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ACQUISITION ET TRAITEMENT D'UN SIGNAL PPG POUR LE MONITORING DE SIGNES BIOMÉDIC

ACQUISITION ET TRAITEMENT D'UN SIGNAL PPG POUR LE MONITORING DE SIGNES BIOMÉDICAUX JELLALI Amal RÉSUMÉ La mesure continue du niveau d'oxygène, du rythme cardiaque ainsi que l'estimation de la fréquence respiratoire est très importante pour les personnes âgées, les femmes enceintes et dans de nombreuses autres situations critiques. Ceci est généralement contrôlé par un oxymètre à impulsions. Ce projet de fin d'année présente un modèle à faible coût et miniaturisé d’oxymètre de pouls pour mesurer en continu le niveau de saturation en oxygène du sang du patient (SpO2), la fréquence du pouls et le rythme respiratoire. En effet, le changement d'intensité de la lumière transmise à travers les tissus en raison de l'impulsion sanguine artérielle peut être mesuré comme un signal de tension appelé photopléthysmographie (PPG). Le sang oxygéné a des caractéristiques d'absorption de la lumière qui sont différentes de celles du sang désoxygéné en considérant les longueurs d'onde rouge et infrarouge. Nous présentons dans ce travail l'implémentation d'un nœud capteur pour l'acquisition en temps-réel du signal PPG. Nous proposons également un étage de mise en forme du signal réalisé sur Matlab pour le débruitage du signal et l'extraction des paramètres biométriques d'intérêt. SIGNAL PHOTOPLETHYSMOGRAPHE (PPG) Le PPG est une onde pulsée produite par un oxymètre de pouls et est traditionnellement utilisé pour mesurer la saturation en oxygène, la pression artérielle et d'autres fonctions vitales. Un oxymètre de pouls est souvent utilisé pour avoir un PPG qui mesure le changement et l'absorption de la lumière à travers la peau. À chaque cycle cardiaque, le cœur pompe le sang vers la périphérie. Même si cette impulsion de pression est quelque peu amortie au moment où elle atteint la peau, elle est suffisante pour distendre les artères et les artérioles du tissu sous-cutané. Les modifications du débit sanguin pulsatile se produisent principalement dans les artères et les artérioles. Cependant, les pulsations veineuses contribuent de manière significative à la variabilité de l'absorption lumineuse, ce qui influence les données PPG. Cependant, nous supposons que ce paramètre ne change pas de façon marquée. Le volume de sang dans les artères est plus important pendant la phase systolique que la diastolique phase du cycle cardiaque (Fig 1). Le capteur PPG détecte optiquement les modifications du volume sanguin pulsatile ; modifications de l'intensité lumineuse détectée dans le lit de tissu micro-vasculaire en fonction de l'intensité de la lumière réfléchie et transmise. Le changement de volume provoqué par l'impulsion de pression est détecté en éclairant la peau avec la lumière d'une diode électroluminescente (DEL), puis on mesure la quantité de lumière transmise ou réinjectée par une photodiode. Principe FIGURE 1 - SIGNAL PPG La figure 2 montre la détection d'une forme d'onde de transmission photopléthysmographique, qui a un courant continu (DC) et des composants de courant alternatif (AC). La composante DC reflète le volume sanguin moyen dans les tissus et est cadencée par des paramètres physiologiques comme la respiration, l’activation du système nerveux sympathique ou la thermorégulation, tandis que la composante AC fluctue en fonction des changements de volume sanguin qui se produisent entre les phases systolique et diastolique du cycle cardiaque. FIGURE 2 - ATTÉNUATION DE LA LUMIÈRE DANS LE TISSU ET LE SANG CHOIX DES LONGUEURS D'ONDE La lumière à des longueurs d'onde dans les régions du visible et du domaine proche de l'infrarouge (650 nm- 1350 nm) est utilisée dans de nombreuses applications médicales et est connue sous le nom de fenêtre optique tissulaire ou fenêtre thérapeutique. Des longueurs d'onde sélectionnées de la lumière de ces régions, entre 650 nm et 950 nm , ou première fenêtre optique, sont conventionnellement utilisées dans la plupart des études de tissus et sont bien connues pour être dans la zone d'absorption minimale et de moindre diffusion que la gamme de longueurs d'onde visibles. 1 CAPTEUR MAX30102 Le MAX30102 est un module de biocapteur pour oxymètre de pouls et moniteur de fréquence cardiaque intégré. Il intègre une LED rouge et une LED infrarouge, mesurant l'absorbance du sang pulsé à travers un photodétecteur, des composants optiques et des circuits électroniques à faible bruit avec suppression de la lumière ambiante. Méthode de dissolution de la lumière: mesure de pouls et de la saturation en oxygène dans le sang en utilisant un tissu humain afin de provoquer une transmittance différente lors de variation de flux sanguin; Source de lumière: longueur d'onde spécifique d'une diode électroluminescente sélective pour l'oxyhémoglobine (HbO2) et l'hémoglobine (Hb) dans le sang artériel; La transmittance est convertie en un signal électrique: la modification du volume de la