La conception de circuits d'entrée de biodétection pour les dispositifs corporels de bien-être est délicate, et ces kits de développement sont essentiels

Vous ne le savez peut-être pas, mais vous connaissez déjà très bien l'ingénieur aérospatial Edward Murphy. Il a travaillé sur des systèmes de sécurité critiques, mais il suffit d'être bio-ingénieur pour être d'accord avec l'adage selon lequel tout ce qui peut mal tourner finira par mal tourner. Même dans les systèmes en apparence simples où chaque élément est bien connu et maîtrisé, l'assemblage de tous les composants peut donner un résultat bien inférieur à la somme de ces composants.

Ce phénomène — et la loi de Murphy — vous sera rapidement familier si vous créez une conception personnalisée pour un dispositif corporel de santé et de fitness capable de fournir des mesures précises.

Les concepts qui se cachent derrière la mesure des constantes à l'aide d'un photopléthysmogramme (PPG) ou d'un électrocardiogramme (ECG) sont certainement bien compris. Les ingénieurs savent qu'ils peuvent trouver la fréquence cardiaque dérivée du PPG en mesurant les changements du volume sanguin dans les vaisseaux sanguins périphériques ou déterminer la fréquence cardiaque dérivée de l'ECG en surveillant l'activité bioélectrique générée par le muscle cardiaque. Ils comprennent la théorie élémentaire qui régit la saturation en oxygène périphérique (SpO2) en s'appuyant sur la différence entre les spectres d'absorption de l'oxyhémoglobine et de la désoxyhémoglobine. Les ingénieurs se familiarisent également avec des capacités de mesure plus sophistiquées, comme l'utilisation du temps de transit du pouls (TTP) ou du temps d'arrivée du pouls (TAP) pour élaborer des tensiomètres sans brassard.

Ces diverses mesures reposent sur des chaînes de signaux similaires d'amplificateurs et de filtres pour la mise en forme de signaux de capteurs transmis à un convertisseur analogique-numérique (CAN). Grâce aux données converties, un microcontrôleur exécute des algorithmes bien documentés afin de générer des valeurs de fréquence cardiaque, de SpO2, de tension artérielle et bien plus encore.

Acquisition de biosignaux propres

Les développeurs peuvent s'appuyer sur une multitude de dispositifs basse consommation et haute précision pour construire des chaînes de signaux personnalisées et traiter des sous-systèmes afin de différencier leurs produits de santé et de fitness. Dans la plupart des cas, cependant, la disponibilité des biocapteurs spécialisés prêts à l'emploi élimine le besoin de construire votre propre chaîne de signaux de biocapteurs pour ces applications.

Des dispositifs comme les capteurs MAX86140 et MAX86141 d'Analog Devices sont conçus pour les méthodes PPG optiques. Pour les mesures ECG de biopotentiel, le MAX30003, l'AD8232A et l'AD8233A d'Analog Devices implémentent les chaînes de signaux requises. L'ADPD4100 et l'ADPD4101 d'Analog Devices peuvent prendre en charge ces deux types de mesure. Ces circuits d'entrée analogiques multimodaux intègrent deux chaînes de mise en forme des signaux à plusieurs canaux comprenant un amplificateur d'adaptation d'impédance, un filtre passe-bande, un intégrateur et un CAN.

Les développeurs peuvent utiliser ce circuit d'entrée analogique comme base pour les mesures ECG bioélectriques à une seule sortie (Figure 1, à gauche) et les mesures PPG optiques (Figure 1, à droite), car il est très bien adapté aux dispositifs corporels grand public.

Figure 1 : Les circuits d'entrée analogiques ADPD4100 et ADPD4101 d'Analog Devices prennent en charge les mesures PPG (à droite) et ECG (à gauche). (Source de l'image : Analog Devices)

Ces biocapteurs spécialisés permettent d'accélérer le développement, mais ne vous épargnent pas tous les aléas des systèmes biologiques. Des artefacts imprévisibles (mais pas inattendus) comme les sources ambiantes transitoires et l'inhomogénéité de la peau affectent le PPG, tandis que les interférences électromagnétiques (EMI) et bien d'autres sources de signaux électriques physiologiques comme la contraction des muscles squelettiques compliquent l'ECG. (L'impact de ces différents artefacts sur le rapport signal/bruit peut parfois être considérable, comme je l'ai constaté au cours de ma thèse. J'ai dû mettre de côté mes objectifs principaux pour construire une sorte de sous-système basé sur l'apprentissage automatique simplement pour acquérir des biosignaux propres.)

