FR2690578A1 - Procédé et appareil de suppression de bruit de signaux électriques complexes. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne la suppression des anomalies d'une forme d'onde complexe répétitive. Elle se rapporte à un ensemble qui comprend un dispositif d'entrée de signaux et répartiteur (10) destiné à recevoir la forme d'onde complexe et à le diviser, un dispositif (20) destiné à retarder le signal de l'un au moins des trajets, un dispositif d'isolement d'une composante contenant une anomalie, un dispositif de suppression d'anomalie destiné à soustraire la composante isolée contenant l'anomalie du signal combiné formé par addition du signal du trajet retardé au signal du second trajet, et un dispositif de sortie (91) destiné à transmettre le signal dépourvu d'anomalie. Application aux électrocardiographes.
Description
i La présente invention concerne de façon générale un ensemble
d'accentuation d'un signal électrique, et plus
précisément elle concerne un appareil et un procédé desti-
nés à supprimer le bruit et les anomalies d'un signal électrique ayant une forme d'onde répétitive complexe. Une considération primordiale, lors de la conception de circuits de traitement de signaux, est l'élimination ou la réduction du bruit Etant donné la grande diversité des signaux sources voulus qui doivent être traités et les types de bruits qui leur sont propres, on a mis au point une quantité considérable de systèmes de réduction de bruit Ces systèmes connus vont des simples filtres à des ordinateurs d'accentuation de signaux qui sont commandés par des programmes Pour l'essentiel, ces systèmes connus de réduction de bruit s'adressent à la réduction du bruit dans un signal ayant une forme d'onde non répétitive de
complexité notable Un exemple en est une piste d'audio-
fréquences d'une bande source Une source de signaux d'audiofréquences donne une forme d'onde essentiellement non répétitive constituée de nombreuses composantes à des fréquences différentes formant le signal voulu avec un bruit propre Des circuits destinés à réduire le bruit contenu assurent une expansion et une compression de segment du signal d'audiofréquences, et provoquent ainsi un amoindrissement des fréquences les plus perturbées par le bruit Malheureusement, cette approche provoque aussi la suppression ou l'élimination de parties du signal source et réduisent ainsi la qualité du signal de sortie en même
temps que le bruit est supprimé.
Il existe d'importantes sources de signaux qui ont une forme d'onde complexe répétitive Par exemple, dans le domaine médical, les cardiologues sont très intéressés par des signaux électriques créés par le muscle cardiaque pendant les opérations de pompage du sang Ce signal est connu sous le nom d'électrocardiogramme ou "ECG", et il a une forme d'onde complexe répétitive associée à chaque battement du coeur Cette forme d'onde complexe a été considérablement étudiée par les cardiologues La forme
d'onde a été segmentée en parties clés étudiées en détail.
On s'est rendu compte que diverses variations de la forme d'onde étaient liées à des changements du fonctionnement cardiaque En fait, des changements de certains segments de la forme d'onde constituent souvent des éléments permettant la prédiction d'un trouble cardiaque et en conséquence ils sont primordiaux pour le diagnostic et la prévention des
maladies cardiaques.
L'importance de l'électrocardiogramme pour le
contrôle de la santé du coeur ne peut pas être surévaluée.
Les lectures de l'électrocardiogramme sont maintenant devenues une opération de routine pour le cardiologue, et sont souvent réalisées directement dans son cabinet A cet égard, le radiologue utilise normalement un oscilloscope ou un dispositif analogue pour l'affichage direct de la forme
d'onde de l'électrocardiogramme et finalement pour l'obten-
tion d'une épreuve imprimée Le cardiologue étudie l'élec-
trocardiogramme imprimé pour la recherche de problèmes Le cardiologue peut aussi comparer l'électrocardiogramme actuel à une lecture antérieure Les différences entre les deux signaux d'électrocardiogramme indiquent souvent un problème de santé Par exemple, un segment ST élevé ou affaissé dans l'électrocardiogramme reflète un certain type
de défaut de fonctionnement d'une valve cardiaque L'impor-
tance du segment ST est décrite plus en détail dans le
brevet des Etats-Unis d'Amérique no 4 546 776.
Comme l'indique ce document, la variation de la forme d'onde de l'électrocardiogramme peut être difficile à
discerner à l'oeil humain En outre, il existe de nom-
breuses sources potentielles de bruit qui cachent les légères variations du signal qui sont importantes pour un diagnostic convenable Ces sources de bruit comprennent le bruit propre à tous les circuits électriques, en plus des anomalies dues au déplacement du patient, des décharges électriques parasites qui ne sont pas liées au fonctionnement du coeur, et les sources présentes dans le
cabinet du médecin (par exemple des lampes fluorescentes).
