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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Hadj Lakhdar Batna 2 Faculté de Technologie Département d’Électronique Mémoire Présenté pour l’obtention du diplôme de MAGISTER en Électronique OPTION Traitement du signal Par LAMRAOUI HASNA Thème Caractérisation du signal phonocardiogramme Soutenu devant le jury composé de : Dr. BENOUDJIT Nabil Prof. Université de Batna Président Dr. BENYOUCEF Moussa Prof. Université de Batna Rapporteur Dr. BENZID Redha Prof. Université de Batna Co-Rapporteur Dr. SAIDI Lamir Prof. Université de Batna Examinateur Dr. MARIR Farid Prof. Université de Constantine Examinateur Année Universitaire 2015/2016 Remerciements Avant tout, je remercie Dieu de m'avoir donné la patience et la force pour réaliser ce présent travail. ( )ه الحمد  Je tiens à exprimer mes vifs remerciements à mon encadreur Monsieur: BENYOUCEF Moussa professeur à l’université de Batna, pour avoir dirigé mon travail, son aide m’a toujours été précieuse.  Je voudrais exprimer, ma gratitude et ma considération à Monsieur BENZID Redha, Professeur à l’université de Batna, pour avoir dirigé et suivi mon travail avec une attention soutenue.  Je remercie très sincèrement Monsieur le Professeur BENOUDJIT Nabil, de l’université de Batna, pour l’intérêt qu’il a manifesté pour ce travail et d’avoir accepté de présider le jury de ce travail.  J’adresse mes vifs remerciements à SAIDI Lamir, Professeur au département d’électronique de l’université de Batna, pour avoir accepté d’examiner ce travail  Je voudrais également exprimer mes vifs remerciements à monsieur MARIR Farid Professeur à l’université de Constantine pour l’honneur d’assister à ce jury et d’enrichir le manuscrit.  Enfin, j’exprime mes remerciements à tous ceux qui ont contribué de prés ou de loin à l’élaboration de ce travail. Dédicaces Je dédie ce modeste travail à : A mes très chers parents A mes sœurs A mes frères Et Surtout Dr. Soufi Lamia et Dr. Douha Leila L’ensemble des enseignants Tous mes collègues et ami(e)s sans exception Lamraoui Hasna Résumé Résumé Les sons et les souffles cardiaques fournissent des informations de diagnostic crucial pour plusieurs maladies cardiaques telles que le dysfonctionnement de la valve naturelle ou prothétique et l'insuffisance cardiaque. Les bruits cardiaques sont représentés par un signal phonocardiogramme (PCG). L’analyse de ce type de signal est basée sur la segmentation, qui est la première étape de l’analyse et la plus importante procédure dans le diagnostic automatique des bruits cardiaques. Ce mémoire présente l’implémentation d’un algorithme de segmentation basé essentiellement sur le filtrage passe-bas et la détection d’enveloppe. La série de Fourier a été utilisé comme une nouvelle méthode afin d'éliminer les souffles cardiaques. En ce qui concerne la localisation les sons fondamentaux cardiaques (S1 et S2), en utilisant la détection d’enveloppe est faite par deux méthodes, La première méthode basée sur La transformation en ondelettes continue et les caractéristiques statistiques d’un signal PCG (la variance), La deuxième méthode, basée sur l’énergie moyenne de Shannon normalisée, dans le but d’extraire les souffles diastolique et systolique de différents signaux PCG. Mots-clés : phonocardiogramme, pathologie, Segmentation, série de Fourier, enveloppe, Transformation en ondelettes continue, L’énergie de Shannon, seuil. Summary Heart sounds and murmurs provide crucial diagnosis information for several heart diseases such as natural or prosthetic valve dysfunction and heart failure. The heart sounds are represented by phonocardiogram signal (PCG). The Analysis of this type of signal based on segmentation, which is the first step in the analysis and the most important process in the automatic diagnosis of heart sounds. This memory present the implementation of a segmentation algorithm based primarily on the low-pass filtering and envelope detection. The Fourier series has been used as a new method to eliminate heart murmurs. With regard to the location the fundamental heart sounds (S1 and S2), using the envelope detection, which is done by two methods, The first method based on the processing of continuous wavelet transformation with the statistical characteristics of a signal PCG (variance), The second method, based on the average Shannon energy normalized in the purpose to extract the diastolic and systolic murmurs of different signals PCG. Key-Words: Phonocardiogram, pathological, Segmentation, Fourier series, envelope, Continuous Wavelet Transformation, Shannon energy, threshold. Table des matières I Table des matières Introduction générale I. Introduction ….