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Ecole Doctorale : MSTIC THÈSE pour obtenir le grade de Docteur de l’Université

Ecole Doctorale : MSTIC THÈSE pour obtenir le grade de Docteur de l’Université Paris-Est Spécialité : Electronique, Optronique et Systèmes présentée et soutenue publiquement par Chee Teck PHUA Soutenue le 21 septembre 2012 Développement d’une nouvelle méthode de mesure du rythme cardiaque et du débit sanguin fondée sur les perturbations localisées d’un champ magnétique. Directrice de thèse Prof. Gaëlle LISSORGUES Jury Rapporteur Latifa BOUCHET-FAKRI Professeur Univ. Lyon 1, UMR CNRS 5220 CREATIS Rapporteur Souhil MEGHERBI Professeur Univ. Paris 11, UMR CNRS 8622 IEF Examinateur Patrick POULICHET Maître de Conférences ESIEE, EA 2552 ESYCOM Examinateur Fabrice VERJUS Docteur, Société BodyCap Directrice de thèse Gaëlle LISSORGUES Professeur ESIEE, Univ. Paris Est, EA 2552 ESYCOM Invité Bruno MERCIER Ingénieur ESIEE © UPE tel-00794495, version 1 - 26 Feb 2013 Page I Résumé L’objectif principal de cette thèse est la conception, la réalisation puis la mise en œuvre d’un dispositif de mesure pour l’acquisition du rythme cardiaque et du débit de circulation sanguine sans aucun contact ni électrique ni optique avec le patient, ces paramètres étant représentatifs physiologiquement pour évaluer la condition de santé d’un individu. Ce travail s’appuiera sur une nouvelle méthode de mesure appelée MMSB (Modulated Magnetic Signature of Blood), fondée sur les perturbations localisées d’un champ magnétique rémanent au passage du flux sanguin. En effet, l’uniformité du champ magnétique généré par un aimant permanent de 0,1 – 0,2 Tesla placé à proximité de la peau d’un patient est perturbée par la circulation naturelle du sang suite aux propriétés ferromagnétiques des globules rouges. Cette perturbation est alors extraite sous la forme d’une tension électrique à l’aide d’un capteur GMR classique. L’originalité du dispositif repose sur une méthode d’acquisition non invasive et sans contact, permettant donc l’acquisition des signaux à travers les vêtements, la transpiration, les salissures ou autres polluants dans l’environnement proche du capteur, contrairement aux dispositifs commerciaux disponibles en début de thèse. Un état de l’art détaillé des différentes techniques non-invasives liées à la mesure du rythme cardiaque (électrique, optique, micro-ondes, acoustique, mécanique et magnétique) est proposé en début de thèse, mettant en avant les avantages et inconvénients de chacune. Une présentation similaire est proposée pour comparer les méthodes connues et utilisées dans le cas de l’analyse du débit sanguin (dilution, thermo-dilution, par ultrasons…). Cette première partie permet de préciser ensuite les orientations et motivations vers une méthode de mesure magnétique. Le manuscrit présente ensuite la méthode originale développée ici pour la mesure du rythme cardiaque et du flux sanguin de manière autonome (faible consommation), et non invasive, à savoir la méthode appelée MMSB. Une première étude permet la validation in vitro du phénomène MMSB avec la mise en œuvre d’un banc expérimental comprenant un aimant permanent couplé à un capteur GMR, un module d’acquisition et de traitement des signaux et un système de visualisation des données. Le dispositif d’étude in vitro est constitué d’un tube de verre rigide au travers duquel circule une solution d’oxyde de fer (Fe2O3) avec différentes concentrations correspondant à tel-00794495, version 1 - 26 Feb 2013 Page II quelques exemples possibles de quantité d'hémoglobine dans le sang parmi ceux rapportés dans la littérature. Cette étude se poursuit par une validation in vivo de l’exploitation du phénomène MMSB à l’aide d’une étude comparative de la forme d'onde obtenue à l’aide du capteur GMR et de l’amplitude MHV sur 20 sujets sains. L’analyse statistique des résultats montre une bonne concordance (erreur inférieure à 5%) sur les pics relatifs aux activités du cœur, les courbes de références étant obtenues avec une mesure étalon par ECG. Cette partie démontre ainsi les potentialités de la méthode MMSB proposée comme une alternative à l’ECG pour la mesure de la fréquence cardiaque chez les sujets sains, dans une situation de repos ou dans le cas d’environnements particuliers (ex : cas d’un corps dans l’eau tel que des nageurs ou plongeurs). En parallèle, une étude multi physique est proposée pour étudier le phénomène MMSB. La construction d’un modèle est réalisée en deux étapes : - modélisation bidimensionnelle du flux sanguin en présence d'un champ magnétique, - modélisation du système d'écoulement fluidique de l’oxyde de fer F2O3 dans un champ magnétique faible. Des simulations sous le logiciel commercial multi physique COMSOL utilisent ce modèle, avec comme paramètres les valeurs relatives au banc expérimental ou des valeurs issues de la littérature. Ce modèle permet d’estimer la sensibilité de la méthode MMSB et d’optimiser la distance entre l’aimant permanent et le