Un Stéthoscope électronique ou comment écouter les battements du coeur



Cet article vous propose de réaliser un Stéthoscope électronique ou Cardiophone, un appareil destiné à l’écoute de la pulsation cardiaque. Bien sûr cette dernière est nettement amplifiée et l’écoute se fait dans un casque à écouteurs. Cet instrument va vous permettre de distinguer les différents sons provenant du coeur, ou alors de réaliser à partir du muscle cardiaque un générateur d’effets sonores. Médical et pédagogique, ou simplement musical et ludique, ce cardiophone vous passionnera certainement.

Si vous êtes un passionné (justement) de musique, vous vous souvenez probablement de ce morceau des Pink Floyd qui commence par des battements de coeur très amplifiés auxquels vient ensuite se superposer la mélodie. L’amplification de la pulsation cardiaque est une question sur laquelle vous nous interrogez souvent : la pulsation cardiaque et les sons qui en découlent sont en effet fascinants et ils se prêtent bien à une utilisation artistique, musicale plus précisément, à titre d’effets spéciaux (effet de suspense tout particulièrement). Certains pensent que la chose est fort simple et qu’il suffit de s’appliquer un microphone sur le côté gauche de la poitrine et d’amplifier le tout avec un préampli-ampli un peu sensible. Quelques uns nous ont écrit pour nous faire part de leurs déboires et nous demander de les aider à résoudre le problème. La solution n’est en effet pas aussi simple qu’on pourrait de prime abord le croire : quand on amplifie un signal de très bas niveau (comme celui produit par les battements du coeur) la difficulté tient à reproduire seulement la partie du son qui nous intéresse et à exclure le bruit de fond. Pour cela on a d’abord besoin d’un transducteur (de son) approprié.

Notre réalisation
Après de nombreux essais, nous avons arrêté notre choix sur un petit disque piézoélectrique qui permet d’obtenir une réponse en fréquence correcte et qui produit un son bien net, sans bruits de fond. Au delà du transducteur, le secret d’une bonne reproduction est lié aussi à un filtrage efficace du signal afin de ne reproduire que les fréquences nécessaires (les battements du coeur occupent une bande de fréquences allant de 20 à 400 Hz).
De ces essais et de ces choix est né le cardiophone ou stéthoscope électronique. Son objectif est principalement d’amplifier le son des battements du coeur mais vous pourrez aussi vous en servir pour écouter les bruits produits par la respiration (inspiration et expiration). Vous ferez alors comme René Laennec (voir figure 2). Vous pourrez également écouter les sons inhérents à la déglutition, à la toux (encore le poumon !) ou aux mouvements des viscères à l’intérieur du corps.
Grâce à cet instrument un étudiant en médecine pourra s’exercer à ausculter le coeur de ses patients et apprendre à en distinguer les sons. Mais il pourra aussi enregistrer les sons obtenus, au moyen d’un magnétophone ou d’un PC : les "archives" des différentes pathologies cardiaques qu’il aura constituées pourront ainsi servir à d’autres personnels médicaux.
Cependant, le simple curieux ou bien les parents désireux d’amener leurs enfants à la culture scientifique, pourront utiliser ce cardiophone-stéthoscope électronique pour écouter les bruits d’origine biologique (animaux ou humains) les plus divers ; avec les animaux toutefois, veillez à ce que les enfants ne les malmènent pas trop … ni ne subissent de leur part une réaction un peu leste !
Et comment ne pas penser à la (peutêtre pas très lointaine) télémédecine qui permettra au patient d’envoyer par Internet à son médecin un cardio-audiogramme et de recevoir par retour de mail un premier bilan (en attendant une vraie consultation directe) ?
Pour le moment, il est vrai, vous ne pouvez envoyer vos battements enregistrés qu’à votre amie de coeur, comme l’on dit !

