Mesure des biosignaux acoustiques dans l’oreille occluse

Biosignaux : Définition et typologie

Le terme «biosignal» a été créé à partir de la combinaison des termes «biomédical» et «signal». Il peut être défini comme la description d’un phénomène physiologique enregistrée à l’aide d’un capteur (Kaniusas, 2012, Chapter 1, p.1-2) afin d’obtenir des informations sur l’état de santé du corps (Northrop, 2010, Chapter 1, p.3). Le nombre de biosignaux étudiables est très élevé, car il existe de nombreux mécanismes physiologiques dans le corps humain. Il est possible de les classer en fonction de leur nature (Kaniusas, 2012, Chapter 1, p.18) : acoustique, électrique, magnétique, mécanique, chimique, thermique, etc.

La vérification continue des rythmes cardiaque et respiratoire d’une personne permet d’obtenir des informations sur son état de santé, son niveau de stress et son activité physique. Cette vérification continue rend également possible la prévention et la détection de malaises ou d’accidents en milieux industriels. Dans cette étude, l’attention est portée sur les battements cardiaques et la respiration.

Mesure des rythmes cardiaque et respiratoire

Mesure en milieu clinique

Présentation des techniques de mesure :Pour déterminer le rythme cardiaque, les techniques suivantes sont utilisées :

Photopléthysmographie (PPG) : le patient est équipé d’un dispositif attaché à l’un de ses doigts (oxymètre de pouls) qui mesure la saturation en oxygène du sang à l’aide d’un émetteur et d’un récepteur optique ;

Électrocardiographie (ECG) : le patient est équipé de plusieurs électrodes qui mesurent l’activité électrique du coeur ;

Phonocardiographie (PCG) : le patient est équipé d’un microphone qui mesure les bruits du cœur. L’auscultation au stéthoscope, toujours très utilisée, est l’ancêtre du phonocar-diogramme.

Avantages et inconvénients des systèmes cliniques:

D’une manière générale, les techniques mentionnées dans cette section ont l’avantage de donner des mesures très précises. La phonocardiographie et la phonopneumographie ont l’avantage d’utiliser un capteur acoustique, ce qui permet d’enregistrer avec un même capteur et simultanément la respiration et les battements cardiaques et réduit donc la complexité de la conception. Seul le traitement du signal change pour extraire les informations désirées. Cependant, l’emplacement du capteur utilisé en milieu clinique (poitrine, dos, trachée) rend la mesure vulnérable au bruit ambiant. Les autres techniques ont l’avantage de ne pas être vulnérables au bruit ambiant, mais les capteurs utilisés sont différents, ce qui augmente la complexité de la conception. Enfin, l’inconvénient commun des appareils utilisés en milieu hospitalier est que leur portabilité est très limitée.

Mesure par des appareils commerciaux grand public (wearables)

Depuis quelques années, de nouveaux objets électroniques sont apparus sur le marché grand public de l’électronique de consommation. Appelés wearables, ils sont généralement peu couteux, de petite taille, portables et connectés à un téléphone intelligent ou à des serveurs d’infonuagie. Les wearables ne sont généralement pas aussi fiables et précis que des dispositifs utilisés en milieu clinique, mais certains d’entre eux ont démontré une excellente précision(Gatti et al., 2014).

Techniques de mesure :Cette section présente les catégories de wearables commercialisés pour le grand public qui proposent des fonctionnalités de suivi du rythme cardiaque (RC) et du rythme respiratoire (RR). De nouveaux dispositifs s’ajoutent à la liste suivante chaque mois car la technologie évolue très rapidement.

Évaluation des technologies wearable: Ces wearables ont l’avantage d’utiliser des  technologies dont la mesure n’est pas sensible au bruit ambiant. Cependant, à l’exception des écouteurs Dash Bragi, les autres types de wearables ont l’inconvénient d’être des dispositifs à porter en plus de celui de type casque ou oreillette utilisé pour la communication dans un contexte industriel. Ceci pourrait engendrer des coûts supplémentaires et une logistique plus complexe pour l’application industrielle visée.

Le capteur utilisé pour les wearables de type écouteurs n’est pas un microphone et il a les inconvénients suivants : seul le rythme cardiaque est détecté et un circuit spécifique est nécessaire pour le conditionnement et le traitement. Étant donné que des composants électroa-coustiques sont déjà employés dans une paire d’écouteurs, l’ajout d’un capteur non-acoustique rendrait la conception matérielle plus complexe et plus coûteuse.
En conclusion, aucun wearable commercial n’utilise une mesure acoustique qui permet de mesurer avec un même capteur et simultanément les battements cardiaques et la respiration. Il est alors nécessaire d’explorer dans la littérature scientifique les prototypes non commercialisés, afin de chercher si un dispositif utilisé précédemment dans un contexte de recherche pouvait combler cette lacune.

