La Heart Rate Variability (HRV) est une méthode permettant de mesurer et d’analyser la variabilité de la fréquence cardiaque (ou nombre de battements par minute), laquelle est d’une extrême importance pour de nombreux domaines d’application. Nous avons approfondi –dans la première de ce long article en trois parties– notre connaissance de la HRV et nous réalisons aujourd’hui un appareil simple capable de détecter et d’enregistrer sur SD-Card la durée exacte s’écoulant entre un battement et le suivant. La grande capacité du support de mémoire utilisé permet d’effectuer des mesures sur une longue durée, 24 heures et plus. Ensuite (troisième et dernière partie), un logiciel analysera les données et fournira d’importantes informations sur notre état psycho-physiologique.
Cette deuxième partie est consacrée à la réalisation d’un circuit en mesure de surveiller le battement cardiaque pour détecter la fameuse HRV (“Hearth Rate Variability”). Comme on l’a vu lors de la première partie, la HRV est une technique de mesure et d’analyse de la variabilité de la fréquence cardiaque (nombre de battements par minute) intéressant notamment la cardiologie et la médecine du sport dans ce dernier domaine, par exemple, de nombreuses études existent, il s’agit en effet de préparer l’athlète et sur le marché on trouve beaucoup d’appareils pour le contrôle de cette fréquence cardiaque. Durant un entraînement il importe d’avoir la possibilité de vérifier l’intensité de la fréquence cardiaque, surtout quand on s’est fixé des objectifs particuliers ou qu’on part d’une condition physique qui n’est pas optimale.
La mesure de la HRV permet d’obtenir des informations supplémentaires qui seront enregistrées sur SD-Card pour être ensuite dûment analysées. Le fichier texte créé sur le dispositif de mémorisation est lisible sur n’importe quel PC car il est au format standard utilisé aussi par les autres appareils médicaux. Le circuit prévoit en outre la possibilité de mettre en évidence sur le tracé le début et la fin d’un événement spécifique. Il est ainsi possible de vérifier des comportements différents du muscle cardiaque en fonction de l’activité accomplie. Par exemple, durant une course on pourra voir le moment où l’athlète doit aborder une montée et fournir par conséquent un plus grand effort. La signalisation se fait de manière à ne pas influencer la mesure des intervalles de temps entre un battement et l’autre. Sur le tracé un marqueur est inséré afin que le logiciel d’analyse puisse souligner les diverses activités accomplies pendant l’entraînement.
Pour détecter le battement cardiaque nous avons utilisé une ceinture émettrice et un petit récepteur Polar (www.polar.fi), la plus connue des firmes travail ant dans ce domaine. La ceinture (identique à celle des cardiofréquencemètres) est à mettre avant de lancer
la surveillance des battements : les battements cardiaques détectés sont transmis via radio à un petit récepteur présent sur notre circuit ; les impulsions électriques qu’on en tire sont analysées par un microcontrôleur qui calcule le temps écoulé entre deux battements en fonction du signal d’horloge qu’un quartz engendre.
Naturellement, dite ainsi la chose semble plutôt simple ! En réalité le programme résident doit être capable de gérer la SD-Card avec un système de fichiers Windows, enregistrer les événements sur le support de mémorisation en activant/désactivant un temporisateur interne et effectuer les contrôles sur le circuit le plus rapidement possible. Le système prévoit en outre l’alimentation par batterie et sa recharge, avec surveillance de celle-ci ; de plus la mise en marche et l’extinction sont gérées par le micro.
Commençons par décrire le fonctionnement de la ceinture émettrice et celui du module de réception. La documentation à laquelle nous nous référons est disponible chez Polar.
Module TX/RXLa détection du battement cardiaque se fait au moyen d’une ceinture élastique
Le signal radio très faible à 5,5 kHz produit par le faisceau émetteur est capté par un module récepteur spécial fabriqué par Polar et dont voici le brochage.
Le module dispose de trois plots de chaque côté (J1 à J6) reliés entre eux (voir tableau) et auxquels correspondent le positif et le négatif d’alimentation ainsi que la sortie du signal. Le système que nous utilisons (faisceau + module récepteur) peut être utilisé pour détecter les battements du cœur dans de multiples applications, chaque fois que la présence d’un câble de connexion entre capteur et enregistreur pose des problèmes fonctionnels ou de sécurité.
qu’on doit endosser de telle manière être placée sous les muscles pectoraux que les deux petites électrodes qu’elle et l’émetteur se trouver au centre au comporte sur sa face interne viennent niveau du sternum. Les morceaux de adhérer au thorax. Afin de rendre la peau au contact des électrodes doivent surveillance optimale, la ceinture doit être légèrement humidifiés et la bande
élastique doit être réglée assez serrée pour ne pas glisser mais pas trop afin de ne pas gêner le patient. L’émetteur travaille sur une fréquence de 5,5 kHz et il envoie les données au récepteur de manière non codée. Il n’est donc pas exclu que des interférences se produisent avec d’autres émetteurs voisins. Le rayon d’utilisation du système TX/RX est environ d’un mètre et il faut par conséquent bien positionner le récepteur, pas trop loin en tout cas, pas à plus de 80 cm de l’émetteur. D’après le “datasheet”, la meilleure réception a lieu quand l’axe de la self présente sur le module récepteur est parallèle au flux magnétique produit par la ceinture. D’après les tests effectués cela n’est guère critique, à condition toutefois que la distance ne dépasse pas la limite extrême (voir figure 1). Le module récepteur est constitué d’une petite platine CMS dotée de 6 plots divisés en deux groupes de 3 : chaque groupe est placé d’un côté et de l’autre de la petite platine de manière à permettre un montage du côté le plus long parallèle à l’axe de la self. Pour faciliter la fixation à notre circuit enregistreur, nous avons utilisé les plots les plus grands et les plus espacés, soit J4, J5, J6. Voir figure 2, le brochage de cette petite platine réceptrice.