Les caractéristiques des pulsations cardiaques
Avec ce cardiophone vous allez pouvoir apprendre à distinguer facilement les sons venant du coeur, c’est-à-dire les sons produits par les battements, lesquels ont lieu au rythme de la fermeture des valvules.
Le premier son que l’on entend dans la pulsation est une sorte de "tum" bas et peu prolongé : il est causé par la fermeture de la valvule mitrale et de la valvule tricuspide. Le second est un "ta" plus haut et plus bref causé par la fermeture des valvules aortique et pulmonaire (voir figure 8).
Chez les sujets jeunes et normaux, il est possible d’entendre en outre un troisième son, plus bas, dû à l’irruption du sang pendant le remplissage rapide du ventricule.
Pour satisfaire votre curiosité, ajoutons que la durée du premier son est d’environ 0,15 seconde et que sa fréquence est comprise entre 25 et 45 Hz ; le second dure quelque 0,12 seconde et sa fréquence est autour de 50 Hz.
Si vous disposez d’un PC doté d’une platine audio normale, vous pourrez vous amuser à enregistrer vos battements cardiaques et à les visualiser à l’écran.
Pour ce faire, il suffit de relier la sortie casque du cardiophone à l’entrée de la platine audio du PC au moyen d’un câble blindé pourvu de deux jacks mâles.
Réglez le potentiomètre de volume du cardiophone à mi course environ.
Pour effectuer l’enregistrement, vous pouvez commencer avec le programme Magnétophone disponible sur toutes les versions de Windows. Pour cela, cliquez sur le poussoir Démarrer du Bureau puis cliquez dans la fenêtre qui s’ouvre sur le mot Programmes et ensuite sur Accessoires puis sur Divertissement et enfin sur Magnétophone.
S’ouvre alors la fenêtre visible figure 9.
Placez le transducteur sur la poitrine, en correspondance de la région cardiaque (à gauche !) et pressez sur la touche Enregistrer (voir figure 9) pour lancer l’enregistrement du coeur.
Pour terminer, pressez sur la touche Stop (voir figure 10) ; vous pouvez sauvegarder ce fichier d’enregistrement au format audio en sélectionnant l’option Fichier et en cliquant sur le mot Sauvegarder avec le nom du fichier.

Figure 1 : Avec ce cardiophone vous pourrez vous amuser à visualiser sur PC vos propres pulsations cardiaques et, si vous disposez d’un programme éditeur de fichier audio, vous pourrez les enregistrer et les réécouter à volonté.

