Carte de mise en forme du signal respiratoire

Acquisition de données

Afin de pouvoir acquérir le signal respiratoire et transmettre les données numérisées vers un PC2, nous avons optés pour une carte multifonctions de type Arduino3Uno révision 3 (R3). Ce choix a été fait suite à l‘avancée majeure apportée par cette plateforme dans l‘accessibilité de cette technologie au plus grand nombre par sa vulgarisation, sa puissance incroyable, son étendu d‘utilisation gigantesque ainsi que son coût abordable.

Présentation d’Arduino

Arduino [7-9] est une plate-forme logicielle et matérielle constituée d‘une simple carte électronique à microcontrôleur (voir annexe 4) et d‘un environnement de développement multiplateformes. Elle permet d‘allier les performances de la programmation à celle de l‘électronique.
Cette carte peut être programmée pour diverses tâches, principalement pour la création des systèmes électroniques et le prototypage de différents circuits utilisés pour des multiples fonctionnalités tels que la domotique, le pilotage des robots, l‘acquisition de données…etc.
Le projet Arduino est en source ouverte dont les circuits de différentes variétés de cartes Arduino sont publiés sous licence libre GNU4 et la conception est distribuée sous licence CC5. Le code source de l‘environnement de développement est également disponible sous licence LGPL6. Cependant, le microcontrôleur n‘est pas régi par cette licence libre

Hardware

La partie hardware consiste à la carte Arduino Uno, c‘est le modèle de référence des plateformes Arduino et c‘est la version la plus récente des cartes Arduino USB7.
Comme illustré sur la Fig.III-1, Arduino Uno est construite autour d‘un circuit à microcontrôleur du type ATmega 328 de la famille AVR du constructeur Atmel. Elle est dotée en plus de ;
 14 entrées/sorties dont 6 peuvent être utilisé en PWM8
 6 entrées analogiques
 un oscillateur à 16 MHz
 un port USB
 Une prise d‘alimentation
 Un connecteur ICSP9
 Un boutton reset .

Le microcontrôleur ATmega 328 [9] que dispose la carte Arduino Uno dispose 32 k octets de mémoire flash pour le stockage du code développé dont 0,5 k octet est utilisé pour le bootloader, 2 k octets pour la SRAM10 et 1 k octet por l‘EEPROM11 (voir annexe 4).

Le signal à discrétisé est envoyé à l‘ordinateur en trame, chaque trame UART12 est constituée des bits suivants ;
 Un bit start toujours mis à 0
 Les données lues sur 10 bits
 Un bit de parité assurant un codage correcte des données
 Un bit stop, toujours mis à 1 .

La vitesse de transmission exprimée en baud13 de la carte Arduino est variable et permet de cadencer l‘envoie des données vers l‘ordinateur. La numérisation des données se fait par le biais du convertisseur analogique numérique qui est incorporé dans ce microcontrôleur et qui converti une tension d‘entrée analogique en une valeur numérique de 10 bits par approximation successive ce qui permet d‘attribuer des valeurs numériques entre 0 et 210=1023 qui correspond à 5V comme valeur à l‘entrée de chacune des entrées analogiques de la carte Arduino.
Une protection à appliquer au signal à acquérir via la carte multifonctions Arduino Uno consiste à brancher un potentiomètre d‘une valeur élevée entre les pins GND et 5V, le signal étant branché au curseur du potentiomètre permettra de cadrer le signal entre 0 et 5V. Dans notre système d‘acquisition, nous avons opté pour un potentiomètre de 470 k.

Software

La partie software consiste en deux programmes. Un premier programme, implémenté dans l‘environnement de développement intégré d‘Arduino, permet de charger les commandes que doit exécuter la carte Arduino. Le second programme, implémenté sous un environnement au choix de l‘utilisateur, permet de recevoir les données des signaux numérisés. Dans ce présent projet, MATLAB a été le langage choisi et ce pour pouvoir, suite à l‘étape d‘acquisition de données, accomplir un traitement numérique du signal respiratoire.

