Éléments de conception à prendre en considération pour les bracelets de contrôle de la fréquence cardiaque

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Les bandes-bracelets de sport tout comme les montres intelligentes ne se contentent plus d'être de simples « podomètres intelligents » reposant sur un accéléromètre, mais tendent à intégrer des systèmes de détection biométrique permettant par exemple de contrôler la fréquence cardiaque. Cette tendance est alimentée non seulement par les fabricants eux-mêmes, qui cherchent à se différencier sur un marché en pleine croissance, mais également par les consommateurs qui souhaitent optimiser leurs performances et leurs capacités physiques grâce à des programmes d'entraînement plus efficaces.

Un contrôle en temps réel et en continu de la fréquence cardiaque incite les utilisateurs à adapter leurs exercices en fonction de leur zone de fréquence cardiaque. Les concepteurs de ces produits portatifs nouvelle génération sont confrontés à certaines difficultés dès lors qu'il est question d'intégrer dans leurs produits une fonction de contrôle en continu de la fréquence cardiaque :

  •   Précision des mesures de fréquence cardiaque

  •   Suivi de la précision pendant la pratique d'exercices

  •   Validation des performances entre de nombreux utilisateurs particuliers

  •   Réduction de la taille et de l'épaisseur des conceptions portables

  •   Allongement de l'autonomie

    Les concepteurs de systèmes portables ont la possibilité d'implémenter des techniques optiques ou électriques non invasives. Les techniques électriques impliquent généralement l'utilisation de sangles thoraciques avec deux points de contact sur la peau pour la mesure de la fréquence cardiaque. Si cette méthode est réputée précise, elle contraint les utilisateurs à porter une large bande tout autour de la poitrine avec une batterie et un dispositif de communication sans fil, ce qui peut se révéler peu pratique ou confortable. Les fabricants ont tendance à privilégier les techniques optiques, qui améliorent le confort en évitant le port d'une sangle thoracique grâce à l'utilisation d'un émetteur optique et d'un capteur intégrés dans le bracelet.

    Principe du contrôle de fréquence cardiaque à l'aide d'un système optique porté au poignet

    Comme le montre la Figure 1, une DEL réfléchit une lumière infrarouge sur la peau du poignet de l'utilisateur. La lumière qui pénètre dans la peau est alors absorbée, diffusée et réfléchie par les tissus, les os, les veines et les artères. Un capteur optique est utilisé pour détecter ces faibles réflexions. La lumière réfléchie par les tissus et les os ne varie pas dans le temps et produit uniquement un courant continu. Avec les battements du cœur, la lumière réfléchie par le sang artériel change et produit un signal de courant alternatif. Un système de traitement des signaux numériques sophistiqué élimine le signal CC et calcule la fréquence cardiaque à partir du faible signal CA. Cette technique de traitement génère ce que l'on appelle un signal de photopléthysmographie (PPG). 

Dans une conception optique, de nombreux facteurs contribuent à améliorer la précision des signaux PPG : la longueur d'onde du ou des émetteur(s) optique(s), la sensibilité du système à ces longueurs d'onde, la distance entre l'émetteur et le capteur, la quantité de lumière générée par la DEL, le nombre d'émetteurs ou encore le niveau de bruit du système. Un système de contrôle de la fréquence cardiaque idéal pour un utilisateur donné peut ne pas se révéler aussi efficace pour un autre, en raison des différences de pigmentation cutanée et d'autres caractéristiques physiologiques du poignet. Les concepteurs doivent, dans la mesure du possible, sélectionner et utiliser des techniques adaptatives afin de s'assurer que leur produit s'adaptera à une large population d'utilisateurs. et d'éviter ainsi les risques de mécontentement client et de retours produit. Passons à présent en revue quelques aspects essentiels de la conception d'un système de contrôle de la fréquence cardiaque.

