La mesure de signes vitaux dépasse à présent la sphère médicale pour s’étendre à de multiples aspects de notre vie quotidienne. Initialement, cette surveillance se limitait aux hôpitaux et aux établissements bénéficiant d’une très stricte supervision médicale. Or, les progrès de la microélectronique ont permis de réduire le coût des systèmes de surveillance, rendant ainsi ces technologies plus facilement accessibles et plus courantes dans des domaines tels que la télémédecine, le sport, la remise en forme, le bien-être ou la sécurité sur le lieu de travail, sans oublier le marché automobile et surtout la conduite autonome. Malgré cet essor et compte tenu de la nature médicale et sanitaire de ces applications, les normes de qualité demeurent élevées.
Signes vitaux
La surveillance des signes vitaux implique la mesure d’un ensemble de paramètres physiologiques qui peuvent fournir une indication du niveau de santé d’une personne. À titre d’exemple, le rythme cardiaque est l’un des paramètres les plus couramment observés ; il est mesuré à l’aide d’un électrocardiogramme qui enregistre la fréquence du battement du cœur et, surtout, ses variations. Le rythme cardiaque a tendance à fluctuer en fonction de l’activité. Il ralentit pendant les phases de sommeil ou de repos, mais aura tendance à augmenter à la suite d’une activité physique, mais également en raison d’une réaction émotionnelle, de stress ou d’anxiété.
La détection de la fréquence cardiaque en dehors de la plage normale indique potentiellement la présence de troubles tels que la bradycardie (fréquence cardiaque trop basse) ou la tachycardie (trop élevée). La respiration est un autre signe vital important. Le niveau d’oxygénation du sang peut être mesuré au moyen d’une technique appelée « photopléthysmographie » (SpO2, pour saturation pulsée en oxygène). Une mauvaise oxygénation peut être liée à l’apparition de maladies ou de troubles affectant le système respiratoire. D’autres mesures des signes vitaux fournissent des indications concernant la condition physique d’une personne : la pression artérielle, la température du corps et la réponse électrodermale, également appelée conductance cutanée. Cette réponse galvanique de la peau est étroitement liée au système nerveux sympathique, lequel est son tour directement impliqué dans la régulation des comportements affectifs. La mesure de la conductance cutanée fournit des indications sur le niveau de stress et de fatigue, ainsi que l’état mental et la susceptibilité émotionnelle d’un patient. En outre, la mesure de la composition corporelle, les pourcentages de masse maigre (IMM) et de masse grasse (IMG), ainsi que le degré d’hydratation et de nutrition procurent des indications claires quant à l’état clinique d’un individu. Enfin, la mesure des mouvements et de la posture fournira des informations utiles sur l’activité du sujet.
Technologies de mesure des signes vitaux
Divers capteurs sont nécessaires pour mesurer des signes vitaux tels que le rythme cardiaque, la respiration, la pression artérielle et la température du sang, la conductance cutanée et la composition corporelle. Les solutions utilisées doivent être à la fois compactes, peu gourmandes en énergie et fiables. La surveillance des signes vitaux couvre les mesures suivantes?:
• mesures optiques
• mesures de biopotentiel
• mesures d’impédance
• mesures au moyen de capteurs MEMS
Mesures optiques
Les mesures optiques dépassent le périmètre des technologies microélectroniques classiques. Pour procéder à ce type d’opération, une véritable panoplie d’outils de mesure optique est nécessaire. La figure 1 représente une chaîne de mesure optique classique. Des sources lumineuses (généralement des diodes LED) sont utilisées pour générer un signal lumineux qui peut être composé de différentes longueurs d’onde qui, associées, autorisent une plus grande précision de mesure. Une série de capteurs en silicium ou germanium (photodiodes) est également requise pour transformer le signal optique en signal électrique, également appelé photocourant. Les photodiodes doivent réagir à la longueur d’onde de la source lumineuse avec une sensibilité et une linéarité suffisantes. Le photocourant doit ensuite être amplifié et converti, ce qui implique l’utilisation d’un circuit d’interface analogique (AFE) multivoies très performant et économe en énergie, mais également capable de commander les LED, d’amplifier et de filtrer le signal analogique, et de procéder à la conversion analogique/numérique avec la résolution et la précision nécessaires.