Le bruit induit par les anomalies de l'électrocar- diogramme empêche en outre une lecture convenable par le cardiologue, si bien que le diagnostic de conditions dangereuses pour la vie peut être erroné La présente
invention a été mise au point compte tenu de ce problème.
La présente invention a pour objet la mise au point d'un système destiné à supprimer ou réduire notablement les anomalies et le bruit d'un autre type d'un signal contenant
une forme d'onde complexe répétitive.
L'invention a aussi pour objet la réalisation d'un appareil destiné à réduire le bruit d'un signal répétitif,
sans perturbation notable de la forme d'onde complexe.
L'invention concerne aussi un procédé destiné à réduire le bruit et les autres anomalies d'un signal
d 'électrocardiogramme.
L'invention a aussi pour objet la réalisation d'un système de combinaison d'au moins deux formes d'onde complexes considérées à des instants différents, si bien que les anomalies et le bruit non répétitif sont isolés des
formes d'onde complexes.
Ces objets de l'invention sont réalisés par un circuit particulier qui reçoit et répartit un signal reçu
d'électrocardiogramme en au moins deux trajets de signaux.
Un premier trajet de signaux subit un retard d'un temps égal à un multiple entier de la période de la forme d'onde complexe. Un détecteur de déphasage assure la conservation de la phase et assure aussi l'isolement du bruit du signal Le bruit isolé est soustrait du signal combiné d'entrée, et
donne un signal de sortie dépourvu d'anomalies.
Dans un second mode de réalisation, aucun retard ne se produit, et le signal en temps réel subit une détection de la phase par une forme d'onde d'électrocardiogramme, restituée en synchronisation avec le signal en temps réel, à partir d'une mémoire, si bien que le bruit est isolé Le bruit isolé est alors soustrait du signal en temps réel et
du signal mémorisé. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-
tion ressortiront mieux de la description qui va suivre,
faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une représentation d'un signal électrocardiographique en temps réel; la figure 2 A est un diagramme synoptique d'un mode de réalisation de l'invention; la figure 2 B est un diagramme synoptique d'un second mode de réalisation voisin de la présente invention; et les figures 3 A à 3 E représentent une série de signaux électrocardiographiques en différents points du traitement des signaux, comme décrit plus en détail dans la
suite du présent mémoire.
En résumé, une caractéristique essentielle de l'invention est le fait que le bruit et les anomalies peuvent être retirés d'un signal complexe répétitif parce que le bruit et les anomalies ne sont pratiquement pas répétitifs ou se répètent avec une période différente de celle de la forme d'onde de la source voulue La forme d'onde complexe répétitive est verrouillée en phase d'une manière qui isole les segments des signaux (bruits et anomalies) qui ne se répètent pas intrinsèquement dans la forme d'onde Les anomalies isolées sont alors supprimées d'une forme d'onde complexe combinée d'une manière décrite plus en détail dans la suite, avec formation d'un signal électrocardiographique essentiellement dépourvu d'anomalies. Compte tenu de cette considération, la figure 1 représente un schéma détaillé d'un exemple de signal électrocardiographique Seule la partie de ce signal associée à un battement cardiaque est représentée et elle indique la forme d'onde complexe répétitive qui est l'objet
du traitement des signaux selon l'invention Comme l'in-
dique la figure 1, un électrocardiogramme peut être divisé en théorie en une séquence de segments caractéristiques dont la somme constitue la forme d'onde complexe de la figure 1 Comme décrit précédemment, un diagnostic médical convenable nécessite une image nette des légères variations de ces segments caractéristiques Bien que ces segments individuels soient primordiaux pour le cardiologue, la présente invention traite la forme d'onde complexe dans son
ensemble et non les segments individuels.
Ceci apparaît plus clairement sur la figure 2 A qui est un diagramme synoptique de l'ensemble de traitement
selon l'invention Sur la figure 2 A, le signal électrocar-
diographique reçu provient d'un capteur cardiaque ou analogue (non représenté) formant un signal d'entrée à un noeud 10 Le signal d'entrée est alors réparti dans deux trajets séparés donnant deux porteuses en temps réel du signal électrocardiographique détecté Le premier trajet rejoint un circuit analogique à retard 20 Le circuit 20 retarde le signal électrocardiographique en temps réel d'un temps associé à un battement cardiaque, c'est-à-dire d'une période de la forme d'onde complexe de la figure 1 Bien
que la description suppose que le retard est d'une période
seulement, il ne s'agit pas d'une restriction; en fait, il est tout à fait possible que le retard du circuit 20 soit réglé à un multiple entier quelconque de cette période, et la seule restriction intrinsèque est que le retard soit tel que le trajet retardé reste en phase avec la partie non
retardée du signal, comme l'indique clairement la descrip-
tion qui suit Le signal résultant provenant du circuit 20 est divisé en deux dérivations au noeud 30 Un signal échantillon du point A de la figure 2 A est représenté sur la figure 3 A. Le signal électrocardiographique en temps réel est aussi réparti, au noeud 35 de la figure 2 A, les deux dérivations rejoignant un détecteur 40 de déphasage et un noeud d'addition 65 respectivement Le signal en temps réel dont un échantillon est représenté par la figure 3 B, est prélevé au point B de la figure 2 A et est combiné dans le détecteur 40 au trajet du signal retardé avec formation d'un signal de sortie C au noeud 50 Il faut noter que, bien qu'on utilise un trajet de circulation des signaux en temps réel, il ne s'agit que d'un mode illustratif car le système ne nécessite qu'un décalage dans le temps des signaux des deux trajets à partir des noeuds 30 et 35 et
leur présence en phase pour un fonctionnement convenable.
