, Il est ce qu'il est, pur et simple. -Elif Shafak Soufi, mon amour Ces travaux de thèse avaient pour objectif de répondre à la problématique de la surveillance foetale en fin de grossesse jusqu'à l'accouchement, pour laquelle la principale caractéristique clinique utilisée et analysée est le rythme cardiaque foetal (RCF) qui donne d'importantes informations sur l'état de santé général du foetus. Nous avons identifié différentes stratégies d'estimation et de suivi non-invasif du RCF à partir de signaux électrocardiographiques (ECG) et phonocardiographiques (PCG) qui fournissent des informations cardiaques complémentaires. Nous nous sommes imposés une importante contrainte clinique, à savoir l'utilisation de peu de capteurs à positionner sur l'abdomen maternel pour des soucis d'ergonomie et d'utilisabilité en routine clinique. Nous nous sommes ainsi limités à utiliser une paire d'électrodes et un microphone (figure 4.2, page 59) pour l'enregistrement des signaux ECG et PCG abdominaux (ECGa et PCGa). Ces derniers ne fournissent pas directement les signaux ECG et PCG foetaux (ECGf et PCGf). Plusieurs algorithmes de traitement du signal permettant d'extraire ces signaux ont été proposés dans la littérature, Les divisions ne conduisent qu'à plus de divisions. L'amour n'a pas d'étiquettes, pas de définitions, 2010.
, mais ne répondent pas toujours exactement aux contraintes d'ergonomie et/ou de robustesse que requiert la pratique clinique. La démarche que nous avons suivie pour l'estimation du RCF à partir de l'ECGf et du PCGf exploite les principes de la factorisation non-négative des matrices (NMF), 1994.
, une méthode de décomposition matricielle que nous appliquons aux spectrogrammes des signaux ECGf et PCGf. Cette représentation tempsfréquence est basée sur la transformée de Fourier à court-terme et est bien adaptée à l'analyse 1. W s : B = W s , ? l = I F (matrice identité de taille F) et ? r = H re f T s, 1999.
, T s : B = T s , ? l = W s H re f et ? r = I N
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, Influence des systèmes sympathique et parasympathique sur le coeur humain
, Tracé sur 16 mn d'enregistrement, vol.8
, Évolution des principaux outils cliniques de suivi foetal au fil des années
, Signaux temporels PCGa brut acquis par un microphone abdominal (haut) et PCGf obtenu après filtrage passe-bande 20 200 Hz du PCGa, p.10
, Dispositif médical cardiotocographe avec les deux capteurs de mesure du RCF et des contractions utérines à positionner sur l'abdomen maternel, p.11
, Tracé CTG où apparaissent des pertes de signaux RCF et RCM et des confusions entre RCF et RCM. RCF : courbe noire, RCM : courbe verte, contractions utérines : courbe bleue
, Premier ECGf enregistré par Cremer en 1906 utilisant un galvanomètre à cordes
, Fötus pour foetus et Mütter pour mère
, Disposition d'électrodes abdominales pour l'enregistrement de signaux ECG, 2011.
, Signaux temporels ECG brut (haut) acquis par une électrode abdominale et ECGf (bas) extrait après filtrage passe-haut 10 Hz et filtrage non-linéaire du signal ECG, p.14
, Dispositif médical de monitoring du foetus Monica AN 24 Monitor, p.15
, Positionnement de l'électrode à spire sur le scalp du foetus, p.15
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, Spectres de puissance d'un signal PCG abdominal brut, p.29
, Spectrogramme d'un signal temporel ECG (F s = 1 kHz, w = 64 ms, décalage = 1 ms, ratio de zéro-padding = 8)
, Spectrogramme d'un signal temporel PCG (F s = 1 kHz, w = 64 ms, décalage = 1 ms, ratio de zéro-padding = 8)
, PCG (bas) (F s = 1 kHz, w = 4 s, décalage = 32 ms, ratio de zero-padding = 2), Spectrogramme des signaux temporels ECG (haut) et, p.31
, , p.34
, , p.35
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, Extraction du signal ECGf (bas) à partir d'un ECGa, 2012.
, Schéma bloc d'une des méthodologies d'extraction de l'ECGf présentée dans
, Sons cardiaques d'un adulte (haut) et densité spectrale de puissance (bas), p.43, 1996.
, Résultats de débruitage d'un cycle cardiaque composé d'un son S 1 et d'un son S 2 . (a) sons d'origine, (b) sons bruités artificiellement, (c) sons débruités par la méthode proposée dans, p.44, 1996.