La tension d’alimentation va de 3 V min à 12 V max pour une consommation très faible : 55 µA maximum. Le module récepteur dispose d’une sortie numérique de type 0-3 V. A chaque impulsion provenant de l’émetteur correspond un niveau logique haut (3 V) maintenu pendant environ 10 ms. Par conséquent en sortie on a un signal facilement interprétable par le micro-contrôleur, lequel doit utiliser un signal
Figure 4b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de l’enregistreur de données HRV sur SD-Card, côté soudures où sont montés le lecteur de SD-Card, les quatre LED et les deux micropoussoirs (voir le médaillon de la figure 5).
Figure 4b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de l’enregistreur de données HRV surSD-Card, côté composants où sont montés tous les autres composants (voir figure 5).
En médaillon, le côté soudures où sont montés le lecteur de SD-Card, les quatre LED et les deux micropoussoirs.
d’horloge (temporisation) pour pouvoir calculer l’intervalle écoulé entre deux impulsions qui se suivent.
Il n’est pas nécessaire de convertir les niveaux logiques puisque le PIC choisi est alimenté par une tension de 3,3 V.
Comme le signal à surveiller est relativement “lent” (intervalles de 10 ms), nous avons utilisé côté programme résident des cycles de “polling” au lieu d’attribuer chaque impulsion à un gestionnaire d’interruption. Quand vous construirez la platine, faites bien
attention que les trois broches du module soient bien connectées. En particulier la piste correspondant à la sortie numérique doit être bien propre – pas de bavures – afin qu’elle ne soit pas influencée par les autres signaux utilisés sur le circuit.
Le schéma électrique Ce montage se sert d’un microcontrôleur PIC16F876A (disponible déjà pro-grammé en usine ET631) alimenté en 3,3 V de manière à n’avoir pas besoin d’effectuer une conversion des niveaux logiques dans la communication avec le module récepteur et la SD-Card. La tension principale est régulée par un LM1086-3,3 dont l’entrée est contrôlée par la paire de transistors T1 et T2.
Le fonctionnement de la section d’alimentation est fort simple. En fait, au moment où l’on appuie sur le micro-poussoir SW1, la tension de la batterie (4 “bâtons” AA rechargeables de 1,2 V chacun en série, ce qui fait au total 4,8 V) est appliquée à la base de T2 à travers D3. T2 est alors saturé, ce qui met la base de T1 au niveau logique bas. Par conséquent T1 conduit et la tension atteint le régulateur alimentant le circuit tout entier. Dès que le microcontrôleur est alimenté, il met au niveau logique haut RA1.
Ainsi, après avoir relâché le micropous-soir SW1, la condition de T2 ne change pas puisque la tension de base est appliquée à travers D4. L’extinction du circuit se fait par une longue pression sur le micropoussoir SW1. Cette condition est détectée par le PIC sur sa ligne RA2 qui reçoit la tension provenant du pont R7-R8. Un niveau logique haut sur RA2 informe le micro que l’usager veut éteindre l’appareil et il effectue alors les opérations correspondantes de fermeture du fichier sur SD-Card avant de désactiver l’alimentation en mettant au niveau logique bas la ligne RA1. Dans ce cas T2 et T1 ne conduisent plus et la tension de la batterie n’atteint plus le régulateur, ce qui arrête le circuit.
La charge de la batterie est surveillée par échantillonnage de sa tension à travers le pont R3-R4. La ligne correspondante donne sur la broche RA0 du PIC et par conséquent sur le module A/N à 10 bits du microcontrôleur. Le programme résident exécute un cycle d’échantillonnage de manière à savoir quand la tension de la batterie descend sous un certain seuil, à partir duquel il signale l’événement : la LED rouge commence à clignoter. L’usager sait alors qu’il doit éteindre le circuit, s’il ne veut pas perdre les données enregistrées, ou brancher une alimentation extérieure. Le circuit intégré LM317 per-met d’appliquer le courant nécessaire à la recharge des quatre “bâtons” AA tout en continuant à alimenter le circuit pour un fonctionnement normal.
Vous avez vu que le PIC utilise deux oscillateurs (Q1, Q2) au lieu d’un seul habituellement. Le premier travaille sur 20 MHz et sert à engendrer le signal d’horloge du système. Le second utilise un quartz de 32,768 kHz pour produire le signal de temporisation nécessaire à une détection correcte du délai écoulé entre deux impulsions consécutives. La fréquence d’oscillation est divisée par huit au moyen d’un prédiviseur interne au PIC. Pour plus de détails, voyez le paragraphe ci-après sur le programme résident. Dans le circuit se trouve une EEPROM 24LC256 reliée au micro par les lignes SCL,
publié dans electronique-magazine N°_100_2007
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