Analyse et classification des maladies cardiaques et respiratoires en utilisant les operateurs et les systemes d’ordre fractionnaire.

UNIVERSITE DES FRERES MENTOURI –CONSTANTINE 1-

FACULTÉDESSCIENCESDELATECHNOLOGIE

DÉPARTEMENTD'ÉLECTRONIQUE

T

HESE

Présentée pour obtenir le diplôme de

D

OCTORAT

T

ROISIEME

C

YCLE

LMD

Spécialité : ELECTRONIQUE

Option : SYSTEMES,PROCEDES ET DISPOSITIFS POUR L’ELECTRONIQUE MEDICALE

Par :

ASSADI Imen Epouse BENSOUICI

THEME

A

NALYSE ET

C

LASSIFICATION DES

M

ALADIES

C

ARDIAQUES

ET

R

ESPIRATOIRES EN

U

TILISANT LES

O

PERATEURS ET LES

S

YSTEMES D

’O

RDRE

F

RACTIONNAIRE

Devant le Jury :

Président S.Sahli Professeur, Université des Frères Mentouri

Rapporteur A. Charef Professeur, Université des Frères Mentouri

Examinateurs A. Bennia Professeur, Université des Frères Mentouri

Y. Ferdi Professeur, ENSB de Constantine

A. Goutas Maitre de conférences "A", Université de Skikda

R

EPUBLIQUE

A

LGERIENNE

D

EMOCRATIQUE ET

P

OPULAIRE

Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

UNIVERSITE DES FRERES MENTOURI –CONSTANTINE 1-

FACULTÉDESSCIENCESDELATECHNOLOGIE

DÉPARTEMENTD'ÉLECTRONIQUE

T

HESE

Présentée pour obtenir le diplôme de

D

OCTORAT

T

ROISIEME

C

YCLE

LMD

Spécialité : ELECTRONIQUE

Option : SYSTEMES,PROCEDES ET DISPOSITIFS POUR L’ELECTRONIQUE MEDICALE

Par :

ASSADI Imen Epouse BENSOUICI

THEME

A

NALYSE ET

C

LASSIFICATION DES

M

ALADIES

C

ARDIAQUES

ET

R

ESPIRATOIRES EN

U

TILISANT LES

O

PERATEURS ET LES

S

YSTEMES D

’O

RDRE

F

RACTIONNAIRE

Devant le Jury :

Président S.Sahli Professeur, Université des Frères Mentouri

Rapporteur A. Charef Professeur, Université des Frères Mentouri

Examinateurs A. Bennia Professeur, Université des Frères Mentouri

Y. Ferdi Professeur, ENSB de Constantine

A. Goutas Maitre de conférences "A", Université de Skikda

A mes parents, Noura et Abdelaziz A mon mari Tahar

A mon frère Youcef, mes sœurs, Meriem et Malak A mon ange, tu resteras à jamais dans mon cœur

Avant tout, mes remerciements à mon DIEU le tout puissant qui m'a aidé à faire ce travail et qui m'a donné le courage, la patience et la santé durant toutes ces longues années d’étude afin que je puisse arriver à ce niveau.

Ce travail de recherche a été effectué au sein du laboratoire de traitement du signal, de l'Université Mentouri de Constantine, sous la direction scientifique de Monsieur le professeur ABDELFATAH CHAREF, que je tiens à remercier très vivement pour son enthousiasme envers mon travail, pour sa disponibilité et pour son soutien scientifique et humain. Je le remercie, également, pour la confiance qu’il m’a accordés, ses encouragements et ses précieux conseils.

Je suis très honorée que Monsieur SAHLI SALEH Professeur à l’Université des frères Mentouri de Constantine, ait accepté de présider le jury de cette thèse.

J’exprime ma gratitude envers Monsieur BENNIA ABDELHAK professeur à l’Université des frères Mentouri de Constantine, d’avoir accepté de juger ce travail en tant qu’examinateur. Je l'en remercie sincèrement.

Je remercie également Monsieur YOUCEF FERDI, professeur à École Nationale Supérieure de Biotechnologie de Constantine et membre du Laboratoire de traitement du signal, qui a bien accepté de juger ce travail de thèse.

Je remercie le Docteur AHCENE GOUTAS, Maître de Conférence A, à l'Université de Skikda, pour avoir accepté d'être membre du jury de cette thèse.

Je remercie Madame CLARA IONESCU, professeur à l’université de Gend Belgique ainsi que le Professeur AMINE ANAIT-ALI, professeur à l’université de Créteil Paris France, pour avoir accepté de m’accueillir au sein de leurs laboratoires.

Je remercie aussi toute l'équipe du laboratoire de traitement du signal, pour leurs aides, serviabilités et leurs encouragements.

Mes remerciements s'adressent également à tous mes ami (es), et à tous ceux qui ont contribué, de prés ou de loin, à la réalisation de ce modeste travail.

Table des matières

Remerciements ……….. i

Table des matières……….……… ii

Liste des figures... v

Liste des tableaux ……….……… vii

Introduction générale 1 Introduction ………. 1

2 Objectif de la thèse……… 3

3 Présentation de la thèse ……… 3

Chapitre I : Introduction aux systèmes cardiovasculaire et respiratoire I.1 Introduction ……… 5

I.2 Système cardiovasculaire……… 6

I.2.1 Le cœur ………. 7

I.2.1.1 Activité mécanique du cœur ……… 8

I.2.1.2 Activité électrique du cœur ………. 9

I.2.2 L’électrocardiogramme………. 10

I.2.2.1 Ondes et intervalles de l’ECG ………. 10

I.2.2.2 Enregistrement de l’ECG: Dérivations de l’ECG……….. 12

I.2.3 Troubles du rythme et de la conduction cardiaque……… 13

I.2.3.1 Les battements prématurés……… 15

I.2.3.1.1 Les battements auriculaires prématurés……… 15

I.2.3.1.2 Les battements ventriculaires prématurés……… 15

I.2.3.2 Tachyarythmies supra-ventriculaires……… 16

I.2.3.2.1 Fibrillation auriculaire………. 16

I.2.3.2.2 Flutter auriculaire………. 17

I.2.3.2.3 Tachyarythmie auriculaire……… 17

I.2.3.2.4 Tachyarythmie ventriculaire………. 17

I.2.3.3 Bradyarythmies………. 18

I.2.3.3.1 Bloc des branches atrio-ventriculaire……… 18

I.2.3.3.2 Dysfonctionnement sinusal……… 18

I.3 Le système respiratoire ……… 19

I.3.1 L’anatomie de l’appareil respiratoire……… 19

I.3.1.1 Le nez……… 20 I.3.1.2 Pharynx……….. 21 I.3.1.3 Larynx……… 21 I.3.1.4 Trachée……….. 21 I.3.1.5 Bronches……… 21 I.3.1.6 Poumons……… 21

I.3.1.7 Muscles respiratoires……… 22

I.3.2 La physiologie respiratoire………. 22

I.3.2.1 L’inspiration……….. 22

I.3.2.2 L’expiration ……….. 22

I.3.2.3 Ventilation pulmonaire………. 23

I.3.2.4 Respiration externe……… 23

I.3.2.5 Respiration interne……… 24

I.3.2.6 Transport des gaz……….. 24

I.3.3 Anomalies pulmonaires spécifiques……….. 25

I.3.3.1 Maladie pulmonaire obstructive chronique……….. 25

I.3.3.2 L'asthme ……… 25

I.3.3.3 La fibrose kystique ou la mucoviscidose……….. 26

I.3.3.4 Cyphoscoliose……… 27

I.3.4 Impédance du système respiratoire……… 28

I.3.4.1 Introduction……… 28

I.4 Conclusion ……… 29

Chapitre II : Opérateurs et Systèmes d’Ordre Fractionnaire et leurs Applications II.1 Introduction ……….. 31

II.2 Opérateurs d’ordres fractionnaires ………..………...…. …… 31

II.2.1 Définitions fondamentales……….. 31

II.2.1.1 Définition de Riemann-Liouville………... 31

II.2.1.2 Définition de Grünwald-Leitnikov………. 32

II.2.1.3 Définition de Caputo……….. 32

II.2.2 Propriétés des opérateurs d'ordre fractionnaire………... 32

II.3 Systèmes linéaires d’ordre fractionnaire ……….. 33

II.3.1 Représentation par équations différentielles linéaires d’ordre fractionnaire ……… 34