, Algorithme de débruitage et d'estimation du bruit résiduel présenté par, 2013.
, Résultats de débruitage d'un signal PCGa réel par la NMF pour extraire les sons cardiaques du foetus, p.47, 2012.
, Méthodologie générale de l'algorithme de détection des complexes QRS par, 1985.
, Méthodologie générale de l'algorithme de détection des complexes QRS par la transformée de Hilbert par, p.49, 2000.
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, PCGf en gris (PCGa après filtrage passe-bande 20 200 Hz) et son enveloppe
, Résultats d'estimation du RCF à partir d'un signal PCGf (haut) par la méthode proposée par, 2010.
, Impulsions rectangulaires représentatives des sons cardiaques (bas) obtenues à partir de l'enveloppe du signal PCGf (haut, 2014.
, Schéma bloc global des méthodologies d'estimation du RCF à partir des signaux ECG et PCG abdominaux
, Configuration utilisée pour l'enregistrement des signaux abdominaux, p.59
, Proposition des deux approches d'estimation du RCF selon la taille de la fenêtre du spectrogramme des signaux ECG/PCG
, Du haut vers le bas : signal ECG thoracique, signal PCG thoracique, signal PCG thoracique bruité artificiellement, p.65
, Du haut vers le bas : ECG thoracique, ECG abdominal, ECG foetal obtenu après filtrage passe-haut à 10 Hz et filtrage adaptatif non-linéaire, Signaux temporels ECG thoracique et abdominal d'une volontaire, 2010.
, Signaux temporels PCG thoracique et abdominal d'une volontaire. Du haut vers le bas : PCG thoracique, PCG thoracique après filtrage passe-bande 20 200 Hz, PCG abdominal et PCG foetal obtenu après filtrage passe-bande 20 200 Hz du signal
, Rythme cardiaque foetal enregistré par la CTG de référence sur toute la durée d'enregistrement (' 25 min)
, Exemple d'une décomposition par la NMF d'une matrice X à coefficients positifs. 70 6.2 Reconstruction par la NMF d'une face à partir de différentes parties, 1999.
, Modèle de décomposition d'une matrice de spectre de puissance où les matrices T sont des matrices de transformation appliquées aux matrices de spectres et/ou matrices d'activations, p.76, 2015.
, Méthodologie proposé par [NIEGOWSKI et ZIVANOVIC, 2014] pour la séparation ECG/EMG fondée sur la NMF
, Segmentation par la NMF des sons cardiaques sur un signal PCG bruité, 2016.
, 80 7.2 NMF classique (nombre de composantes K = 1) appliquée au spectrogramme d'un signal ECG thoracique (F s = 1 kHz, w = 64 ms, décalage = 1 ms, ratio de zéro-padding = 8), Schéma bloc global des méthodologies de débruitage des signaux PCG thoraciques d'un
, Spectrogramme d'un signal PCG thoracique bruité (F s = 1 kHz, w = 64 ms, décalage = 1 ms, ratio de zéro-padding = 8)
, Schéma bloc de la méthodologie de débruitage des signaux PCG par NMF monomodale et sélection multimodale des composantes, p.83
, Sélection automatisée des composantes par un calcul d'intercorrélation entre les matrices d'activations temporelles de l'ECG et du PCG bruité et une valeur de seuil fixée ?
, Gains en SDR pour différentes valeurs de seuil d'intercorrélation ?, p.86
, PCG brut s(t), PCG bruité x(t) et PCG débruité?(t) (méthode M wiener auto , seuil ? = 0.75), Reconstruction d'un signal PCG. Du haut vers le bas : signaux ECG de référence ecg(t), vol.87
, et pour nos méthodes basées sur la NMF avec sélection manuelle ou automatique (grâce à l'ECG) des composantes correspondant au signal PCG. Pour ces 2 dernières, l'estimation du signal PCG débruité est faite au travers du filtre de reconstruction de Wiener. Pour la méthode automatique, le seuil d'intercorrélation ? est fixé à 0, SIR et SAR pour les 2 méthodes de type EMD proposées par les participants 1 et 2 de, 2017.
