Implémentation d’une chaine télémédicale dédiée à la surveillance de l’insuffisance cardio-rénale

Le cœur

  Le système cardiovasculaire assure la circulation du sang dans l’organisme et permet ainsi son alimentation en oxygène et en nutriments. Il est composé du cœur, sorte de double pompe.Le cœur est logé dans le médiastin antérieur délimité latéralement par les poumons, en bas par la coupole diaphragmatique, en avant par le sternum et le grill costal, en haut par la trachée et les gros vaisseaux et en arrière par le médiastin postérieur contenant l’œsophage.
Anatomie externe Le cœur est de forme pyramidale triangulaire avec un grand axe oblique en avant, à gauche et en bas, une base regardant en haut, en arrière et à droite et un sommet (apex) en regard du 5° espace intercostal gauche. Ses faces sont antérieures, inférieures et gauches. Elles sont parcourues par un sillon auriculo-ventriculaire, perpendiculaire au grand axe du cœur, séparant les deux oreillettes en arrière des deux ventricules en avant et en bas et un sillon inter-auriculaire puis inter-ventriculaire perpendiculaire au précédent constituant le plan de clivage entre le cœur droit et le cœur gauche.
Anatomie interne Le cœur est divisé en quatre cavités par une cloison verticale et une cloison horizontale : deux cavités supérieures : les oreillettes et deux cavités inférieures: les ventricules. Les deux oreillettes sont séparées par le septum inter auriculaire (situé en profondeur du sillon inter auriculaire). Les deux ventricules sont séparés par le septum inter ventriculaire (situé en profondeur du sillon inter ventriculaire). Les oreillettes communiquent aux ventricules par les orifices auriculo-ventriculaires. On distingue ainsi un cœur droit constitué d’une oreillette et d’un ventricule droits communiquant par un orifice tricuspide et un cœur gauche constitué d’une oreillette et d’un ventricule gauche communiquant par un orifice mitral.
Structure de la paroi cardiaque Trois couches constituent la structure interne du cœur de l’intérieur vers l’extérieur : L’endocarde, le myocarde et le péricarde. L’endocarde est une membrane endothéliale qui tapisse la face interne du myocarde et se prolonge par l’intima des gros vaisseaux. Le myocarde constitue le muscle cardiaque, c’est un muscle strié autonome régulé par les systèmes sympathique et parasympathique. La paroi ventriculaire est plus épaisse que  la paroi auriculaire car le myocarde y est plus important. Le péricarde est un sac à double paroi enveloppant le cœur. Il est composé de plusieurs feuillets: le péricarde fibreux ou péricarde épais et le péricarde séreux lui-même composé de deux feuillets : le feuillet viscéral qui enveloppe le cœur aussi appelé épicarde et le feuillet pariétal qui le recouvre et tapisse la face interne du péricarde fibreux. Ces deux feuillets délimitent une cavité virtuelle, la cavité péricardique, espace de glissement qui permet les mouvements cardiaques. La paroi cardiaque à proprement parler est constituée de l’endocarde, du myocarde et de l’picarde .

Physiologie cardiovasculaire

  L’appareil cardio-vasculaire assure la circulation du sang pour véhiculer l’oxygène et les nutriments vers les cellules et en évacuer les déchets permettant le maintien du métabolisme général.
Physiologie Générale Schématiquement, l’appareil cardio-vasculaire se compose d’une pompe à fonctionnement alternatif (le cœur), d’un réseau de distribution à haute pression (les artères) se terminant par des résistances variables (les artérioles), d’un circuit de petits vaisseaux au niveau où s’effectuent les échanges (les capillaires), et d’un circuit de retour à basse pression vers le cœur (les veines) .Le cœur comporte deux pompes propulsives fonctionnant parallèlement : le « cœur gauche » assurant la circulation systémique et le « cœur droit » assurant la circulation pulmonaire. Chacun comporte un atrium (ou oreillette) qui collecte le sang et un ventricule qui l’expulse vers l’artère pulmonaire en direction des poumons pour le ventricule droit et vers l’aorte en direction des autres organes pour le ventricule gauche. La circulation systémique alimente ainsi en parallèle les différents organes par les branches de division de l’aorte. Le sang issu de ces organes, pauvre en oxygène et riche en déchets est collecté par les veines caves inférieur et supérieur pour être ramené à l’atrium droit. La vascularisation du myocarde est assurée par les artères coronaires et le sinus coronaire qui s’abouche directement dans l’atrium droit. Les poumons reçoivent par l’artère pulmonaire, du sang veineux (à faible teneur d’oxygène) mais ils reçoivent en outre du sang artériel par les artères bronchiques (constituant la vascularisation systémique pulmonaire) qui se drainent dans l’atrium gauche, mêlant ainsi un peu de sang veineux au sang artériel ramené à l’atrium gauche par les veines pulmonaires .

