Guide pour choisir parmi différentes techniques de mesure du rythme cardiaque

27th September 2019
Posted By : Victoria Chercasova
Guide pour choisir parmi différentes techniques de mesure du rythme cardiaque

Grâce aux appareils portables, nous connaissons bien mieux notre rythme cardiaque, ce qui est utile pour les applications de fitness, de bien-être et médicales. Le présent article explore les technologies utilisées pour détecter le rythme cardiaque et certains des défis techniques qui doivent être surmontés.

Les données sur le rythme cardiaque peuvent fournir des informations importantes sur la condition physique d’un individu. Leur utilisation va du suivi fitness personnel à la détection d’irrégularités telles que des arythmies, en passant par la surveillance hospitalière des signes vitaux d’un patient. Les technologies sans fil et portables actuelles permettent non seulement de collecter des données complexes de manière non invasive, mais aussi de les analyser et de les afficher instantanément ainsi que de les enregistrer et les transmettre pour de futures analyses.

Ces technologies ont permis de créer des appareils portables, tels que les montres intelligentes, les bracelets de fitness et les sangles pectorales de sport, destinés aux marchés grand public du fitness et du bien-être. Dans le secteur médical, la surveillance non invasive du rythme cardiaque est utilisée pour identifier des problèmes tels qu’un faible débit sanguin vers le cœur et réduire les risques (crises cardiaques ou encore thromboses). À l’hôpital, les infirmiers et infirmières peuvent régulièrement vérifier des données comme la saturation artérielle en oxygène, la fréquence respiratoire et le niveau d’hydratation en utilisant un simple oxymètre et un dispositif d’analyse mobile. Voir illustration 1

 

Illustration 1 : circuit d’application standard pour les systèmes MAX86140/MAX86141 de Maxim.

La demande en appareils non invasifs et/ou portables est en forte croissance. Les données à collecter sont de plus en plus complexes et font naître des défis technologiques importants en matière d’acquisition de données, de traitement et de conditionnement du signal. Les mesures doivent être sécurisées, précises et fiables, en particulier pour les applications médicales.

Il existe deux manières principales de mesurer le rythme cardiaque. La première se fonde sur des techniques optiques qui détectent les changements d’absorption ou de réflexion de la lumière lorsque le sang passe dans les vaisseaux sanguins près de la peau à chaque battement. Ces techniques sont également utilisées pour estimer la saturation en oxygène du sang (oxymétrie de pouls). Les principaux défis techniques sont la faible consommation d’énergie, le rejet de la lumière ambiante et la suppression du bruit environnant.

La seconde méthode, la mesure biopotentielle, fait recours à des électrodes qui détectent l’activité électrique produite par le tissu musculaire cardiaque et transmise à la peau. Les données permettent de générer un électrocardiogramme (ECG), largement utilisé par les médecins pour déterminer la santé cardiaque d’un patient. Les mesures de bio-impédance permettent aussi de connaître la fréquence respiratoire et l’amplitude respiratoirerelative. Les principaux défis associés à cette méthode sont le fonctionnement basse consommation, la compensation des mouvements et la suppression d’autres interférences comme le bruit.

Oxymètre de pouls optique

Heureusement pour les développeurs, un certain nombre de systèmes d’acquisition de données optiques dédiés et spécifiques sont disponibles pour les moniteurs de fréquence cardiaque. Les dispositifs MAX86140 et MAX86141 de Maxim Integrated, par exemple, sont optimisés pour la détection optique du rythme cardiaque, de la saturation en oxygène artérielle et musculaire dans des moniteurs en contact avec le poignet, le doigt, l’oreille, etc. Voir illustration 2.

 

Illustration 2 : MAX0003 de Maxim. Circuit de fonctionnement standard à deux terminaux avec filtrage en mode commun et différentiel.

Si la surveillance optique basique du rythme cardiaque requiert une seule source lumineuse, un oxymètre de pouls en nécessite deux. Pour garantir une meilleure précision et enrichir la gamme de mesures possibles, plusieurs sources lumineuses sont souvent utilisées. Les dispositifs MAX86140 et MAX86141 offrent respectivement un canal optique unique et double.

Du côté du transmetteur, trois pilotes LED programmables à haut courant peuvent être configurés pour faire fonctionner jusqu’à six LED. Avec deux appareils fonctionnant en mode maître-esclave, les pilotes LED peuvent faire fonctionner jusqu’à 12 LED. Le circuit de suppression de la lumière ambiante propriétaire et solide représente une fonctionnalité cruciale pour ces appareils. Celui-ci est particulièrement utile pour garantir la précision dans des conditions de luminosité élevée. Un algorithme de détection et de remplacement permet de remplacer les échantillons erronés par une valeur extrapolée.

D’autres fonctionnalités clés incluent un front end analogique (AFE) de conditionnement de signal à faible bruit avec un CAN sigma-delta de 19 bits, une référence de tension et un capteur de température. Le débit des données de sortie du CAN peut être programmé de 8 à 8192 échantillons/s. Les appareils requièrent un équipement externe minimal. Un dispositif FIFO de 128 mots fournit un stockage sur puce pour les données de sortie numériques et permet la connexion à un microcontrôleur.

