ELECTROENCEPHALOGRAPHIE SANS PARASITAGE ELECTROMAGNETIQUE

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par Daniel Soleil - Bureau d'Etudes Techniques en CEM - Senas - 13 (France)

et Jean Michel Badier - Ingenieur de Recherches - Faculte de Medecine de Marseille - 13

Révision Janvier 2000

Abstract- The conception and solutions used for the electrical protection and shielding of an EEG (Epilepsy) unit are presented. Solutions are based on the "Zero Method". Principle of this method consists of eliminating all stresses in the areas of measurement. Original solutions for the conception as well as maintenance procedures are presented. EEG recordings are easily given without 50-60 Hz filters use.

LES BOITES TETIERES

Elles sont le conditionnement physique des premiers amplificateurs de mesures et des circuits associes aux differentes entrees (Mesure d'impedance, commutateurs de mise en court-circuit au Ground etc …) suivis de leur etage d'isolement galavanique total et des etages de sortie des signaux pour le complexe informatique de traitement . Elles contiennent en outre l'alimentation electrique pour les amplificateurs de mesures et leurs circuits associes, isolee du complexe de la chaine d'acquisition et de traitement qui en est la source d'energie.

Nous ne reviendrons pas sur les analyses classiques (Gain, impedances d'entree, fonction de transfert, mode commun et mode differentiel …) qui sont elaborees a partir des performances des amplificateurs operationnels (Cf Bibliographie) mais nous allons aborder d'autres performances electromagnetiques qui finalement seront aussi tres decisives sur le choix d'un montage EEG fiable pour les circonstances presentees par l'examen SEEG.

MONTAGES DE MESURES SEEG

On considere aujourd'hui 2 types de montages standards fréquemment utilisés. Ils sont habituellement appeles :

- "Reference ou homopolaire" pour ce qui est de la relation galvanique du patient par rapport au "Ground" de la mesure, (Schema superieur qui suit).

- "Non reference ou Differentiel" pour ce qui est de la fonction "Amplification" (Schema inferieur qui suit).

Ces appellations conditionnent la relation galvanique du patient par rapport au "Ground" de la mesure, ainsi que la fonction amplification.

Montage reference

Il n'y a pas de tension en mode commun, l'impédance d'entrée importe peu. Cette configuration est assez insensible aux parasitages de l'environnement mais elle incorpore les artefacts physiologiques existants entre référence et électrodes, qui sont aussi une forme de pollution sur les signaux utiles.  Elle présente l'inconvénient de faire circuler un courant HF (parasites résiduels) dans le circuit de référence (lobe de l'oreille, bracelet etc …), selon la Résistance-capacité de la fonction Isolement de la boîte têtière.

 

Montage non-reference

La mesure est flottante, elle presente l'avantage de ne pas faire circuler de courant HF (parasites résiduels) dans le circuit de reference des amplificateurs. La mise à la reference Ground comme dans le montage precedent n'est faite que par l'intermediaire des resistances d'entree R1-R2 et R Ref. Par contre, selon R1-R2-R Ref et la Resistance-capacite de la fonction Isolement de la boite tetiere, cette mesure tres precise sera tres influencee par : - Des charges ou décharges statiques, - Le degre hygrometrique de l'air, - La présence ± proche de personnes autour du patient par effet capacitif, …

 

CE QUI NE VA PAS DANS LES SITUATIONS A PROBLEMES

Dans la majorite des etudes et des diagnostics qui m'ont ete confies afin de retrouver des signaux EEG corrects, il a ete frequemment constate avec mes interlocuteurs :

- D'autres problemes de parasitage radioelectrique semblent exister aussi dans une zone proche ou se pratiquent les enregistrements EEG (Laboratoire d'analyse, informatique, communications …).

- L'existence d'equipements a base d'electronique de puissance en fonctionnement (Onduleur, gradateur, variateur, hacheur, convertisseur …) dont la puissance n'est pas necessairement tres elevee (quelques Watts suffisent).

- La difficulte de conserver une configuration "definitive" : ok sur telle prise, pas sur celle-la, avec le radiateur comme Terre mais pas avec le fil de Terre secteur branche, le patient plutot par ici, il faut creer de l'humidite … ou de la secheresse, etc …

On verra dans les pages qui suivent qu'il s'agit bien des 3 problemes a resoudre et la "Methode de Zero" va nous permettre d'effectuer un diagnostic precis nous conduisant a developper les solutions dont on pourra verifier l'efficacite aussitot leurs mises en place.

