Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

Chapitre 1 : Diagnostic médical et signaux périodiques

Objectifs :

Identifier et caractériser un phénomène périodique

Un phénomène périodique est caractérisé par sa période T en s : c’est la plus petite durée au bout de

laquelle le signal se reproduit identique à lui-même.

L’étude de signaux périodiques chez l’être humain est un outil pour établir un diagnostic médical.

Un signal est périodique si son enregistrement présente la répétition régulière d’un même motif

Un phénomène périodique est caractérisé par sa fréquence f en Hertz (Hz) : c’est le nombre de fois

que le phénomène se reproduit à l’identique en une seconde.

Un phénomène périodique est un phénomène qui se reproduit identique à lui-même à intervalles de

temps égaux.

Un signal périodique est caractérisé par sa période, sa fréquence et ses valeurs maximales et

minimale Umax et -Umax en volt (V)

La fréquence et la période d’un phénomène périodique sont liées par la relation : f= T

Situation de départ :

L'électrocardiographie (ECG) est une représentation

graphique du potentiel électrique qui commande

l'activité musculaire du cœur. L'électrocardiogramme

est le tracé papier de l'activité électrique dans le cœur.

L'électrocardiographe est l'appareil permettant de faire

un électrocardiogramme. L'électrocardioscope, ou

scope, est un appareil affichant le tracé sur un écran.

C'est un examen rapide ne prenant que quelques

minutes, indolore et non invasif, dénué de tout danger.

Son interprétation reste cependant complexe. Il permet

de mettre en évidence diverses anomalies cardiaques.

1/ Etude d’un électrocardiogramme E.C.G

A/ Activité : Etude d’un ECG

1/ Mesure d'un rythme cardiaque normal sur un E.C.G. normal.

La vitesse de déroulement du papier

est v = 25 mm.s-1

1/ Donner l’expression de la vitesse v de déroulement du papier en fonction de la distance d parcourue par le papier et de la

durée t mis pour parcourir cette distance.

v = d

t

2/ En déduire l'expression du temps t en fonction de d et v.

t = d

v

3/ Déterminer la valeur, en seconde, d’une division horizontale de papier (5 mm)

t = d

v = 5/25 = 0.2 s /carreau

Ou 5 carreaux par seconde, donc 1 carreau correspond à 0,2 s.

4/ Déterminer la période T des battements de ce cœur.

T = 5,6 carreaux x 0,2 s/carreau = 1,12 s

5/ En déduire à quelle fréquence f bat le cœur humain. Exprimer le résultat en hertz puis en battements par minute.

f =

T =

, = 0,893 Hz

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

f =

T =

, = 53,6 battements /min

6/ Dans certains cas, on peut être amené à modifier la vitesse de déroulement du papier. Quel intérêt peut-on trouver à cette

modification :

a/ Dans le cas où on augmente la vitesse de déroulement.

Si on augmente la vitesse de déroulement du papier, la précision va augmenter et l’écart entre deux pics va

augmenter. (cela peut servir pour des cœurs battant rapidement)

b/ Dans le cas où on diminue la vitesse de déroulement.

Si on diminue la vitesse de déroulement du papier, la précision va diminuer et l’écart entre deux pics va diminuer. (cela peut

servir pour des cœurs battant lentement)

7/ Détermine la tension maximale Umax atteinte par un pic, sachant que la valeur d’une division verticale est de 0,5 mV.

Umax = 2 carreaux x 0,5 mV = 1 mV (environ)

2/ Les troubles du rythme cardiaque

Pour les enregistrements ci-dessous, la vitesse de déroulement du papier est v = 25 mm.s-1

.

8/ Complète le tableau à partir des E.C.G ci-dessus Maladie Période en minute Fréquence (en battement/min)

Electrocardiogramme A Normal , s

= 0.0186

.= 53.6

Electrocardiogramme B Tachycardie 1,95 x 0.2 = 0.39 s

.

= 0.0065

. = 154

Electrocardiogramme C Bradycardie 7.1 x 0.2 = 1.42 s

.

= 0.0237

.= 42.3

9/ À partir des réponses précédentes, proposer une définition des termes « bradycardie » et « tachycardie ».

Bradychardie= Cœur battant lentement.

Tachychardie = Cœur battant rapidement.

10/ Recherche sur Internet la définition des termes « bradycardie » et « tachycardie » et compare à celle que tu as trouvé.

Tachychardie = Trouble se caractérisant par un rythme cardiaque anormalement élevé.

Bradychardie = Trouble se caractérisant par un rythme cardiaque anormalement bas.

B/ Bilan

Le cœur est un organe constitué de fibres musculaires. Au cours du fonctionnement du cœur, chaque fibre se comporte

comme un générateur de tension variable. Les variations de tension ainsi créées se propagent dans les tissus conducteurs.

