Technologie de capteurs pour santé et fitness

La détermination de notre état de santé a toujours reposé sur la recherche de moyens permettant de surveiller et de mesurer les fonctions les plus basiques du corps humain. Avant l'instrumentation, des indicateurs visuels étaient utilisés pour nous permettre de connaître, par exemple, la température corporelle idéale, le pouls optimal et la fréquence respiratoire acceptable.

De nos jours, la population étant vieillissante, davantage de personnes ont besoin d'un système de surveillance de santé portable, pouvant se présenter sous la forme de dispositifs servant, entre autres, à administrer des médicaments à des intervalles réguliers, à stimuler le cœur ou à mesurer le taux de sucre dans le sang et à injecter de l'insuline. Cet article traite des technologies de capteurs médicaux et de fitness, avec ou sans contact, placés sur la peau, sous-cutanés ou internes, déjà disponibles ou qui le seront très bientôt pour les ingénieurs de conception. Tous les composants, outils et données référencés ici sont disponibles sur le site Web de DigiKey.

Des débuts modestes

La forme la plus simple d'un capteur est un transducteur, qui peut être aussi basique que deux substances différentes entrant en contact. Le véritable élément de détection peut se présenter sous la forme d'un petit composant discret à sorties ou être intégré à un assemblage de sondes ou d'électrodes. Il peut avoir l'épaisseur d'un fil aussi fin qu'un cheveu et générer des tensions de manière autonome. Les thermocouples sont un exemple de capteurs générateurs de tensions faits de métaux différents qui créent des tensions selon les températures. Des composants comme l'E52-CA15AYD32 4M non mis à la terre d'Omron, par exemple, permettent de mesurer les températures à l'aide d'un élément de type K avec un tube de protection de 3,2 mm qui permet une fixation sur la peau ou dans une fente stationnaire.

Il est possible d'exploiter les effets piézo afin de créer de l'énergie à partir d'un minuscule capteur embarqué exposé à des chocs ou des vibrations. Un petit capteur de squelette plutôt non intrusif peut indiquer en temps réel un traumatisme physique excessif à un footballeur, afin d'éviter une blessure plus grave. La miniaturisation des capteurs piézo signifie qu'il est désormais possible de les intégrer dans des textiles, des bandages ou des vêtements. Des capteurs semblables à des feuilles, comme le 2-1004347-0 de TE Connectivity, sont flexibles, pliables et peuvent être découpés suivant des formes très spécifiques (Figure 1). Une garniture intérieure de chaussures, par exemple, pourrait déterminer si une contrainte excessive est générée lors de pas en descente afin d'aider à diagnostiquer des problèmes de dos ou d'articulation.

Même si les transducteurs sont utiles pour mesurer les conditions réelles, ils doivent être étalonnés, linéarisés et compensés pour la dérive et les effets thermiques. C'est la raison pour laquelle les systèmes de transducteur intégrés à des dispositifs électroniques niveau système compacts et intelligents permettent de transformer ces dispositifs en systèmes de surveillance et de génération de rapports autonomes.

Ce que nous portons reflète qui nous sommes

Des chercheurs et des fabricants se penchent actuellement sur des dispositifs médicaux et de fitness corporels destinés au grand public. À titre d'exemple, à l'université de l'Illinois, des projets axés sur le développement d'une nouvelle génération de dispositifs sont en cours, et ces dispositifs devraient permettre de mesurer la demande d'énergie, le rythme cardiaque et sa variabilité, les baisses, la température de la peau et les signaux EEG/ECG (Figure 2). Portés comme des patchs jetables, ces capteurs à coller peuvent établir une communication sans fil à un concentrateur ou un routeur qui effectue le traitement nécessaire ou qui transfère les données vers un service de cloud ou de surveillance médicale. Il est également possible d'utiliser un smartphone local.

Figure 2 : Les capteurs à coller sont des systèmes de mesure autonomes conçus spécialement pour surveiller et alerter le porteur et/ou des services de surveillance médicale à distance partout dans le monde.

Il ne s'agit que d'un exemple illustrant de quelle manière l'intégration de transducteurs dans des systèmes électroniques peut produire de petits dispositifs médicaux compacts peu intrusifs. L'intégration de capteurs dans des textiles peut constituer un moyen de surveiller un état physiologique sans avoir recours à la chirurgie ou sans la nécessité de transporter des boîtes médicales. Ce type de technologie peut par exemple se présenter sous la forme de chaussettes intelligentes dont le tissu comporte des capteurs de contraintes, afin de suivre les pas, la vitesse, les calories et la distance. D'autres avantages sont toutefois offerts. Ces chaussettes permettent également de détecter l'altitude afin de régler les niveaux d'oxygène selon la densité d'oxygène disponible.