Anatomie interne

  En procédant à une coupe frontale du rein(Figure I.17), on peut distinguer deux régions : une zone superficielle rougeâtre à texture lisse appelée Cortex rénal, et une zone profonde brune rougeâtre appelée Médullaire rénale.La médullaire est constituée de 8 à 18 pyramides rénales de forme conique, la base de chaque pyramide fait face au cortex rénal et le sommet appelé papille rénale, est orienté vers le centre du rein. Les prolongements du cortex situés entre les pyramides, sont appelés colonnes rénales. La partie fonctionnelle du rein, qui est le parenchyme, issue de l’union du cortex rénal et des pyramides rénales, est formée d’environ 1 million d’unités fonctionnelles de structure microscopique appelées « néphrons».L’urine produite par les néphrons se jette dans les grands tubules rénaux droits, traverse les papilles rénales des pyramides.Les tubules droits débouchent sur des structures en forme de coupe appelées calices rénaux mineurs et majeurs. Chaque rein possède entre huit et dix-huit calices mineurs et deux ou trois calices majeurs. Chacun des calices mineurs reçoit l’urine des tubules droits, qui passe dans une papille rénale et la déverse dans un calice majeur, de là, l’urine se jette dans une grande cavité appelée bassinet ou pelvis rénal (pelvis = bassin) et traverse l’uretère pour arriver enfin à la vessie. Le Hile s’agrandit à l’intérieur du rein pour former une cavité qui contient une partie du bassinet

Vascularisation des reins

  Puisque les reins débarrassent le sang de ses déchets et assurent la régulation du son volume et de sa composition ionique, il n’est pas étonnant qu’ils soient très bien vascularisés ; ils constituent moins de 0.5% de la masse corporelle totale, mais ils reçoivent de 20 à 25% du débit cardiaque au repos par les artères rénales droite et gauche. Chez l’adulte le débit rénal est d’environ 1200 ml/min. 
a. Les Artères Dans le rein l’artère rénale se divise en plusieurs artères segmentaires, celles-ci donnent naissance à leur tour à plusieurs ramifications qui pénètrent dans le parenchyme et traversent les colonnes rénales entre les pyramides rénales, ce sont les artères inter-lobaires.A la base des pyramides rénales, les artères inter-lobaires décrivent un arc entre la médullaire et le cortex. A cet endroit elles sont appelées artères arquées, ces dernières se subdivisent pour donner une série d’artères inter-lobaires qui pénètrent dans le cortex rénal, et se ramifient en artérioles glomérulaires afférentes [16].
b. Les veines Les artérioles efférentes se ramifient pour former des réseaux de capillaires, appelés capillaires péri-tubulaires, ces derniers finissent par converger pour former les veinules péritubulaires, puis les veines inter-lobaires. Le sang passe ensuite dans les veines arquées ; se déverse dans les veines inter-lobaires situées entre les pyramides rénales, se jette dans les veines segmentaires, et enfin il quitte le rein par l’unique veine rénale au niveau du Hile rénal.

Réalisation pratique de l’électrocardiographe

  Les signaux physiologiques captés étant particulièrement faibles, des amplificateurs d’instrumentation sont souvent nécessaires. L’indisponibilité des composants spécialisés nous a posé certaines difficultés. Aussi nous nous sommes rabattus sur le simple amplificateur opérationnel LM324 disponible. Le premier étage de la chaîne de traitement est le plus important .C’est celui où on a recours à l’amplificateur d’instrumentation. Cet élément prend en charge la pré amplification, l’adaptation d’impédance,l’élimination de la tension de mode commun. Après le recueil de l’information, un traitement de celle-ci est nécessaire .Ce dernier inclut dans notre cas : l’amplification et le filtrage pour éliminer les bruits.Un amplificateur d’instrumentation est un amplificateur différentiel adapté au traitement des signaux en présence d’une tension de mode commun relativement importante et dont les caractéristiques sont les suivantes :
 Gain différentiel réglable (de 1 à 10000)
 Impédance d’entrée très élevée (10 KΩ en parallèle avec quelques μF)
 Impédance de sortie très faible (0.1Ω).
 Courant de polarisation des entrées très faible (de quelques pA a quelques nA).
 Grande stabilité thermique des performances (0.0015 %/°c pour le gain différentiel).
 Taux de réjection en mode commun très élevé (>100dB).
Les signaux que l’on visualise sont généralement mesurés par rapport à une électrode dite de référence (CONN-SIL3, FL), (figure III.4). Celle-ci est placée à un endroit précis du corps (pied gauche). Il s’agit donc de mesurer le potentiel de chaque électrode (CONN-SIL1LA et CONNSIL2RA) par rapport à celui de l’électrode de référence. Une mesure différentielle s’impose donc et l’utilisation d’un amplificateur différentiel est nécessaire.Le signal obtenu en employant l’amplificateur LM324  est un signal extrêmement faible et bruité, influencé principalement par le 50Hz, donc pour bien l’amplifier et éviter ces perturbations, nous avons employé un amplificateur, U1D avec un gain AU1D= (1+ ) =(1+ )=11 et un filtre de type Twin T actif pour éliminer les 50HZ. L’amplificateur U2 (de type µA741) est utilisé, avec un potentiomètre pour régler la composante continue. Un deuxième amplificateur opérationnel U3 (de type µA741), à la fin de ce schéma monté en suiveur, permet de réaliser l’adaptation d’impédance. Après avoir été filtré et amplifié, le signal ECG est transmis à la carte d’acquisition et peut alors être visualisé sur un terminal local moyennant l’implémentation d’un ETTD micro contrôlé (équipement terminal de traitement des données).