II.3.2 Représentation par fonction de transfert ……… 34

II.3.3 Représentation par équation d’état………. 35

II.3.4 Propriétés structurelles des systèmes linéaires fractionnaires d’ordre commensurable………. 35

II.4.1.1 Stabilité ..………... 35

II.4.1.2 Contrôlabilité et Observabilité………... 36

II.4 Approximations des opérateurs d’ordre fractionnaire par des fonctions rationnelles………. 37

II.5 la physiologie fractale et le calcul fractionnaire ….……… 38

II.5.1 Application aux os humains……… 38

II.5.2 Application aux signaux vocaux………. 38

II.5.3 Application au système cardiaque……….. 39

II.5.4 Application au système respiratoire……… 41

II.6 Conclusion ……… 43

Chapitre III : Modélisation par des systèmes linéaires fractionnaires du complexe QRS de l’ECG et de l’impédance d’entrée du système respiratoire III.1 Introduction ……….. 44

III.2 Algorithmes d’Identification fréquentielle des systèmes linéaires fractionnaires……… 45

III.2.1 Méthode d’identification fréquentielle de Levy………. 45

III.2.2 Méthode d’identification fréquentielle de Sanathanan et Korner………. 48

III.3 Modélisation fractionnaire du contenu fréquentiel du complexe QRS ……… 50

III.3.1 La base de données MIT/BIH……… 51

III.3.2 Prétraitement du signal ECG ………. 52

III.3.2.1 Filtrage et extraction du complexe QRS………... 52

III.3.2.2 L’extraction du complexe QRS………. 53

III.3.2.3 Contenu fréquentiel du complexe QRS………..……….. 54

III.3.2.4 Modélisation du complexe QRS………... 56

III.3.3 Résultats ……… 57

III.3.4 Discussions ……… 65

III.4 Modélisation du système respiratoire……… 66

III.4.1 Modélisation de l’impédance respiratoire par un modèle fractionnaire ……… 67

III.4.1.1 L’impédance respiratoire ……… 67

III.4.1.2 Modélisation de l'impédance d'entrée du système respiratoire………. 69

III.4.1.3 Patients ………. 70

III.4.2 Résultats ……… 71

Chapitre IV : Classification des arythmies cardiaques et des maladies respiratoires

IV.1 Introduction ………. 80

IV.2 Classification des arythmies cardiaques ……….. 81

IV.2.1 Arythmies à classifier………. 81

IV.2.1.1 Les contractions ventriculaires prématurées (PVC) ………. 82

IV.2.1.2 Bloc de branche (BBB) ……… 82

IV.2.2 Première méthode de classification proposée……… 83

IV.2.2.1 Elaboration de la méthode de classification proposée………..… 84

IV.2.2.2 Résultats……… 87

IV.2.2.3 Discussions ………... 89

IV.2.3 Seconde méthode de classification proposée ……….. 89

IV.2.3.1 Elaboration de la méthode de classification proposée……….. 89

IV.2.3.2 Résultats……… 92

IV.2.3.3 Discussions……… 92

IV.2.4 Troisième méthode de classification proposée……….. 95

IV.2.4.1 Elaboration de la méthode de classification proposée ……….… 95

IV.2.4.2 Résultats……… 97

IV.2.4.3 Comparaison ……… 100

IV.2.4.5 Discussion………. 102

IV.3 Classification des maladies respiratoires……….. 103

IV.3. Maladies à classifier ………. 103

IV.3.1.1 Patients atteints de COPD………. 103

IV.3.1.2 Patients atteints d'asthme……….. 103

IV.3.2 Elaboration de la méthode de classification proposée………... 104

IV.3.3 Résultats et discussions……….. 109

IV.4 Conclusion………. 110

Chapitre V : Identification biométrique basée sur le complexe QRS V.1 Introduction……….. 112

V.2 Introduction aux technologies biométriques et aux applications……….. 112

V.2.1 Principe de fonctionnement de l’identification biométrique……….. 113

V.2.2 Vérification par identification……… 113

V.2.3 Avantage des technologies biométriques………... 114

V.2.4 Inconvénient des technologies biométrique………... 114

V.2.5 Modalités biométriques ……… 115

V.3 Biométrie par ECG……… 115

V.3.1 Elaboration de la méthode de classification proposée……….. 116

V.3.1.1 Construction de la base de données biométrique ………. 117

V.3.1.2 Identification d’une personne……… 118

V.3.2 Résultats et discussion ……….. 121 V.4 Conclusion ……… 122 Conclusion générale 1 Conclusions ………. 124 2 Perspectives ……… 125 Références ………. 127

Liste des figures

I.1 Le système cardio-respiratoire……… ……….….… 5

I.2 Schéma de la circulation sanguine dans le système cardiovasculaire……….… 6

I.3 Vue postérieure du cœur……….……..… 7

I.4 Principe des systoles auriculaires et ventriculaires………..…. 9

I.5 Parcours du signal électrique cardiaque……….….. 9

I.6 Forme d’un électrocardiogramme normal……….… 11

I.7 Position des électrodes des dérivations d’enregistrement de l’ECG………... 14

I.8 ECG d’une tachyarythmie supra-ventriculaire………..… 16

I.9 ECG d’une fibrillation auriculaire……… 17

I.10 ECG de la tachyarythmie ventriculaire……… 18

I.11 ECG d’un Bloc de branche gauche……….. 19

I.12 Schéma de l’appareil respiratoire……… 20

I.13 Echange gazeux dans les poumons……….. 24

I.14 Illustration d’une bronche normale et d’une bronche chronique obstructive…………. 25

I.15 Différence entre les voies respiratoires normales et asthmatiques………..….. 26

I.16 Différence entre la fibrose des voies respiratoires normales et kystiques……… 27

I.17 Radiographie d'un patient présentant une cyphoscoliose………. 27

I.18 Appareil FOT de mesure de l’impédance respiratoire……….. 29

II.1 Classification des systèmes LIT………. 33

II.2 Régions de stabilité des systèmes linéaires fractionnaires d’ordre commensurable dans le plan complexe s……… 36

II.3 Système de conduction électrique du cœur………... 39

II.4 Densité spectrale de puissance en 1/fβ des complexes QRS ……… 40

II.5 Courbe du rapport pression-volume d'un modèle des poumons……….. 42

III.1 Le schéma fonctionnel de l'approche de modélisation proposée………. 51

III.2 Filtrage d’un signal ECG………. 53

III.3 Extraction des complexes QRS par fenêtrage ……… 54

III.4 Tracés de Bode (amplitude) des QRS de battements normaux ……….. 55

III.5 Tracés de Bode (amplitude) des QRS de battements normaux et PVC………... 55

III.6 Tracés de Bode (amplitude) des QRS de battements normaux et APC………... 56

III.7 Tracés de Bode (amplitude) des QRS de battements normaux et RBBB……….. 56

III.8 Tracé de Bode du complexe QRS des battements normaux (ligne en pointillée) et son modèle (ligne continue) (enregistrement 100) ……… 59

III.9 Tracé de Bode du complexe QRS des battements PVC (ligne pointillée) et son modèle (ligne continue) (enregistrement 221) ……… 60

III.10 Tracé de Bode du complexe QRS des battements APC (ligne en pointillée) et son modèle (ligne continue) (record 232) ……… 61

III.11 Tracé de Bode du complexe QRS des battements RBBB (ligne en pointillée) son modèle (ligne continue) (record 212) ……….. 62

III.12 Tracés des erreurs relatives moyennes Ea et Ep de 200 complexes QRS de battements normaux ……… 63

III.13 Tracés des erreurs relatives moyennes Ea et Ep de 200 complexes QRS de battements PVC………. 64 Tracés des erreurs relatives moyennes Ea et Ep de 200 complexes QRS

III.14 de battements APC……….………… 64

III.15 Tracés des erreurs relatives moyennes Ea et Ep de 200complexes QRS de battements RBBB……… 65

III.16 Schéma de l’appareil FOT………..………. 68

III.17 Exemple de signaux mesurés par un appareil FOT……….……… 69

III.18 Tracé des erreurs quadratiques moyennes……….. 72

III.19 Tracé de Bode de l'impédance respiratoire d'entrée (rouge) et de son modèle estimé (bleu) ……….. 73

