Mise en forme analogique du signal photopléthysmographique

Acquisition de données

La carte de mise en forme du signal photopléthysmogramme comporte une partie numérique dédiée à l’acquisition de données. Lors de la conception de cette partie de numérisation de signal photopléthysmogramme, nous avons opté pour la carte multifonctions Arduino 4Uno. Ce choix est fait suite à la vulgarisation de cette carte électronique ayant plusieurs variantes.

Partie hardware

Le modèle Arduino Uno (Figure III-1) est une carte électronique dont le coeur est un microcontrôleur ATMEL de référence ATMega328. Le microcontrôleur ATMega328 est un microcontrôleur 8bits de la famille AVR dont la programmation peut être réalisée en langage C.
L’intérêt principal des cartes Arduino est leur facilite de mise en oeuvre. Arduino fournit un environnement de développement s’appuyant sur des outils open source.

Le chargement du programme dans la mémoire du microcontrôleur se fait de façon très simple par port USB. Cette carte comporte ;
 14 broches numériques d’entrées/sorties (dont 6 peuvent être utilisées en sorties PWM5 (largeur d’impulsion modulée)),
 6 entrées analogiques de A₀ a A₅ (qui peuvent également être utilisées en broches entrées/sorties numériques),
 un connecteur ICSP (programmation « in-circuit »),
 un quartz à 16 MHz
 une connexion USB,6
 Un connecteur d’alimentation jack
 Un boutton reset .

La carte Arduino Uno contient tout ce qui est nécessaire pour le fonctionnement du microcontrôleur; Pour pouvoir l’utiliser et se lancer, il suffit simplement de la connecter à un ordinateur à l’aide d’un câble USB (qui fournit 5V jusqu’à 500mA).
 Un bit start toujours mise 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 baud7 de la carte Arduino est variable et permet de cadencer l’envoi des données vers l’ordinateur. Les données sont numérisées grâce au convertisseur analogique numérique de la carte Arduino sur 10 bits. Avec ce codage, nous aurons des données codées valeurs entières entre 0 et 210-1=1023 qui correspond à 5V comme valeur à l’entrée de chacune des entrées analogiques de la carte Arduino.

L’alimentation externe (non-USB) peut être soit un adapteur secteur (pouvant fournir typiquement de 3V à 12V sous 500mA) ou des piles (ou des accus). L’adaptateur secteur peut être connecté en branchant une prise 2.1mm positif au centre dans le connecteur jack de la carte.

La carte peut fonctionner avec une alimentation externe de 6 à 20 volts. Cependant, si la carte est alimentée avec moins de 7V, la broche 5V pourrait fournir moins de 5V et la carte pourrait être instable. Si on utilise plus de 12V, le régulateur de tension de la carte pourrait chauffer et endommager la carte.
L’ATmega 328 à 32Ko de mémoire FLASH pour stocker le programme (dont 0.5Ko également utilisés par le bootloader). L’ATmega328 a également 2ko de mémoire SRAM (volatile) et 1Ko d’EEPROM (non volatile – mémoire qui peut être lue à l’aide de la librairie EEPROM).
Un boot loader, qui est un programme préprogrammé pour tous les microcontrôleurs du type ATmega, permet la communication entre ATmega et le logiciel Arduino via le port USB, notamment lors de chaque programmation de la carte.

La carte Arduino Uno intègre un polyfusible réinitialisable qui protège le port USB de l’ordinateur contre les surcharges en intensité (le port USB est généralement limité à 500mA en intensité). Bien que la plupart des ordinateurs aient leur propre protection interne, le fusible de la carte fournit une couche supplémentaire de protection. Si plus de 500mA sont appliqués au port USB, le fusible de la carte coupera automatiquement la connexion jusqu’à ce que le court-circuit ou la surcharge soit stoppé.

