Brevet FR3024943A1 — publié le 20160226

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif ainsi qu'un procédé de détermination d'une fréquence respiratoire d'un individu à partir de son rythme cardiaque. L'invention trouvera principalement son application dans l'utilisation d'un équipement électronique, équipé d'un flash et d'une caméra, tel qu'un téléphone intelligent ou « smartphone » ou encore d'une tablette, pour mesurer la fréquence respiratoire d'un individu à partir d'un signal cardiaque échantillonné à une fréquence basse (de l'ordre de 30 Hz). L'invention trouvera également son application dans la réalisation d'un dispositif de détermination de la fréquence respiratoire avec des moyens associés pour aider l'individu à détecter des anomalies ou encore à gérer son stress. ART ANTERIEUR La régulation du rythme cardiaque par le système nerveux autonome est influencée par la respiration. On sait que l'inspiration inhibe momentanément l'influence du système parasympathique et produit une accélération du rythme cardiaque tandis que l'expiration stimule le système nerveux parasympathique et induit un ralentissement des battements du coeur. Ces oscillations rythmiques produites par la respiration sont appelées arythmie sinusale respiratoire (ASR). L'arythmie sinusale respiratoire est principalement sous l'influence du système nerveux parasympathique et représente un bon reflet de l'activité parasympathique sur la variabilité de la fréquence cardiaque et principalement dans les hautes fréquences entre 0.15 et 0.4 Hz. Il est ainsi connu de faire le lien entre le rythme cardiaque et l'activité respiratoire d'un individu. On connaît par ailleurs différentes méthodes pour mesurer la variabilité de fréquence cardiaque (HRV), pour cela une méthode générale consiste à analyser des séries chronologiques d'intervalles entre les battements du coeur dans le domaine du temps ou de la fréquence ou encore de la phase. Sur la base de ces études, il a été proposé des dispositifs permettant de calculer la fréquence respiratoire à partir de la mesure du rythme cardiaque. 3024943 2 Une méthode est décrite dans le document EP 1 507 474 pour dériver des informations sur l'activité respiratoire en fonction des changements de rythme cardiaque à partir de mesures réalisées par un ECG. Cette méthode qui combine plusieurs sous méthode dont une fondée sur la variabilité du rythme 5 cardiaque, est d'une part complexe et nécessite des capacités de traitement importantes et, d'autre part n'est pas adaptée à des moyens d'enregistrement de signal sur des fréquences relativement basses de l'ordre de 30Hz. Cette méthode ne convient par conséquent pas aux applications grand public utilisant une caméra pour la détection du signal cardiaque (smartphone, 10 tablette, webcam...). OBJET DE L'INVENTION Un premier but de la présente invention est de résoudre tout ou partie des problèmes techniques liés à l'art antérieur précité. 15 Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif pouvant être réalisé et mis en oeuvre à partir d'un équipement standard non professionnel, c'est-à-dire disponible aisément dans le commerce. Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif 20 pouvant être réalisé à partir d'un téléphone intelligent combiné à une application intégrée ou téléchargeable en ligne. Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif constituant un outil de gestion de stress et/ou de détection d'anomalies respiratoires pour son utilisateur 25 RESUME DE L'INVENTION A cet effet, la présente invention concerne un procédé de détermination de la fréquence respiratoire d'un individu à partir de son rythme cardiaque dans lequel on réalise : 30 -une première étape de mesure par pléthysmographie du signal cardiaque permettant d'enregistrer un signal représentatif de l'onde de pulsation selon une fréquence d'échantillonnage, 3024943 3 -une seconde étape de filtrage passe bas du signal mesuré pour limiter les bruits parasites, -une troisième étape de détermination du rythme cardiaque, -une quatrième étape de traitement dans laquelle le signal 5 correspondant à l'évolution du rythme cardiaque est échantillonné à intervalles réguliers, - une cinquième étape de filtrage passe bande du signal ré-échantillonné pour isoler les variations dans la zone cible de fréquence respiratoire, 10 - une sixième étape de détection de la période du signal résultant, ladite période correspondant à la fréquence respiratoire instantanée. L'invention vise également à protéger un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, le dispositif comportant un capteur de mesure 15 par pléthysmographie, des moyens de traitement des données mesurées et des moyens d'affichage de la fréquence respiratoire et/ou de son évolution DEFINITIONS Le terme «effet Vaschillo » définit, au sens de la présente invention, un 20 effet produit par une respiration lente et régulière de l'ordre 6 cycles respiratoires par minutes chez l'adulte, il consiste à mettre en résonance les variations dues à la respiration (hautes fréquences) avec les variations dues à l'activité baroréflexe (basses fréquences). Le terme « cohérence cardiaque » définit, au sens de la présente 25 invention, une mesure de la régularité des variations entre les intervalles séparant deux battements du coeur. Le taux de cohérence cardiaque est maximum lorsque les variations augmentent et diminuent suivant un rythme régulier. La figure 2 représente une courbe d'évolution de la fréquence cardiaque avec un taux de cohérence faible en première partie et élevé en 30 seconde partie de graphe. Un rétrocontrôle de cohérence cardiaque est, au sens de la présente invention, un exercice de respiration dans lequel on cherche à reproduire l'effet Vaschillo. 