, Le PCG est une succession quasi-périodique de deux principaux sons S 1 et S 2 suivant le pic R de l'ECG, p.89
, Schéma bloc de la méthodologie de débruitage des signaux PCG par la NMF informée par le signal ECG de référence
, Signaux synchrones ECG, PCG et signaux d'activation issus de la NMF de l'ECG et du PCG. Du haut vers le bas, p.91
, Construction de la matrice T s sig sujet dépendant. Illustration sur 6 battements cardiaques détectés sur H ecg (haut) et sur H ? (bas)
, PCG sans bruit additif : s(t), PCG débruité par notre NMF informée avec T s sig :?(t) et PCG débruité par la NMF standard :s(t), Résultats de débruitage pour les échantillons 1 et 6. PCG bruité : x(t)
, Gain SDR en dB pour les approches basées sur la NMF standard, la NMF informée avec T s basée sur la littérature et la NMF informée avec T s basée sur les données elles-mêmes
, Les intervalles de temps entre les battements cardiaques sont variables
, Schéma bloc de la méthodologie de débruitage des signaux PCG par la NMF quasi-périodique
, Matrice de transformation temporelle T s obtenue par détection des pics R de l'ECG de référence
, Illustration de composantes non-périodiques dont la somme est périodique, p.103
, De la gauche vers la droite : composantes simulées, composantes estimées par la QP-NMF et composantes estimées par la NMF standard. La dernière ligne trace X pour la colonne de gauche,? pour les colonnes du milieu et de droite
, Performances de la QP-NMF sur les spectrogrammes des données simulées en comparaison à la NMF standard. La distance entre les estimations et les simulations sont calculées (de gauche à droite) pour la composante quasi-périodique, les composantes pour le bruit et l'ensemble des composantes, p.107
, Activations temporelles obtenues avec la QP-NMF appliquée à un signal PCG bruité x(t). H s T s est la composante quasi-périodique du signal (correspondant au PCG original) et H b i est la i-ème composante des interférences (i = s, b), p.107
, Signal PCG bruité : x(t), signal PCG d'origine : s(t), signal PCG débruité par la QP-NMF et estimé par un filtre de Wiener (resp. la NMF standard) :?(t) (resp.s(t))
, Schématisation du modèle source-filtre de l'équation (8.2), p.112
, Illustration de la partie excitation constituée de la matrice de fréquences cardiaques W (e) et de la matrice de l'évolution de la fréquence fondamentale H (e), p.114
, Signaux thoraciques synchrones. Du haut vers le bas : ECG, PCG et PCG bruité, p.117
, Méthodologie d'estimation du rythme cardiaque à partir de signaux PCG thoraciques d'un adulte
, Du haut vers le bas : la porteuse, le signal modulant, le signal modulé et le signal modulé redressé
, F s = 1 kHz, w = 4 s, décalage = 32 ms, ratio de zéropadding = 2), Spectrogramme du signal PCG filtré et redressé (haut) et du signal PCG bruité, filtré et redressé (bas)
, Dictionnaire de fréquences cardiaques allant de 30 bpm (i.e 0.5 Hz) à 180 bpm (i.e 3 Hz)
, Du haut vers le bas : matrice H (e) obtenue grâce à l'algorithme de la NMF et RC extrait de H (e) et superposé au RC issu de l'ECG, Estimation du RC pour l'échantillon 10 à partir de signaux PCG
, Erreur relative entre RC ecg et RC pcg (haut, gauche) ou RC pcgb (bas, gauche) et histogramme de l'écart entre chaque valeur de RC ecg et RC pcg (haut, droite) ou RC pcgb (bas, droite), Performances de l'estimation du RC pour les signaux PCG propres et bruités pour 16 échantillons
, Méthodologie d'estimation du rythme cardiaque foetal à partir de signaux PCG abdominaux
, Méthodologie d'estimation du rythme cardiaque foetal à partir de signaux ECG abdominaux
, Du haut vers le bas : signal ECG abdominal brut ECGa(t), signal ECG abdominal après pré-traitement ECGa(t) et ECG foetal renforcé après filtrage adaptatif non-linéaire ECG f (t), Signaux ECG temporels de deux volontaires différentes, p.127
, Signaux PCG temporels de deux sujets différents. Signal PCG abdominal PCGa(t) (haut) et signal PCG foetal après filtrage passe-bande 20 200 Hz PCG f (t) (bas, p.128
, Spectrogramme de signaux ECGf (F s = 1 kHz, w = 4 s, décalage = 32 ms, ratio de zéro-padding = 4) pour deux sujets différents (V 1 et V 4 ), p.129
, Spectrogramme de signaux PCGf (F s = 1 kHz, w = 4 s, décalage = 32 ms, ratio de zéro-padding = 4) pour deux sujets différents(V 3 et V 1 ), p.130