Firmware

La programmation de toutes les cartes de la famille Arduino, dont le modèle Uno utilisé dans le cadre de ce projet, se fait dans un langage simplifié adapté du C++.
Les cartes Arduino traitent les informations reçues par ses entrées pour agir sur les sorties suivant un programme qui est définit par l‘utilisateur et ce via l‘IDE14 d‘Arduino dont l‘interface graphique est illustrée sur la figure suivante (Fig.III-2).
La fenêtre de l‘application Arduino comporte les éléments suivants :
1. Un menu contenant les options de configuration du logiciel qui permettent de créer de nouveaux programmes (appelés aussi sketchs), de les sauvegarder, de gérer les préférences du logiciel et les paramètres de communication avec la carte Arduino.
2. Une barre d‘action contenant des différents boutons servant, de gauche à droite, de vérifier le programme s‘il ne contient pas d‘erreurs, compiler et envoyer le programme vers la carte, créer un nouveau fichier, charger un programme existant et enregistrer le programme en cours.
3. Une zone de programmation contenant le programme que nous allons créer.
4. Une console qui affiche des informations sur les erreurs de compilation et de téléversement du programme.

Une fois que la carte Arduino est branchée à l‘ordinateur, une étape de configuration est requise avant tout téléversement de firmware dans le microcontrôleur d‘Arduino. Le premier truc à effectuer est de spécifier le type de la carte à utiliser. Pour ce faire, il faut aller, comme illustré sur la Fig.III-3, sous Outils>Types de carte et choisir Arduino Uno.
Il est également nécessaire de spécifier le port USB actif qui sera utilisé afin de connecter la carte avec l‘ordinateur pour téléverser le programme. Pour ce faire, il faut aller sous Outils>Port série et choisir le port approprié. On note que l‘ordinateur assure directement l‘alimentation de la carte Arduino via cette liaison USB.

Ensuite, l‘utilisateur développe dans la zone de programmation le programme à téléverser dans le microcontrôleur de la carte Arduino. Le programme est compilé et téléversé s‘il ne présente aucune erreur de compilation. L‘exécution de ce programme s‘effectue de manière séquentielle.
La structure d‘un programme écrit en Arduino est illustrée sur la Fig.III-4. Un code permettant de faire clignoter une LED15 branchée sur la broche 13 de la carte Arduino est utilisé à titre d‘exemple.
Le programme développé comporte trois parties consécutives, à savoir :
— Partie déclaration des constantes et des variables.
— Partie configuration des entrées et des sorties de l‘Arduino en utilisant l‘instruction void setup ().
— Partie programmation des interactions dans laquelle on définit les opérations qui s‘exécutent en boucle en utilisant l‘instruction void loop ().

Des commentaires peuvent être écrits sur le programme pour se souvenir du patch.

Lecture des données numérisées

Plusieurs environnements permettent la lecture des données via le port USB. Dans le cadre de notre projet, le choix académique en matière logicielle de traitement numérique du signal respiratoire acquis se porte sur Matlab. Ce choix a été fait suite aux diverses fonctions utilitaires qui sont préprogrammées et mises à disposition des utilisateurs sous forme d‘une boite à outils DAT16 dans le site Mathworks17 de Matlab.
La lecture et le traitement des données numérisées se fait donc directement par le biais de la bibliothèque Arduino de Matlab. Cet outil permet de générer, visualiser en temps réel et enregistrer sous Windows le signal utile grâce à la juxtaposition des échantillons successifs en respectant la période d‘échantillonnage réglable dans le firmware téléversé préalablement dans le microcontrôleur de la carte Arduino.

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons présenté le système d‘acquisition de données que nous avons conçu autour de la carte multifonctions Arduino Uno. La partie hardware consiste au module Arduino Uno. La partie software consiste en deux parties élémentaires. En premier lieux, la programmation du firmware développé dans l‘environnement de développement intégré d‘Arduino. En second lieux, la programmation du script de réception et de traitement de données développé dans un environnement Matlab, et ce grâce au toolbox de fonctions préprogrammées d‘Arduino.

