Couverture ElectroniqueS n°127

L'implémentation de la technologie dite PPG de mesure cardiaque optique dans un format pour dispositif portable –un bracelet– requiert une combinaison spécifique de circuiterie analogique de précision, de composants de filtrage et de logiciel. V otre fréquence cardiaque en dit long sur vous. La fréquence au repos indique la bonne santé d'une personne; les variations de cette fréquence mettent en évidence son style de vie. Par exemple, des crises d'anxiété ou de stress répétées se refléteront dans des épisodes d'accélération de l'activité cardiaque. Les mesures de fréquence cardiaque peuvent également révéler la qualité du sommeil de la personne. L'importance de cet indicateur physiologique a conduit l'industrie électronique à une foultitude d'innovations et d'expérimentations : elle s'est efforcée de trouver un moyen fiable pour implémenter une mesure continue de fréquence cardiaque à l'intérieur d'un dispositif portable, autrement dit confortable et pouvant être connecté à un smartphone ou un ordinateur, afin de fournir au porteur de l'appa-reil les informations utiles sur sa santé, son mode de vie et son activité physique. Les technologies pour mesurer la fréquence cardiaque sont bien assimilées et déjà utilisées dans de nombreuses applications. Cependant, leur implémentation dans un format de dispositif portable requiert une combinaison très spécifique de circuiterie analogique de grande précision, de composants de filtrage et de logi-ciel. Etonnamment, il existe une grande différence entre la conception d'un appareil de mesure pour utilisation médicale occasionnelle et la mise en œuvre de la même technologie dans un appareil devant être porté constamment. TIMO KUISMA ET RONALD TINGL (ams) Timo Kuisma est ingénieur d'applications pour les composants de communication et grand public d'ams. Diplômé de l'université d'Helsinki, il a précédemment travaillé pour Texas Instruments, Philips et NXP. Ronald Tingl est, lui, responsable marketing pour les solutions optiques avancées d'ams. Diplômé de l'université de Graz, il est passé par une société autrichienne de conception d'Asic et par NXP avant de rejoindre ams. Comment mesurer la fréquence cardiaque avec la lumière La méthode traditionnelle pour gérer cette fréquence est de mesurer les pics électriques générés dans le cœur à chaque battement – méthode de l'électrocardiogramme, ou ECG. Un ECG portable est placé sur le torse avec une ceinture au niveau du cœur et transmet les informations sans fil vers un ordinateur hôte. Malheureusement, cette ceinture s'avère très inconfortable sur une longue durée. Elle est pratique pour des installations médicales ou lors d'exercices de rééducation, mais cette option n'est pas viable pour une utilisation continue. Pour des utilisateurs qui souhaitent un contrôle constant de leur fréquence cardiaque en regard de leur santé ou de leur style de vie, un dispositif comme un brassard, un bracelet ou une montre connectée est indispensable. Il est évident qu'un ECG est inéligible en utilisation dans un bracelet. En fait, une alternative est déjà largement choisie par les professionnels du médical pour la mesure cardiaque et l'oxymétrie de pouls. Il s'agit d'une méthode de mesure optique, la photoplethysmographie (PPG), évaluant les variations de flux sanguins lors de la dilatation des artères et des artérioles dans le tissu sous-cutané. Dans une installation médicale, ceci est implémenté à l'aide d'un clip que l'utilisateur fixe sur le bout d'un doigt. L'appareil dirige un faisceau de lumière dans la peau (à partir d'une Led sur un côté de l'appareil) et on mesure les oscillations dans la transmission de lumière au travers du doigt (par une photodiode sur l'autre côté de l'appareil). La quantité de lumière détectée par le photorécepteur indique une chute rapide à chaque battement, puisque l'afflux de sang augmente et absorbe plus de lumière. Le signal de la photodiode prend la forme d'une courbe en dents de scie ( voir figure 1 ), sa fréquence de base correspondant