, Dictionnaire de fréquences cardiaques foetales allant de 30 bpm (i.e 0.5 Hz) à 240 bpm (i.e 4 Hz)
, Estimation du RCF (8.13) (points bleus) et RCF moyen RCF re f (t) en gris (haut) et dérivée relative de RCF (t) (bas), p.133
, Du haut vers le bas : la matrice H (e) estimée par notre proposition basée sur la NMF, le RCF extrait de H (e) selon l'équation (8.13) et le RCF estimé après l'étape de post-traitement, p.134
, Comparaison de la fréquence fondamentale estimée dans la matrice H (e) et le rythme cardiaque de la mère (RCM) calculé à partir de l'ECGt, p.134
, Illustrations de la qualité d'estimation de notre méthode (deuxième ligne) avec la portion du signal ECGf correspondante (troisième ligne) : a) avec des battements cardiaques du foetus difficilement différentiables, b) noyée dans du bruit et c) avec des battements cardiaques du foetus facilement détectables
, Illustrations de la qualité d'estimation de notre méthode (deuxième ligne) avec la portion du signal PCGf correspondante (troisième ligne) : a) avec les sons cardiaques S 1 et S 2 du foetus difficilement identifiables, b) avec les sons cardiaques S 1 et S 2 du foetus facilement détectables et c) noyée dans du bruit
, Résultats d'estimation du RCF à partir d'un ECGf par notre méthodologie basée sur la NMF pour les volontaires V 1
, sur toute la durée d'enregistrement, la ligne correspond à la valeur médiane des différences de EM (8.20) et (iii) tracé de RCF NMF en fonction de RCF CT G après suppression des outliers (8.19), 2010.
, Résultats d'estimation du RCF à partir de l'ECGf par notre méthodologie basée sur la NMF pour les volontaires V 6
, sur toute la durée d'enregistrement, la ligne correspond à la valeur médiane des différences de EM (8.20) et (iii) tracé de RCF NMF en fonction de RCF CT G après suppression des outliers (8.19), 2010.
, Résultats d'estimation du RCF à partir du PCGf par notre méthodologie basée sur la NMF pour les volontaires V 1, vol.3
, sur toute la durée d'enregistrement, la ligne correspond à la valeur médiane des différences de EM (8.20) et (iii) tracé de RCF NMF en fonction de RCF CT G après suppression des outliers (8.19), 2010.
, Du haut vers le bas : (i) RCF NMF,p superposé à la référence RCF CT G , (ii) tracé de Bland-Altman [BLAND et ALT-MAN, 2010] sur toute la durée d'enregistrement, la ligne correspond à la valeur médiane des différences de EM (8.20) et (iii) tracé de RCF NMF en fonction de RCF CT G après suppression des outliers (8.19), Résultats d'estimation du RCF à partir du PCGf par notre méthodologie basée sur la NMF pour les volontaires V 8
, Comparaison des estimations du RCF RCF meth (points bleus) de l'ECGf de V 6 à partir de la méthodologie basée sur la NMF et des approches comparatives superposées à la référence CTG RCF CT G (points gris)
, , 2000.
, Comparaison des estimations du RCF RCF meth (points bleus) du PCGf de V 9 à partir de la méthodologie basée sur la NMF et des approches comparatives superposées à la référence CTG RCF CT G (points gris)
, , p.149, 2010.
, Analyse conjointe pour la volontaire V 6 des estimations du RCF RCF NMF,e (points bleus en haut) de l'ECGf et de RCF NMF,p (points bleus en bas) du PCGf à partir de la méthodologie basée sur la NMF superposées à la référence CTG
,
, Liste des tables
, Tableau de synthèse des techniques de suivi du foetus utilisées en clinique, p.18
, Tableau de synthèse des méthodologies de débruitage des signaux PCG basées sur la NMF
, Tableau des signaux disponibles pour chaque volontaire, p.133
, Qualité de la référence CTG. Taux de perte de signal (PS) pour les 11 volontaires, p.135
, Durée d'enregistrement DE, cohérence de l'estimation 1 TO (8.19), écart médian à la référence EM (8.20) et coefficient de corrélation de Pearson R (8.21). Les valeurs concernent 8 volontaires pour les 4 méthodologies NMF, Hilbert, Wavelets et Pan & Tompkins
, Durée d'enregistrement DE, cohérence de l'estimation 1 TO (8.19), écart médian à la référence EM (8.20) et coefficient de corrélation de Pearson R (8.21). Les valeurs concernent 7 volontaires pour les 3 méthodologies NMF, p.150
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