3024943 4 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La présente invention sera mieux comprise à la lecture d'un exemple détaillé de réalisation en référence aux figures 1 et 2 annexées, fournies à 5 titre d'exemple non limitatif, parmi lesquels : la figure 1 représente un diagramme représentant des étapes de réalisation du procédé conforme à l'invention, 10 la figure 2 représente un exemple de réalisation d'une courbe de fréquence cardiaque avec un taux de cohérence faible en première partie et élevé en seconde partie de graphe. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 15 En se reportant principalement à la figure 1 on voit représenté, sous forme schématique un diagramme représentant les étapes de réalisation du procédé. Le procédé de détermination de la fréquence respiratoire d'un individu à partir de son rythme cardiaque comprend ainsi une première étape de mesure par pléthysmographie du rythme cardiaque. 20 De manière avantageuse le capteur pléthysmographique est réalisé par la combinaison du flash et de la caméra d'un téléphone intelligent ou d'une tablette. Pour débuter la mesure, l'utilisateur place avantageusement un doigt sur le flash et la caméra de sorte que la lumière émise par le flash vers le doigt est ensuite, en partie, transmise par réflexion du doigt vers la caméra. La 25 caméra enregistre ensuite le signal reçu, ce signal étant représentatif de l'onde de pulsation traversant le doigt. Classiquement les caméras équipant les téléphones permettent de filmer à la fréquence de 30Hz. Dans un autre mode de réalisation le capteur pourra être indépendant, cette variante étant particulièrement intéressante lorsque l'utilisateur souhaite 30 maintenir un contact long et confortable avec le capteur, par exemple durant le sommeil pour détecter d'éventuelles apnées du sommeil. 3024943 5 La première étape du procédé, permettant d'enregistrer un signal représentatif de l'onde de pulsation selon une fréquence d'échantillonnage, est suivie d'une seconde étape de filtrage passe bas du signal mesuré. Cette seconde étape a pour but de limiter les bruits parasites, 5 notamment induit par les mouvements de l'utilisateur lors de l'enregistrement, de manière avantageuse la fréquence de coupure du filtre est de 1Hz. Le procédé consiste ensuite à déterminer dans une troisième étape le rythme cardiaque de l'utilisateur. A cet effet, on réalise un calcul sur une fenêtre glissante de 30 valeurs Pvi du signal mesuré et donc sur une seconde 10 compte tenu de l'enregistrement à la fréquence de 30 Hz. Le calcul permet de déterminer une valeur M selon la formule suivante : M=1 15 M représente ainsi la valeur moyenne des valeurs Pvi de l'échantillon de valeurs sur une seconde d'intervalle. On calcule ensuite Pv2i en soustrayant la valeur M à celle du dernier échantillon de la fenêtre selon la formule suivante : 20 =Pvi-M Le calcul de l'intervalle entre deux passages successifs à zéro de Pv2i permet de déduire la période entre deux battements cardiaques. Le procédé comporte en outre une quatrième étape de traitement dans 25 laquelle le signal enregistré est échantillonné à intervalles réguliers avec une fréquence d'échantillonnage, de préférence, de 4 Hz. Dans une cinquième étape de calcul, le signal ré-échantillonné est ensuite filtré passe bande pour isoler les variations dans la zone cible de fréquence respiratoire. Les fréquences de coupures du filtre passe bande 30 dépendent donc de l'application visée. A titre d'exemple, on appliquera un filtre passe bande entre 0.15 et 0.4 Hz pour un adulte en respiration spontanée, entre 0.15 et 1 Hz pour un enfant de moins de deux ans en 3024943 6 respiration spontanée et entre 0.05 et 0.15 Hz pour un adulte en exercice de cohérence cardiaque. Dans un mode de réalisation avantageux, on prévoit une étape préalable de sélection de la zone cible entre les différents modes de 5 fonctionnement envisageable et notamment « adulte en respiration spontanée », « enfant en respiration spontanée » ou encore « adulte en exercice de cohérence cardiaque ». Le procédé comprend en outre une sixième étape permettant de détecter la période entre deux passages identiques de variation du signal filtré, 10 ladite période correspondant à la fréquence respiratoire instantanée. De manière avantageuse, les passages identiques sont des passages successifs à zéro de la variation de fréquence cardiaque, cela étant on pourra également utiliser comme passages identiques des passages successifs à un maximum ou un minimum local. 15 Le procédé permet par conséquent de calculer de manière fiable et sur une courte durée d'acquisition du signal cardiaque, la fréquence respiratoire d'un utilisateur à partir d'un simple téléphone intelligent. