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dernière mise à jour
22 mars 2013
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CAPTEURS BIOMEDICAUX

première partie : généralités et ECG

généralités sur le GBM
en guise d'introduction
mesures de potentiel : l'ECG
la mesure la plus courante
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généralités

Le domaine dit du Génie BioMédical (GBM) couvre un champ expérimental d'une très grande étendue, en procurant au praticien divers types d'outils d'aide au diagnostic et aussi de pratique clinique ou chirurgicale. Nous ne nous intéresserons pas ici à la quincaillerie que l'on trouve dans une salle d'opération ou dans une unité de soins intensifs, mais seulement aux instruments d'aide au diagnostic. Nous insistons sur le fait qu'il s'agit exclusivement d'AIDE et non, comme ont tendance à le croire certains, de DIAGNOSTIC AUTOMATISE. La médecine restera toujours un art et non une science exacte et jamais la complexité des interactions entre l'homme et son environnement ne pourra être appréhendée par une machine, aussi puissante soit-elle, le dernier mot restera toujours au praticien et, en dépit des progrès technologiques, l'erreur de diagnostic ou plus souvent l'impossibilité d'un diagnostic précis resteront malheureusement toujours du domaine du possible. Et ce ne sont pas les stupides procès intentés contre des spécialistes d'échographie qui y changeront quelque chose!

Le corps humain est constitué d'un assemblage de nombreux types de cellules, lesquelles comportent généralement des molécules soit ionisées, soit souvent polaires, c'est à dire se comportant : soit comme un diélectrique, soit comme un conducteur ionique. Ces cellules sont caractérisées par leurs multiples échanges avec leur environnement (molécules gazeuses, ions, énergie, information), en outre l'ensemble du réseau central de contrôle (système nerveux) transmet des impulsions électriques : cela se traduit localement par des champs électriques éminemment variables. Et, depuis plus d'une centaine d'années, de nombreux chercheurs ont imaginé exploiter ces champs pour en extraire une information pertinente sur le fonctionnement et les dysfonctionnements des organes vitaux, en procédant à trois types d'approche quantitative : des mesures de différence de potentiel entre points judicieusement choisis, des mesures d'impédance et des mesures de champ magnétique. Ces diverses approches impliquent soit des dispositifs passifs se bornant à recueillir une information générée par et dans le corps humain, soit actifs, c'est à dire introduisant une perturbation volontaire chez le patient et identifiant son effet. En outre les procédés d'acquisition mis en oeuvre peuvent être avec ou sans contact étroit avec le patient, il en résulte une multitude de techniques d'investigation dont il est exclu de faire le tour ici. Aussi nous insisterons sur les principales et tout particulièrement sur celles que nous avons réellement approchées.

Les aides que la technologie moderne apporte au praticien sont de diverses natures:

les très gros systèmes de la famille générique "scanner" dépassent largement le cadre de ce document et nous n'en parlerons que très peu ici
les petits instruments, souvent mobiles voire réellement destinés à l'exploration ambulatoire, seront l'objet principal de ce chapitre
les outils spécifiquement logiciels, en particulier ceux liés à l'imagerie feront l'objet d'un commentaire, dans la mesure où nous en avons une certaine expérience

En pratique, on s'aperçoit que les applications les plus importantes dans le domaine médical font appel à des mesures d'impédances ou de champs, aussi nous consacrerons un sous chapitre à celles-ci, à leurs capteurs spécifiques et aux problèmes particuliers rencontrés dans ce type d'application. Ensuite nous prendrons quelque exemple d'instrumentation ambulatoire pour en décrire les spécificités et l'incidence que cela a sur la chaîne d'acquisition. Ensuite, comme il est déjà précisé, nous discuterons un peu de la chaîne de traitement d'image à propos d'un ou deux exemples typiques. Et pour terminer nous aborderons le futur du diagnostic médical avec le concept "lab on a chip" appelé à révolutionner le domaine dans un avenir encore imprécis (en 2007) mais très prometteur.