Le conditionnement du système optique joue également un rôle fondamental. Le boîtier n’est pas un simple « conteneur » : c’est un véritable système doté d’une ou de plusieurs fenêtres optiques capables de filtrer la lumière sortante et entrante, sans atténuation ni reflets excessifs risquant de compromettre l’intégrité du signal. De même, le boîtier du système optique doit pouvoir héberger plusieurs composants, notamment des diodes LED, des photodiodes et des circuits de traitement analogique et numérique afin de former un système multipuces de faibles dimensions. Enfin, une technologie de revêtement permettant de créer des filtres optiques s’avère également indispensable pour sélectionner la partie du spectre dont l’application a besoin, ainsi que pour éliminer les signaux indésirables. L’application doit fonctionner même en cas d’exposition à la lumière du soleil. En l’absence de filtre optique, l’amplitude du signal risque de saturer la chaîne analogique, empêchant ainsi le bon fonctionnement des composants électroniques.
Analog Devices propose différents frontaux analogiques capables de traiter le signal reçu des photodiodes et de contrôler les LED. Un système optique complet est également disponible, qui intègre les LED, les photodiodes et les frontaux dans un seul appareil, par exemple, l’ADPD188GG.
Mesures de biopotentiels et d’impédance bioélectrique
Un biopotentiel est un signal électrique généré par l’effet de l’activité électrochimique de notre organisme. Les électrocardiogrammes (ECG) et les électroencéphalogrammes (EEG) sont deux exemples de mesure du biopotentiel. Ces appareils sont conçus pour détecter des signaux de très faible amplitude dans une bande de fréquences où cohabitent plusieurs interférents. Le signal doit par conséquent être amplifié et filtré avant d’être traité. Dans le cas des électrocardiogrammes, les mesures de biopotentiel sont largement utilisées pour surveiller les signes vitaux. Analog Devices propose plusieurs composants conçus à cet effet, à savoir le frontal AD8233, la famille d’interfaces analogiques ADAS1000 et le microcontrôleur ADuCM3029.
Le circuit analogique AD8233 est conçu pour des applications électroniques « wearables » et peut être associé à l’ADuCM3029, un système sur puce (SoC) architecturé autour d’un processeur Cortex®-M3, pour former un système complet. Conçue pour des applications de gamme supérieure, la famille ADAS1000 se caractérise par une faible consommation d’énergie ; elle est particulièrement adaptée aux appareils portables alimentés par batterie et est évolutive en termes de consommation et de bruit (en d’autres termes, le niveau de bruit peut être réduit parallèlement à une augmentation proportionnelle de la consommation d’énergie), ce qui en fait une solution intégrée idéale pour les électrocardiogrammes.
L’impédance bioélectrique (bioimpédance) contient également des informations à propos de notre état physique. Les mesures d’impédance fournissent des renseignements précieux concernant par exemple notre activité électrodermale, la composition de notre organisme ou notre état d’hydratation. Alors que chaque paramètre utilise une technique de mesure particulière, le nombre d’électrodes requis par chacune d’elles et l’endroit où elles sont appliquées peuvent varier en fonction de la gamme de fréquences utilisée.
Par exemple, les basses fréquences (jusqu’à 200?Hz) sont utilisées pour mesurer l’impédance cutanée, alors qu’une fréquence fixe de 50?kHz est généralement employée pour la composition du corps humain. De même, des fréquences variables servent à mesurer l’hydratation et évaluer correctement les fluides intra- et extracellulaires.