On les retrouve au niveau des cellules de la peau où elles peuvent être détectées grâce à des électrodes.

Ces variations reflètent l’activité du cœur. Elles peuvent être visualisées sur l’écran d’un oscilloscope.

Chaque motif élémentaire d’un électrocardiogramme correspond à un cycle complet de contractions et de relâchements des

deux oreillettes et des deux ventricules.

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

L’analyse d’un électrocardiogramme permet de vérifier la régularité du rythme cardiaque (nombre de cycles par minute) et

de déceler ainsi d’éventuelles anomalies cardiaques.

Un ECG normal comporte trois parties correspondant à un cycle cardiaque. L’onde P est provoquée par l’oreillette, l’onde

QRS par l’activité des ventricules, et l’onde T par leur repos. La durée d’un cycle cardiaque peut aussi être obtenue en

mesurant la distance séparant deux points symétriques (exemple S-S’).

Le personnel médical doit brancher un certain nombre d’électrodes sur la personne qui bénéficie de l’électrocardiogramme.

Une électrode est placée au niveau de chaque membre, les deux bras et les deux jambes. Des électrodes sont placées sur le

thorax, à des endroits bien précis. La durée de cet examen est de 2 à 5 minutes et il est totalement indolore.

Le tracé d’un électrocardiogramme est réalisé sur 12 dérivations, correspondant donc à 12 enregistrements électriques

(tracés) réalisés à des emplacements différents qui sont standardisés. Ces dérivations permettent de mesurer l’activité

électrique du muscle du cœur dans tous les plans de l’espace.

Cet examen permet de déceler – les maladies du muscle du coeur (infarctus du myocarde par exemple) ; – les maladies de l’enveloppe du coeur, le péricarde ; – les troubles du rythme du coeur (ralentissement de la fréquence cardiaque (bradycardie) ou au contraire son accélération (tachycardie).

Des rythmes du corps humain, aux phases de la Lune, des saisons aux alternances jour/nuit, les phénomènes périodiques

nous entourent. Ces phénomènes sont périodiques parce qu’il s’agit de phénomènes qui se répètent à intervalles de

temps réguliers.

Ces informations sont de nature électrique pour certains signaux du corps humain, comme ceux qui déclenchent les

pulsations cardiaques ou il s’agit de positions pour la Lune, les saisons et l’alternance jour/nuit.

Un diagnostic médical permet de détecter des anomalies de santé via des appareils de mesures. L’appareil permettant

d’afficher l’activité électrique d’un organe est un oscilloscope : Il mesure une différences de potentiels électriques entre

deux points du corps et l’affiche en fonction du temps sur son écran.

Un oscilloscope est un traceur de courbe de tension en fonction du temps.

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

Il existe plusieurs types de tension électriques :

Continue : elle est constante au cours du temps.

Variable : Elle varie au cours du temps.

Alternative : Elle varie entre des valeurs positives et

négatives au cours du temps.

Un signal électrique périodique est caractérisé par :

Sa période T : C’est l’intervalle de temps qui sépare deux répétitions successives d’une information qui se

reproduit à l’identique.

T est exprimée en seconde Pour le rythme cardiaque, la période d’un battement est environ de 1 s au repos.

Sa fréquence f : C’est le nombre de fois où se répète un phénomène en une seconde. (nombre de périodes en

une seconde).

f est exprimée en Hertz (Hz),ou s-1

Pour le rythme cardiaque, f est proche de 1 Hz, c’est-à-dire un battement par seconde.

Fréquence f et période T sont reliés par la relation :

f =

T

Sa tension maximale (ou amplitude maximale Umax ou -Umax) : C’est la valeur maximale ou

minimale de la tension.

Umax ou Umin est exprimée en volt (V) et se mesure entre le 0 V et le point le plus haut (bas) du signal.

Pour le cœur, l’amplitude maximale atteint en général 1mV

La forme du signal : Elle peut être de différente forme :

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2/ Etude d’un électroancéphalogramme E.E.G

L’électroencéphalogramme (EEG) est réalisé chez un neurologue. Pour un EEG standard, un casque souple est placé sur la

tête du patient pour y fixer une vingtaine électrodes enduites d’une pâte conductrice.

Ces électrodes enregistrent l’activité électrique des neurones, comme l’électrocardiogramme enregistre l’activité

électrique du cœur

L’électroencéphalogramme (Figure 3) est la résultante de rythmes cérébraux (Figure 4) multiples et complexes. Ces ondes

sont de très faible amplitude, elles sont de l'ordre du microvolt (chez l'être humain) et ne suivent une sinusoïde régulière.

Elles sont donc amplifiées environ 1 million de fois sur l’électroencéphalogramme et constituent une image de l’activité

électrique cérébrale.