Acoustique des battements cardiaques et de la respiration

Un grand avantage à utiliser un microphone est qu’il permet à l’aide d’un seul capteur de détecter à la fois les battements cardiaques et la respiration. En revanche, un microphone est sensible au bruit ambiant et l’emplacement de la mesure est important. Pour comprendre l’acoustique des signaux mesurés, il est nécessaire de s’intéresser aux études effectuées à l’aide de mesures à d’autres emplacements que l’oreille.

Caractéristiques des signaux acoustiques

Ce projet de recherche se limite à l’extraction des rythmes cardiaque et respiratoire de personnes n’ayant pas de problème cardiovasculaire ou respiratoire. Par conséquent, l’intérêt est porté aux caractéristiques de sons dits « normaux ». Cette section présente des études sur des sons émis par les battements cardiaques et la respiration, enregistrés à l’aide de microphones sur la poitrine ou la trachée.Le cœur émet deux sons principaux lors d’un battement cardiaque (Kluwer, 2009), appelés B1 (ou S1 en anglais) et B2 (ou S2 en anglais). B1 est généré par la fermeture des valves mitrale et tricuspide (valves atrioventriculaires). B2 est généré par la fermeture des valves aortique et pulmonaire. Pour étudier les sons du cœur, 77 personnes âgées de 6 mois à 70 ans, ont participé à des séances d’enregistrement audio pour déterminer le contenu fréquentiel des sons B1 et B2 (Arnott et al., 1984). La mesure est effectuée sur la poitrine à l’aide d’un stéthoscope connecté à un ordinateur. La concentration maximale d’énergie dans le spectre de ces deux sons se situe en dessous de 150 Hz.

Mesures acoustiques des biosignaux dans le conduit auditif occlus

Pour obtenir une mesure peu bruitée, il est possible de placer le microphone dans le conduit auditif sous un protecteur auditif. Le bruit ambiant est alors atténué passivement. De plus, les travaux de Bou Serhal et al. (2016) ont permis de développer des algorithmes de filtrage adaptatif capables d’atténuer le bruit résiduel capté à l’intérieur du conduit auditif. Ces algorithmes sont adaptés pour la parole, et leur utilisation pour le débruitage des biosignaux semble prometteuse.
Par ailleurs, les caractéristiques des signaux mesurés dans le conduit auditif peuvent être différentes de celles des signaux mesurés sur la trachée ou la poitrine, notamment à cause de l’effet des tissus et des os sur la transmission de l’onde acoustique. Il n’est donc pas envisageable de développer des algorithmes à partir des signaux mesurés à d’autres emplacements que le conduit auditif.

Traitement des signaux acoustiques des battements cardiaques et de la respiration

Le but de cette recherche est de développer des algorithmes d’extraction des rythmes cardiaque et respiratoire à partir d’une mesure acoustique dans le conduit auditif occlus. Il ne s’agit pas de développer des méthodes de traitement du signal dans le but de diagnostiquer certaines pathologies ou d’extraire de nouvelles informations sur les signaux enregistrés, ce qui a déjà été effectué par de nombreuses études (Reichert et al. (2008), Debbal (2011), Herzig et al. (2015), Northrop (2010)). Cette section présente les méthodes de traitement du signal des battements cardiaques et de la respiration à partir de signaux audio mesurés dans le conduit auditif et hors conduit auditif.

Méthodes utilisées à partir de mesures acoustiques dans le conduit auditif

Les méthodes de traitement du signal employées par Pressler et al. (2004) et Kaufmann et al. (2014) semblent prometteuses pour l’extraction des rythmes cardiaque et respiratoire, même si ce n’est pas l’objectif de ces études. Kusche et al. (2015), qui ont travaillé sur la même étude que Kaufmann et al. (2014), ont utilisé les méthodes suivantes pour la détection d’un battement : filtrage passe-bande, extraction d’enveloppe, détection de maximum. Pressler et al. (2004) ont utilisé un filtre passe-bande et un extracteur d’enveloppe pour mettre en valeur leurs mesures. Dans les deux études, ils ne donnent pas de détails sur les caractéristiques des filtres (ordres, fréquences de coupures) et sur les opérations effectuées sur le signal. Cependant, elles semblent peu complexes et elles permettent d’utiliser les ressources matérielles spécifiques dans un processeur dédié au traitement du signal : cette accélération matérielle est très intéressante car elle fournit des gains importants en vitesse d’exécution et une baisse de consommation d’énergie.