Comment le STETHOSCOPE est né
On raconte que René-Théophile-Hyacinthe Laennec (1781-1826), phare français de la médecine (c’est un peu avant Claude Bernard) découvrit vers 1816 le principe du stéthoscope … par hasard, comme cela se produit souvent en science. C’est en tout cas ce qu’il indique luimême dans son Traité d’auscultation médiate, paru en 1819. Appelé au chevet d’une patiente présentant les symptômes d’une cardiopathie, il lui parut indispensable d’ausculter le coeur de la malade et il le fit en posant directement son oreille contre la poitrine de la jeune femme. On imagine dans quel embarras cette nécessité le plongea et il chercha un moyen d’y pallier.
Or il se souvint d’un phénomène physique bien connu : quand on approche l’oreille d’un corps solide, par exemple un barreau de bois, on arrive à percevoir un bruit même très ténu produit à l’autre bout du bâton. Il pensa pouvoir résoudre le problème qui le préoccupait en suivant ce principe : il prit donc un cahier se trouvant sur sa table et le roula en un cylindre creux ; il appuya l’un des orifices sur la poitrine de la patiente et approcha son oreille de l’autre. Il découvrit ainsi, non sans surprise que, non seulement le bruit des battements du coeur se transmettait d’un bout à l’autre du tube de carton, mais encore que le son du coeur lui parvenait nettement amplifié.
Curieux des réalités cachées entourant son invention impromptue, Laennec se mit à l’approfondir ; il s’était soudainement rendu compte qu’elle pouvait être d’un grand secours pour l’auscultation cardiaque mais aussi pour l’exploration pulmonaire; l’écoute attentive des bruits respiratoires permet en effet de diagnostiquer les différentes affections du poumon.
Il décida de perfectionner l’instrument rudimentaire qu’il venait d’inventer et passa d’un simple cahier roulé à un tube de carton de 30 centimètres, toutefois très vite abandonné pour un cylindre de bois dont l’axe était percé de part en part d’un trou de petit diamètre. Le prototype lui permit de faire de nombreux essais puis il modifia progressivement la longueur, le diamètre du cylindre, celui du trou axial … Il finit par produire un appareil permettant une bonne amplification acoustique et il l’appela d’abord "pectoriloque" puis "stéthoscope" (le grec n’était pas une langue rare à l’époque, surtout pour un médecin) : le mot est fabriqué à partir de stethos = poitrine et de skopein = observer.
Laennec contribua de la sorte à l’étude de nombreuses maladies comme la tuberculose pulmonaire, l’emphysème, l’oedème du poumon et bien d’autres ; son appareil permit également à Laennec de distinguer la pleurite de la pneumonie.
Face à l’évidence d’une nette amélioration diagnostique dans les deux domaines (coeur et poumon), l’appareil de Laennec se répandit rapidement, d’abord en France, puis en Grande Bretagne et enfin dans le reste du monde. Le stéthoscope se perfectionna au fil du temps, jusqu’à arriver à l’instrument actuel qui constitue l’attribut emblématique du médecin, généraliste ou spécialiste, de ville ou en milieu hospitalier.
Dans les stéthoscopes d’aujourd’hui l’amplification du son due à la caisse de résonance de l’appareil a été augmentée et rendue plus précise par l’adjonction d’une membrane vibrante, dont le rôle est de recueillir les vibrations produites par des signaux acoustiques très faibles provenant du corps du patient et de les transmettre à l’air contenu dans les tuyaux, de manière à les rendre perceptibles au praticien.
Ironie du sort (cela aussi est fréquent dans le domaine scientifique, on songe à Semmelweis), après avoir tant contribué à la recherche médicale en général et en particulier à l’observation des maladies pulmonaires, René Laennec mourut en 1826, à l’âge de 45 ans seulement, emporté par cette tuberculose (la phtisie exactement) qu’il avait assidûment étudiée et contre laquelle il avait lutté aux côtés de ses patients. A titre de consolation, il laissa à ses collègues cet appareil désormais indispensable, à placer au sommet des instruments diagnostiques de la médecine moderne.

Figure 2 : Le premier stéthoscope construit par Laennec se composait d’un cylindre en bois de hêtre à l’intérieur duquel on avait pratiqué un trou débouchant d’environ 2 millimètres. Cet instrument permit à son inventeur de diagnostiquer diverses pathologies et de faire d’importantes observations sur les bruits d’origine cardiaque et pulmonaire. Cet appareil est toujours aussi indispensable à la médecine.

Le schéma électrique

Figure 3a : Schéma électrique du cardiophone. IC2 amplifie le signal provenant du transducteur piézoélectrique de 30 dB environ. A la sortie on peut relier indifféremment un casque (mono ou stéréo) de 8 ou 32 ohms.

Le signal provenant du disque piézoélectrique est envoyé à la grille (gate) du FET FT1, dont la fonction est d’adapter l’impédance du capteur avec l’impédance d’entrée de l’amplificateur IC1/A.
Le signal présent sur le drain de FT1 est envoyé à l’entrée non inverseuse de IC1/A, configuré pour constituer avec C3-C4 et R6-R7 un filtre passe-haut, afin de bloquer toutes les fréquences inférieures à 20 Hz. De la broche de sortie de IC1/A le signal est transmis à l’entrée non-inverseuse de IC1/B lequel, avec R10-R11 et C6-C8 constitue un filtre passe-bas bloquant toutes les fréquences supérieures à 400 Hz.
Comme le montre le schéma électrique de la figure 3a, IC1/A et IC1/B sont des amplificateurs opérationnels à gain unitaire. C’est IC2 TDA7052/B qui amplifie le signal d’environ 30 dB.
Sur ses broches 5 et 8 se trouve le signal de sortie, acheminé vers le jack femelle destiné à recevoir le jack audio mâle du casque d’impédance comprise entre 8 et 32 ohms.
Le potentiomètre R14, monté sur la broche 4 de IC2, permet de régler le volume ; le transistor TR1 a pour fonction de limiter le signal de sortie afin qu’en cas de choc sur le capteur le signal n’atteigne pas un niveau intolérable pour l’oreille !
L’alimentation provient d’une pile de type 6F22 de 9 V. Un interrupteur S1, couplé avec le potentiomètre de volume, permet de couper l’alimentation.