à la fréquence cardiaque. Dans les utilisations médicales, la PPG en mode transmission est la méthode préférée des professionnels. Mais ce mode transmission limite la conception mécanique de l'appareil : il doit recouvrir une partie du corps, en pratique un doigt ou un lobe d'oreille, ce qui est peu confortable et peu pratique si on veut le porter plus que quelques minutes. Heureusement, la PPG travaille également en réflexion : la quantité de lumière redirigée dans la direction de la source Led est également réduite par l'effet d'absorption à chaque battement. Ceci permet l'implémentation d'un appareil installé sur la surface de la peau, par exemple dans un bracelet. Difficultés de l'implémentation dans un bracelet Ce mode réflectif PPG, néanmoins, pose énormément de problèmes que le concepteur devra résoudre s'il désire parvenir à mettre en œuvre un appareil de mesure de fréquence cardiaque continu et fiable, car le fonctionnement de l'appareil peut être altéré par: - le mouvement du corps, par exemple si les gestes ou les exercices impliquent l'utilisation des bras, ce qui affecte la circulation sanguine dans les vaisseaux au niveau du poignet, - la lumière ambiante, - les interférences entre la Led de l'appareil et ses photorécepteurs, - les déplacements du dispositif à la surface de la peau. La conception est particulièrement délicate car la plus grosse partie de la lumière de la Led est réfléchie par des parties du corps autres que les vaisseaux sanguins, comme des os ( voir figure 2 ). Ces autres parties ne sont pas sujettes à des fluctuations du taux d'absorption. Ceci signifie que les variations causées par les battements du cœur sont représentées par un tout petit signal AC perceptible au-dessus du gros signal DC de base. La détection de ce signal AC requiert une circuiterie analogique extrêmement précise avec une très grande dynamique. Cela signifie également que les distorsions dues aux mouvements du corps et au déplacement de l'appareil sur la surface de la peau fausseraient les résultats obtenus, à moins que cet appareil ne puisse éliminer ces effets négatifs en appliquant un algorithme de compensation. Le système a donc besoin d'un accéléromètre pour lui fournir les données en 3D comme base de l'algorithme de compensation. Bien sûr, il est possible de minimiser les déplacements du bracelet à la surface de la peau en le serrant bien, mais il faut qu'il reste un peu lâche pour être confortable. Un bon serrage contribue également à bloquer la lumière ambiante dirigée sur la photodiode, mais un bracelet étroit peut laisser pénétrer la lumière ambiante au travers de la peau au même titre que le capteur. Donc, si on veut obtenir une grande fiabilité et une grande précision, il faudra implémenter certaines fonctions qui supprimeront la lumière ambiante dans le bracelet PPG: -des filtres optiques à bande étroite, - une modulation optique du signal, - un contrôle de gain automatique, - un filtrage du signal électrique. Une barrière optique entre les Led et le détecteur peut réduire les risques d'interférences. On peut également les limiter en modifiant le boîtier du circuit: des alvéoles sur le dessus des détecteurs et des Led améliorent la pénétration de la lumière dans les tissus et la dirigent plus efficacement dans le corps. Principaux blocs fonctionnels d'un bracelet PPG Les éléments de base d'un système PPG monté sur un bracelet sont montrés en figure 3. Le processeur gère les fonctions du système, les communications et l'afficheur. Un modem Bluetooth faible consom-mation (Bluetooth Smart) fournit le lien sans fil vers un hôte (par exemple un smartphone). On pourrait concevoir ce système PPG avec des Led discrètes, des photodiodes et un circuit de traitement du signal, les algorithmes d'application fonctionnant sur un processeur hôte. Néanmoins, une conception à base de composants discrets exige de l'équipe de développement une optimisation des éléments la constituant y compris: - le nombre de Led et leur espacement, - la sortie de lumière des Led, leur puissance