SCHEMAS EQUIVALENTS POUR L'ENVIRONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE

La reflexion par la "Methode de Zero" conclut a partir de ces schemas de caractere environnemental que les bruits de mesure BM et d'environnement BE doivent etre les plus faibles possibles, la capacite repartie de la Boite tetiere doit etre faible, tandis que les resistances de fuites RE et RT doivent etre tres elevees.

Le bruit de mesure BM peut aussi etre cree par l'action des champs magnetiques de l'environnement qui developpent dans la boucle du cable de liaison une tension de bruit supplementaire e = s dh/dt qui justifie l'usage d'electrodes actives dans certains cas, ramenant les etages d'entree au niveau du scalp.

Il en va de meme pour le cable de liaison des signaux qui peut utiliser des fibres optiques.

On peut constater aussi que le bruit de mesure BM sera d'autant plus faible qu'il ne passera pas de courants parasites dans les circuits de Terre (ils vont creer BT et BS).

Il existe aussi d'autres combinaisons permettant peut-etre d'obtenir une configuration delivrant des signaux SEEG utilisables, en jouant sur les differentes grandeurs evoquees, mais elles ne sont pas saines et l'equilibre precaire mis en place ne tiendra pas dans le temps par suite de l'effet de deplacement des problemes avec toute modification si minime soit-elle.

Ces differentes raisons montrent que la mise en place d'un mono-poste SEEG peut s'installer sans trop de problemes dans un milieu classique tandis que la realisation d'une Unite multi-postes implique une ingenierie radioelectrique a la conception meme.

FINALITE

Obtenir des signaux les plus complets possibles, sans avoir a utiliser les filtres de frequences 50-60 Hz, dans la bande passante requise par les observations performantes.

Le seuil de sensibilité est de l'ordre de quelques dizaines de micro-Volts. Le doublement du bruit global etant situe vers quelques micro-Volts. Chaque enregistrement SEEG s'effectue selon le schema ci-après qui montre les dispositions prises pour obtenir des signaux de haute qualite.

Une variante existe lorsque l'electrode "Reference" est directement connectee a la "Masse" (ou Ground), les 2 fils "Reference" et "Masse" sont alors confondus. (Attention à la confusion Reference electrophysiologique qui est une des electrodes choisie et Reference electronique qui est le Ground). Les difficultes dans une Unite multi-postes sont accentuees par l'etendue du site et les multiples imbrications des differents reseaux (canalisations metalliques, telephone, informatique, eclairage de secours …).

 

En effet, selon la "Methode de Zero", l'environnement electromagnetique devient ideal pour la prise de mesure EEG lorsque :

- Les courants parasites sont nuls dans tous les circuits de masse et/ou de Terre dans l'installation electrique au voisinage du patient

- Les tensions parasites sont nulles entre les differents sous-ensembles isoles entre eux a l'interieur de la Boite Tetiere.

Nous serons d'autant plus proche des conditions ideales qu'il n'y aura aucun courant perturbateur sur le secteur, ni de courant dans le sol, ni de champs electromagnetiques ambiants.

Les difficultes dans une Unite multi-postes sont accentuees par l'etendue du site et les multiples zones d'enregistrements des patients. Certaines d'entre-elles n'apparaissent pas dans la configuration mono-poste.

COURANTS DE CIRCULATION DANS LES CIRCUITS DE TERRE

Dans tout complexe technique, a fortiori dans un complexe hospitalier, les nombreux circuits de Terre (Reseau maille PE) qui font office de reference de potentiel pour la securite des personnes et des biens (Decret du 14 Novembre 1999, UTE C 15 100 …) sont toujours parcourus par des courants de circulation correspondant a des couplages capacitifs de filtres antiparasites, capacite reparties d'equipement, des couplages resistifs dus a des defauts d'isolemnent aleatoires ou larves, ainsi que des couplages electromagnetiques par effets de boucle et d'antenne. Ces courants sont bien entendu plus faibles que les seuils de detection de defaut et ne sont pas consideres normalement comme genants.

En consequence, il est illusoire de concevoir des equipotentialites (ici on a besoin de s'interesser a des fractions de Volts, ce qui n'est pas le cas dans d'autres exploitations moins sensibles) entre des espaces distants de plusieurs metres.

On est amene a creer un autre circuit de reference de Terre (PES) dans lequel on ne fera pas passer les courants de circulation de l'immeuble.