capteur. La comparaison entre les mesures et les résultats de simulation sous COMSOL montrent une bonne corrélation sur la valeur de cette distance optimale. Pour aller plus loin, le phénomène MMSB est exploité non plus pour mesurer le rythme cardiaque, mais pour acquérir le débit sanguin en mesurant la variation de l’amplitude du signal après une période dite d’occlusion. En effet, l’amplitude du signal MMSB diminue pendant une occlusion correspondant à une chute du débit sanguin. Cette mesure a été comparée quantitativement et qualitativement en utilisant la technique de référence PORH (Post Occlusive Reactive Hypermaemia). Pour l’analyse qualitative, il s’agit d’évaluer le temps de transit entre la phase d’occlusion et le flux maximum détecté, qui est également mesurable par Laser Doppler. Une forte corrélation a été obtenue. Pour l’analyse quantitative, une campagne de mesure sur 6 sujets sains montre une dispersion de moins de 4% entre la méthode de référence DRT4 et la méthode MMSB. tel-00794495, version 1 - 26 Feb 2013 Page III Ensuite, dans le cas de la surveillance continue de signes physiologiques tels que la pression artérielle, les travaux comparent l'application de la méthode MMSB pour l’acquisition du temps de transit impulsionnel (PPT) au niveau du poignet par rapport à l’acquisition au niveau du doigt à l’aide de photoplethysmogram (PPG) issues d’un appareil de référence OMRON. Enfin, la description de l’implémentation matérielle est donnée, qui comprend l’électronique d’acquisition et de traitement, ainsi que l’encapsulation dans un dispositif portable faible consommation et autonome. Cette implémentation aboutit à la mise en œuvre d’une plate-forme de détection et d’analyse du rythme cardiaque à l’aide d’un réseau sans fil de type ad-hoc. Deux exemples d’application sont présentés, et deux dispositifs ont été entièrement développés lors de cette thèse et sont en cours de commercialisation, pour des applications de vie quotidienne, après avoir été préalablement brevetés. tel-00794495, version 1 - 26 Feb 2013 Page IV Summary The state of the art technologies and techniques to acquire heart or pulse rate and blood flow monitoring can be generally classified into electrical, optical, microwave, acoustic, mechanical and magnetic. The advantages and disadvantages for each these methods to acquire blood pulse and flow measurements will be discussed in this dissertation. Through these discussions, it was found that a novel method, capable of field deployability, is required to support the continuous monitoring of blood pulse and flow through fabric, body fluid and environment contaminants. Such a method must be small, capable of operations at low electrical power and is able to operate at room temperature. In addition, in order to support long period of usage, this method must also be able to operate without the need of a good electrical or optical contact. This dissertation presents a novel and patented method of blood pulse and flow monitoring that is low power, small and capable of operations at room temperature. The method of blood pulse and flow monitoring is termed Modulated Magnetic Signature of Blood (MMSB) where a uniform magnetic field is applied on the skin, in a non-invasive manner, within close proximity of a major blood vessel and a Giant-Magneto-Resistance (GMR) based magnetic sensor of dimensions 6mm (length) x 5mm (width) x 1.8mm (height). The uniform magnetic field generated from a small permanent magnet, of dimensions 6mm (diameter) x 3mm (height), has a magnetic field strength of 0.1 - 0.2 Tesla. The applied magnetic field will create a uniform magnetic field encompassing the GMR based magnetic sensor, skin, fabric and blood vessel. The uniform magnetic field, when undisturbed, will produce a fixed DC output voltage from the magnetic sensor. However, due to the pulsatile nature of blood flow in the arteries, the uniform magnetic field will be disturbed periodically where the GMR based sensor will translate this magnetic disturbance as an output electrical voltage. To demonstrate the MMSB phenomenon, an experimental setup was developed in this research using the flow of using iron (II) oxide (Fe2O3) fluid with air-gaps in a rigid glass tube. The sensor and magnet were placed at 2-3mm below the glass tube. Measurements were successfully conducted using different levels of Fe2O3 concentrations for each experiment, where each level Fe2O3 concentrations is selected based on published results on the amount of haemoglobin in blood. The results obtained from these experiments substantiated the MMSB phenomenon where measurements were subsequently conducted on human subjects successfully. tel-00794495, version 1 - 26 Feb 2013 Page V The MMSB phenomenon is thoroughly explored through physical measurements on locations where the major arteries are near to the skin. Each of these locations, such as the temple, neck, wrist and heel, was used for the verification uploads/Litterature/ th2012pest1099-complete.pdf