III.20 Tracé de Bode de l'impédance respiratoire d'entrée (rouge) et de son modèle estimé (bleu) ……….. 73

III.21 Tracé de Bode de l'impédance respiratoire d'entrée (rouge) et de son modèle estimé (bleu)……… …….. 74

III.22 Tracé de Bode de l'impédance respiratoire d'entrée (rouge) et de son modèle estimé (bleu)……….…….. 74

III.23 Représentation de l'impédance respiratoire, pour des personnes saines (□), asthmatiques (○) et atteintes de COPD (●)……… 75

III.24 Tracé de Bode de l'impédance respiratoire d'entrée d’une personne saine (rouge) et de son modèle estimé (bleu)……….. ……. 76

III.25 Tracé de Bode de l'impédance respiratoire d'entrée d’une personne asthmatique (rouge) et de son modèle estimé (bleu)………. …… 77

III.26 Tracé de Bode de l'impédance respiratoire d'entrée d’une personne atteinte de COPD (rouge) et de son modèle estimé (bleu)……… …… 77

III.27 Tracé des erreurs quadratiques moyennes pour le groupe des personnes saines, asthmatique et atteintes de COPD……… 78

IV.1 Battements de type PVC………..……… 82

IV.2 Battements de type BBB………...……… 83

IV.3 Organigramme de la méthode de classification proposée………. 85

IV.4 Tracés en nuage de points des coefficients b0 des battements normaux et PVC……… 87

IV.5 Organigramme de la seconde méthode de classification proposée……… 91

IV.6 Interface de classification sous l’environnement Matlab……….……. 93

IV.7 Processus de discrimination heuristique proposé……….……… 98

IV.8 Schéma des différentes parties de l’acquisition du signal respiratoire……… 104

IV.9 Diagramme en boite des valeurs moyennes b , _N b et _A b_C……….…… ₁₀₅

IV.10 Diagramme en boite des valeurs moyennes a , _N a et _A a_C……….…… ₁₀₆

IV.11 Organigramme de la méthode de classification proposée……… 108

IV.12 Justesse de la méthode de classification proposée………...……… 110

V.1 Bloc diagramme de l’identification biométrique………. 113

V.2 Méthode d’identification des personnes proposée………. 116

V.3 Organigramme de la construction de la base de données des caractéristiques……….…..…… 118

V.4 Algorithme d’identification d’une personne……… 120

Liste des tableaux

III.1 Caractéristiques des personnes saines, asthmatiques

et avec le COPD (moyenne ± déviation standard)………..…………. 71

III.2 Paramètres M, N et  des modèles fractionnaires pour chaque groupe de personne ………....…… 76

IV.1 Valeurs numériques de b_0N , N, b_0V et V……….. ₈₆

IV.2 Intervalles IN et I0V ………... 86

IV.3 Résultats de la classification……….. 88

IV.4 Valeurs moyennes des paramètres b0, b1, b2, b3 et b4 des battements annotés N, PVC et BBB………... 90

IV.5 Résultats de classification des battements normaux N, PVC et BBB de 23 enregistrements de la base de données MIT / BIH………….. 94

IV.6 Valeurs minimales et maximales des huit paramètres pertinents..………... 96

IV.7 Intervalles des trois classes pour les paramètres pertinents b0, a1, b1 et a2………... 96

IV.8 Performances de classification avec et sans enregistrements (105, 118, 213, 214, 215, 223)………...……… 97

IV.9 Résultats de performance de la méthode de classification proposée………... 99

IV.10 Résultats de comparaison de la classification des battements PVC de la méthode proposée et des techniques récents de la littérature……….… 100

Introduction Générale

1. Introduction ... 1 2. Objectifs de la thèse ... 3 3. Présentation de la thèse ... 3

1. Introduction

Le corps humain se compose de nombreux systèmes comme le système cardio-vasculaire et le système respiratoire. Chaque système est composé de plusieurs sous systèmes qui comportent de nombreux processus physiologiques qui sont des phénomènes complexes avec des parties pouvant être mécaniques, électriques ou biochimiques. Ces phénomènes communiquent constamment des informations sur la santé des organes. Cette information peut être captée à travers des instruments qui mesurent la fréquence cardiaque, l’ECG, l’EEG, la pression sanguine, les niveaux de saturation en oxygène, l’impédance respiratoire etc. Les signaux biomédicaux sont principalement acquis pour surveiller des états pathologiques ou physiologiques spécifiques aux fins du diagnostic et de l'évaluation du traitement ou même pour la modélisation éventuelle de systèmes biologiques. En outre, la technologie actuelle permet l'acquisition de multiples canaux de ces signaux. Cela soulève des défis supplémentaires en matière de traitement du signal. Le traitement du signal biomédical implique l'analyse de ces mesures pour fournir des informations utiles sur lesquelles les médecins peuvent prendre des décisions cliniques. Par conséquent, les ingénieurs essayent toujours de découvrir de nouvelles techniques pour traiter ces signaux à l'aide d'une variété de formules mathématiques et d'algorithmes pour fournir aux médecins des données en temps réel et des informations plus approfondies sur l'état de santé d’un patient.

Les systèmes d’ordre fractionnaire sont des généralisations des systèmes traditionnels qui conduisent à des concepts et des outils similaires, mais avec une généralité et une applicabilité plus large. Dans les dernières décennies, un nombre très important de travaux de recherche a été associé à l'application de la théorie du calcul d’ordre fractionnaire dans différents domaines de la science et de l’ingénierie [1-4]. Une tendance récente a été observée dans la communauté du traitement du signal pour introduire la notion de modèle d'ordre fractionnaire pour les systèmes biologiques [5-11]. Beaucoup de ces travaux ont conduit à la conclusion que les modèles d’ordre fractionnaire surpassaient la plupart des modèles d'ordre entier pour caractériser les systèmes biologiques. Il a été aussi noté que l'avantage majeur des modèles d’ordre fonctionnaires n'est pas seulement leur faible nombre de paramètres, mais aussi leur capacité intrinsèque à caractériser les propriétés des structures récurrentes des systèmes biologiques.

L'électrocardiogramme (ECG) est un outil de diagnostic non invasif qui reporte l'activité électrique du cœur et qui est enregistré à la surface de la peau du corps humain. Tout changement de la fréquence cardiaque et de la morphologique du signal ECG est une

indication d'arythmies cardiaques qui pourrait être détectée par l'analyse du signal ECG enregistré. L'observation clinique de l'ECG peut prendre de longues heures et peut-être très fastidieuse. De plus, l'analyse visuelle ne peut pas être invoquée et la possibilité pour l'analyste de manquer des informations essentielles est très élevée. Par conséquent, l'analyse et la classification des arythmies par ordinateur peuvent être très utiles pour le diagnostic. L'automatisation de la classification des arythmies cardiaques est donc un facteur clé.

Dans la littérature, on trouve plusieurs travaux sur la détection automatique des arythmies cardiaques. En général, les approches se diffèrent en fonction des techniques d'extraction des paramètres pertinents, des mécanismes de classification et du nombre d'arythmies cardiaques adoptées pour la classification. En plus de son utilisation dans de la synthèse, le dé-bruitage, le filtrage et la compression du signal ECG, la modélisation est aussi utilisée dans la classification des arythmies cardiaques [12-17]. Différentes méthodes de modélisation de l'ECG ont été développées en se basant sur la transformée de Hilbert et en ondelettes, sur l'interpolation polynômiale et sur les modèles AR, ARMA [18-21]. Dans les dernières décennies, beaucoup d'algorithmes de classification des arythmies cardiaques ont été proposés pour le développement d'un support médical efficace, fiable et robuste pour la surveillance et les soins cliniques des patients [22-29]. Ces algorithmes de classification se différencient en termes des techniques d'extraction des paramètres pertinents ainsi que des mécanismes de classification. Un des domaines de recherche scientifique où le calcul fractionnaire a été considéré est le domaine du génie biomédical [5-7], [30-36]. Dans leurs travaux sur les systèmes physiologiques [8,37], les auteurs ont suggéré un nouveau lien dynamique entre le calcul fractionnaire et les systèmes physiologiques stables.