Pendant le fonctionnement en phase du détecteur 40 de déphasage, le signal de sortie du noeud 50 contient pratiquement uniquement les anomalies des deux signaux d'entrée du détecteur Ces anomalies sont essentiellement des signaux à hautes fréquences qui passent dans un filtre passe-haut 60 La bande passante du filtre 60 peut être ajustée en fonction des types d'anomalies rencontrées Le signal de sortie du filtre 60 est alors transmis à la borne
négative d'un amplificateur mathématique 70.
Le trajet du signal en temps réel à partir du noeud et le trajet du signal retardé à partir du noeud 30 transmettent des signaux qui sont ajoutés au noeud 65 de sommation Un second signal d'entrée de l'amplificateur mathématique 70 est ainsi formé, et il parvient à la borne positive de ce dernier Un signal D échantillonné à la
borne positive de l'amplificateur mathématique est repré-
senté sur la figure 3 B comme étant la somme des formes d'onde représentées par les figures 3 A et 3 B Le signal de sortie de l'amplificateur mathématique 70 constitue la forme d'onde électrocardiographique dépourvue des anomalies constituant des perturbations Ce signal de sortie passe alors dans un circuit tampon formé d'un amplificateur 75 qui transmet le signal électrocardiographique final net
destiné à l'affichage 90.
La description qui précède suppose un fonctionnement
en phase qui est obtenu de la manière suivante Le noeud 50 transmet le signal de sortie du détecteur 40 à un filtre passe-bas 80 qui alimente lui-même un oscillateur commandé en tension 85 Lors du fonctionnement en phase, le signal C ne contient que le bruit à hautes fréquences qui est retiré par le filtre passe-bas 80 Si les trajets des signaux retardé et non retardé présentent une dérive en phase, le détecteur 40 crée un signal de sortie ayant une composante à faibles fréquences représentative de la condition de déphasage Cette composante est transmise par le filtre 80 et commande l'oscillateur 85 commandé en tension qui crée lui-même une fréquence de battement de correction transmise au circuit à retard 10, si bien que les signaux respectifs sont remis en phase En outre, comme l'oscillateur est par définition synchronisé sur un multiple de la fréquence cardiaque, le signal peut être traité par des compteurs séries (diviseurs) 88 et 89 afin qu'un signal représentatif du rythme cardiaque soit transmis et présenté par
l'affichage 91.
Un second mode de réalisation de l 'invention com-
prend le remplacement de la forme d'onde électrocardiogra-
phique retardée par une forme d'onde électrocardiographique mémorisée Plus précisément, sur la figure 2 B, à la place du circuit analogique à retard, l'appareil comporte un dispositif de mémoire 111 contenant une forme d'onde électrocardiographique mémorisée correspondant à un patient particulier Le signal de sortie de la mémoire 111 est un
signal continu qui reproduit la forme d'onde électrocardio-
graphique complexe mémorisée en phase avec la forme d'onde
électrocardiographique actuellement mesurée En fonction-
nement, la phase est conservée grâce à l'oscillateur commandé en tension 185 qui commande le signal de sortie de la mémoire 111 en fonction des déphasages détectés en amont par le détecteur 140 Le signal électrocardiographique mémorisé est en phase avec le signal électrocardiographique reçu et le traitement des signaux se produit comme décrit précédemment. En pratique, la présente invention est mise en oeuvre avec des capteurs et circuits de traitement de signaux qui sont classiques Par exemple et comme l'indique la figure 3, un signal retardé 3 a contient la forme d'onde caractéristique d'un électrocardiogramme avec des anomalies et 110 Un second signal électrocardiographique en temps réel contient la forme d'onde caractéristique, mais avec des anomalies 120 Lorsque ces deux formes d'onde sont combinées dans le détecteur 140 et sont en phase, les formes d'onde caractéristiques se compensent et ne laissent 5 que les anomalies 100, 110 et 120 représentées sur la figure 3 C. Simultanément, les trajets des signaux retardé et non retardé comprenant toutes ces anomalies sont ajoutés au noeud 65 de sommation et forment un signal de plus grande amplitude comme l'indique la figure 3 D, toujours avec les anomalies comme indiqué Les anomalies associées sont alors retirées par combinaison du signal représenté sur la figure 3 C avec le signal représenté sur la figure 3 B, donnant ainsi le signal électrocardiographique sans anomalie représenté sur la figure 3 E à la sortie de l'amplificateur
mathématique 70.
