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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique UNIVERSITÉ ABOU BEKR BELKAID DE TLEMCEN FACULTÉ DE TECHNOLOGIE DÉPARTEMENT DE GENIE BIOMÉDICALE MÉMOIRE DE MASTER EN GENIE BIOMÉDICALE OPTION : INSTRUMENTATION BIOMÉDICALE PLATEFORME DEDIEE A L’ACQUISITION DU SIGNAL PPG ET CALCULE DE FREQUENCE CARDIAQUE Soutenu le 07 septembre 2016 devant le jury: Président: UABB Tlemcen Examinateur: UABB Tlemcen Examinateur: UABB Tlemcen Encadreur : Mr UABB Tlemcen Présenté par: LAHLOU Abderrahmene AMROUN Youcef Abdelileh Année académique: 2015/2016 1 Remerciement Au nom de Bon Dieu le Clément le Miséricordieux, le Très Miséricordieux. Grâce à toi je suis devenu celui que tu as voulu que je sois. Grâce à toi ce modeste travail a pu être débuté et a pu être fini. Je vous rends grâce alors mon Dieu vous qui es le Tout Puissant et détenteur de l’unique vérité qui tienne. « Al’Hamdou li’Allah » Par la même occasion je prie sur son Prophète Mohamad (عليه الصالة و السالم) le sceau des prophètes, le prince des prophètes, la référence pour L’être humain. 2 Dédicace : Je dédie ce modeste travail à :  Ma mère : Les mots me manquent pour t’exprimer toute ma gratitude, toute ma reconnaissance. Puisse Allah vous couvrir de sa grâce ici-bas et dans l’au-delà. Puisse-t-il également te prêter une longue vie pleine de santé. Amen … ♥  Mon père : Oh Papa ! Ces mots ne sauront te remercier suffisamment Pour ce que tu as fait de moi. Que de la santé « Lahlou ». Amen … ♥  Mes chères sœurs : Que Dieu vous bénisse tous, je vous souhaite que du Bonheur, et Joie, et Succès … Que Dieu vous protège Insha’a Allah ♥  Sans oublier Mes Frères « Walid », « Issam », « Isslam »! ♥  Je ne pourrais jamais finir ce modeste travail sans mes amis et l’ensemble de mes collègues, vous étiez des vrais frères … Merci ! ♥  Notre promoteur de mémoire Dr Meziane Rachid nous avoir orienté et diriger afin d’élaborer ce travail … Merci ! ♥ « Lahlou Abderahmene»  3 Sommaire Remerciement ............................................................................................................................. 1 Dédicace : ...................................................................................................................................... 2 Table de figures : ................................................................................................................................ 5 Liste des tableaux ............................................................................................................................... 6 Introduction générale ......................................................................................................................... 7 Chapitre 01 : système cardiovasculaire et Photopléthysmographie ................................................. 10 I. Système cardiovasculaire : ................................................................................................... 11 1) Le Cœur : .......................................................................................................................... 11 2) Les vaisseaux ................................................................................................................... 14 II. La circulation sanguine ........................................................................................................ 17 III. Le Photopléthysmogramme et l’Oxymétrie de pouls : ..................................................... 18 1) Introduction : .................................................................................................................... 18 2) Historique : ....................................................................................................................... 19 3) Principe de l’oxymétrie de pouls : .................................................................................... 20 4) Le système à deux longueurs d’ondes : ............................................................................ 21 5) La mesure pratique de la saturation :................................................................................ 22 6) Limitations de l’oxymétries de pouls : ............................................................................. 23 IV. Fréquence cardiaque : ....................................................................................................... 24 V. Conclusion : ......................................................................................................................... 25 Chapitre 02 : Carte de mise en forme du signal photopléthysmographique ..................................... 26 I. Introduction : ........................................................................................................................ 27 II. Capteur optique : .................................................................................................................. 27 1) Les capteurs actifs : .......................................................................................................... 27 2) Types de sonde ................................................................................................................. 29 III. Circuit d'émission /réception ............................................................................................ 31 1) Circuit d'émission : ........................................................................................................... 31 2) Circuit de réception .......................................................................................................... 33 IV. Mise en forme du signal PPG pour le premier montage : ................................................ 36 1) Filtrage : ........................................................................................................................... 