Liste des composants
R1 ..... 1 kΩ
R2 ..... 1 MΩ
R3 ..... 1 kΩ
R4 ..... 4,7 kΩ
R5 ..... 4,7 kΩ
R6 ..... 56 kΩ
R7 ..... 100 kΩ
R8 ..... 10 kΩ
R9 ..... 10 kΩ
R10 .... 82 kΩ
R11 .... 82 kΩ
R12 .... 10 kΩ
R13 .... 10 Ω
R14 .... 1 MΩ pot. lin.
C1...... 10 μF électrolytique
C2...... 10 μF électrolytique
C3...... 100 nF polyester
C4...... 100 nF polyester
C5...... 10 μF électrolytique
C6...... 6,8 nF polyester
C7...... 470 nF polyester
C8...... 3,3 nF polyester
C9...... 100 nF polyester
C10 .... 100 μF électrolytique
C11 .... 1 μF polyester
C12 .... 100 nF polyester
C13 .... 100 μF électrolytique
DL1 .... LED
DS1 .... 1N4150
FT1 .... FET BF245
TR1..... NPN BC547
IC1..... LM358
IC2..... TDA7052/B
S1...... interrupteur sur R14
CSQ .... casque 8 ou 32 ohms
CAP..... capsule piézoélectrique

Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.


Figure 3a-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la platine du cardiophone EN1655, côté soudures.

Figure 3a-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la platine du cardiophone EN1655, côté composants.

Figure 4 : A droite, schéma d’implantation des composants du cardiophone (ou stéthoscope électronique) et à gauche photo d’un des prototypes de la platine installée dans son boîtier plastique. A l’extérieur du boîtier on aura le transducteur piézoélectrique (voir ENTREE CAPTEUR) et le casque à écouteurs (voir SORTIE CASQUE).
La grosse roulette est le bouton de commande du potentiomètre de volume. La pile de 9 V 6F22 prend place dans son logement au bas du boîtier.


Figure 5 : Brochages du LM358 et du TDA7052B vus de dessus, du FET BF245 et du transistor BC547 vus de dessous.

Figure 6 : Pour effectuer le montage du disque piézoélectrique sur son support plastique, il faut souder l’âme du câble coaxial au centre du disque céramique et la tresse à son bord externe. Quand ces soudures sont terminées, vous pouvez fixer le disque sur son support avec de la colle ou du ruban adhésif double face.

Figure 7 : Faites ensuite passer le câble à l’intérieur du trou central jusqu’au blocage du noeud et appuyez délicatement le disque sur le support en ayant fait en sorte que la tresse métallique se loge dans l’évidement latéral pratiqué dans le support. A la place du noeud vous pouvez utiliser un petit collier plastique.

La réalisation pratique
Pour réaliser ce cardiophone-stéthoscope électronique EN1655, vous ne rencontrerez aucune difficulté particulière ; soyez simplement soigneux et prenez votre temps. Ce montage peut être entrepris par un débutant. Pour le construire, il vous faut le circuit imprimé double face à trous métallisés EN1655, sur lequel tous les composants seront montés, hormis bien sûr le capteur à disque piézoélectrique et le casque à écouteurs, comme le montrent les figures 3a et 4 : la figure 3a-1 et 2 donne les dessins des deux faces à l’échelle 1. Gravez et percez le CI ou procurez-vous le.
Quand vous l’avez devant vous, montez d’abord les deux picots où vous souderez les fils du porte-pile, puis les deux supports de circuits intégrés (attention, ni court-circuit entre pistes ou pastilles ni soudure froide collée), vérifiez bien ce premier travail puis montez tous les autres composants en allant des plus bas (résistances, diode) aux plus hauts (condensateurs polyesters et électrolytiques, FET, transistor, potentiomètre, LED et jacks femelles d’entrée capteur et de sortie casque).
Contrôlez avant soudure l’orientation des composants polarisés (électrolytiques, diode –bague vers R9–, FET et transistor –méplats vers l’extérieur–, LED –patte la plus longue = anode A– et circuits intégrés.
N’insérez ces derniers dans leurs supports qu’après le montage dans le boîtier et la dernière connexion réalisée).
Soudez enfin les deux fils du porte-pile aux deux picots en respectant bien la polarité (rouge + et noir –) Aucune difficulté particulère si vous regardez bien les figures 3a et 4 et la liste des composants. Vérifiez bien, plusieurs fois, l’identification et l’orientation des composants polarisés et la qualité de toutes les soudures, puis passez à l’installation dans le boîtier.

