Il peut être prévu que le signal d'ECG soit éventuellement soumis à un filtrage numérique par un filtre à réponse impulsionnelle infinie du type elliptique ou dit de Cauer, par exemple du quatrième ordre. La présente invention a également pour objet un dispositif capteur pour l'acquisition en temps réel du signal d'ECG d'un patient 1, en particulier soumis à un examen RMN, pouvant être relié à un appareil d'affichage 1l 1 et permettant notamment la mise en oeuvre du procédé tel que décrit ci-dessus. Ce dispositif est principalement constitué, d'une part, par deux modules 6, 6' de prélèvement de signaux physiologiques S 1 et S2 fournis par deux boucles de mesure distinctes 2 et 4 comprenant chacune une paire d'électrodes 3, 3'; 5, 5' placées sur le patient 1, au moins l'un des deux signaux physiologiques SI, S2 comprenant une composante de signal représentative de l'ECG, d'autre part, par un module 7 sommateur ou -7différenciateur des signaux SI et S2 délivrés par les deux modules de prélèvement 6, 6' et, enfin, par des modules 8, 9, 10 de traitement, notamment de filtrage et de conversion, du signal SR fourni par ledit module 7 sommateur ou différenciateur. Les modules de prélèvement 6, 6' consistent avantageusement, chacun, en un amplificateur différentiel d'instrumentation dont les entrées sont reliées aux électrodes respectives. Les modules de traitement 8, 9, 10 pourront par exemple consister respectivement en un filtre passe-bas 8, en une unité de modulation de fréquence 9 et en un module 10 de conversion électro- optique relié à une fibre optique dont l'autre extrémité est reliée à un module I l' de conversion opto-électronique relié ou faisant partie du l'appareil 11 muni des moyens d'affichage du signal dECG. De manière avantageuse, tous les modules 6, 6', 7, 8, 9, 10 sont regroupés dans un boîtier blindé 12 formant cage de Faraday, qui est relié aux électrodes 3, 3'; 5, 5' par des fils de liaison résistifs flexibles 2", 4" et qui n'est pas en contact direct avec la peau du patient 1, les deux modules de prélèvement 6, 6' pouvant éventuellement comporter une électrode commune 3', 5'. En outre, les différents éléments et parties formant le dispositif selon l'invention pourront être essentiellement constitués à partir de matériaux amagnétiques, rendant son utilisation parfaitement compatible avec un environnement magnétique sensible et perturbateur. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé d'acquisition décrit ci-dessus pourra notamment consister en un dispositif capteur du type décrit dans le brevet français n 2 704 131 ou dans le brevet français n 2 729 071. Les avantages procurés par l'invention, en terme d'amélioration de la qualité du signal d'ECG final, aparaissent très clairement à l'étude des figures 6A, 6B, 7A et 7B des dessins annexés. Les figures 6A et 6B, d'une part, et 7A et 7B, d'autre part, représentent des signaux d'électrocardiogrammes recueillis sur un même patient et dans les mêmes conditions de positionnement des électrodes et d'environnement électromagnétique. Ainsi, ces signaux ont été recueillis avec un placement des électrodes à environ 22 cm en avant du centre magnétique, ce qui constitue le positionnement le plus défavorable (les perturbations dues à la -8commutation des gradients étant maximales), et avec des gradients de magnitude 16 mT/m. Les signaux des figures 6A et 6B ont été recueillis au cours de l'application d'une séquence RMN du type connu sous la désignation "Fast Spin Echo", alors que les signaux des figures 7A et 7B ont été recueillis avant et durant l'application d'une séquence RMN du type connu sous la désignation "Echo de Gradient" avec compensation en flux. L'amélioration de la qualité du signal résultant de l'application du procédé selon l'invention apparaît nettement en comparant, d'une part, la figure 6A avec la figure 6B et, d'autre part, la figure 7A avec la figure 7B. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. -9- REVENDICATIONS 1. Procédé d'acquisition de l'électrocardiogramme (ECG) d'un patient situé dans un environnement électromagnétique perturbateur, consistant à relever sur le patient un signal d'ECG additionné du bruit au niveau de la région cardiaque en tant que signal différentiel résultant des signaux délivrés par deux électrodes faisant partie d'une première boucle de mesure, caractérisé en ce qu'il consiste, en outre, à relever simultanément sur le patient (1), dans des conditions de perturbations sensiblement identiques, un second signal de mesure (S2) renfermant au moins le bruit, en tant que signal différentiel résultant des signaux délivrés par deux électrodes (5, 5') faisant partie d'une seconde boucle de mesure (4) distincte de la première (2), puis à additionner au ou à soustraire du premier signal d'ECG bruité (S1), en temps réel, ledit second signal de mesure (S2), en fonction de la polarité du bruit dans ce dernier par rapport au bruit dans le signal d'ECG bruité (SI) et, enfin, à traiter, à convertir, à transmettre et/ou à afficher en temps réel le signal résultant (SR), représentatif de l'ECG et sensiblement dépourvu de bruit. 