………..……………………………………………..…………………. 1 II. But du travail …….…………………………………………………………………….. 3 III. Organisation du mémoire……….……….…………………...……..……….......….… 3 Chapitre I Le cœur humain et le phonocardiogramme I.1. Introduction….……………………………………………….…………………....….. 5 I.1.1. Le système cardio-vasculaire…………..…………………………………..…… 5 I.1.1.1. Le cœur humain……………………………………………………………..… 5 I.1.1.2. La circulation artérielle et veineuse …………………………..……………… 6 I.2. Le cœur…………………………………………………………………………..…… 7 I.2.1. Anatomie du cœur ……………………………………………………………… 7 I.2.1.1. Généralités……………………………………….……………………… 7 I.2.1.2. Le cœur droit …………………………..……………………………….. 8 I.2.1.3. Le cœur gauche ……………………………………………………….... 8 I.2.2. Les valves cardiaques……………………………………………………….….. 9 I.2.2.1. L’orifice tricuspide…………………………………………………..….. 9 I.2.2.2. L’orifice pulmonaire…………………………………….……………… 9 I.2.2.3. L’orifice mitral……………………….………..……………..………… 9 I.2.2.4. L’orifice aortique……………..…………………………………………. 10 I.2.3. La vascularisation du cœur ……………………………………………………... 10 I.2.4. L’activation électrique du cœur………………………………………….…….... 11 I.2.5. Le cycle cardiaque..………………………………………………………..….… 12 1. Système d’excitation…………………………………………………….…… 13 2. Système de couplage excitation-contraction……………............................… 13 Table des matières II 3. Système contractile ………………………………………………………….... 13 I.3. Phonocardiogramme……………………………………………………………...…… 13 I.3.1. Les courbes de pression………………………………………………….……… 14 I.3.1.1. La courbe de pression ventriculaire…………………………………..… 14 I.3.1.2. La courbe de pression auriculaire……………………………………..… 16 I.3.1.3. La courbe de pression au niveau des gros vaisseaux ……………..….… 16 I.4. Les sons et les souffles cardiovasculaires..…………………..………………….…… 17 I.4.1. Les sons cardiaques……………………………………………………...……… 17 I.4.1.1. Le premier son (S1) …………………………………………..………… 17 I.4.1.2. Le deuxième son (S2) ………………………………...………………… 17 I.4.1.3. L’ouverture de la mitrale………………………………………...……… 18 I.4.1.4. Le troisième son (S3) ………………………………………………...… 18 I.4.1.5. Le quatrième son (S4) …………………………………………...……... 18 I.4.2. Les souffles cardiaques…………………………………………………….…… 19 I.4.2.1. Les souffles diastoliques…………………………………………...…… 20 I.4.2.1.1. Rétrécissement mitral ………………………………………… 20 I.4.2.1.2. Insuffisance aortique…………………………………….…… 21 I.4.2.2. Les souffles systoliques…………………………………………………. 22 I.4.2.2.1. Rétrécissement aortique……………………….……………… 22 I.4.2.2.2. Insuffisance mitrale…………………………………………… 22 I.4.2.2.3. Rétrécissement pulmonaire…………………………………… 23 I.4.2.2.4. Communication inter-ventriculaire…………………………… 24 I.5. Le phonocardiographie………………………………………………………..……… 24 I.6. Electrocardiogramme…………………………………………………….…………… 25 I.7. Conclusion……………………………………………………………………..……… 26 Chapitre II Outils d’analyse : Séries de Fourier, la transformée en cosinus discrète et les ondelettes II. Introduction……………………………………………………………..……………… 28 Table des matières III II.1. Séries de Fourier…………………………………………………………………...… 29 II.1.1. Définition de la série de Fourier…………………………………………..…… 29 II.1.2. La série de Fourier discrète……………………………………………..……… 30 II.2. La transformée en cosinus discrète…………………………………………...……… 32 II.3. L'analyse par ondelettes……………………………………………………………… 33 II.3.1. La Transformée d’ondelette continue (CWT) …………………………….…… 34 II.3.2. Conditions mathématiques de validité d’une ondelette……………………...… 35 II.3.3. Transformation inverse………………………………………………………… 35 II.3.4. Transformée d’ondelette discrète (DWT) ……………………………………... 36 II.3.5. Décomposition de Mallat………………………………………….…………… 36 II.3.6. Filtrage en une seule étape: approximations et détails….