L’installation dans le boîtier
Prenez la platine, fixez-la au fond du boîtier, à l’aide des ergots plastiques, comme le montre la figure 4. Toutes ces connexions étant faites et vérifiées, vous pouvez insérer les deux circuits intégrés dans leurs supports avec beaucoup de soin et dans le bon sens (les repère-détrompeurs en U doivent "regarder" vers R10 et vers C1).
Reliez la pile à son porte-pile et installez-la dans son logement (en bas).
Placez la roulette sur le potentiomètre.
Fermez le couvercle du boîtier : la roulette dépasse sur le côté, ce qui vous permet d’actionner l’interrupteur M/A et de régler le volume d’écoute. La LED affleure sur l’un des petits côtés. De ce même côté sortent les canons des jacks femelles (voir figure 4). Vous pouvez refermer le couvercle.

Le montage du disque piézoélectrique
Il vous faut un disque piézoélectrique, un morceau de câble coaxial d’un mètre et un cylindre en plastique percé et façonné (c’est le support du transducteur) .
Tout d’abord dénudez les deux gaines plastiques du câble blindé (1 centimètre d’âme et 1,5 centimètre de tresse métallique environ).
Faites un noeud avec le câble blindé, assez près de l’extrémité (voir figure 6).
Prenez le disque et regardez-le bien : il comporte une face lisse et l’autre est revêtue d’une couche de matériel piézoélectrique à proprement parler, entourée d’un bord laitonné.
C’est sur cette dernière face que vous allez effectuer les soudures du câble blindé (avec beaucoup de soin) : l’âme du câble est à souder au centre du disque et la tresse sur le bord, comme le montre la figure 6.
Attention : n’utilisez qu’une petite quantité de tinol pour ces soudures et ensuite éviter toute contrainte mécanique de la part du câble sur le disque auquel il est maintenant soudé, car ce dernier est très fragile.
Pas de tirage ni de torsion.
Enfilez alors le câble à travers le trou du support cylindrique en plastique et faites-le passer jusqu’au noeud de manière à bloquer le câble et à permettre l’insertion des deux fils soudés dans le logement latéral du trou du support plastique (voir figure 6).

Figure 8 : La pulsation cardiaque est principalement constituée de deux tons. Le premier est déterminé par la fermeture des valvules mitrale et tricuspide et le second par la fermeture des valvules aortique et pulmonaire (cette dernière parfois nommée sigmoïde).

Figure 9 : Pour commencer l’enregistrement de la pulsation cardiaque vous devez presser la touche au cercle rouge correspondant à la commande Enregistrer d’un magnétophone.

Figure 10 : Pour terminer l’enregistrement il faut presser la touche au rectangle correspondant à la touche Stop d’un magnétophone.


Note : Si vous préférez, vous pouvez immobiliser le câble avec un collier plastique au lieu de faire un noeud.

Ensuite, fixez le disque à la surface du cylindre avec de la colle, du silicone par exemple, ou bien avec du ruban adhésif double face ; mais attention, la tresse métallique soudée au bord du disque doit bien s’insérer dans la cannelure latérale du support plastique cylindrique. Soudez ensuite l’autre extrémité du câble blindé au jack mâle de 2 millimètres.
Enfoncez ce jack dans le trou du jack femelle. Connectez le casque à son propre jack femelle et allumez l’appareil.
Bonne écoute du coeur !

3 commentaires:

Anonymous a dit…

Il faut choisir n'importe quel disque piézo?

Anonymous a dit…

Ou peut-on trouver le boitier ? Et quelle impédance choisir pour le casque ?

maram a dit…

quelles sont les références de la capsule piézoélectrique?

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