Déroulement d’une Conversion

  Le PIC dispose d’un échantillonneur bloqueur intégré constitué d’un interrupteur S, d’une capacité de maintien C=120 pF et d’un convertisseur Analogique numérique 10 bits. Pendant la conversion, la tension Ve à l’entrée du convertisseur A/N doit être maintenue constante. Au départ il faut commencer par faire l’acquisition du signal en fermant l’interrupteur S, ceci se fait à l’aide du registre ADCON0, soit au moment de la validation du module par le bit ADON soit après un changement de canal si ADON est déjà positionné. Après la fin de l’acquisition, on peut démarrer une conversion en positionnant le bit GO_DONE, l’interrupteur S s’ouvre pour assurer le blocage de la tension. La conversion commence, elle est réalisée en 12 TAD, à la fin, le bit GO_DONE repasse à 0, le drapeau ADIF passe à 1 et le résultat est chargé dans les registres ADRESL et ADRESH. Le module met 2 TAD supplémentaires pour fermer l’interrupteur S ce qui démarre une nouvelle phase d’acquisition pendant laquelle la tension Ve = la tension analogique d’entrée Va. Le temps d’acquisition dépend de la constante de temps RC, R étant la  somme des résistances entre le module de conversion et la source de la tension analogique. Après la fin de l’acquisition, on peut démarrer une nouvelle conversion et ainsi de suite

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Table des matières

Dédicace
RemercimenT
Résumé (Français)
Résumé (Anglais)
Résumé (Arabe)
Table des figures
Liste des tableaux
Glossaire
Introduction générale
Chapitre I. Physiologie de la function Cardio-Rénale
1. Introduction
2. Le cœur
2.1. Anatomie externe
2.2. Anatomie interne
2.3. Structure de la paroi cardiaque
3. Tissu nodal
4. Physiologie cardiovasculaire
4.1. PHYSIOLOGIE GÉNÉRALE
5. Systole et diastole
6. Cycle cardiaque
7. Aspects anatomiques et physiologiques des reins
7.1. Anatomie rénale

7.1.1. Anatomie externe
7.1.1.1. Situation
7.1.1.2 Forme et Orientation
7.1.2. Anatomie interne
7.1.2.1. Vascularisation des reins
7.2. Anatomie du Néphron
7.3. Physiologie rénale
8. Insuffisance rénale
8.1. Définition de l’insuffisance rénale
8.1.1. Définition de l’insuffisance rénale aigue
8.1.2. Définition de l’insuffisance rénale chronique
9. Insuffisance cardiaque
9.1. Définition de l’insuffisance cardiaque
9.1.1. Insuffisance cardiaque aigue
9.1.2. Insuffisance cardiaque chronique
10. Relation entre l’insuffisance rénale et cardiaque
11. Hypoxémie et l’insuffisance cardio-rénale
12. Hypoxémie
13. Conclusion
Chapitre II. Théorie et concept généraux de l’éléctrocardiographie te de la photopléthysmographie
1. Introduction
2. Electrocardiographie
2.1. Histoire de l’électrocardiographie
2.2. Description du signal électrocardiogramme
2.3. Dérivations d’électrocardiographie
2.4. Prélèvement du signal ECG
3. Photo pléthysmographie
3.1. Historique et l’état de l’art
3.2. Rappels physiologiques
3.2.1. Structure d’une molécule d’hémoglobine
3.2.2. Spectre d’absorption de l’hémoglobine
3.2.3. La Spectrophotométrie d’absorption moléculaire
3.2.4. Lois physiques de l’absorption
3.3. Recueil du signal Photopléthysmographique
4. Conclusion
Chapitre III. Conception et réalisation pratique des capteurs objets de ce travail
1. Introduction
2. Choix des Capteurs
2.1. Détection de l’électrocardiogramme
2.2. Détection du photo pléthysmogramme
2.2.1. Capteur ou sonde
2.2.2. Source lumineuse
3. mise en forme des signaux
3.1. Réalisation pratique de l’électrocardiogramme
3.2. Réalisation pratique du photo pléthysmographe
3.3. Carte d’acquisition
4. Schéma bloc de la carte d’acquisition
4.1. Le filtre anti-repliement
4.2. Numérisation
4.3. Multiplexage
4.4. La mise à niveaux
4.5. Liaison RS232
4.6. Microcontrôleur 16F876A
4.7. Architecture
4.7.1. Principe de fonctionnement de l’architecture HARVARD (RISC)
4.8. Brochage du pic
4.8.1. Plan mémoire du pic
4.8.2. Quelques registres particuliers
4.9. La fonction RESET
4.10. Les ports d’Entrées/Sorties
4.11. L’Horloge
4.12. Le Timer TMR0
4.13. Les interruptions
4.14. La conversion analogique numérique
4.14.1. Déroulement d’une Conversion
4.14.2. Temps de conversion
4.14.3. Temps d’acquisition
4.14.4. Fréquence d’échantillonnage