Pour en savoir plus sur le GBM d'une manière générale quelques sites internet à consulter:

l'Alliance pour le Génie Bio Médical regroupe chercheurs et acteurs du domaine.
le Syndicat National de l'Industrie des Technologies Médicales (SNITEM)

European Medical Device Manufacturer

mesures de potentiel

Au cours du métabolisme l'activité cellulaire, intimement liée à l'assimilation (anabolisme) et à la désassimilation (catabolisme), se traduit par une transformation d'énergie sous forme d'énergie mécanique (musculaire) ou chimique (hormonale). Ces transformations continuelles de la structure moléculaire entrainent l'apparition et le déplacement de charges électriques très faibles, mais significatives du fonctionnement normal ou non des principaux organes. L'identification qualitative et quantitative de ces déplacements a conduit à l'émergence d'un ensemble de techniques d'aide au diagnostic basées sur des mesures de différence de potentiel. L'électrocardiographie s'adresse à l'activité du coeur, l'électromyographe permet d'étudier l'activité musculaire tandis que l'électroencéphalographe enregistre les variations de potentiel au niveau du cerveau.

l'électrocardiographie

Le coeur, en raison de son importance vitale, a suscité vraisemblablement le plus grand nombre de travaux et c'est lui que nous prendrons comme exemple. C'est Einthoven (1903) qui le premier s'intéressa à l'enregistrement de l'activité électrique du coeur et Wilson qui développa réellement la technique ECG. La figure ci-dessous montre un tracé typique d'ECG sur lequel on peut identifier les différentes phases du fonctionnement cardiaque et, en cas d'anomalie du tracé, les dysfonctionnements.

Notre propos n'est pas d'ordre médical mais celui de l'instrumentaliste, comment obtenir un tracé pertinent ? A cette question, il y a plusieurs éléments de réponse:

De nombreux travaux (Einthoven, Wilson, Goldberger et bien d'autres) ont eu pour objet d'identifier les positionnements optimaux des points de mesure en fonction du résultat espéré et de la compréhension qu'avaient les expérimentateurs des phénomènes qu'ils étudiaient. Cette remarque est importante car il faut bien prendre conscience que le domaine médical est tout à fait spécifique : en règle générale les expérimentateurs ne sont pas physiciens mais praticiens de la médecine, ce qui veut dire qu'ils sont plus des "intuitifs" exerçant l'art de la médecine que des "scientifiques" ayant une démarche rigoureuse mais d'une extrême lenteur, ce qui se justifie amplement en raison de l'extrême complexité et diversité de la machine humaine et de ses dysfonctionnements que personne ne pourra jamais mettre en équation. Il en résulte souvent, dans les publications médicales, un vocabulaire scientifique approximatif et parfois des expérimentations déroutantes voire hasardeuses. Et l'un des problèmes de l'électronicien sera d'abord de retranscrire dans son langage propre l'ésotérisme médical.

Ainsi la lecture d'un traité de médecine expliquant comment on enregistre un ECG risque d'entrainer chez le lecteur inhabitué un profond étonnement. Et je conseille vivement au lecteur scientifique puriste que cette affirmation ce convainc pas, de faire cet effort de lecture s'il en a l'occasion. C'est à la fois "instructif", parfois "désopilant", mais aussi...profondément "inquiétant".
La figure ci-dessous montre les emplacements retenus par les auteurs précités


Fig. implantation et couplage des électrodes selon Einthoven (A), Wilson (B) et Goldberger (C)

Et nous ne résisterons pas, pour illustrer le propos précédent, à citer un extrait d'une publication y faisant référence: " Les dérivations périphériques unipolaires de Wilson (fig. B) qui permettent d'enregistrer les variations du potentiel à chaque extrémité au moyen d'une électrode exploratrice (pôle positif) par comparaison au potentiel constant d'une électrode de référence. Cette électrode de référence (pôle négatif) correspond à la mise en court-circuit des trois extrémités par des résistances de 5000 . Pour rechercher les modifications de potentiel on utilise donc deux électrodes, l'une de référence; l'autre, exploratrice, reliée au galvanomètre." Précisons que j'ai recopié cet extrait sans en changer ou omettre le moindre caractère.

En pratique, aujourd'hui on prélève l'information directement sur le thorax entre deux électrodes reliées à un amplificateur différentiel, tandis qu'une troisième électrode sert de référence. En effet la mesure entre deux points dont l'un sert de référence, tel que défini sur la figure A, n'est pas satisfaisante en raison de l'environnement électrique auquel est nécessairement soumis le patient, ce qui se traduit par la superposition d'un signal à 50 et 100Hz au signal cardiaque. En outre la respiration se traduit par une variation d'impédance thoracique générant donc un bruit musculaire se superposant lui aussi au signal cardiaque dans une plage de fréquence très voisine de celle typique du coeur. La figure ci-dessous montre cette perturbation sur le spectre cardiaque.


Fig. interférences sur le spectre de l'ECG

La mesure différentielle, sans être la panacée, permet cependant de réduire les phénomènes perturbateurs et autorise l'exploitation routinière de l'ECG.