36 2) Circuit d'amplification ...................................................................................................... 38 3) Circuit d’offset : ............................................................................................................... 40 V. Mise en forme du signal PPG pour le deuxième montage ................................................... 41 4 Chapitre 03 : Acquisition des données (Arduino) ............................................................................ 46 I. Introduction : ........................................................................................................................ 47 II. Le choix de la carte Arduino Uno ........................................................................................ 47 III. Acquisition des données : ................................................................................................. 48 1) Partie hardware :............................................................................................................... 48 2) Partie software : ................................................................................................................ 50 3) Partie firmware : ............................................................................................................... 51 IV. Plateforme et langage de programmation : ....................................................................... 54 V. Conclusion : ......................................................................................................................... 57 Chpitre04 : Mesure et comparaison ................................................................................................. 58 I. Introduction : ........................................................................................................................ 59 II. Premier montage .................................................................................................................. 59 1) Mesures analogique : ........................................................................................................ 59 2) Acquisition du signal PPG : ............................................................................................. 62 III. Deuxième montage ........................................................................................................... 65 1) Carte de mise en forme : .................................................................................................. 65 2) Acquisition du signal PPG : ............................................................................................. 66 IV. Comparaison : .................................................................................................................. 70 1) Dimension : ...................................................................................................................... 70 2) Performance : ................................................................................................................... 70 3) Utilisation : ....................................................................................................................... 71 Conclusion finale ............................................................................................................................. 72 Bibliographie .................................................................................................................................... 74 5 Table de figures : Figure 1 : Le cœur se situe dans le médiastin antérieur ................................................................... 11 Figure 2 : Le cœur comporte 3 faces, dont une antérieure (schéma de gauche) et une postérieure (schéma de droite) ............................................................................................................................ 11 Figure 3 : Le cœur est formé par 4 cavités cardiaques ..................................................................... 13 Figure 4 : Le péricarde est considéré comme un double sac qui enveloppe le cœur........................ 14 Figure 5 : L’ensemble des vaisseaux issus directement du cœur sont appelés «gros vaisseaux» .... 16 Figure 6 : Il existe une circulation dite « systémique » et une circulation dite « pulmonaire » ....... 18 Figure 7 : Principe de fonctionnement de l’oxymétrie de pouls (Emission/Réception) ................... 21 Figure 8 : Absorption de la lumière par l’Hb et l’HbO2 .................................................................. 21 Figure 9 : Courbe empirique pour la mesure de la saturation .......................................................... 23 Figure 10 : Symbole d’une photodiode ............................................................................................ 28 Figure 11 : Spécification technique d’un phototransistor ................................................................ 29 Figure 12 : Une pince de photopléthysmographe de pouls .............................................................. 29 Figure 13 : Sonde autocollante ......................................................................................................... 30 Figure 14 : Une pince à oreille ......................................................................................................... 30 Figure 15 : Symbole d'une diode électroluminescencente et aspect du composant. ........................ 31 Figure 16 : Circuit d'émission de LED. ............................................................................................ 32 Figure 17 : Circuit de réception ; phototransistor en émetteur commun. ......................................... 34 Figure 18 : Sensibilité d'un phototransistor en fonction de la longueur d'onde. .............................. 34 Figure 19 : Circuit typique d'application pour APDS-9008 ............................................................. 