et leur couleur, - le nombre de photodiodes et leur espacement, - la fourniture de barrières et de filtres optiques, - la temporisation du fonctionnement des Led, et l'implémentation des interfaces de contrôle vers celles-ci et vers les photodiodes. Avantage des solutions intégrées Un module intégré contenant tous les blocs fonctionnels nécessaires, et optimisé pour la PPG au niveau matériel et logiciel, permet de résoudre les problèmes posés par ces conceptions. L'AS7000, un capteur d'ams, constitue un exemple de solution intégrée destinée aux bracelets PPG. Ne mesurant que 4x6x1 mm, il comprend des Led, des photo-détecteurs, une circuiterie de traitement optique et un frontal analo-gique ( voir figure 3 ). Il est également doté d'un processeur ARM Cortex-M0 pour contrôler le système et faire tourner l'application de mesure de fréquence cardiaque. Il convertit, en particulier, les mesures de lumière réfléchie par les photodiodes en données de fréquence cardiaque transmises au processeur hôte. Comme la plupart des dispositifs intégreront de toute façon un processeur spécifique séparé, l'AS7000 jouera le rôle de coprocesseur, offrant les interfaces adéquates et suffisamment de mémoire pour le traitement des algorithmes et les fonctions d'entretien. Les concepteurs pourront l'intégrer dans les autres parties de leur design. La figure 2 montre l'AS7000 utilisant un accéléromètre dédié pour effectuer la compensation des perturbations dues au mouvement. On pourrait également prendre en compte les données provenant d'un accéléromètre partagé par le reste du système, à condition que les données soient fournies à intervalles très réguliers. ams utilise deux méthodes pour éliminer l'impact de la lumière ambiante sur les résultats. La première repose sur des filtres et des barrières optiques. De plus, le contrôleur module le fonctionnement des Led selon un rythme ajustable, typiquement 1 kHz. Un démodulateur synchrone multiplie le signal par +1/0/-1 et sa temporisation est synchronisée avec la fréquence de modulation de la Led, lui per-mettant ainsi de soustraire une portion de la lumière totale mesurée, ne laissant que la valeur de lumière Led réfléchie pour les traitements ultérieurs. Pour synchroniser le courant de la Led et les délais d'intégration et d'échantillonnage du convertisseur analogique-numérique, un séquenceur d'échantillons intégré pourrait être utilisé ( voir figure 4 ). Le séquenceur génère une synchronisation 16 bits basée sur une horloge 1µs, ainsi qu'une synchronisation de la modulation et démodulation des Led, et gère la conversion analogique-numérique. Les résultats sont automatiquement stockés dans un buffer pipeline ou dans un registre de données ADC. La circuiterie analogique de l'AS7000 fournit un flot de mesures de lumière filtrées et amplifiées. Des calculs de la fréquence cardiaque sont effectués par un algorithme implémenté sur le processeur Cortex-M0. L'algorithme propriétaire d'ams délivre une lecture fiable et précise à partir de seulement 20 échantillons de données par seconde. Les données reçues de l'accéléromètre alimentent l'algorithme à intervalle régulier, et les perturbations dues aux mouvements seront ainsi détectées et compensées. Il faut noter que le firmware peut être mis à jour via un câble série ou des interfaces I 2 C. Cela permet l'utilisation de différents algorithmes selon l'application tout en profitant pleinement des capacités du capteur optique.

Surmonter les difficultés mécaniques et électriques d’un capteur cardiaque

Couverture ElectroniqueS n°127

IBM grave les premières puces en 2 nm en abandonnant les FinFET

Zeta, le protocole LPWAN made in China, arrive en Europe

Harting invente le connecteur électronique sur mesure

Surmonter les difficultés mécaniques et électriques d’un capteur cardiaque

Dans la même rubrique

Couverture ElectroniqueS n°127

IBM grave les premières puces en 2 nm en abandonnant les FinFET

Zeta, le protocole LPWAN made in China, arrive en Europe

Harting invente le connecteur électronique sur mesure