Pour extraire les rythmes cardiaque ou respiratoire à partir d’une mesure acoustique dans le conduit auditif, il est nécessaire d’explorer les méthodes utilisées pour traiter des signaux acoustiques mesurés à d’autres emplacements. De nombreuses études portent sur des mesures acoustiques sur la poitrine ou la trachée.

Méthodes utilisées à partir de mesures acoustiques hors conduit auditif

Il existe une très grande variété de méthodes de traitement du signal pour extraire les rythmes cardiaque ou respiratoire. Cette section est un inventaire non exhaustif de ces méthodes qui ont été développées à partir de mesures acoustiques sur la trachée ou la poitrine . Les signaux enregistrés pour ces études ne proviennent pas d’une mesure acoustique dans le conduit auditif occlus. Ils ont été mesurés au voisinage immédiat du cœur et des poumons. Ceci permet d’obtenir des signaux moins altérés que ceux mesurés dans l’oreille car ils sont moins atténués et filtrés par les tissus du corps.
La plupart des études obtiennent une identification correcte des battements cardiaques ou de la respiration supérieure à 90% de vrais positifs. Les bases de données contiennent rarement des signaux avec plusieurs intensités de la respiration et du rythme cardiaque.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Biosignaux : Définition et typologie 
1.2 Mesure des rythmes cardiaque et respiratoire
1.2.1 Mesure en milieu clinique
1.2.1.1 Présentation des techniques de mesure
1.2.1.2 Avantages et inconvénients des systèmes cliniques
1.2.2 Mesure par des appareils commerciaux grand public (wearables)
1.2.2.1 Techniques de mesure
1.2.2.2 Évaluation des technologies wearable
1.2.3 Mesure par des prototypes développés par la littérature scientifique
1.2.3.1 Prototypes non-acoustiques : présentation et évaluation
1.2.3.2 Prototypes acoustiques : présentation et évaluation
1.3 Acoustique des battements cardiaques et de la respiration 
1.3.1 Caractéristiques des signaux acoustiques
1.3.2 Mesures acoustiques des biosignaux dans le conduit auditif occlus
1.3.2.1 Transmission de l’onde acoustique et effet d’occlusion
1.3.2.2 Présentation des études réalisées à partir de mesures dans le conduit auditif
1.4 Traitement des signaux acoustiques des battements cardiaques et de la respiration
1.4.1 Méthodes utilisées à partir de mesures acoustiques dans le conduit auditif
1.4.2 Méthodes utilisées à partir de mesures acoustiques hors conduit auditif
1.5 Conclusion de la revue de littérature 
CHAPITRE 2 « IN-EAR AUDIO WEARABLE : MEASUREMENT OF HEART AND BREATHING RATES FOR HEALTH MONITORING»
2.1 Avant-propos 
2.2 Résumé 
2.3 Abstract 
2.4 Introduction 
2.5 Materials 
2.5.1 Data Acquisition
2.5.2 Experimental Protocol
2.5.3 Database Analysis
2.6 Methods 
2.6.1 Algorithms for Extracting Heart and Breathing Rates
2.6.2 Denoising of Biosignals from Ambient Noise
2.7 Results
2.7.1 Heart Rate Extraction Algorithm
2.7.2 Breathing Rate Extraction Algorithm
2.7.3 Denoising of Biosignals from Ambient Noise
2.8 Discussion 
2.8.1 Heart Rate Extraction Algorithm
2.8.2 Breathing Rate Extraction Algorithm
2.8.3 Originality and Overall Performance
2.8.4 Denoising of Biosignals from Ambient Noise
2.9 Conclusion 
2.10 Acknowledgments
CHAPITRE 3 COMPLÉMENTS SUR LA BASE DE DONNÉES
3.1 Description des critères d’acceptation des participants
3.2 Appareillage des participants
3.2.1 Oreillette
3.2.2 Ceinture thoracique
3.2.3 Vélo stationnaire
3.2.4 Mise en place des équipements
3.2.5 Installation du participant
3.3 Durée et déroulement 
3.4 Types de mesures
3.4.1 Mesures dans le silence
3.4.2 Mesures avec du bruit
3.4.3 Mesures de signaux non-vocaux
3.5 Protocole de mesure
CHAPITRE 4 COMPLÉMENTS SUR LES ALGORITHMES 
4.1 Fonction détermination de la fréquence de coupure d’intérêt 
4.2 Fonction de détection d’un battement cardiaque ou d’un cycle respiratoire 
4.3 Organigramme complet 
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS

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