L’examen de la fonction mécanique du système respiratoire est basé sur l’analyse des variations de pression, du débit ou du volume pendant la respiration d’un individu. La technique dite FOT (forced oscillation technique) est l’approche la plus utilisée dans la littérature pour examiner la fonction mécanique du système respiratoire. La relation entre l’oscillation de la pression appliquée de l’appareil FOT et l’oscillation du flux d'air induit est l’impédance d’entrée du système respiratoire qui est un indicateur des propriétés viscoélastiques des poumons d’un individu [38]. De nombreux modèles de l’impédance d’entrée du système respiratoire ont été développés pour une meilleure détection, diagnostic et traitement des différentes maladies respiratoires [39]. Les auteurs de [23] ont utilisé un modèle d'ordre fractionnaire pour la modélisation de l’impédance d’entrée du système

respiratoire afin d’expliquer la relation de ses propriétés morphologiques et géométriques. Des efforts ont été faits pour promouvoir ce type de modèle d'ordre fractionnaire dans la communauté de la recherche clinique, en envisageant des tests sur une grande population qui comprend diverses maladies respiratoires afin d’utiliser les changements respectifs dans les paramètres du modèle obtenu pour classifier et expliquer les différentes maladies respiratoires [36,40].Les paramètres du modèle fractionnaire de l’impédance d’entrée du système respiratoire peuvent alors être très utiles dans l'analyse et la classification des maladies respiratoires.

2. Objectif de la thèse

L’objectif principal de cette thèse est la contribution au développement de techniques de traitement et d’analyse du signal ECG ainsi que le signal respiratoire pour la classification et la discrimination des maladies cardiaques et respiratoires en se basant sur les opérateurs et les systèmes d’ordres fractionnaires. Ces techniques de traitement, d’analyse, de classement et de discrimination des maladies cardiaques et respiratoires se partagent en trois étapes. La première étape est la modélisation par des systèmes fractionnaires d’ordre commensurable du contenu fréquentiel du complexe QRS du signal ECG et de l‘impédance d’entrée du système respiratoire. La seconde étape est l’extraction des paramètres des systèmes fractionnaires d’ordre commensurable pour les utiliser comme paramètres pertinents pour la classification et la discrimination. La dernière étape consiste à l’utilisation et au développement d’algorithmes de classification et de discrimination des maladies cardiaques et respiratoires ainsi que l’authentification biométrique.

3. Organisation de la thèse

Cette thèse comporte les chapitres suivants:

Chapitre I :

Ce chapitre présente la description de l'anatomie du système cardiovasculaire et le fonctionnement de l’électrocardiogramme (ECG) ainsi que la physiologie des différentes composantes et les caractéristiques du système respiratoire et la technique de mesure de l’impédance du système respiratoire.

Chapitre II :

Ce chapitre est consacré aux principales définitions, propriétés, approximations et implémentations des opérateurs et systèmes d’ordre fractionnaires, ainsi que leur application en biologie et en médecine.

Chapitre III :

Ce chapitre introduit quelques méthodes d’identification dans le domaine fréquentiel des systèmes linéaires d’ordre fractionnaire. Il présente la modélisation du contenu fréquentiel du complexe QRS de l’ECG et de l’impédance d’entrée du système respiratoire par des modèles linéaires fractionnaires d’ordre commensurable à partir des mesures expérimentales utilisant les techniques d’identification introduites au début du chapitre. Des séries de tests ont été effectuées pour évaluer l’efficacité et la fiabilité de la modélisation proposée en utilisant des bases de données pour l’ECG et le système respiratoire.

Chapitre IV :

Ce chapitre présente des techniques de classification et de discrimination des arythmies cardiaques et des maladies respiratoires en se basant sur les paramètres des modèles fractionnaires du contenu fréquentiel du complexe QRS de l’ECG et de l’impédance d’entrée du système respiratoire considéré comme paramètre pertinent en utilisant différents classificateurs. Des séries de tests et de comparaisons ont été effectuées pour évaluer l'efficacité des différentes méthodes de classification des arythmies cardiaques et des maladies respiratoires proposées en utilisant des bases de données pour l’ECG et le système respiratoire.

Chapitre V :

Ce chapitre introduit, en premier lieu, les notions générales sur la biométrie, ses propriétés ainsi que les différentes modalités biométriques. Il présente ensuite une méthode d'identification biométrique en utilisant le classificateur KNN en se basant sur les paramètres du modèle fractionnaire du contenu fréquentiel du complexe QRS du signal ECG et des paramètres temporels du complexe QRS. Des séries de tests ont été effectuées pour évaluer l'algorithme de reconnaissance humaine proposé en utilisant la base de données MIT-BIH.

Introduction aux systèmes

cardiovasculaire et respiratoire

I.1 Introduction ……….. 5

I.2 Système cardiovasculaire………. 6

I.2.1 Le cœur ……….. 7

I.2.1.1 Activité mécanique du cœur ……… 8

I.2.1.2 Activité électrique du cœur ……….…. 9

I.2.2 L’électrocardiogramme……… 10

I.2.2.1 Ondes et intervalles de l’ECG ………. 10

I.2.2.2 Enregistrement de l’ECG: Dérivations de l’ECG………. 12

I.2.3 Troubles du rythme et de la conduction cardiaque……….….. 13

I.2.3.1 Les battements prématurés………... 15

I.2.3.1.1 Les battements auriculaires prématurés………. 15

I.2.3.1.2 Les battements ventriculaires prématurés……….…. 15

I.2.3.2 Tachyarythmies supra-ventriculaires………. 16

I.2.3.2.1 Fibrillation auriculaire……….... 16

I.2.3.2.2 Flutter auriculaire……….. 17

I.2.3.2.3 Tachyarythmie auriculaire……….. 17

I.2.3.2.4 Tachyarythmie ventriculaire………... 17

I.2.3.3 Bradyarythmies………. 18

I.2.3.3.1 Bloc des branches atrio-ventriculaire………. 18

I.2.3.3.2 Dysfonctionnement sinusal………... 18

I.3 Le système respiratoire ……….. 19

I.3.1 L’anatomie de l’appareil respiratoire……… 19

I.3.1.1 Le nez……….. 20 I.3.1.2 Pharynx……… 21 I.3.1.3 Larynx……….. 21 I.3.1.4 Trachée……… 21 I.3.1.5 Bronches……….. 21 I.3.1.6 Poumons……….. 21

I.3.1.7 Muscles respiratoires……… 22

I.3.2 La physiologie respiratoire………... 22

I.3.2.1 L’inspiration………. 22

I.3.2.2 L’expiration ………. 22

I.3.2.3 Ventilation pulmonaire………. 23

I.3.2.4 Respiration externe………... 23

I.3.2.5 Respiration interne………... 24

I.3.2.6 Transport des gaz………. 24

I.3.3 Anomalies pulmonaires spécifiques………. 25

I.3.3.1 Maladie pulmonaire obstructive chronique………... 25

I.3.3.2 L'asthme ……….. 25

I.3.3.3 La fibrose kystique ou la mucoviscidose………... 26

I.3.3.4 Cyphoscoliose……….. 27

I.3.4 Impédance du système respiratoire……….. 28

I.3.4.1 Introduction………. 28

I.3.4.2 Principe de l’appareil FOT de mesure de l’impédance………... 28

I.4 Conclusion ……… 29

I

I.1 Introduction

Le système cardio-respiratoire se réfère généralement à l'interaction du cœur, des vaisseaux sanguins et des poumons. Le système cardio-respiratoire se compose de deux appareils séparés : l’appareil cardiovasculaire et l’appareil respiratoire

Les deux appareils du système cardio-respiratoire fonctionnent pour fixer et transporter de l'oxygène aux cellules et éliminer les déchets du corps. Les artères transportent du sang riche en oxygène au corps ; tandis que les veines transportent du sang appauvri vers les poumons pour reconstituer l'apport d'oxygène du corps comme le montre la figure (I.1).

Figure (I.1) : Système cardio-respiratoire

Ce chapitre se décompose en deux parties principales :

 la première partie décrit l'anatomie du système cardiovasculaire du point de vue morphologique et structurel ainsi que le fonctionnement de l’électrocardiographe(ECG).  la seconde partie introduit la physiologie des différentes composantes ainsi que les

caractéristiques du système respiratoire. Elle introduit aussi l’appareil basée sur la technique d’oscillation forcée pour mesurer l’impédance du système respiratoire.