Fonctionnant sur une tension d’alimentation principale de 1,8 V avec une alimentation séparée de pilote LED de 3,1 à 5 V, les deux appareils fournissent plusieurs dispositifs économes en énergie. Ils ont des configurations flexibles de synchronisation et d’arrêt, ainsi que de contrôle des blocs individuels. Cela permet des mesures optimisées à des niveaux de consommation d’énergie minimaux. Un mode de mise à l’arrêt dynamique est disponible pour des débits d’échantillon bas, inférieurs à 128 sps. Un mode de proximité peut réduire la consommation d’énergie lorsque le capteur n’est pas en contact avec la peau.

Le contrôleur optique peut être configuré pour bon nombre de mesures. Un, deux ou trois pilotes LED peuvent être pulsés séquentiellement, prenant ainsi des mesures sur plusieurs longueurs d’onde, comme requis pour l’oxymétrie de pouls. Lorsque les pilotes LED sont pulsés simultanément, les mesures du rythme cardiaque peuvent être prises sur un appareil fixé au poignet. Le niveau d’entraînement des LED peut être ajusté pour compenser les niveaux de bruit accrus qui surviennent par exemple lorsque des signaux ambiants de haute interférence sont présents.

Mesure ECG biopotentielle

Un ECG mesure le rythme cardiaque et peut donner des détails sur les signes vitaux d’un individu et ainsi des informations supplémentaires pour mener à bien d’autres examens cardiaques. Il permet également une surveillance du rythme cardiaque plus fiable dans les applications de fitness, surtout lorsqu’une sangle pectorale est utilisée. Les mesures biopotentielles sont généralement beaucoup moins énergivores que les capteurs optiques pour le même niveau de précision. Néanmoins, le traitement des signaux d’ECG peut consommer rapidement l’énergie des batteries. Les mesures ECG sont en outre très sensibles au mouvement et à d’autres sources d’interférence. C’est pourquoi la compensation du mouvement, qui peut également être une source de bruit, est si primordiale dans les applications de fitness.

Une fois encore, des appareils dédiés spécifiques sont disponibles pour ce type d’application, comme le MAX30003 de Maxim Integrated, une solution d’AFE biopotentielle complète pour les applications portables (voir illustration 3). Cet appareil monocanal intègre un AFE ECG de classe clinique avec un CAN haute résolution de 15,5 bits avec un bruit de crête en crête de 5 V. Il possède en outre une protection ESD, un filtrage des EMI, une polarisation interne des électrodes, une détection CC de la présence des électrodes et un séquençage de mise sous tension progressif. L’impédance d’entrée élevée garantit une atténuation minimale du signal à l’entrée lors du démarrage à sec.

Un taux de rejet du mode commun (TRMC) de l’AFE le plus élevé possible permet de garantir la compensation des mouvements et la suppression des interférences dues aux artéfacts de mouvement. Le MAX30003 est doté d’une fonctionnalité TRMC s’élevant généralement à 115 db. Des résistances de polarisation des électrodes sélectionnables aident à améliorer le TRMC et à obtenir une impédance d’entrée élevée. Diverses options de filtrage passe-bas et passe-haut existent pour limiter la bande passante, ce qui est important pour réduire le bruit généré par l’électricité statique et les signaux haute fréquence. Pour les applications de fitness, la fréquence de coupure passe-haut doit être définie sur 5 Hz, tandis que pour les applications médicales elle peut l’être sur 0,5 ou 0,05 Hz. Pour le sport, la fréquence de coupure passe-bas en mode commun peut être fixée sur 34 Hz, soit le niveau optimal pour limiter le bruit causé par les vêtements lors du démarrage à sec.

Une consommation ultra-basse de 85 µW à une tension d’alimentation d’1,1 V permet d’allonger la durée de vie de la batterie. La fonctionnalité de détection de la présence des électrodes fonctionne en mode veille/veille prolongée (70 nA). Un dispositif FIFO de 32 mots peut contenir jusqu’à 32 résultats de conversion de données ECG, enregistrant l’activité du microcontrôleur hôte lors d’une veille prolongée, et réduit ainsi la consommation électrique. Le microcontrôleur peut être programmé pour ne pas traiter des données potentiellement invalides. Un algorithme intégré pour les intervalles R-R de pic permet de réaliser d’autres économies d’énergie. Le microcontrôleur, par exemple, ne consomme qu’environ 1 µA, contre 50 à 100 fois plus lorsque le microcontrôleur est l’hôte.

Maxim propose une plateforme de conception permettant de développer des produits de fitness ou de santé portables en se basant sur ce dispositif. La plateforme de capteur de santé MAXREFDES100# intègre les composants matériels sur une seule carte de circuit imprimé et une carte de programmation basée sur ARM mbed en tant que kit de développement matériel. En plus du MAX30003, le MAX30101 apporte des fonctionnalités d’oxymétrie de pouls via des éléments optiques (tels que des LED et des photodétecteurs) et des composants électroniques à faible bruit avec évacuation de la lumière ambiante. Le capteur de température de classe clinique MAX30205 est également disponible. Le bloc d’alimentation parfaitement adapté est le MAX14750 qui offre plusieurs sorties pour le microcontrôleur, l’AFE et l’interface numérique.

 

 


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