Partie Software

La partie software consiste en deux programmes. Un premier programme, développé dans un environnement dédié à Arduino, permet de charger les commandes que doit exécuter la carte Arduino.
Le microcontrôleur ATmega328 présent sur la carte Arduino Uno est livré avec un boot loader (petit programme de démarrage) préprogrammé qui vous permet de transférer le nouveau programme dans le microcontrôleur sans avoir à utiliser un matériel de programmation externe.
Le second programme, développé dans un environnement au choix de l’utilisateur, permet de recevoir les données des signaux numérisés. Dans ce présent projet, nous avons opté pour le langage MATLAB, et ce pour pouvoir accomplir une analyse spectrale du signal photopléthysmographique à la suite de l’étape d’acquisition de données.

Partie Firmware

Les cartes Arduino sont programmables via un environnement dédié dont l’interface graphique est illustrée sur la Figure III-3. Cet environnement permet une programmation du microcontrôleur en langage C++, ce qui confirme la puissance de ce langage en électronique à pouvoir introduire des instructions bénéficiant d’une bibliothèque de fonctions préprogrammées.
Après le branchement de la carte Arduino avec un ordinateur, la première étape à effectuer est la sélection du type de carte dans l’environnement de développement, comme illustré sur la Figure III-4.
Une sélection du port USB actif branché avec la carte Arduino et également à considérer, comme illustré sur la Figure III-3. Ce sont des étapes de configuration requises avant tout téléversement de firmware dans le microcontrôleur de la carte Arduino.

Ensuite, l’utilisateur développe le programme à téléverser dans le microcontrôleur de la carte Arduino dans un environnement dédié. Le programme est compilé et téléversé s’il ne présente aucune erreur de compilation.Pour faire simple, le système Arduino est un système complet de développement en électronique programmée comportant:
__ Le matériel Arduino : les cartes Arduino, notamment la carte Uno
__ Le logiciel Arduino : véritable environnement de développement intégré dédié au langage Arduino .

Le logiciel Arduino est un espace de développement intégré (EDI) comporte :
– Une barre des Menus comme pour tout logiciel une interface graphique (GUI),
– Une barre des boutons qui donnent un accès direct aux fonctions essentielles du logiciel et fait toute sa simplicité d’utilisation,
– Un Editeur (à coloration syntaxique) pour écrire le code de programme, avec onglets de navigation,
– Une zone de message qui affiche indique l’état des actions en cours,
– Une Console de texte qui affiche les messages concernant le résultat de la compilation du programme.

Le logiciel Arduino inclut une fenêtre terminal série (ou moniteur série) sur l’ordinateur comme illustré sur la Fig.III-6 et qui permet d’envoyer des textes simples depuis et vers la carte Arduino. Les LEDs RX et TX sur la carte clignote lorsque les données sont transmises via le circuit intégré USBvers- série et la connexion USB vers l’ordinateur (mais pas pour les communications série sur les broches 0 e1).

Lecture des données numérisées

Plusieurs environnements permettent la lecture de données via le port USB. Afin de pouvoir effectuer un traitement numérique du signal sur le signal photopléthysmogramme acquis, nous avons opté pour l’environnement MATLAB vu ses diverses boites à outils de fonctions préprogrammées disponibles sous forme d’une boite à outils.
La lecture du port série permet de lire les échantillons numérisés. Un signal est alors généré 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 le chapitre, nous avons conçu et réalisé un système embarqué d’acquisition de données basé sur les fonctionnalités de la carte Arduino Uno. La partie software consiste en deux parties élémentaires. En premier lieu, la programmation du firmware développé dans l’environnement de développement propre au module Arduino. En second lieu, la programmation du script de réception de données développé dans un environnement MATLAB.

Mesures et enregistrements

Dans ce chapitre, nous présentons les résultats obtenus à partir du dispositif que nous avons conçu et réalisé. Les résultats sont présentés en en deux étapes. La première consiste à présenter les signaux obtenus depuis la partie analogique qui sont visualisés sur l’écran d’un oscilloscope numérique. Les résultats de l’acquisition des composantes AC et DC signaux photopléthysmographiques rouge et infrarouge sont présentés dans une interface graphique développée dans un environnement MATLAB.
Le système d’acquisition développé a été conçu autour d’une carte Arduino UNO. Un programme de pilotage de cette carte que nous avons développé en langage C est chargé dans le microcontrôleur.

