Conversion numérique de signaux biologiques de faibles intensités pour les applications biomédicales

Digital conversion of low-level biological signals for biomedical applications

• Auteur / Autrice : Béatrice Guénégo
• Direction : Philippe Bénabes, Caroline Lelandais-Perrault, Emilie Avignon-Meseldzija
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Robert Sobot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rachid Bouchakour, Patricia Desgreys, Sylvain Feruglio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rachid Bouchakour, Patricia Desgreys

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés

Microélectronique

Électrocardiographie

Ischémie

Mots clés libres

Ischémie cardiaque

Électrocardiogramme (ECG)

Distorsion du signal

Transformée en ondelettes

Circuit intégré

Cardiac ischemia

Electrocardiogram (ECG)

Signal distorsion

Wavelet transform

Integrated circuit

Résumé

L'ischémie cardiaque est une pathologie cardiaque qui est, selon l'Organisation Mondiale de la Santé, la première cause de mortalité. Il s'agit d'une vascularisation insuffisante des cellules du myocarde qui, si elle perdure, entraîne un infarctus cardiaque, c'est-à-dire la nécrose d'une partie du cœur, et met en danger la vie du patient. Néanmoins, si l'ischémie est prise en charge à temps, elle peut n'avoir aucune conséquence sur la santé du patient. Un système embarqué permettant de détecter l'ischémie cardiaque sur des durées longues, sans nécessiter une surveillance de la part du personnel médical, et qui fournirait des alertes permettrait aux patients d'être pris en charge plus tôt, augmentant ainsi leurs chances d'éviter l'infarctus.L'électrocardiogramme (ECG) est une mesure de l'activité électrique du cœur couramment utilisée en médecine pour effectuer un premier diagnostic. Elle permet de détecter de nombreuses pathologies cardiaques via un examen de la morphologie du signal et des intervalles de temps entre les différents évènements. Le diagnostic d'ischémie s'appuie sur les variations de la partie de l'ECG désignée comme le segment ST. Il existe déjà des systèmes embarqués s'appuyant sur l'ECG pour détecter des troubles du rythme cardiaque, mais aucun ne détecte l'ischémie. Dans ce contexte, l'originalité de ce travail de thèse est la conception d'un système intégré qui sera à même de détecter spécifiquement les variations du segment ST pour détecter l'ischémie. Les principaux verrous à la conception d'un tel système sont la préservation du segment ST pendant l'étape d'acquisition et la définition d'un traitement du signal adapté à l'électronique intégrée (consommation, complexité, préservation du segment ST).Par conséquent, dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié la conception d'un système intégré adapté à l'acquisition et au traitement de l'ECG dans le cadre de la détection de l'ischémie cardiaque. Les différents circuits, simulations et « layouts » produits ont été réalisés en 180 nm, dans la technologie XFAB xh018. La norme sur les performances minimales des électrocardiogrammes éditée par l'International Electrotechnical Commission (IEC) a été utilisée comme référence pour la quantification de la distorsion du segment ST. Nous avons tout d'abord conçu un étage d'acquisition analogique depuis le niveau système jusqu'au niveau transistor. Des simulations de cet étage ont ensuite été réalisées pour confirmer son adéquation avec la norme IEC et pour estimer sa consommation. La conception d'un convertisseur analogique-numérique n'apportant pas de nouveauté par rapport à l'état de l'art, elle n'a pas été abordée pendant cette thèse. Nous avons ensuite étudié une implémentation de la transformée en ondelettes discrète en intégré, transformée utilisée pour éliminer le bruit et obtenir des informations sur les points caractéristiques du signal tout en conservant la possibilité d'une reconstruction du signal. Pour qualifier les performances de ce traitement numérique, nous avons simulé une implémentation de l'algorithme de Mallat en Python, qui a ensuite été réalisée en VHDL, et enfin un placement-routage de ce circuit numérique a été effectué pour plusieurs ondelettes. De cette manière, les «layouts» et les résultats des simulations «post-layout» ont permis de déterminer quelle ondelette offre le meilleur compromis entre la distorsion du signal, l'élimination de la «baseline wander», la consommation, et la surface du circuit.L'ensemble de ce travail couvre donc la conception et le dimensionnement des blocs essentiels d'une chaîne d'acquisition de l'ECG dédié à la détection du segment ST qui soit intégrable sur une puce. Il pourra être complété par l'implémentation d'une méthode embarquée de prise de décision avant la réalisation physique d'une puce électronique.

According to the World Health Organization, cardiac ischemia is the world's leading cause of death. Ischemia is an insufficient vascularization of myocardial cells, which, if prolonged, leads to the necrosis of part of the heart, i.e., a cardiac infarction, endangering the patient's life. However, if ischemia is treated in time, it can have no impact on the patient's health. An embedded system that detects cardiac ischemia over long periods, without requiring medical staff monitoring, and provides alerts would enable patients to be taken care of earlier, increasing their chances of avoiding a heart attack.The electrocardiogram (ECG) is a measurement of the heart's electrical activity, commonly used in medicine to make an initial diagnosis. Examining the signal morphology and the time intervals between different events gives hints of eventual pathologies. The diagnosis of ischemia is based on variations in the part of the ECG named ST segment. Some embedded systems using the ECG to detect cardiac arrhythmias already exist, but none target cardiac ischemia. In this context, the originality of this work is in the design of an integrated system that can detect ST segment variations for ischemia diagnosis. The main difficulties of such a system's design are ST segment preservation during the acquisition stage and the conception of a signal processing method adapted to integrated circuits (power consumption, complexity, ST segment preservation).In this thesis, we studied the design of an integrated system for ECG acquisition and processing for cardiac ischemia detection. The various circuits, simulations, and layouts were realized in 180 nm using XFAB xh018 technology. The standard giving minimum performance for electrocardiograms published by the International Electrotechnical Commission (IEC) was used to quantify ST-segment distortion. We first designed an analog acquisition stage from the system to the transistor level. Simulations of this stage were then carried out to confirm its compliance with the IEC standard and to estimate its power consumption. As the design of an analog-to-digital converter is not new to the state of the art, it was not addressed during this thesis. Then, we conceived an integrated implementation of the discrete wavelet transform, used to eliminate noise and obtain information on the signal's fiducial points while retaining the possibility of reconstructing the signal. We first simulated an implementation of Mallat's algorithm in Python, which was then realized in VHDL, and finally, the place and route step was carried out for several wavelets. Layouts and post-layout simulation results were used to determine which wavelet offered the best trade-off between signal distortion, baseline wander elimination, power consumption, and circuit area.This work covers the design and dimensioning of the essential blocks of an ECG acquisition chain dedicated to ST segment detection that can be integrated. It may be completed by implementing an embedded decision-making method before the physical realization of the chip.