I.2 Système cardiovasculaire

Le système cardiovasculaire (SCV) est un ensemble d’organes qui permet la circulation du sang dans tout l’organisme à travers le réseau de vaisseaux sanguins. Le SCV est constitué du cœur (pompe), des vaisseaux sanguins (artères et veines) qui constituent le circuit de transport et du sang (liquide circulant). La figure (I.2) représente le schéma de la circulation sanguine dans le système cardiovasculaire. Pour plus de détail sur le SCV, on peut consulter la référence [41].

I.2.1 Le cœur

Une véritable pompe, le cœur est un organe fibro-musculaire ayant une forme conique ; il pèse entre 250-350g chez un adulte et il est situé dans la partie gauche du thorax du corps humain. Son fonctionnement principal est d’assurer la circulation du sang dans les vaisseaux sanguins et les cavités du corps par des contractions rythmées [41]. La figure (I.3) montre la vue postérieure du cœur [41].

Figure (I.3) : Vue postérieure du cœur

Le cœur est constitué essentiellement de deux parties : cœur gauche (plus volumineux) et cœur droit séparés par une paroi verticale qui s'appelle le septum. Chaque partie est partagée en deux chambres ou cavités séparées eux-mêmes par une valve. La cavité inférieure de chaque partie du cœur s'appelle oreillette et la cavité supérieure de chaque partie du cœur s'appelle aussi le ventricule [41]. Le circuit de transport du système vasculaire est alors composé d'artères, d'artérioles, de capillaires, de veinules et de veines.

• Les artères : les ventricules livrent le sang aux grandes artères sous forte pression (pression systolique). Pour accommoder une telle pression, la paroi de ces artères est alors dotée de propriétés élastiques. Les artères les plus importantes sont : l'artère pulmonaire qui

conduit le sang du ventricule droit vers les poumons, l'artère aorte et les grosses artères qui conduisent le sang vers la périphérie.

• Les petites artères ou artérioles: ce sont des vaisseaux sanguins de 40 à 110 µm de diamètre qui se raccordent et se ramifient au départ d'une artère vers des terminaisons artérielles débouchant sur des capillaires. Les artérioles, comme les artères mais, à la différence des capillaires, sont pourvues de nombreuses fibres élastiques et musculaires qui leur permettent de se contracter ou de se relâcher (sous l'action de l'histamine) afin d'adapter le débit du sang en fonction des besoins des tissus.

• Les capillaires sanguins: ils sont des segments vasculaires très grêles dont le diamètre est compris entre 3 et 10 µm. Ils sont très nombreux, extrêmement souples et élastiques. Les capillaires sanguins sont reliés aux veines et artères, et transportent les nutriments, notamment le glucose, et l'oxygène aux tissus des différents organes du corps. • Les veinules : elles sont reliées aux capillaires et sont chargées du retour du flux sanguin

en direction du cœur.

• Les veines : elles ferment le circuit de transport sanguin et ont pour fonction de ramener le sang à l’oreillette droite du cœur.

Le cycle de la circulation sanguine se répète constamment et entraine une séquence d’événements mécaniques et électriques appelé l’évolution cardiaque.

I.2.1.1 Activité mécanique du cœur

La circulation sanguine du cœur consiste en trois étapes majeures : la systole auriculaire, la systole ventriculaire et la diastole [41]. Dans la systole auriculaire, les oreillettes se contractent et projettent le sang vers les ventricules comme il est montré dans la figure (I.4). Une fois le sang expulsé des oreillettes, les valvules auriculo-ventriculaires entre les oreillettes et les ventricules se ferment pour éviter un reflux du sang vers les oreillettes. La fermeture de ces valvules produits le son familier du battement du cœur. La systole ventriculaire, illustrée aussi dans la figure (I.4), implique la contraction des ventricules pour expulser le sang vers le système circulatoire. Une fois le sang expulsé, les deux valvules sigmoïdes la valvule pulmonaire à droite et la valvule aortique à gauche se ferment. Enfin, la diastole est la relaxation de toutes les parties du cœur permettant le remplissage passif des oreillettes du sang arrivant du système circulatoire. Les phases de contractions harmonieuses des oreillettes et des ventricules sont commandées par la

propagation d'une impulsion électrique. Lorsque la fréquence cardiaque change, la diastole est raccourcie ou rallongée tandis que la durée de la systole reste relativement la même.

(a) Systole auriculaire (b) Systole ventriculaire Figure (I.4) : Principe des systoles auriculaires et ventriculaires

I.2.1.2 Activité électrique du cœur

La contraction du myocarde, le muscle du cœur, dans le cas d’un rythme sinusal normal est provoquée par la propagation d’une impulsion électrique le long des fibres musculaires cardiaques induite parla dépolarisation des cellules musculaires. Donc, les phénomènes mécaniques du cycle cardiaque sont liés directement aux événements électriques [42]. La propagation de l’activité électrique au sein du cœur est assurée par le réseau de conduction électrique présenté schématiquement sur la figure (I.5).

C'est au sein du nœud sinusal (NS), (situe dans la partie haute de la paroi intérieure de l'oreillette droite), que l'activité électrique prend naturellement naissance. Structure d'un centimètre de diamètre à la jonction de la veine cave supérieure et de l'oreillette droite, le nœud sinusal est le stimulateur cardiaque "pacemaker" physiologique qui émet 60 à 100 stimuli par minute en fonctionnement normal [42]. Une impulsion électrique prend naissance dans le NS, puis elle se propage à tout l'étage auriculaire jusqu'au nœud auriculo-ventriculaire (NAV) qui présentent une conduction électrique lente (approximativement 100 ms). Cette propriété physiologique de conduction électrique lente du NAV permet de protéger les ventricules d'un nombre excessif d'activations du NAV et d'activations auriculaires et concède aux oreillettes un temps de vidange plus grand, ce qui optimise la contraction ventriculaire. Le NAV filtre les impulsions électriques qui lui parviennent, élimine une partie de ces impulsions, coordonne le reste de ces impulsions et fait un influx électrique homogène transmis au faisceau de His, localisé dans la partie haute du septum inter-ventriculaire et composé de deux branches principales allant chacune dans un ventricule. Enfin, l'influx électrique aboutit au réseau de Purkinje qui le conduit aux parois ventriculaires. Les fibres de Purkinje sont des fibres musculaires spécialisées permettant une bonne conduction électrique assurant ainsi la contraction simultanée des parois ventriculaires [42]. On note que la seule voie de propagation de l'influx électrique entre les chambres du cœur (oreillettes et ventricules) est assurée à traves le nœud AV et le faisceau de His comme le montre le schéma de la figure (I.5) [43].

I.2.2 L’électrocardiogramme

L’électrocardiogramme (ECG) est considéré comme un outil de diagnostic non invasif qui permet de détecter l’évolution du champ électrique dans le muscle cardiaque sur le plan frontal (par les dérivations des membres) et sur le plan horizontal (par les dérivations précordiales). L'enregistrement de l'évolution temporelle de cette activité électrique du cœur par des électrodes placées sur la paroi thoracique et les membres constitue l'ECG qui se présente comme une séquence de déflexions ou ondes superposées à une ligne de potentiel zéro, appelée ligne isoélectrique ou ligne de base. Ces déflexions sont dites positives si elles sont situées au-dessus de la ligne isoélectrique sinon elles sont dites négatives.

I. 2.2.1 Ondes et intervalles de l’ECG

Comme il est montré dans la figure (I.6), le signal ECG normal contient essentiellement trois types d’ondes qui sont respectivement l’onde P, le complexe QRS et l’onde T. Ces ondes sont

reliées par des segments ou des intervalles isoélectrique dénommés respectivement le segment PR, le segment ST et le segment QT.

Figure (I.6) : Forme d’un électrocardiogramme normal

L’onde P : cette onde corresponde à la dépolarisation des oreillettes. C’est le courant électrique issu du nœud sinusal qui traverse les oreillettes entrainant leur contraction. L’onde P est une onde monophasique arrondie qui est caractérisée par une durée de 0.08 à 0.1 secondes et d’une amplitude inferieur à 2 mV.