Mesures analogiques

Les circuits électroniques (Dimension 7×5 cm) que nous avons réalisé sont rassemblés dans une boite de dimension (11.7×7.3×5.4) cm. On a sélectionné pour chaque étage deux sortie l’un pour le rouge et l’autre pour l’infra-rouge .

Ces mesures analogiques sont accomplies aux niveaux des différents blocs constituant la carte de
mise en forme développée allant du capteur jusqu’au circuit d’offset. La première étape est le positionnent correct de l’index (L’ongle en face du phototransistor et l’autre devant les LEDs pour éviter la réflexion de la lumière) et de prendre les différentes mesures au niveau des différentes sorties.
Des points tests sont établis afin de permettre à l’utilisateur d’étudier les signaux recueillis et de maintenir le système en état de marche en détectant d’éventuel dysfonctionnement.

Capteur

Premièrement, nous visualisons le signal à la sortie du capteur. L’horloge H utilisée pour le pilotage des LEDs est mise à 5V pour la LED rouge et à 0V pour la LED infrarouge. Afin de respecter le théorème de Shannon, nous avons sélectionné une fréquence de pilotage suffisamment grande pour éviter un recouvrement spectral. La fréquence d’échantillonnage Fe doit être supérieure ou égale à deux fois la fréquence maximale FM du signal à discrétiser. En pratique, ? ? ≥ 10?

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I Système cardiovasculaire et Photopléthysmographie
I.1. Système cardiovasculaire
I.1.1. Le coeur
I.1.2. Vaisseaux
I.1.3. Sang
I.2. Circulation sanguine
I.3. Le battement cardiaque
I.4. Photopléthysmogramme (PPG) et l’Oxymétrie de pouls
I.4.1. Historique
I.4.2. L’Oxymètre de pouls
I.4.3. Absorption de la lumière par Hb et HbO2
I.4.4. Système à deux longueurs d’onde
I.4.5. Mesure pratique de taux de saturation en oxygène
I.4.6. Limites de mesure de la photopléthysmographie de pouls
I.5. Conclusion
Chapitre II Carte de mise en forme du signal photopléthysmographique
II.1. Capteur optique
II.1.1. Types de sonde
II.2. Circuit d’émission /réception
II.2.1. Circuit d’émission
II.2.2. Circuit de réception
II.3. Mise en forme analogique du signal photopléthysmographique
II.3.1. Pilotage des LEDs
II.3.2. Circuit de transistors
II.3.3. Amplification de puissance
II.3.4. Démultiplexage
II.3.5. Inverseur
II.3.6. Circuit d’amplification
II.3.7. Filtrage
II.3.8. Circuit d’offset
II.3.9. Filtre réjecteur
II.4. Conclusion
Chapitre III Acquisition de données
III.1. Partie hardware
III.2. Partie Software
III.2.1. Partie Firmware
III.2.2. Lecture des données numérisées
III.3. Conclusion
Chapitre IV Mesures et enregistrements
IV.1. Mesures analogiques
IV.1.1. Capteur
IV.1.2. Mise en forme analogique
IV.1.3. Influence de la fréquence d’horloge sur les signaux pulsés rouge & infrarouge
IV.2. Acquisition des signaux PPGs R/IR
IV.2.1. Logiciel d’acquisition de données
IV.2.2. Mesure du rythme cardiaque
IV.2.3. Mode pulsé
IV.3. Analyse spectrale
IV.4. Génération du signal HRV
IV.5. Conclusion
Conclusion générale 
Références bibliographiques 
Annexe 1 – Système cardiovasculaire
Annexe 2 – Cartes Arduino
Annexe 3 – Quelques Circuits réalisés, avec PCB
Annexe 4 – Fiches techniques

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