……………………… 37 II.3.7. Fonction d’échelle……………………………………………………………… 38 II.3.8. Familles d’ondelettes………………………………………………………...… 39 II.3.8.1. Ondelette de Haar……………………………………………………… 39 II.3.8.2. Ondelettes de Daubechies…………………………….…...…………… 39 II.3.8.3. Ondelette de Meyr …………………………………………………...… 40 II.3.8.4. Ondelette de Morlet……………………………..…………………...… 40 II.3.8.5. Ondelette complexe de Morlet (cmorl) ……………………………...… 41 II.3.8.6. Ondelette complexe de Fréquency B-Spline…………………………… 42 II.3.8.7. Ondelette complexe de Shannon ……………………………………… 42 III.4. Conclusion………………………………………………………………...………… 43 Chapitre III Analyse des signaux PCG III.1.Introduction………………………………………………………………………..… 45 III.2. Les signaux PCG………………………………………………………………….… 45 III.3. Caractéristique fréquentielle du signal PCG…………………………………...…… 50 III.4. Segmentation des signaux PCG…………………………………………...………… 51 III.4.1. Algorithme de segmentation………………………………….………………… 51 III.4.1.1. Sous échantillonnage…………………………………………………… 52 Table des matières IV III.4.1.2. Application de la série de Fourier………………………………….…… 52 III.4.1.3. Détection d'enveloppe…………………………………………..……… 54 III.4.1.3.1. Première méthode : Application de la CWT…………………….. 54 III.4.1.3.1.1. Projection sur la base d’ondelette continue CWT……..… 54 III.4.1.3.1.2. Calcul de la variance de la matrice CWT ………….……. 55 III.4.1.3.1.3. Interpolation et seuillage de l’enveloppe………………… 57 III.4.1.3.1.4. Extraction du signal pathologique………………..……… 58 III.4.1.3.1.5. Résultats et discussion de la première méthode….……… 62 III.4.1.3.2.Deuxième méthode: L’énergie moyenne de Shannon…………… 63 III.4.1.3.2.1. Détection d'enveloppe par L‘énergie de Shannon……...… 63 III.4.1.3.2.2. Interpolation et seuillage de l’enveloppe……….………… 64 III.4.1.3.2.3. Extraction du signal pathologique…………………...…… 66 III.4.1.3.2.4. Résultats et discussion de la deuxième méthode …....…… 70 III.5. Conclusion………………………………………………...………………………… 71 Conclusion générale………………………………….…………………………………… 72 Bibliographie.………………………………………...…………………………………… 74 Liste des figures et des tableaux V Liste des figures Fig. I.1. Le cœur se situe dans le médiastin antérieur……………….…………...………...… 5 Fig. I.2. Le système artériel et le système veineux. ……………...………….………………. 6 Fig. I.3. Vue antérieure du cœur humain. Les grosses flèches montrent la direction du flux du sang dans cavités cardiaques………………………………………………..…… 8 Fig. I.4. Les valves intracardiaque : (a) systole, (b) diastole…………...…………...…….…. 10 Fig. I.5. Le tissu nodal……………………….………………………………………...……... 11 Fig. I.6. Cycle cardiaque……………………………………………….……….....……….… 13 Fig. I.7. Représentation des cycles cardiaques PCG d’un sujet normal……………………… 14 Fig. I.8. Courbe de pression…………………...…………………………………...…….…... 17 Fig. I.9. Représentation d’un cycle cardiaque contenant le signal (S3) …………………...… 18 Fig. I.10. Représentation d’un cycle cardiaque contenant le signal (S4) ……….…………...... 19 Fig. I.11. Caractérisation schématique des différentes variétés des souffles que l’on peut rencontrer pendant la révolution cardiaque (B1et B2 correspondent à S1 et S2)…………………………………………………………………………………... 20 Fig. I.12. Représentation d’un cycle cardiaque contenant une sténose mitrale…...………....... 21 Fig. I.13 Représentation d’un cycle cardiaque contenant une insuffisance aortique…………. 21 Fig. I.14. Représentation d’un cycle cardiaque contenant une Sténose aortique de forte intensité. …………………………………………………………………………..... 22 Fig. I.15. Présentation Représentation d’un cycle cardiaque contenant une régurgitation mitrale……………………………….……………………….………………..……. 23 Fig. I.16. Représentation d’un cycle cardiaque contenant une sténose pulmonaire accompagné par un son ou souffle S3. …………………...…………………...….… 23 Fig. I.17. Représentation d’un cycle cardiaque contenant une Communication inter- ventriculaire…………………………………………………………………………. 24 Fig. I.18. Phonocardiographie………………………………..…………………….………….. 25 Fig. I.19. Représentation d’un cycle cardiaque superposé avec l’onde ECG correspondante……………………............................................................................. 26 Fig. II.1. Synthèse de signal carrée par l'addition successive des harmoniques………………. 30 Liste des figures et des uploads/Litterature/ ing-hasna-lamraoui.pdf