Elles permettent également de surveiller et de mesurer la force de retombée du pied. La répartition du poids lorsque nous marchons et posons les pieds peut transférer de la force, des chocs et des contraintes dans les os, les articulations et les vertèbres. Un problème de dos chronique peut être directement lié à la manière de marcher d'une personne, et être facilement et immédiatement résolu une fois la technologie en place afin de détecter et d'évaluer le problème, même en temps réel à l'aide d'un smartphone afin d'alerter la personne lorsqu'elle aggrave la situation (Figure 3).

Figure 3 : Les chaussettes intelligentes avec capteurs intégrés au tissu permettent d'envoyer des données en temps réel vers un smartphone afin d'aider les personnes souffrant de douleurs chroniques au dos et aux articulations en les avertissant lorsqu'elles aggravent la situation afin qu'elles modifient leur manière de marcher.

Générer des données en mangeant

Un dispositif électronique implanté à l'intérieur d'une dent est une nouvelle conception présente dans l'esprit de tous depuis des décennies. Récemment, des chercheurs de l'université de Taipei ont créé un capteur intelligent à implanter dans une dent qui permet de surveiller, d'enregistrer et d'envoyer des données lorsqu'il est déclenché par de la fumée, de la boisson, la toux, la parole ou un arrêt de la respiration. Avec une précision estimée à 94 %, cet implant dentaire communique par Bluetooth et peut être placé à l'intérieur d'un plombage (Figure 4).

Figure 4 : Les capteurs placés à l'intérieur des dents permettent de détecter des produits chimiques et des activités physiques, et d'alerter les récepteurs localement lorsque la personne fume, boit ou cesse de respirer.

Les dents constituent un cas particulier puisqu'une force et une pression suffisantes peuvent être générées et collectées à l'aide de technologies de récupération d'énergie (telles que la technologie piézo précédemment mentionnée) afin d'alimenter les capteurs. La récupération d'énergie pour les capteurs corporels (sur ou à l'intérieur du corps) est également au centre des préoccupations des chercheurs à l'université de l'Illinois. Ils ont créé un patch de récupération d'énergie mécanique qui capture et stocke l'énergie émise par un battement de cœur (Figure 5). Le substrat bioplastique abrite le capteur et le circuit de conditionnement de l'énergie, et permet de mesurer la sortie d'énergie des muscles ou de détecter à quel moment un athlète est échauffé ou épuisé. Il a été démontré qu'une simple flexion du récupérateur permet de charger une batterie de 3,8 V.

Les ramifications de la récupération d'énergie sont importantes pour toutes les personnes qui dépendent d'une assistance sous la forme d'un stimulateur cardiaque. Au lieu d'une chirurgie ouverte à intervalles réguliers afin de remplacer les batteries, la prothèse de régulation implantée peut se recharger de manière autonome et continue.

Figure 5 : Des patchs de récupération d'énergie comme celui-ci peuvent être posés sur le cœur ou sur les poumons, et ils utiliseront l'énergie générée à partir d'un mouvement physique pour charger et alimenter d'autres capteurs et dispositifs électroniques sur ou à l'intérieur du corps.

Plus que jamais, les technologies d'implants sont destinées à faire partie de notre vie quotidienne. L'assistant sanitaire numérique développé en Angleterre est un exemple. Il s'agit d'un capteur implantable utilisé pour détecter si une personne est souffrante grâce à la perception de changements dans ses mouvements, ses habitudes, son régime alimentaire, son rythme cardiaque, son humeur et d'autres fonctions métaboliques.

Notez en particulier la détection de l'humeur. Cette détection ouvre la voie au développement d'autres solutions technologiques dans le nouveau (pour les capteurs) domaine de la biodépression. Nous verrons sûrement prochainement des détecteurs permettant d'administrer des antidépresseurs lorsque cela est nécessaire.

De la même façon, la technologie de capteurs pourrait apporter une nouvelle pertinence à l'ancienne expression « rien n'est plus sacré ». Même l'intimité connectée peut être monitorée à l'aide de dispositifs comme le bracelet Tactilu¹ qui permet de transmettre le toucher entre des utilisateurs. Imaginez une ceinture de chasteté implantée au cours de notre jeunesse exubérante.

Conclusion

Notre compréhension de la médecine nous permet d'être plus intrusifs en termes de vérification et de surveillance des processus internes affectant notre santé. Cette tendance continuera à évoluer à mesure que les médecins trouveront des moyens d'ajouter davantage de capteurs ciblant des indicateurs métaboliques spécifiques. Avec les nouveaux capteurs intelligents qui pourront être placés sur et dans notre corps, nous serons plus nombreux à marcher, parler, manger et dormir pendant qu'en arrière-plan, des capteurs actifs surveilleront notre bien-être. Nous devenons des nœuds de données sans fil au sein de notre réseau connecté globalement. Il reste à espérer que personne ne pourra nous pirater.

Pour plus d'informations sur les composants abordés dans cet article, cliquez sur les liens fournis pour accéder aux pages des produits sur le site Web de DigiKey.

Références

1. Tactilu