Le Complexe QRS : cette onde correspond à la dépolarisation des ventricules. Après sa propagation à travers les oreillettes, le courant électrique issu du nœud sinusal atteint le nœud auriculo-ventriculaire. Ensuite, il se propage lentement en quelques millisecondes à travers le faisceau de His. Enfin, il abouti au réseau de fibres de Purkinje assurant ainsi une contraction simultanée des parois ventriculaires. Le complexe QRS est caractérisé par de grandes amplitudes et une durée relativement rapide comprise entre 0.06 et 0.1 seconde.

L’onde T : cette onde est due à la repolarisation des ventricules où les cellules des ventricules se rechargent pour la dépolarisation suivante. Elle survient pendant la diastole et ne témoigne d'aucun événement mécanique. C'est un phénomène purement électrique pendant lequel les ventricules redeviennent stimulables.

Intervalle ST : c’est l’intervalle entre la fin de l’onde S et le début de l’onde T. Il correspond au début de la repolarisation ventriculaire. Sa durée est comprise entre 50 et 150 ms.

Intervalle QT : cet intervalle englobe le complexe QRS et l’onde T. Il représente la durée totale de la dépolarisation et de la repolarisation ventriculaire. La durée de cet intervalle est inversement proportionnelle à la rapidité du rythme cardiaque (l’intervalle est court si le rythme est rapide). Sa durée est normalement comprise entre 350 et 440 ms.

Intervalle P-R : c’est un segment isoélectrique qui sépare l’onde P (dépolarisation auriculaire) du complexe QRS (dépolarisation ventriculaire). Il reflète la propagation du courant électrique à travers le faisceau de His jusqu’au réseau de fibres de Purkinje. Sa durée est normalement comprise entre 120 et 200 ms.

I. 2.2.2 Enregistrement de l’ECG: Dérivations de l’ECG

Selon le nombre et l’emplacement d’électrodes réparties sur le thorax et les membres, les différences de potentiel peuvent être enregistrées en même temps à partir d’un appareil électro cardiographique. Chaque mesure de ces potentiels correspond à une dérivation de l'ECG. Un système de dérivations consiste en un ensemble cohérent de dérivations, chacune étant définie par la disposition des électrodes sur le corps du patient. L'emplacement des électrodes est choisi de façon à explorer au maximum le champ électrique du cœur. En pratique, douze dérivations sont utilisées dans les plans frontal et transversal pour explorer l’activité électrique du cœur. Donc, les différentes dérivations sont données comme suit:

Dérivations standard d’Einthoven : le système standard d’Einthoven est basé sur une technique proposée par Einthoven qui a établi trois dérivations périphériques en disposant les électrodes sur le bras droit (R), le bras gauche (L) et la jambe gauche (F) formant ainsi un triangle équilatéral dont le cœur occupe le centre géométrique comme le montre la figure (I.7) [44]. Ces trois dérivations bipolaires sont les différences de potentiel entre les sommets du triangle et sont données comme suit :

 D1 permet de mesurer la différence de potentiel entre le bras gauche et le bras droit

R L

1

V

V

D





(I.1)  D2 permet de mesurer la différence de potentiel entre le bras droit et la jambe gauche

R

F

V

V

2

D





(I.2)  D3 permet de mesurer la différence de potentiel entre la jambe gauche et le bras gauche

L F

3 V V

Dérivations unipolaire : désignées par aVR, aVL et aVF comme il est montré sur la figure (I.7), ces dérivations permettent de mesurer la tension entre l'électrode exploratrice qui est placée près du cœur et les électrodes placées dans le bras droit (aVL), le bras gauche (aVL) et la jambe gauche (aVF). Chaque enregistrement représente la différence de potentiel d’une électrode et la moyenne des potentiels recueillis par les deux autres électrodes [44]. Alors, on a: 2 V V V aVR _R  L F (I.4) 2 V V V aVL _L R  F (I.5) 2 V V V aVF _F  L R (I.6) Ces trois dérivations unipolaires mesurent l’activité électrique donnée comme suit :

 Les dérivations D1 et aVL mesurent l’activité électrique de la paroi latérale du ventricule

gauche.

 Les dérivations D2, D3 et aVF mesurent l’activité électrique de la paroi inférieure du

cœur.

 La dérivation aVR mesure l’activité électrique de la paroi latérale du ventricule droit. Dérivations précordiales : désignés par V1à V6 sont des dérivations unipolaires fixées sur le

thorax par numéro de leur emplacement comme elles sont montrées sur la figure (I.7) [44]. Ces six dérivations unipolaires mesurent l’activité électrique donnée comme suit :

 V1 et V2 mesurent l’activité électrique du septum (cloison qui sépare les cavités droite et

gauche du cœur)

 V3 et V4 permettent de mesurer l’activité électrique de la pointe du cœur (l’apex)

 V5 etV6 mesurent l’activité électrique de la paroi latérale du ventricule gauche.

I.2.3 Troubles du rythme et de la conduction cardiaque

Dans le cas normal, le rythme cardiaque est compris entre 60 et 100 battements par minute (bpm) pendant le jour et entre 40 et 80 bpm pendant la nuit. Il est considéré normal quand il s’accélère en réponse à un effort physique. On parle d’une arythmie cardiaque lorsqu’on observe un rythme irrégulier. Donc, dans le quotidien clinique, si le rythme cardiaque d’une personne est moins de 60 bpm, sans que cela soit justifié, on dit que cette personne a une bradyarythmie et si son rythme est plus de 100 bpm, sans que cela soit justifié, on dit que cette personne a une tachyarythmie [45].

Le signal ECG est l’outil le plus utilisé par les médecins pour le diagnostic du dysfonctionnement cardiaque parce que sa mesure est non-invasive. L'arythmie cardiaque désigne un défaut de la régularité des battements du cœur, habituellement causé par des anomalies du système de conduction des impulsions qui commandent ces battements. Les arythmies sont classées selon le lieu où elles prennent naissance, l’oreillette ou le ventricule et selon l’effet qu’elles produisent, soit l’accélération ou le ralentissement des battements du cœur. Les anomalies physiologiques sont détectées par les déviations de leurs signaux ECG par rapport au signal ECG du rythme idéal qui est le rythme sinusal [45].

I.2.3.1 Les battements prématurés

Les battements prématurés qui peuvent provenir des oreillettes ou des ventricules sont l'arythmie cardiaque la plus fréquente. Ils surviennent chez des sujets ayant des cœurs normaux et chez des patients souffrant d'une maladie cardiaque d'une gravité plus ou moins grande. Les palpitations sont les principaux symptômes produits par les battements prématurés, quelle que soit leur origine. La sensation est produite par la contraction précoce des ventricules suivies, après une pause, par une contraction plus forte que la normale [46]. I.2.3.1.1 Les battements auriculaires prématurés

Les battements auriculaires prématurés sont produits par des anomalies de l'activité électrique atriale qui déchargent les oreillettes au début de la compétition avec la fonction normale du nœud sinusal. La forme ou la morphologie des ondes P des battements auriculaires prématurés est anormale, reflétant leur origine dans des endroits autres que dans le nœud sinusal. En général, les battements auriculaires prématurés tendent à avoir moins de signification clinique que les battements ventriculaires prématurés [45].

I.2.3.1.2 Les battements ventriculaires prématurés

Les battements ventriculaires prématurés se produisent chez tous les patients pendant un infarctus du myocarde et plus fréquemment chez ceux qui ont subi une plus grande quantité de lésions myocardiques. Beaucoup de patients ont des battements prématurés après la récupération de l'infarctus du myocarde. Parmi les autres causes qui donnent lieu à des battements ventriculaires prématurés figurent la cardiomyopathie, l'hypertension, la maladie pulmonaire, les cardiopathies congénitales, la chirurgie cardiaque, les troubles métaboliques, l'alcool et certains médicaments. Sur l'électrocardiogramme, la forme des complexes QRS des battements ventriculaires prématurés est anormale. Leur durée est prolongée et leur amplitude est souvent plus grande que la normale [45].