Longueur d’onde de l'émetteur

Les moniteurs de fréquence cardiaque classiques, fixés au bout du doigt ou sur l'oreille, utilisent des émetteurs infrarouges sur la bande 850-940 nm. Ces émetteurs ne sont pas des plus efficaces pour les solutions portées au poignet puisque le poignet ne contient pas les mêmes capillaires sanguins que ceux que l'on peut trouver au niveau des doigts ou des oreilles. Pour les systèmes portés au poignet, les longueurs d'onde vertes (525 nm) se révèlent plus efficaces chez les utilisateurs à la peau claire. Malheureusement, les peaux plus sombres peuvent absorber les longueurs d'onde vertes. Les longueurs d'onde jaunes (590 nm) sont en réalité plus performantes pour les utilisateurs à la peau sombre. Pour obtenir des performances optimales auprès du plus grand nombre d'utilisateurs, il est donc possible de combiner des DEL vertes et jaunes moyennant un léger surcoût et une consommation d'énergie relativement supérieure. Une technique adaptative est utilisée pour sélectionner le signal permettant de calculer au mieux la fréquence cardiaque de chaque utilisateur particulier.

« Optocouplage » avec la peau

Dans la mesure où la précision des mesures est affectée par les espacements d'air, il est important de bien coupler les signaux optiques entre le poignet et le dispositif portable. Le port d'un bracelet souple garantit un maintien parfaitement ajusté et confortable. Une bande trop serrée améliore certes le couplage, mais limite le débit sanguin, ce qui nuit à la précision. Une bande trop lâche aura tendance à se déplacer. Sur les systèmes à DEL unique, il est souvent nécessaire 

d'ajuster le bracelet un peu plus haut sur le bras ou de le tourner légèrement afin d'en optimiser les performances. L'utilisation de deux DEL placées de part et d'autre du capteur optique réduit les problèmes liés au positionnement de la bande et à l'inclinaison. Les problèmes d'inclinaison peuvent survenir lorsqu'un seul côté du bracelet est bien ajusté sur la peau (et qu'il y a donc un espace entre la peau et le bracelet de l'autre côté). Pour garantir une précision optimale chez le maximum d'utilisateurs, il est recommandé d'utiliser trois DEL dans les conceptions portables. Par exemple, la bande-bracelet Scosche Rythm Plus hautes performances utilise deux DEL vertes et une DEL jaune disposées en triangle.

Énergie lumineuse de l'émetteur

L'énergie lumineuse de l'émetteur est essentiellement déterminée par le courant d'attaque, la tension, le temps d'impulsion, le demi-angle et l'intensité lumineuse de la DEL. Un système de capteur optique contrôlant plusieurs de ces paramètres permet au logiciel de se configurer automatiquement afin d'offrir des paramètres optimum pour chaque utilisateur spécifique. Par exemple, les DEL vertes ont une tension directe élevée qui peut supposer d'avoir à faire certains compromis sur la tension de la DEL et la puissance générée. Il n'est pas toujours possible d'appliquer à la DEL une tension plus élevée ; on peut donc utiliser un temps d'impulsion plus long pour augmenter l'énergie lumineuse de l'émetteur tout en restant dans les paramètres de fonctionnement normaux de la DEL. Une fonction d'auto-détection peut ajuster le courant d'attaque de la DEL et/ou le temps d'activation de la DEL afin d'optimiser le signal renvoyé pour un utilisateur donné. Cette détection CC automatique contribue à réduire les besoins en gamme dynamique du convertisseur analogique-numérique du système et place le signal dans la gamme optimale afin de détecter le faible signal CA de la fréquence cardiaque.

