Principes de base de l'ECG.
La fonction principale d'un électrocardiogramme (ECG) est de mesurer les potentiels de tension générés dans tout le corps à chaque contraction de la paroi cardiaque. L'ECG traite ces signaux cardiaques et les restitue sous forme de courbes, soit sur un écran, soit sur une imprimante. Pour les ECG les plus simples, cette fonction est limitée, mais les ECG plus récents cherchent à aller au-delà de la simple reproduction d'une courbe. De plus en plus, ils intègrent des fonctionnalités telles que l'enregistrement des courbes, la transmission de données sans fil et le traitement ultérieur du signal. Les amplificateurs utilisés dans le circuit de conditionnement du signal sont essentiels à la mise en œuvre de ces fonctions avancées. Sur le schéma fonctionnel de l'ECG présenté figure 1, les amplificateurs sont mis en évidence en vert dans le coin inférieur gauche.
Acquisition du signal :
Les ECG utilisent généralement trois, cinq ou dix électrodes pour enregistrer le signal en différents points du corps. Cependant, avec des tensions cutanées allant de 100 µV à 3 mV, le potentiel continu peut atteindre près de 300 mV à chaque électrode. Il est donc essentiel que le circuit de détection du signal à l’entrée soit capable de détecter la tension souhaitée à partir d’un signal très faible, malgré la présence d’une tension de mode commun relativement élevée. Parmi les autres facteurs à prendre en compte figurent le bruit, comme les interférences à 50 ou 60 Hz provenant de l’éclairage ou des moniteurs, les mouvements du patient et les interférences électromagnétiques d’autres équipements.
Étant donné la très faible amplitude du signal recherché, un amplificateur est nécessaire pour extraire le signal cardiaque du bruit et de la tension de mode commun, et pour l'amplifier. Plusieurs facteurs influencent la capacité d'un amplificateur à extraire et amplifier un signal ; il convient notamment de porter une attention particulière à la réjection du mode commun, à la tension de décalage d'entrée et à sa dérive, ainsi qu'aux variations et au bruit de la tension de sortie de l'amplificateur.
Précision accrue :
Bien que le signal cible soit généralement inférieur à un millivolt, les électrodes peuvent présenter un potentiel continu de l’ordre de plusieurs centaines de millivolts. Un système basé sur un amplificateur d’instrumentation permet d’éliminer tout signal de mode commun aux entrées différentielles, qu’il provienne des électrodes ou de bruit de mode commun tel que des interférences à 60 Hz, tout en amplifiant simultanément le signal cardiaque. Pour garantir que l’amplificateur puisse gérer à la fois les entrées différentielles et le bruit de mode commun, il est important de considérer le taux de réjection en mode commun (CMRR) du circuit d’amplification en courant continu et à différentes fréquences, notamment les fréquences du réseau de 50 ou 60 Hz. Le choix d’un amplificateur à CMRR élevé permettra d’éliminer davantage de bruit indésirable et d’obtenir des mesures plus précises.
Minimisation de l'erreur de sortie :
L'une des principales fonctions de l'amplificateur est d'amplifier la tension désirée, relativement faible, afin d'améliorer la résolution du circuit de détection. En raison du gain élevé requis pour les applications ECG, la tension de décalage de l'amplificateur est critique. Tout décalage de tension induit par l'amplificateur sera multiplié par le gain du circuit. Pour une contraction cardiaque générant un potentiel de 1 mV sur une électrode donnée, et avec un circuit d'amplification configuré pour un gain de 1000, la sortie idéale du circuit d'amplification sera de 1 V. Cependant, si le décalage à l'entrée de l'amplificateur est de 100 µV, cela générera une erreur de sortie de 100 mV, soit 10 %. Il est donc important de se rappeler que l'erreur de décalage à l'entrée de l'amplificateur est calculée par rapport à l'entrée et que sa valeur dépend du gain de l'amplificateur.
Comme tout composant électrique, la réponse d'un amplificateur dépend du temps et de la température. Cela s'applique notamment à sa tension de décalage, qui peut engendrer un taux d'erreur plus élevé en raison de la dérive de cette tension. L'erreur de tension de décalage peut être minimisée en choisissant un amplificateur à faible dérive, par exemple un modèle à mise à zéro automatique, ou en effectuant des étalonnages périodiques du système afin de corriger le décalage et la dérive.
Dans l'exemple précédent, un potentiel d'électrode de 1 mV a généré une variation de tension de 1 V à la sortie du circuit amplificateur. Pour un système alimenté par une seule source de 5 V, cela indiquerait que le circuit amplificateur pourrait détecter avec précision des tensions comprises entre 0 et 5 mV, à condition que sa sortie puisse varier entre les valeurs des deux rails d'alimentation. Si l'amplificateur ne propose pas cette variation de tension entre les rails d'alimentation, la plage totale de tensions détectables avec précision serait plus réduite, limitant ainsi la plage dynamique du circuit de détection.
Erreur due au bruit :
Le bruit de l’amplificateur est un autre facteur important pouvant affecter la précision des mesures ECG. Ce bruit peut varier en fonction de la fréquence, notamment aux basses fréquences où le bruit en 1/f peut être prédominant. Dans une application ECG, la bande passante du signal à considérer s’étend généralement du courant continu à 100 Hz ; le bruit en 1/f constitue donc une autre source d’erreur.
Conclusion :
L’ECG évolue et offre désormais bien plus qu’une simple mesure de l’activité électrique du cœur. Aujourd’hui, il peut analyser le signal de manière autonome, fournir une analyse en temps réel et même permettre aux dispositifs portables d’enregistrer l’activité électrique cardiaque sur de longues périodes. La mise en œuvre de ces fonctionnalités avancées repose sur la précision de l’acquisition et du traitement des signaux cardiaques, ainsi que sur le choix et la conception de l’amplificateur — autant de facteurs essentiels à la précision des mesures ECG.