Quoique les techniques puissent différer, il est possible d’utiliser un unique circuit intégré, l’AD5940 d’Analog Devices, pour effectuer l’ensemble des mesures d’impédance et de bioimpédance. Cette interface analogique fournit le signal d’excitation et la totalité de la chaîne de mesure d’impédance. Plusieurs fréquences peuvent être générées pour répondre à différentes exigences de mesure. En outre, l’AD5940 est conçu pour être associé à l’AD8233 en vue de constituer un système complet de lecture de bioimpédance et de biopotentiel (voir la figure?2). Parmi les autres circuits de mesure d’impédance figurent les systèmes sur puce (SoC) de la famille ADuCM35x laquelle comprend, outre l’AFE dédié, un microcontrôleur Cortex-M3, une mémoire, des accélérateurs matériels et des périphériques de communications pour les biocapteurs et les capteurs électrochimiques.
Mesurer des mouvements avec des capteurs MEMS
Déjà capables de mesurer des accélérations gravitationnelles, les capteurs MEMS peuvent également être utilisés pour détecter des activités et des anomalies telles qu’une démarche instable, une chute ou une commotion cérébrale, voire surveiller la posture d’un sujet au repos. Ces capteurs peuvent en outre être employés en complément de capteurs optiques, ceux-ci étant sujets à des artefacts de mouvement ; dans ce type de situation, les informations fournies par l’accéléromètre seront utilisées pour apporter une correction. L’accéléromètre ADXL362 est l’un des composants les plus couramment employés dans le secteur médical ; c’est également l’accéléromètre triaxial avec la plus basse consommation du marché. Sa plage de mesure programmable est comprise entre 2 et 8?g, et il dispose d’une sortie numérique.
ADPD4000?: un frontal analogique universel
Les appareils électroniques « wearables » actuellement disponibles dans le commerce — montres et bracelets connectés, par exemple — embarquent de multiples fonctions de monitorage des signes vitaux. Parmi les plus courantes, citons les cardiofréquencemètres, les podomètres et autres compteurs de calories. La pression artérielle et la température corporelle peuvent également être mesurées, de même que l’activité électrodermale, les variations du volume sanguin (par photopléthysmographie), etc. Or, la multiplication des options de surveillance disponibles va de pair avec une augmentation du nombre de composants électroniques hautement intégrés. Par sa grande flexibilité, l’architecture de l’AFE ADPD4000 aide les concepteurs à relever ce défi. Il en effet peut gérer un frontal photométrique, piloter des LED et lire des photodiodes, en plus de la fourniture de relevés de biopotentiels et d’impédances bioélectriques. Ce circuit d’entrée est équipé d’un capteur de température pour la compensation et d’une matrice de commutation qui permet de piloter les sorties et d’acquérir les signaux nécessaires, que ce soit pour des signaux de tension différentiels ou asymétriques. La sortie est sélectionnable et peut être asymétrique ou différentielle en fonction des exigences d’entrée du convertisseur analogique/numérique auquel l’ADPD4000 est connecté. Ce circuit d’entrée analogique peut être programmé avec 12 intervalles de temps différents par période d’échantillonnage, associés à un capteur spécifique. La figure 3 présente les principales caractéristiques du frontal analogique ADPD4000 dans des applications courantes.
Conclusion
Grâce aux avancées de la technologie, la surveillance des signes vitaux va progressivement s’imposer dans de nombreux secteurs industriels, ainsi que dans notre vie quotidienne. Qu’elles soient utilisées à des fins de traitement ou de prévention, ces solutions critiques pour la santé nécessitent une technologie à la fois fiable et robuste. Les concepteurs de systèmes de monitorage des signes vitaux trouveront dans le vaste portefeuille de produits de traitement du signal d’Analog Devices de nombreuses solutions leur permettant de relever les défis auxquels ils sont confrontés.
Cosimo Carriero, ingénieur d’application de terrain, Analog Devices
Source : com-trail.fr