Mesures et enregistrements

Grâce à la carte de mise en forme et d‘acquisition du spirogramme des débits pulmonaires que nous avons développée, nous avons accompli un certain nombre de mesures sur des sujets normaux. Une première étape consiste à recueillir les signaux par le biais d‘un oscilloscope numérique. Ensuite, l‘acquisition de signaux respiratoires moyennant le système d‘acquisition que nous avons conçu autour de la carte Arduino Uno nous a permis de les enregistrer sous forme d‘un fichier de données. Nous avons opté à accomplir l‘acquisition de données dans un environnement MATLAB vu ses fonctionnalités avancées de traitement numérique du signal disponible sous forme de toolbox de fonctions. Cet environnement nous permettra de traiter le signal du débit respiratoire afin d‘améliorer sa qualité puis pour reproduire par la suite le volume, la période respiratoire correspondante.

La nature des signaux respiratoires mesurés depuis différents points de tests de la carte de mise en forme que nous avons réalisée permet d‘apporter les ajustements nécessaires pour avoir en sortie le signal ayant la morphologie adéquate pour l‘étape d‘acquisition de données. En effet, la carte multifonction Arduino Uno requiert en entrée analogique un signal cadré entre 0 et 5V. Il est alors judicieux d‘ajuster la composante continue du signal du débit respiratoire à 1V. Le signal respiratoire doit couvrir en absolu la marge de 0,5 à 4,5V.

Mesures analogiques

La Fig.IV-1 illustre l‘enregistrement du signal du débit respiratoire recueilli à la sortie de l‘étage d‘amplification développé autour de l‘ampli TL074. L‘affichage sur l‘oscilloscope numérique est fait en couplage DC pour montrer la composante continue du signal. L‘amplification à étéajuster pour aboutir à un signal respiratoire en sortie couvrant les 8 divisions du cadran de l‘oscilloscope numérique à un calibre de 500 mV, ce qui correspond à 4 V comme marge de tension en absolu

Table des matières

Liste des figures
Introduction générale
Chapitre I Système respiratoire
I.1. Anatomie de l‘appareil respiratoire
I.1.1. Les voies aériennes
I.1.2. Les poumons
I.1.3. Les muscles respiratoires
I.2. Physiologie de l‘appareil respiratoire
I.2.1. Mécanique ventilatoire et production du débit aérien
I.2.2. L‘espace mort
I.2.3. Les mécanismes d‘échanges gazeux
I.3. Les explorations fonctionnelles respiratoires
I.3.1. Mesure des volumes non mobilisables
I.3.2. Mesure des volumes mobilisables
I.4. Conclusion
Chapitre II Carte de mise en forme du signal respiratoire
II.1. Etude des capteurs de pression
II.1.1. Définition de la pression
II.1.2. Lesdifférentes unités de pression
II.1.3. Les différents types de pression
II.1.4. Les capteurs de pression
II.2. Description du système de mesure
II.2.1. Structure de la chaine de mesure
II.2.2. Pneumotachographe de Lilly
II.2.3. Capteur de pression
II.2.4. Circuit d‘alimentation
II.2.5. Amplification
II.2.6. Filtrage
II.2.7. Circuit d‘offset
II.3. Conclusion
Chapitre III Acquisition de données
III.1. Présentation d‘Arduino
III.2. Hardware
III.3. Software
III.3.1. Firmware
III.3.2. Lecture des données numérisées
III.4. Conclusion
Chapitre IV Mesures et enregistrements 
IV.1. Mesures analogiques
IV.2. Etalonnage du système de mesure
IV.3. Acquisition du signal du débit respiratoire
IV.4. Traitement numérique
IV.4.1. Filtrage
IV.4.2. Extraction du rythme et de la période respiratoire
IV.4.3. Génération des volumes respiratoires
IV.5. Conclusion
Conclusion générale 
Références bibliographiques
Annexe 1 – Conséquence spirométrique des pathologies : analyse des courbes débit/volume
Annexe 2– Liste des composants électroniques
Annexe 3– Quelques circuits réalisés avec PCB
Annexe 4 – Fiches techniques

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