I.2.3.2 Tachyarythmies supra-ventriculaires

L’ensemble des tachyarythmies qui naissent au-dessus de la bifurcation du faisceau de His,régulières ou irrégulières, caractérisées par des complexes QRS normaux et de durée normale, à moins d'être déformées par un défaut de conduction intra-ventriculaire, sont appelées tachyarythmies supra-ventriculaires [46]. Les tachyarythmies supra-ventriculaires les plus courants sont la fibrillation auriculaire, le flutter auriculaire, la tachycardie auriculaire, la tachycardie auriculaire multifocale, la tachycardie supra-ventriculaire paroxystique et la tachycardie ectopique jonctionnelle [46]. La figure (I.8) montre la représentation de la tachyarythmie supra-ventriculaire sur le signal ECG.

Figure (I.8) : ECG d’une tachyarythmie supra-ventriculaire

I.2.3.2.1 Fibrillation auriculaire

La fibrillation auriculaire est l'arythmie cardiaque la plus soutenue et la plus fréquente. Elle augmente le risque d'accident vasculaire cérébral, le risque de l'embolie et la mortalité des adultes atteints de cardiopathies structurelles. L'électrocardiogramme des patients atteints de fibrillation auriculaire non traitée montre habituellement une vitesse ventriculaire rapide et irrégulière dans laquelle les ondes P sont remplacées par une ligne de base ondulée. La durée des complexes QRS est généralement normale. L'oreillette gauche est souvent agrandie et après de longues périodes de fibrillation auriculaire chronique perd la capacité contractile lorsque le rythme sinusal est rétabli [46]. La figure (I.9) présente le signal ECG dans le cas d’une fibrillation auriculaire.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 6 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Seconde m V

Figure (I.9) : ECG d’une fibrillation auriculaire

I.2.3.2.2 Flutter auriculaire

Le flutter auriculaire est une tachyarythmie supra-ventriculaire relativement rare qui se développe chez les adultes atteints de divers types de maladies cardiaques ou de maladies pulmonaires sévères. Le flutter auriculaire est caractérisé par un aspect en dent de scie sur l’électrocardiogramme [46].

I.2.3.2.3 Tachyarythmie auriculaire

La tachyarythmie auriculaire est une tachyarythmie supra-ventriculaire relativement rare. La tachyarythmie auriculaire est une anomalie du rythme cardiaque caractérisée par des contractions des ventricules du cœur survenant de manière irrégulière dont le rythme cardiaque est en général situé entre 120 et 200 bpm[46].

I.2.3.2.4 Tachyarythmie ventriculaire

Ce type de tachyarythmie se forme dans les ventricules et peut-être monomorphe et polymorphe. La tachyarythmie ventriculaire est une arythmie rare qui survient plus fréquemment chez les hommes que chez les femmes. La cause la plus fréquente de la tachycardie ventriculaire monomorphe est la maladie coronarienne chronique. L'électrocardiogramme présente une tachycardie rapide, régulière ou légèrement irrégulière, avec des complexes QRS de largeur supérieure à la normale et ayant l'apparence d'un bloc de branche droit ou gauche. Ces complexes QRS peuvent avoir une forme constante (monomorphe) ou changeante (polymorphe) [46]. Le signal ECG du cas de la tachyarythmie ventriculaire est montré dans la figure (I.10).

0 1 2 3 -1 0 1 2 Seconde m V

Figure (I.10) : ECG de la tachyarythmie ventriculaire I.2.3.3 Bradyarythmies

Les bradyarythmies correspondent à un rythme cardiaque plus lent que la moyenne, inferieur à 60 battements par minute. Ses origines ne sont pas seulement pathologiques (due à des maladies) mais également physiologiques (normale). Les bradyarythmies peuvent indiquer que les patients ont développé un bloc des branches auriculo-ventriculaires ou ont un dommage au nœud sinusal [46].

I.2.3.3.1 Bloc des branches atrio-ventriculaire

Les blocsatrio-ventriculaires de différents degrés se produisent rarement chez les patients avec

des cœurs normaux. En général, leur fréquence ventriculaire est lente et régulière. Un bloc atrio-ventriculaire de premier degré se manifeste dans le signal ECG par un intervalle P-R

prolongé. Dans un bloc cardiaque totale, les ondes P et les complexes QRS sont dissociés les uns des autres. Quand les complexes QRS sont étroits, le bloc est situé dans le nœud atrio-ventriculaire ou dans le faisceau de His et quand les complexes QRS sont larges le bloc est causé par une pathologie au-dessous de la jonction atrio-ventriculaire [46]. Un exemple du signal ECG d’un bloc de branche gauche est représenté dans la figure (I.11).

I.2.3.3.2 Dysfonctionnement sinusal

Le syndrome de dysfonctionnement sinusal englobe les bradyarythmies qui sont dues au fonctionnement anormal du nœud sinusal. Ce phénomène affecte principalement les personnes âgées et se caractérise par des palpitations, des vertiges voir des évanouissements

de nombreux patients souffrant du syndrome de dysfonctionnement sinusal ont également des tachyarythmies supra-ventriculaires [46]. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 Seconde m V

Figure (I.11) : ECG d’un Bloc de branche gauche

I.3 Le système respiratoire

Le système respiratoire (appelé appareil respiratoire) est un système biologique constitué d'organes et de structures spécifiques utilisés pour le processus de respiration. Le système respiratoire est composé d’un ensemble d’organes travaillant ensemble pour permettre l’échange de gaz dans l’organisme.

I.3.1 L’anatomie de l’appareil respiratoire

La respiration représente l'ensemble des mécanismes par lesquels les cellules procèdent à des échanges gazeux avec l’extérieur [47]. Les principaux buts de la respiration sont [47]:

- Apporter aux cellules l’O2 dont elles ont besoin.

- Eliminer le CO2 produit dans les cellules.

Le système respiratoire est composé des parties suivantes : le nez, le sinus, le pharynx, le larynx, la trachée, les bronches, les poumons les muscles respiratoires comme le montre la figure (I.12) [47].

Figure (I.12) : Schéma de l’appareil respiratoire [47]

I.3.1.1 Le nez

Dans l’appareil respiratoire, le nez est la seule partie visible. Il se compose en deux parties : la première partie qui est la partie externe visible contient les narines, les ailes du nez, la pointe du nez, le dos du nez et la racine du nez et la seconde partie qui est la partie interne du nez contient les fosses nasales dont le rôle principal est le réchauffement, l’épuration et l’humidification de l’air.

I.3.1.2 Pharynx

Le pharynx, également connu sous le nom de la gorge, communique avec la bouche et l’œsophage d’une part et les fosses nasales et le larynx d’autre part. Le pharynx est divisé en 3 régions: le nasopharynx, l'oropharynx et le laryngopharynx. Le nasopharynx est utilisé juste pour la respiration. L'oropharynx et le laryngopharynx sont des passages communs à l'air et à la nourriture qui pénètre dans l'œsophage lors de la déglutition.

I.3.1.3 Larynx

Le larynx a deux fonctions principales. Il fait entrer l’air à passer dans les poumons et il est une source de vocalisation. Le larynx se compose de deux parties : l'os hyoïde et le cartilage qui contribue à réguler le flux d'air.

I.3.1.4 Trachée

La trachée est un tube d’environ de 13 centimètres de long en anneaux de cartilage hyalin en forme de la lettre C doublé d'épithélium cylindrique cilié pseudo stratifié. La trachée relie le larynx aux bronches et permet à l'air de passer par le cou et dans le thorax. Les anneaux de cartilage qui composent la trachée lui permettent de rester ouvert à l'air en tout temps. La fonction principale de la trachée est de fournir une voie aérienne claire pour l’entrée/ sortie de l'air des poumons.

I.3.1.5 Bronches

A l'extrémité inférieure de la trachée, la voie aérienne se divise en deux parties gauche et droite connues sous le nom de bronches primaires qui courent, respectivement, dans le poumon gauche et le poumon droit avant de se ramifier en petites bronches secondaires pour porter l'air dans les lobes des poumons. Dans chaque lobe, les bronches secondaires, à leur tour, se divisent en plusieurs petites bronches tertiaires qui se divisent eux même en plusieurs petites bronchioles qui se propagent dans les poumons. Chaque bronchiole se divise encore en un grand nombre de petites bronches de moins d'un millimètre de diamètres appelés bronchioles terminales. Tous ces millions de bronches et bronchioles conduisent l'air vers les alvéoles des poumons.