Étant donné la nature des systèmes biologiques, même avec une compréhension complète de la théorie à l'origine du PPG, de l'ECG, du TAP/TTP et d'autres méthodes biophysiques, les développeurs peuvent constater que la conception de dispositifs corporels de santé ou de fitness est loin d'être aussi facile que l'on pourrait le croire. S'ils ne se concentrent que sur leurs chaînes de signaux et leurs algorithmes, les développeurs peuvent facilement voir leur travail interrompu par la nécessité de gérer les difficultés de l'acquisition de biosignaux propres.

En utilisant des kits de développement de biocapteurs, cependant, les développeurs peuvent fabriquer des prototypes rapides afin de commencer à explorer les effets des différentes longueurs d'onde de la lumière, le placement des électrodes ou les nombreuses autres possibilités pour optimiser l'acquisition des biosignaux (ou simplement pour que cela fonctionne du premier coup).

Kits spécialisés pour le prototypage de dispositifs corporels de bien-être

Des kits comme le kit d'évaluation EVAL-ADPD4100Z-PPG et le bracelet de capteur de santé MAXREFDES103# d'Analog Devices sont spécialement conçus pour accélérer le développement des dispositifs corporels de bien-être. Au cours du développement, l'EVAL-ADPD4100Z-PPG est programmé à l'aide de la carte mère EVAL-ADPDUCZ basée sur un microcontrôleur Cortex-M3 de la société, reliée via le port de connexion micro-USB de la carte du kit. Après avoir débranché le câble USB, les développeurs peuvent tester leur conception in situ en reliant le bracelet fourni dans les découpes de la carte (Figure 2).

Figure 2 : La carte d'évaluation EVAL-ADPD4100Z-PPG d'Analog Devices peut se porter au poignet pour étudier les conditions réelles de biodétection. (Source de l'image : Analog Devices)

Le kit MAXREFDES103# combine un sous-système de capteur basé sur le biocapteur MAX86141 et un sous-système hôte complet basé sur le microcontrôleur MAX32630 dans un boîtier corporel pré-assemblé. En plus des boutons et d'une diode électroluminescente (LED) de couleur pour l'affichage de l'état du dispositif, le boîtier corporel est équipé d'un connecteur USB Type-C pour la connexion d'une carte d'adaptateur fournie en vue des mises à jour du micrologiciel (Figure 3).

Figure 3 : La conception de référence de santé MAXREFDES103# inclut un dispositif corporel permettant d'étudier les applications de biocapteurs sur le terrain. (Source de l'image : Analog Devices)

Peut-être plus important encore, chaque kit est livré avec un progiciel d'analyse des données mesurées, ce qui permet aux développeurs d'étudier les formes d'onde générées durant la mesure continue sous différentes configurations de détection et d'examiner l'impact des artefacts intentionnels ou accidentels. Le logiciel d'évaluation Wavetool d'Analog Devices permet aux développeurs d'exécuter l'EVAL-ADPD4100Z-PPG dans différents modes d'application, notamment les modes SpO2 et ECG.

Le progiciel de conception de référence MAXREFDES103# d'Analog Devices inclut son application DeviceStudio, qui permet aux développeurs de configurer le biocapteur et les algorithmes embarqués pour la fréquence cardiaque et la SpO2. La plateforme Health Sensor Platform de l'entreprise est également disponible. Il s'agit d'une application Android qui fournit des algorithmes supplémentaires pour la qualité du sommeil, la fréquence respiratoire et la variabilité de la fréquence cardiaque (VFC). Cette dernière mesure a retenu l'attention de la communauté médicale en tant que méthode non invasive de surveillance des changements dans le système nerveux autonome d'un individu.

Conclusion

La conception de A à Z de chaînes de signaux de biodétection pour les dispositifs corporels n'est pas à prendre à la légère. Toutefois, si vous décidez de construire les vôtres, les kits de développement spécialisés décrits dans cet article peuvent vous apporter une aide précieuse pour relever les véritables défis associés à la biodétection.