Claims (10)
1 Ensemble destiné à supprimer des anomalies d'une forme d'onde complexe répétitive, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'entrée de signaux et répartiteur ( 10) destiné à recevoir un signal électrique contenant la
forme d'onde complexe et à répartir ce signal entre plu-
sieurs trajets, un dispositif ( 20) destiné à retarder le signal de l'un au moins des trajets, afin que ce signal
soit retardé d'une quantité pratiquement égale à un mul-
tiple entier de la forme d'onde complexe, un dispositif d'isolement d'anomalie destiné à isoler une composante contenant une anomalie dans le trajet du signal retardé et d'un signal d'un second trajet, le signal du second trajet étant décalé dans le temps par rapport au signal du trajet retardé, un dispositif de suppression d'anomalie destiné à soustraire la composante isolée contenant l'anomalie du signal combiné formé par addition du signal du trajet retardé au signal du second trajet au moins avec formation
d'un signal pratiquement dépourvu d'anomalie, et un dispo-
sitif de sortie ( 91) destiné à transmettre le signal
dépourvu d'anomalie à un appareil de sortie.
2 Ensemble selon la revendication 1, dans lequel le dispositif à retard est un circuit analogique à retard ( 20)
ayant une commande par rétroaction provenant d'un oscilla-
teur commandé en tension ( 85).
3 Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'oscillateur commandé en tension ( 85) reçoit un
signal d'un circuit détecteur de déphasage ( 40).
4 Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit détecteur de déphasage ( 40) comprend un filtre passe-bas ( 80) et crée un signal de réglage de phase lorsque les signaux du trajet retardé et du second trajet
sont déphasés.
Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'isolement d'anomalie comprend un circuit détecteur de déphasage ( 40) connecté à un filtre
passe-haut ( 60).
6 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif détecteur de fréquence de la forme d'onde complexe ( 88, 89) et un
dispositif de sortie ( 91).
7 Procédé de suppression d'anomalie d'un électro- cardiogramme, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes:
la réception et la répartition d'un signal électro-
cardiographique reçu entre au moins deux trajets, le retardement du signal de l'un au moins des trajets d'une quantité pratiquement égale à la période de l'électrocardiogramme associée à un battement cardiaque, l'isolement des anomalies du signal retardé et d'un signal d'un second trajet décalé dans le temps par rapport au signal retardé du premier trajet, la combinaison des signaux des deux trajets dont les anomalies ont été isolées, la soustraction des anomalies isolées des signaux combinés des deux trajets, et
la transmission d'un signal représentatif de l'élec-
trocardiogramme, pratiquement dépourvu d'anomalies.
8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de retard assure le maintien de la phase
entre le signal retardé et le signal du second trajet.
9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend la transmission d'un signal représentatif
du rythme cardiaque.
Appareil de traitement d'un signal électrocar-
diographique, caractérisé en ce qu'il comprend un dispo-
sitif destiné à recevoir un signal représentatif d'un électrocardiogramme d'un patient, un dispositif ( 111) de
mémorisation d'une partie du signal reçu qui est représen-
tative d'une période cardiaque, un dispositif d'isolement des anomalies d'un signal électrocardiographique en temps réel et du signal électrocardiographique mémorisé, un dispositif ( 185) de maintien du déphasage entre le signal
électrocardiographique en temps réel et le signal électro-
cardiographique mémorisé, un dispositif d'addition ( 165) destiné à combiner le signal électrocardiographique en temps réel et le signal électrocardiographique mémorisé, un dispositif de soustraction destiné à retirer les anomalies isolées des signaux combinés, et un dispositif de sortie
( 191) destiné à transmettre un signal électrocardiogra-
phique pratiquement dépourvu d'anomalies.
11 Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif de détection de fréquences ( 188, 189) destiné à déterminer un rythme cardiaque à partir du signal électrocardiographique en
temps réel.
12 Appareil selon la revendication 11, dans lequel le dispositif de maintien de la phase comprend un détecteur
de déphasage ( 140), un filtre passe-bas ( 180) et un oscil-
lateur commandé en tension ( 185) connecté à la sortie du
dispositif de mémorisation et commandant celui-ci.
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