I.3.1.6 Poumons

Dans le corps humain il y a deux poumons un de chaque côté de la poitrine. Contrairement à d'autres organes appariés dans le corps, les deux poumons de droite et de gauche ne sont pas identiques. Le poumon droit est divisé en trois sections ou lobes et le poumon gauche est divisé en deux lobes uniquement puisqu’il a une échancrure appelée l'échancrure cardiaque pour faire place au cœur. Chaque lobe pulmonaire est divisé en segments. Les poumons sains

ont une surface lisse et brillante et contiennent des fibres élastiques qui permettent aux poumons de se dilater et se contracter. L'intérieur des poumons est composé de tissus spongieux contenant de nombreux capillaires et environ 30 millions de minuscules sacs connus sous le nom d'alvéoles. Les alvéoles sont des structures en forme de coupe qui se trouvent à la fin des bronchioles terminales et entourées de capillaires. Ces alvéoles sont bordées d'un épithélium squameux simple et fin qui permet à l'air entrant dans les alvéoles d'échanger ses gaz avec le sang qui traverse les capillaires.

I.3.1.7 Muscles respiratoires

Autour des poumons existent des ensembles de muscles qui sont capables de provoquer l’expiration de l'air par les poumons. Le muscle principal de la respiration dans le corps humain est le diaphragme qui une mince feuille de muscle squelettique qui forme le plancher du thorax. Lorsque le diaphragme se contracte il se déplace vers le bas quelques pouces dans la cavité abdominale en élargissant l'espace dans la cavité thoracique et en tirant de l'air dans les poumons. La relaxation du diaphragme permet à l'air de s'écouler vers l'extérieur des poumons pendant l'expiration.

I.3.2 La physiologie respiratoire

La physiologie du système respiratoire est l’étude des mécanismes de conduction de l’oxygène (O2) du milieu ambiant jusqu’aux cellules et les mécanismes de rejet du dioxyde de

carbone (CO2) à partir du métabolisme. La ventilation pulmonaire assure les échanges gazeux

entre les cellules pulmonaires et le sang. La circulation sanguine permet la transportation de l’oxygène et exportation du CO2 entre les différentes cellules de l’organisme [47].

I.3.2.1 L’inspiration

L’inspiration est un phénomène actif qui permet l’entrée d’un flux d’air de la bouche vers les alvéoles. Il consiste à l’augmentation du volume thoracique à partir de la contraction des muscles respiratoires. Cette augmentation tire à son tour sur le tissu pulmonaire et diminue la pression des poumons qui devient inferieure à la pression atmosphérique.

I.3.2.2 L’expiration

L’expiration est un phénomène passif qui se produit lors du relâchement des muscles respiratoires et du retour de la cage thoracique au point de repos grâce aux forces élastiques des poumons. Ce phénomène permet aux poumons de reprendre leur valeur initiale et de rejeter le gaz plus riche en dioxyde de carbone.

I.3.2.3 Ventilation pulmonaire

La ventilation pulmonaire est le processus de déplacement de l'air dans les poumons et hors des poumons pour faciliter l'échange de gaz. Le système respiratoire utilise à la fois un système de pression négative et la contraction des muscles pour obtenir une ventilation pulmonaire. Le système de pression négative du système respiratoire implique l'établissement d'un gradient de pression négative entre les alvéoles et l'atmosphère externe. La membrane pleurale scelle les poumons et maintient les poumons à une pression légèrement inférieure à celle de l'atmosphère lorsque les poumons sont au repos. Ce phénomène va donc permettre l'entrée de l'air en suivant le gradient de pression et le remplissage passif des poumons au repos. Lorsque les poumons se remplissent d'air, la pression dans les poumons augmente jusqu'à ce qu'elle arrive à la pression atmosphérique. A ce stade, plus d'air peut être inhalé par la contraction du diaphragme et les muscles intercostaux externes qui augmentent le volume du thorax et conduisant ainsi à la réduction de la pression des poumons en dessous de celle de l'atmosphère à nouveau. Pour expirer l'air, le diaphragme et les muscles intercostaux externes se détendent tandis que les muscles intercostaux internes se contractent pour réduire le volume du thorax et augmenter la pression dans la cavité thoracique. Le gradient de pression est maintenant inversé entrainant l'expiration de l'air jusqu'à ce que les pressions à l'intérieur des poumons et à l'extérieur du corps soient égales. A ce stade, la nature élastique des poumons les fait revenir à leur volume de repos rétablissant ainsi le gradient de pression négative présent lors de l'inhalation.

I.3.2.4 Respiration externe

La respiration externe est l'échange de gaz entre l'air remplissant les alvéoles et le sang dans les capillaires entourant les parois des alvéoles. La pression partielle de l’O2 de l’air de

l'atmosphère dans les alvéoles des poumons est plus élevée que la pression partielle de l’O2 du

sang des capillaires pulmonaires et la pression partielle du CO2 de l’air de l'atmosphère dans

les alvéoles des poumons est moins élevée que la pression partielle du CO2 du sang des

capillaires pulmonaires. Ces différences de pression partielles font que les gaz diffusent passivement le long de leurs gradients de pression de la haute à la basse pression à travers la doublure épithéliale squameuse simple des alvéoles. Donc, le résultat net de la respiration externe est le mouvement de l'oxygène de l'air dans le sang et le mouvement du dioxyde de carbone du sang dans l'air. L'oxygène peut alors être transporté vers les tissus du corps tandis que le dioxyde de carbone est libéré dans l'atmosphère pendant l'expiration. L’échange gazeux dans les poumons est représenté dans la figure (I.13).

Figure (I.13) : Echange gazeux dans les poumons

I.3.2.5 Respiration interne

La respiration interne est l'échange de gaz entre le sang dans les capillaires et les tissus du corps. Le sang capillaire a une pression partielle plus élevée de l'O2 et une pression partielle

moins élevée du CO2 que les tissus à travers lesquels il passe. La différence des pressions

partielles conduit à la diffusion de l’O2et du CO2 le long de leurs gradients de pression de

haute à basse pression à travers la doublure endothelium des capillaires. Le résultat net de la respiration interne est la diffusion de l'O2 dans les tissus et la diffusion du CO2 dans le sang.

I.3.2.6 Transport des gaz

Les deux principaux gaz respiratoires, l'O2 et le CO2, sont transportés à travers le corps dans

le sang. L'hémoglobine, une molécule des globules rouges, transporte près de 99% de l'O2

dans le sang. Elle peut également transporter une petite quantité du CO2 des tissus vers les

poumons. Cependant, la grande majorité du CO2 est transporté dans le plasma sous forme

I.3.3 Anomalies pulmonaires spécifiques

I.3.3.1 Maladie pulmonaire obstructive chronique

La maladie pulmonaire obstructive chronique (COPD) est une maladie pulmonaire caractérisée par un mauvais écoulement de l'air dans les poumons [47]. Elle est une maladie progressive qui s'aggrave au fil du temps. Le figure (I.14) montre la différence entre la branchiale d’un sujet sain et branchiale d’un sujet avec la COPD. Les principaux symptômes de la COPD incluent l'essoufflement et la toux avec production d'expectoration (crachats) [38]. La COPD résulte de trois grands événements physiopathologiques dans les poumons :

• une infection chronique causée par l'inhalation de la fumée (tabac) ou d'autres substances qui irritent les bronches et les bronchioles ;

• l'infection, l'excès de mucus et de l'œdème inflammatoire de l'épithélium bronchiolaire ensemble provoquent l'obstruction chronique des voies respiratoires plus petites ; • l'obstruction des voies respiratoires qui provoque le piégeage de l'air dans les poumons

(effet de thorax en tonneau) conduisant à une surexploitation des alvéoles.

Figure (I.14) : Illustration d’une bronche normale et une bronche chronique obstructive

I.3.3.2 L'asthme

L'asthme est une maladie chronique impliquant les voies bronchiques dans les poumons. Les crises d'asthme sont généralement déclenchées par de nombreux allergisants : acariens, poils d'animaux domestique, pollens, moisissures, polluants atmosphériques, fumée de tabac et même certains aliments. Ces substances, quand elles pénètrent dans l'appareil respiratoire, agressent les cellules qui tapissent l'intérieur des bronches, entraînant la contraction des