EEG normal d’un adulte éveillé : patient éveillé, autant que possible au repos, détendu, les yeux fermé. Plusieurs rythmes peuvent être détectés :

Rythme alpha : Ondes régulières de fréquences

comprises entre 8.5 et 12 Hz et d’amplitudes entre

25 mV et 100 mV Elles caractérisent un état de

conscience apaisé, et sont principalement émises

lorsque le sujet a les yeux fermés.

Rythme bêta : Ondes rapides de fréquences

comprises entre 13 Hz et 50 Hz et d’amplitudes

entre 5 mV et 15 mV. Elles apparaissent lors

d’activité intense, de concentration ou d’anxiété,

yeux ouverts.

Rythme thêta : fréquences entre 4,5 et 8 Hz. On

les observe principalement chez l’enfant,

l’adolescent et le jeune adulte. Elles caractérisent

également certains états de somnolence ou

d’hypnose, ainsi que lors de la mémorisation

d'information.

Rythme delta : fréquences jusqu’à 4 Hz, normales

chez le très jeune enfant, elles peuvent ensuite

caractériser certaines lésions cérébrales chez

l’adulte.

Questions.

1/ D’après la figure 3, un électroencéphalogramme est-il un signal périodique ? Non, le phénomène ne se répète pas

périodiquement.

2) Comptez le nombre de pics en une seconde pour chaque rythme.

Rythme Nombre de pics

alpha 10

Bêta Environ 50

thêta 7

delta 3

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

3/ Que signifie dans ce cas le mot fréquence, quelle est l’unité utilisée ? C’est le nombre de pics en une seconde

Le tracé suivant est un électroencéphalogramme montrant l’évolution des signaux électriques émis par le cerveau d’un

patient lors du début d’une crise d’épilepsie.

Sur l’encyclopédie en ligne WIKIPEDIA, on peut lire :

L'épilepsie est un symptôme neurologique causé par un dysfonctionnement passager du cerveau ; certains disent qu'il « court-circuite ». Lors d'une crise d'épilepsie, les neurones (cellules nerveuses cérébrales) produisent soudainement une décharge électrique anormale dans certaines zones cérébrales.

4/ Que font les signaux électriques lorsque la personne débute sa crise d’épilepsie ? L’amplitude et la fréquence

augmente.

5/ Tracer, sur l’électroencéphalogramme, un trait rouge indiquant à quel moment débute précisément la crise d’épilepsie.

6/ Sur l'électroencéphalogramme ci-dessous, indiquer le moment où le patient a ouvert les yeux.

B/ Bilan

C’est Hans Berger qui, dans les années 1920, a commencé à étudier l’activité électrique du cerveau. En 1929 a été réalisé le

premier EEG.

L’électroencéphalogramme est un examen indolore et sans risque qui dure 20 minutes environ pour un examen standard. Il

nécessite d’être bien détendu. Pour visualiser cette électricité naturelle de votre cerveau, qui est particulièrement faible, il est

nécessaire de l’amplifier environ 1 million de fois. Il est alors possible de la lire sur un écran ou de l’imprimer sur papier.

Sur le tracé de l’EEG apparaissent des fréquences d’ondes qui correspondent à l’activité électrique du cerveau. On observe,

d’une part, l’activité de base (ondes alpha de 8 à 10 cycles par seconde) les yeux fermés pour que la vision ne la perturbe pas,

et d’autre part l’existence d’ondes anormales.

Au cours de l’examen, il suffit de rester au repos, les yeux fermés, et d’obéir aux ordres du médecin.

Chez un sujet normal, le rythme alpha est bloqué à l’ouverture des yeux. Pour voir s’il y a une bonne réactivité, il vous

demande d’ouvrir les yeux à plusieurs reprises.

Le patient est soumis également à une épreuve de respiration forcée, qui provoque une hyper oxygénation du cerveau. Celle-

ci peut en effet entraîner des excitations de neurones et des ondes anormales.

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

L’EEG permet aussi de tester l’existence d’une sensibilité anormale à la lumière. C’est la raison pour laquelle durant

l’examen, le technicien vous soumet à une stimulation lumineuse intermittente. Des épilepsies sont en effet réflexes à la

lumière, comme lors de jeux vidéo, par exemple chez l’enfant.

Parfois, pour pouvoir faire le diagnostic d’épilepsie, un enregistrement est nécessaire durant 24 heures.

L’épilepsie est une pathologie très étudiée par électroencéphalogramme.

Mais d’autres affections du système nerveux central vont nécessiter un électroencéphalogramme comme moyen

d’investigation (accident vasculaire cérébrale, tumeur, traumatisme crânien, coma, confusion, diagnostic de mort cérébrale,

encéphalites, hémorragie cérébrale, maladie de Creutzfeldt-Jakob, troubles du sommeil …).

Le signal de l’électroencéphalogramme n’est pas périodique.