4.14.5. Valeur numérique obtenue
4.15. L’USART
4.15.1. Emission
4.15.2. Réception
4.16. La vitesse de communication
5. Conclusion
Chapitre IV. Implémentation d’une chaine télémédicale dédiée à la surveillance de l’insuffisance cardio-rénale
1. Introduction
2. Télémédecine
3. Chaine Télé médicale
4. Domaines d’applications de la télémédecine
4.1. Téléconsultation
4.2. Télésurveillance
4.3. Téléexpertise
4.4. Téléassistance
4.5. Téléchirurgie
4.6. Téléformation
5. Télésurveillance médicale à domicile
5.1. Objectif
5.2. Principe
5.3. Champ d’application
5.3.1. Les insuffisants respiratoires
5.3.2. Les insuffisants cardiaques
5.3.3. Les insuffisants rénaux
6. Schéma synoptique de l’interface homme-machine implémentée au cours d’une séance d’hémodialyse
7. Architecture client-serveur pour le transfert des données sous protocole TCP/IP
7.1. Protocole TCP/IP
8. CONCLUSION
Chapitre V. Résultats
1. Introduction

2. Acquisition des données
2.1. Organigramme d’acquisition et d’affichage du signal au niveau du Poste local
2.2. Acquisition de l’ECG
2.3. Acquisition du PPG
2.4. Acquisition simultanée des deux signaux (PPG, ECG)
2.5. Interface de transfert des fichiers ECG et PPG
3. Analyse corrélative
3.1. Tracé de la fonction d’autocorrélation
3.2. Tracé de la fonction d’intercorrélation
4. Tracé de l’enveloppe des fonctions d’auto et d’intercorrélation
4.1. Première méthode (filtre passe bas) appliqué au signal ECG
4.2. Première méthode (filtre passe bas) appliqué au signal PPG
4.3. Deuxième méthode (filtre d’hilbert) appliqué au signal ECG
4.4. Deuxième méthode (filtre d’hilbert) appliqué au signal PPG
4.5. Tracé de l’enveloppe de la fonction d’intercorrélation avec la première méthode (filtre passe bas) appliqué aux signaux PPG-ECG
4.6. Tracé de l’enveloppe de la fonction d’intercorrélation avec la deuxième méthode (filtre d’hilbert) appliqué aux signaux PPG-ECG
4.7. Tracé de l’approximation de l’enveloppe de la fonction d’autocorrélation selon la forme exponentielle décroissante avec la première méthode (filtre passe bas) appliqué au signal ECG
4.8. Tracé de l’approximation de l’enveloppe de la fonction d’autocorrélation selon la forme exponentielle décroissante avec la première méthode (filtre passe bas) appliqué au signal PPG
4.9. Tracé de l’approximation de l’enveloppe de la fonction d’autocorrélation selon la forme exponentielle avec la deuxième méthode (filtre d’hilbert) appliqué au signal ECG
4.10. Tracé de l’approximation de l’enveloppe de la fonction d’autocorrélation selon la forme exponentielle décroissante avec la deuxième méthode (filtre d’Hilbert) appliqué au signal PPG
4.11. Tracé de l’approximation de l’enveloppe de la fonction d’intercorrélation selon la  forme exponentielle décroissante avec la première méthode (filtre passe bas) appliqué aux signaux PPGECG
4.12. Tracé de l’approximation de l’enveloppe de la fonction d’intercorrélation selon la forme exponentielle décroissante avec la deuxième méthode (filtre d’Hilbert) appliqué aux signaux PPGECG
5. L’approximation de l’enveloppe des fonctions d’auto et d’intercorrélation
6. Conclusion
Bibliographie

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