Neanmoins, pour des raisons evidentes de securite que l'on vient de rappeler, ce circuit PES restera interconnecte au reseau PE en plusieurs points avec interposition d'un element particulier, inductif en HF et inerte en frequnce industrielle dont le comportement equivaut a une faible portion d'un cable de Terre ordinaire bobine en quelques spires sur un noyau magnetique composite. Ce composant reste un court-circuit pour la protection des personnes.

En definitive, l'ensemble sensible de l'Unite SEEG ne connaîtra que ce circuit de Terre PES. C'est a lui que seront raccordees toutes les masses des equipements, les ecrans des faradisations et les plans de masse sur lesquels evoluent les patients comme le personnel medical qui les entoure.

FILTRAGE DES SOURCES D'ENERGIE SECTEUR

Les sources secteur Normal, Secouru et Ondule sont creees a partir d'autant de transformateurs d'isolement a isolement primaire renforce 10 KVet a induction faible (crete 1T) pour eviter les rayonnements parasites, et sans ecran électrostatique. L'exemple qui suit est en Monophase.

La sortie de ces transformateurs sera en regime TNS, le Neutre etant connecte à PES. Le filtrage sera obtenu par des condensateurs de rattrapage cos phi dont la valeur en micro-farads est d'environ 3 fois la puissance du transformateur en KVA (Cas du Monophase).

FARADISATION DES CHAMBRES

Les salles dans lesquelles sont effectues les enregistrements SEEG (3 chambres et la chambre sourde dans cet exemple) sont dotees d'un grillage metallique insere dans les murs et sur les differentes ouies vitrages etc ….

Le plafond est en plaques metalliques comme les planchers et faux-planchers.

Tous ces ecrans (murs, plafond et faux-plancher) sont isoles du Reseau maille, et connectes en court-circuit sur la Terre Sensible PES. Au plan radioelectrique, ces ecrans constituent des condensateurs dont les armatures sont en court-circuit pour obtenir un champ electrique nul a l'interieur.

La faradisation peut se faire generalement de manière rudimentaire avec du grillage en acier galvanise ou équivalent car le domaine de frequences à se proteger ne comprend que des champs electriques a basse frequence pour lequel les matériaux sophistiques ont les memes performances que celles de ce grillage bon marche.

Il s'est avere avec l'experience que les points suivants sont les plus difficiles a observer, non pas a cause de la difficulte de realisation, mais par les inconvenients de la routine qu'il faut rompre dans certains détails. Le resultat final imposera quelquefois des reprises toujours dues a des inobservations.

On peut citer :

- La surveillance permanente des isolements pendant le chantier qui ne reste pas vigilante et occasionne des reprises

- Mauvaise separation des cablages "Batiment" et "systeme sensible" dans la piece technique ou sont les transformateurs d'isolement

- Liaisons trop longues et sections trop faibles, en Haute frequence il faut souvent opter pour des sections plusieurs fois plus importantes que celles imposees par la norme des installations electriques UTE C 15 100.

- Imbrications trop importante des fils et cables entre plusieurs reseaux pollueurs et sensibles (la pollution electromagnetique est sensiblement proportionnelle a la longueur des fils sous tension, a la richesse du spectre en haute-frequence et a l'inverse de la distance).

- Manque de repérage et d'accessibilite des connexions a demonter temporairement pour effectuer des controles partiels d'isolement.

- Il y a lieu de mettre en court-circuits respectivement sur PES ou sur PE selon les cas, les cables, fils, paires etc … de reserve ou non utilises qui sont des elements particulierement perturbateurs car ils permettent la proliferation des sources de parasitages eventuellement existants dans des zones traversees.

- L'usage des appareillages pollueurs au plan radioelectrique devient proscrit ou a surveiller de tres pres (le diagnostic par la Methode de Zero est immediat) : Eclairages fluorescents, gradateurs de lumiere electronique, onduleurs independants, telephones portables et telephones sans fil, …. Dans le meme esprit, les commutateurs et interrupteurs seront equipes de RC antiparasites.

- Les faux planchers metalliques et les sols seront recouverts d'un revetement antistatique a quelques Megohms par cm2. On veillera à ne pas le détruire par un "menage"inapproprié.

- Certains equipements en rapport avec la Terre PE du batiment seront isoles par des manchons isolants lorsqu'ils sont implantes dans les chambres faradisees (Gaz medicaux, radiateurs a eau chaude …).Ils sont alors raccordés au plus court au réseau de terre PES.

Première publication : Octobre 1999

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