Suivi de la précision pendant la pratique d'exercices

La plupart des bracelets disponibles dans le commerce sont incapables de mesurer avec précision la fréquence cardiaque de l'utilisateur pendant son entraînement. Il est en fait extrêmement difficile de compenser de façon adéquate les artéfacts de mouvements et les artéfacts physiologiques au cours des exercices. Des accéléromètres sont généralement utilisés dans les dispositifs portables. Ces systèmes peuvent réduire efficacement les artéfacts de mouvement à condition d'être couplés à un système de traitement des signaux avancé. Ces algorithmes peuvent utiliser les données de l'accéléromètre pour rejeter des échantillons de fréquence cardiaque corrompus par le bruit ou pour annuler activement l'effet de bruit. Malgré ces algorithmes, il est possible de constater des pertes temporaires du signal de fréquence cardiaque. Un algorithme adaptatif capable de reconnaître à quel moment les données du capteur ne sont pas valides grâce à un système de classification qualitative permet aux techniques d'estimation de garantir une précision homogène pendant l'entraînement de l'utilisateur. Il est également important de valider les algorithmes sur un large échantillon d'utilisateurs représentant diverses caractéristiques (couleur de la peau, catégorie ethnique, âge et poids). 

Réduction de la taille et de l'épaisseur du produit final

L'intégration de capteurs de fréquence cardiaque implique un plus grand encombrement dans les conceptions portables. La plupart des moniteurs cardiaques portables existants utilisent de grandes photodiodes discrètes associées à un logiciel frontal analogique (AFE) et à un MCU. L'AFE comprend les pilotes DEL, le convertisseur analogique-numérique, ainsi que le filtrage et le contrôle analogiques. Une photodiode haute sensibilité plus compacte, intégrée à l'ADC avec le filtrage analogique et les pilotes DEL, peut avoir un bruit de fond nettement inférieur, utiliser moins de bits de l'ADC et présenter un plus faible encombrement. Le capteur optique Si114x de Silicon Labs, par exemple, intègre des photodiodes haute sensibilité, un ADC 17 bits, un filtrage analogique à faible bruit, jusqu'à trois pilotes de DEL configurables dynamiquement, ainsi qu'une interface I2C, le tout dans un format QFN compact de 2 mm x 2 mm. Un AFE classique au format 3 mm x 3 mm avec une photodiode distincte au format 2 mm x 2 mm présente un encombrement 3 fois supérieur.

Allongement de l'autonomie

La puissance d'échantillonnage des DEL et le traitement des signaux visant à réduire les artéfacts de mouvement représentent les deux fonctions les plus énergivores d'un moniteur de fréquence cardiaque. La consommation électrique dépend principalement du taux d'échantillonnage utilisé. Un suivi précis de la fréquence cardiaque peut nécessiter des taux d'échantillonnage plus rapides en cours d'entraînements avec des battements par minute plus élevés. L'utilisation d'un algorithme dynamique qui modifie le taux d'échantillonnage en fonction du nombre de battements par minute permet de maintenir un certain niveau de précision tout en limitant l'énergie consommée. Une interpolation des échantillons peut également contribuer à réduire la consommation d'énergie plutôt que d'augmenter le taux d'échantillonnage. Les capteurs capables d'adapter dynamiquement les courants d'attaque de leurs DEL peuvent également détecter automatiquement le niveau CC afin de réduire la consommation et d'améliorer les performances. L'utilisation dynamique d'une, deux ou trois DEL dans la conception du système peut contribuer à maintenir des performances élevées tout en réduisant au minimum la consommation électrique.

Conclusion

La conception d'un moniteur optique de fréquence cardiaque dans un dispositif portable implique de nombreux défis techniques. Une solution de détection optique intégrée hautes performances, comme la famille de capteurs Si114x de Silicon Labs, associée à des algorithmes de fréquence cardiaque validés sous études cliniques, permet aux développeurs de concevoir des systèmes portables robustes, capables d'optimiser la durée de vie de la batterie tout en réduisant au minimum les dimensions physiques des dispositifs de contrôle de fréquence cardiaque de type bracelet. Silicon Labs a largement ouvert la voie à l'intégration des fonctions optiques de contrôle de la fréquence cardiaque sur le marché en pleine évolution des dispositifs portables grand public. 

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