Analyse des mécanismes bio-électriques à l'interface peau-électrode pour l'acquisition nomade de signaux physiologiques : application à la mesure d'ECG pour la prévention des maladies cardiovasculaires

Analysis of bioelectric mechanisms at the skin-electrode interface for mobile acquisition of physiological signals : application to ECG measurement for the prevention of cardiovascular diseases

• Auteur / Autrice : Yajian Gan
• Direction : Wenceslas Rahajandraibe, Rémy Vauché, Rachid Bouchakour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 05/01/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….) - WitMonki
• Jury : Président / Présidente : Patricia Desgreys
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Minerve Louërat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Bernard, Luc Hebrard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation électrothermique

Électrocardiographie

Traitement du signal

Nanoélectronique

Électronique en médecine

Mots clés libres

Ecg

Bruit dû au mouvement

Appareil médical portable

Impédance du corps humain

Modélisation peau-Électrode

Ecg

Motion noise

Mobile medical device

Body impedance

Skin-Electrode modeling

Résumé

Les maladies cardiovasculaires deviennent de plus en plus préoccupantes dans le monde entier. En 2020, le monde souffre de la crise du coronavirus Covid-19, dont le fort rythme de la contagion et les symptômes ont déjà provoqué la mort de plusieurs millions de personnes. Les résultats cliniques ont prouvé que le coronavirus et le médicament thérapeutique (chloroquine) peuvent tous deux endommager le cœur de manière irréversible, sous forme d’arythmies. Par rapport à l’appareil d’ECG utilisé dans les hôpitaux, les appareils d’ECG mobiles à simple dérivation sont la meilleure solution pour surveiller la santé cardiaque à tout moment et en tout lieu. Cependant, la plupart de ces appareils manquent de précision et d’exactitude des mesures, principalement dû au fait que le faible signal ECG est facilement perturbé par le mouvement de l’utilisateur et par l’environnement. Cette thèse étudie tout d’abord le matériau le plus approprié pour l’électrode à simple dérivation. Par la suite, des expériences approfondies ont été élaborées et réalisées pour analyser les sources d’interférence du signal ECG en s’appuyant sur un modèle physico-chimique de l’impédance peau-électrode proposé. Enfin, des méthodes de compensation directes et indirectes (fonction de transfert / intelligence artificielle) sont proposées pour éliminer les interférences dû au mouvement dans le signal ECG. L’objectif de cette recherche est d’appliquer ces résultats à l’optimisation du produit ''Witcard'' et de fournir des informations expérimentales précieuses à d’autres chercheurs qui travaillent à l’amélioration de la qualité de l’enregistrement des signaux ECG avec des équipements mobiles à simple dérivation

Cardiovascular diseases are becoming increasingly serious worldwide. Especially in the year 2020, when the world is suffering from the coronavirus. Clinical results have proved that both coronavirus and the therapeutic drug (chloroquine) can irreversibly damage the heart, such as arrhythmias. Compared to the ECG machine used in the hospitals that consumes plenty of patients’ time and money, single-lead mobile ECG monitors are the best solution for monitoring heart health anytime, anywhere. However, most of the handheld ECG monitoring devices on the market have not passed clinical testing due to the lack of accuracy and precision of measurement, mainly caused by the fact that the weak ECG signal is easily disturbed by the subject’s movement and the surrounding environment. This thesis investigates the most suitable material for the single-lead electrode at first. Secondly, extensive experiments have been designed and practiced analyzing the sources of ECG noise interference. The physicochemical model of the skin-electrode impedance is proposed at the same time. Finally, directly and indirectly method with the corresponding algorithm (transfer function/artificial intelligence) has been used to eliminate the interference in ECG signal when the motion artifact exists. This research aims to apply these findings to the optimization of the product “Witcard” and provide valuable experimental information to other researchers who work to improve the quality of ECG signal recording with signal-lead mobile ECG equipment