35 Figure 20 : Sensibilité d'un phototransistor en fonction de la longueur d'onde ............................... 35 Figure 21 : La conception de la carte de mise en forme du signal PPG ........................................... 36 Figure 22 : Filtre passe-haut utilisé pour le filtrage du signal photopléthysmographique ............... 37 Figure 23 : Montage suiveur non inverseur...................................................................................... 39 Figure 24 : Amplificateur non inverseur .......................................................................................... 40 Figure 25 : Schéma électrique du circuit d’offset ............................................................................ 41 Figure 26 : Circuit pulse sensor réalisé ............................................................................................ 42 Figure 27 : Dessin du circuit pulse sensor ........................................................................................ 42 Figure 28 Filtre passe bas ................................................................................................................. 43 Figure 29 : Circuit d’offset ............................................................................................................... 44 Figure 30 : Circuit électronique du pulse sensor .............................................................................. 45 Figure 31 : Synthèse des caractéristiques ......................................................................................... 49 Figure 32 : Brochage de la carte ArduinoUno. ................................................................................ 50 Figure 33 : Environnement de développement Arduino : sélection de la carte ArduinoUno .......... 51 Figure 34 : Environnement de développement d’Arduino : sélection du port USB......................... 52 Figure 35 : Présentation d’espace de développement intègre EDI ................................................... 53 Figure 36 : moniteur série d’ArduinoUno ........................................................................................ 54 Figure 37 : Interface de processing .................................................................................................. 56 Figure 38 : circuit imprimé d’offset ................................................................................................. 60 Figure 39 : circuit imprimé de PPG ................................................................................................. 60 Figure 40 : signal obtenu à la sortie de capteur ................................................................................ 60 Figure 41 : signal à la sortie du filtre passe haut ............................................................................. 61 Figure 42 : signal à la sortie de l’amplificateur ................................................................................ 61 6 Figure 43 : signal à la sortie du circuit offset avec un gain d’amplification 100 ............................. 62 Figure 44 : signal à la sortie du circuit offset avec un gain d’amplification 66.67 .......................... 62 Figure 45 : programme Arduino d’un potentiomètre ....................................................................... 63 Figure 46 : l’emplacement de traceur série sur la barre outils ......................................................... 63 Figure 47 : fenêtre du traceur série ................................................................................................... 64 Figure 48 : courbe du signal PPG numérisé ..................................................................................... 64 Figure 49 : circuit imprimé pulse sensor .......................................................................................... 65 Figure 50 : pulse sensor branché avec Arduino ............................................................................... 65 Figure 51 : interface graphique d'affichage ...................................................................................... 66 Figure 52: signal PPG et le rythme cardiaque du premier sujet au repos ......................................... 67 Figure 53: signal PPG et le rythme cardiaque dudeuxième sujet au repos ...................................... 68 Figure 54 : circuit électronique d’acquisition réalisé ....................................................................... 69 Figure 55 : circuit électronique d’acquisition................................................................................... 69 Liste des tableaux Tableau 1Tension de polarisation pour chaque longueur d’onde (couleur) de la lumière émise par la diode (LED) ..................................................................................................................................... 32 Tableau 2 Luminosité de la LED rouge. .......................................................................................... 33 Introduction générale…………………………..…………………………..…………………………..…………………………..…… 7 Introduction générale Le sujet des travaux de recherche présentés dans cette mémoire concerne la conception et le développement de méthodes de traitement du signal permettant de mesurer des signaux physiologiques d’une personne en contact avec un capteur. Les différents procédés proposés dans ce travail sont rattachés à l’ingénierie biomédicale et cherchent à répondre à des besoins particuliers du domaine de l’e-santé, de la télémédecine et de l’informatique affective. Les mesures des paramètres physiologiques sont utilisables dans de nombreux champs d’application, allant des services d’urgence jusqu’à l’automobile en passant par les sciences du sport, où le rythme cardiaque est surveillé pendant un effort physique intense. Les données physiologiques sont habituellement mesurées à l’aide de capteurs en uploads/Geographie/ ms-ebm-lahlou-amroun.pdf