Restauration et analyse de l'électrocardiogramme acquis pendant les examens d'imagerie par résonance magnétique

Restoration and analysis of the electrocardiogram acquired during magnetic resonance imaging

• Auteur / Autrice : Roger Abächerli
• Direction : Jacques Felblinger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et traitement du signal
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrocardiographie

Imagerie par résonance magnétique

Artefacts (sciences physiques)

Champs magnétiques

Résumé

L'électrocardiogramme (ECG) est utilisé en imagerie par résonance magnétique (IRM) pour le monitorage du patient et pour la synchronisation des séquences d'images. L'environnement de l'IRM (champ magnétique, gradients du champ magnétique temporels et ondes radiofréquence) complique la mesure de l'ECG et nécessite des développements spécifiques pour l'exploitation de ce signal. Dans la première partie, la thèse analyse les aspects de l'interférence de l'IRM sur l'ECG et réciproquement. Cette partie conclut par un modèle physique des interférences entre l'IRM et l'ECG. Grâce à ce modèle, on a pu construire un capteur ECG mieux adapté à l'environnement IRM. Dans la deuxième partie, la suppression des artefacts se superposant à l'ECG par logiciel est discutée. Un modèle mathématique est proposé qui servira de base à la suppression de ces artefacts. Le modèle linéaire et invariant dans le temps pour la génération des artefacts dus aux gradients IRM est vérifié et validé. Des méthodes de test pour la vérification des algorithmes de restauration de l'ECG sont définies. Des méthodes par FFT, par spectre de puissance croisé, par filtrage de Wiener et par la méthode des moindres carrés sont étudiées pour la restauration en temps différé du signal ECG. Le filtrage par Wiener s'est avéré optimal. Dans la troisième partie, une deuxième catégorie d'algorithmes est ensuite testée dans le cas de la restauration en temps réel. Les filtres adaptatifs LMS, RLS et leurs variantes sont analysés. Dans la synthèse de la thèse, le filtrage de Wiener est utilisé pour l'annotation manuel plus facile des ECG artefactés. Le filtre LMS ainsi qu'une module de détection QRS et classification des battements sont appliqués à une base de donnée d'ECG annoté pour montrer l'efficacité de la suppression en temps réel des artefacts dus aux gradients de champ magnétique.

The electrocardiogram (ECG) is used in magnetic resonance imaging (MRI) for patient monitoring and for synchronization of the MR images. The environment of MRI (magnetic field, magnetic field gradients and radiofrequency waves) complicates the acquisition of the ECG and needs specific developments. In the first part, the thesis analyses the interferences of the MRI on the ECG and vice versa. This part concludes with a physical model of the interferences between MRI and ECG. Thanks to this model an ECG sensor that is better adapted to the MRI environment has been constructed. In the second part, artefact suppression superposing the ECG signal by software is discussed. A mathematical model is proposed as base for the artefact suppression. The linear and time invariant model (LTI) of the gradient artefact generation is verified and validated. The test methods for the verification of restoration algorithms of the ECG are defined. For offline restoration, the method by FFT, by cross-power spectrum, Wiener filtering and least squares are studied. In the third part, a second category of algorithms is tested in case of online restoration. The LMS and RLS filters and their subtypes are analysed. In the summary, the Wiener filter is used for easier manual annotation of artefacted ECG. The LMS filter as well as a QRS detection and beat classification module are applied to a annotated ECG database in order to show the real-time suppression efficiency of the artefacts due to magnetic field gradient artefacts.