2. Procédé d'acquisition selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde boucle de mesure (4) est constituée et disposée de telle manière, qu'en cas d'acquisition par elle d'une composante de signal représentative de l'ECG en plus du ou mélangée au signal de bruit, ladite composante de signal représentative de I'ECG présente une polarité opposée et/ou une amplitude inférieure à celle(s) de la composante de signal représentative de l'ECG recueillie par la première boucle de mesure (2). 3. Procédé d'acquisition selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, dans le cas d'un patient (1) situé dans un Imageur à Résonance Magnétique Nucléaire ou un appareil d'analyse RMN analogue, les dimensions apparentes pour le flux magnétique, dans un plan (PP) perpendiculaire à la direction du champ principal (Bo), des première et seconde boucles de mesure (2 et 4) formées par les fils de liaison (2' et 4') des électrodes respectives (3, 3' et 5, 5') et les tissus (2", 4") s'étendant entre les deux électrodes (3, 3'; 5, 5') d'une même boucle de mesure (2; 4) sont similaires, voire identiques. - 10- 4. Procédé d'acquisition selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les première et seconde boucles de mesure (2 et 4) comportent une électrode commune (3', 5'). 5. Procédé d'acquisition selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les première et seconde boucles de mesure (2 et 4) sont disposées sensiblement symétriquement par rapport au plan médian (PM) du patient (1) perpendiculaire au plan coronal (PC) de ce dernier. 6. Procédé d'acquisition selon la revendication 5, caractérisé en ce que les électrodes (3, 3'; 5, 5') des deux boucles de mesure (2 et 4) sont disposées de manière alignée. 7. Procédé d'acquisition selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les trois électrodes (3, 3'; 5, 5') formant les deux boucles de mesure (2 et 4) sont disposées dans une configuration triangulaire au niveau de la région cardiaque de telle manière que la seconde boucle de mesure (4) relève une composante de signal représentative de l'ECG de polarité opposée et d'amplitude sensiblement égale à celle de la composante de signal représentative de l'ECG relevée par la première boucle de mesure (2). 8. Procédé d'acquisition selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le signal (SR) résultant de l'addition ou de la soustraction des signaux différentiels (S 1 et S2) délivrés par les deux boucles de mesure (2 et 4) est traité par un filtre passe-bas (8), puis utilisé pour la modulation en fréquence d'une porteuse et, enfin, transmis vers un appareil (Il1) muni de moyens d'affichage du signal d'ECG (SR) filtré, le cas échéant après conversion en signal optique. 9. Dispositif capteur pour l'acquisition en temps réel du signal d'ECG d'un patient, en particulier soumis à un examen RMN, pouvant être relié à un appareil d'affichage et permettant notamment la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications I à 8, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué, d'une part, par deux modules (6, 6') de prélèvement de signaux physiologiques (SI1 et S2) fournis par deux boucles de mesure distinctes (2 et 4) comprenant chacune une paire d'électrodes (3, 3'; 5, 5') placées sur le patient (1), au moins l'un des deux signaux physiologiques; (SI, S2) comprenant une composante de signal représentative de I'ECG, d'autre part, par un module (7) sommateur ou différenciateurdes signaux (SI et S2) délivrés par les deux modules de - il - prélèvement (6, 6') et, enfin, par des modules (8, 9, 10) de traitement, notamment de filtrage et de conversion, du signal (SR) fourni par ledit module (7) sommateur ou différenciateur. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que tous les modules (6, 6', 7, 8, 9, 10) sont regroupés dans un boîtier blindé (12) formant cage de Faraday, qui est relié aux électrodes (3, 3'; 5, 5') par des fils de liaison résistifs flexibles (2", 4") et qui n'est pas en contact direct avec la peau du patient (1). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que les deux modules de prélèvement (6, 6') comportent une électrode commune (3', 5'). 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à I 1, caractérisé en ce que les différents éléments et parties formant ledit dispositif sont essentiellement constitués à partir de matériaux amagnétiques, rendant son utilisation parfaitement compatible avec un environnement magnétique sensible et perturbateur.