pulsation artérielle entraîne une modification de la transmittance de la lumière. À ce stade, le variateur photoélectrique reçoit la lumière réfléchie par le tissu humain, la convertit en un signal électrique, l’amplifie et la restitue. Le principe de détection des signes biomédicaux à travers MAX30102 s'effectue par : Description du principe de fonctionnement CARTE ESP32 ESP 32 Wroom est le dernier membre de la série Espressif ESP. C'est est une carte de développement à faible coût dédié à l’internet des objets (IoT) et les applications embarquées. C’est un module qu'on a chip doté de communications sans fil Wifi et Bluetooth avec un tarif imbattable et un encombrement minimum. MATLAB POUR LE TRAITEMENT DU SIGNAL Matlab fournit des fonctions et des applications pour analyser, prétraiter et extraire des caractéristiques de signaux échantillonnés de manière uniforme et non uniforme. Il aussi comprend des outils pour la conception et l'analyse de filtres, l’échantillonnage, le lissage. Il permet également l'extraction des caractéristiques telles que les points de changement et les enveloppes, de trouver des pics et des modèles de signaux, de quantifier les similitudes de signaux et d'effectuer des mesures telles que le rapport signal/bruit et la distorsion. SCHÉMA BLOC POUR L'ACQUISITION FIGURE 3 - CAPTEUR MAX30102 FIGURE 4 - ESP WROOM 32 L’objectif de ce bloc est d’apprendre à échanger des informations entre la carte ESP32 et l’ordinateur à travers le logiciel Matlab. Cependant, pour un coût extrêmement modique, on dispose d’un système d’acquisition performant, évolutif et paramétrable en fonction de nos besoins pour l’acquisition des données à partir du capteur d’oxymétrie de pouls Max30102. La bibliothèque Arduino Wire masque toutes les fonctionnalités de bas niveau de l’I2C et permet l’emploi des commandes simples pour initialiser le capteur MAX30102 et communiquer avec lui. Initialisation du capteur Le maître; ESP32 envoie sur le bus l'adresse du capteur Max30102 avec qui il souhaite communiquer ; ce dernier a une adresse fixe codée sur 7 bits. L'esclave; Max30102 qui reconnaît son adresse répond à son tour par un signal de confirmation, puis le maître continue la procédure de communication (écriture/lecture). La communication sur le bus I2C est orchestrée de la manière suivante : On fixe le port série auquel l'ESP32 est connecté. On fixe le débit en bauds spécifiés dans le code sur IDE. On prépare le port série pour commencer le streaming de données. La communication entre la carte ESP32 et Matlab pour l'acquisition des données en temps réels à partir du capteur MAX30102 se fait par la communication série à travers l'USB. Plus le nombre de bauds est élevé, plus on peut transmettre de données dans un temps court. Acquisition en temps réel des données sur Matlab 2 BLOC DE MISE EN FORME Les données brutes acquises sont sans valeur si elles ne sont pas interprétées, analysées et comprises. De plus, en réalité, le comportement humain dépend fortement de la perception, du contexte, de l'environnement et des connaissances préalables. Par conséquent, l'un des principaux défis de notre système intelligent est de trouver les méthodes ou les algorithmes appropriés qui peuvent interpréter efficacement les données obtenues, La procédure de conditionnement du signal comprend trois étapes principales : la suppression des valeurs singulières, l'élimination des motions artefacts et l'élimination de la dérive de la ligne de base (BaseLine Drift). L'extraction des caractéristiques du signal vise à extraire tous les points caractéristiques du signal PPG, sur la base desquels les paramètres physiologiques seront dérivés à savoir la fréquence cardiaque, le taux d'oxygène et le rythme respiratoire. La procédure du traitement de signal PPG comprend principalement deux parties : 1) le conditionnement du signal; 2) l'extraction des caractéristiques. Traitement de signal PPG Élimination des Motions Artefecats Élimination de BaseLine Drift Le filtre de TchebychevII est une méthode efficace employée pour éliminer les artefacts de mouvements. Ce filtre présente non seulement une zone de transition nette, mais sa bande passante est également plate et ne contient aucune ondulation, bien qu'il y ait une ondulation égale dans la bande d'arrêt. Ces caractéristiques garantissent que la composante utile du signal dans la bande passante est affectée le moins possible. L'élimination des motions artefacts s'avère utile pour la détection précise des événements et l’évaluation des paramètres physiologiques, améliorant ainsi les méthodes de surveillance, de dépistage et de diagnostic de la santé. La suppression de la dérive de la ligne de base est une étape cruciale du conditionnement des signaux de photopléthysmographie. Et pour l'élilimination de la BaseLine Drift, on a eu recourt à un filtrage en deux étages par un filtre médian qui bénéficie uploads/Sante/ acquisition-et-traitement-d-x27-un-signal-ppg-pour-le-monitoring-de-signes-biomedicaux.pdf