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le procédé comporte en outre des étapes supplémentaires à savoir une étape de 20 comparaison de la fréquence respiratoire instantanée avec une valeur cible correspondant à un cycle respiratoire déterminé, ainsi qu'une étape d'affichage permettant d'informer l'individu du respect ou non de la valeur cible. Cette étape permet de faciliter l'entraînement de l'utilisateur à des exercices de rétrocontrôle respiratoire puisque le procédé calcule 25 automatiquement la durée de chaque cycle respiratoire et indique à l'utilisateur si ce dernier doit ralentir ou accélérer sa respiration pour atteindre la valeur cible. D'une manière avantageuse la valeur cible correspond sensiblement à un cycle respiratoire de 10 secondes de manière à produire un effet Vaschillo 30 sur l'individu. Toutefois, en fonction de critères tels que l'âge, le sexe ou le poids de l'utilisateur ou encore en fonction de son avancement dans l'exercice, cette valeur cible pourra être modifiée notamment manuellement par l'utilisateur. 3024943 7 L'étape d'affichage peut consister à afficher des données brutes telles que notamment des indications chiffrées ou encore des consignes telles qu'une demande de ralentissement des respirations en inspiration ou en expiration. Toutefois de manière à rendre l'expérience plus ludique ou intuitive 5 pour l'utilisateur, on prévoit que l'étape d'affichage permette l'affichage de formes ou de scènes animées dont la vitesse permet de déduire le rapprochement ou l'écartement entre le cycle respiratoire de l'individu et le cycle déterminé. D'une manière avantageuse, le procédé comprend également une 10 étape de calcul d'une valeur dite de cohérence cardiaque CC selon la formule : CC = 100 -20 (CR - 10) 15 Avec, dans cette formule, CR équivalent à un cycle respiratoire mesuré et exprimé en secondes. Là encore cette mesure est intéressante pour informer l'utilisateur de la proximité de sa respiration avec la valeur cible et si il doit ralentir ou accélérer sa respiration pour atteindre la valeur cible. 20 D'une manière avantageuse, le procédé pourra afficher un historique des valeurs de la cohérence cardiaque de sorte que l'utilisateur pourra aisément suivre son évolution dans le temps. Pour la mise oeuvre du procédé tel que précité, on prévoit un dispositif comportant un capteur de mesure par pléthysmographie, des moyens de 25 traitement des données mesurées et des moyens d'affichage de la fréquence respiratoire et/ou de son évolution. Selon un mode préféré de réalisation, le dispositif est réalisé à partir d'un téléphone intelligent équipé d'une caméra et d'un flash pour la mesure par pléthysmographie. Le téléphone est également équipé d'un programme 30 permettant la réalisation des étapes 1 à 6 du procédé ou de manière optionnelle est connecté à un serveur comportant les moyens de traitement pour la réalisation desdites étapes 1 à 6. 3024943 8 De manière avantageuse, on prévoit en outre au niveau du dispositif des moyens d'avertissement automatique, notamment sonores ou lumineux, permettant à l'utilisateur de suivre un programme d'exercice selon une fréquence particulière et par exemple de 3 à 5 fois par jour. 5 De manière avantageuse, on prévoit également des moyens de surveillance en continu de la fréquence respiratoire de l'utilisateur afin de détecter toute anomalie respiratoire et notamment en vue de mesurer d'éventuelles apnées du sommeil. Bien entendu, d'autres caractéristiques de l'invention auraient 10 également pu être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l'invention définie par les revendications ci-après. 9 REVENDICATIONS: 1. Procédé de détermination de la fréquence respiratoire d'un individu à partir de son rythme cardiaque caractérisé en ce qu'il comprend : une première étape de mesure par pléthysmographie du signal cardiaque permettant d'enregistrer un signal représentatif de l'onde de pulsation selon une fréquence d'échantillonnage, une seconde étape de filtrage passe bas du signal mesuré pour limiter les bruits parasites, une troisième étape de détermination du rythme cardiaque, une quatrième étape de traitement dans laquelle le signal correspondant à l'évolution du rythme cardiaque est échantillonné à intervalles réguliers, une cinquième étape de filtrage passe bande du signal ré- échantillonné pour isoler les variations dans la zone cible de fréquence respiratoire, une sixième étape de détection de la période du signal résultant, ladite période correspondant à la fréquence respiratoire instantanée. 2. Procédé de détermination de la fréquence respiratoire selon la revendication 1 dans lequel la sixième étape permet de détecter la période entre deux passages identiques de variation du signal filtré, les passages identiques étant des passages successifs à zéro ou des passages successifs à un maximum ou un minimum local. 3. Procédé de détermination de la fréquence respiratoire selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2 dans lequel on mesure le rythme cardiaque avec un capteur 30Hz sur des fenêtres glissantes de 1 seconde permettant un échantillonnage rapide sur 30 valeurs. 4. Procédé de détermination d'une fréquence respiratoire selon l'une quelconque des revendications principales comportant : 10 3024943 - une étape de comparaison de la fréquence respiratoire instantanée avec une valeur cible correspondant à un cycle respiratoire déterminé, - une étape d'affichage permettant d'informer l'individu du respect 5 ou non de la valeur cible. 5. Procédé de détermination d'une fréquence respiratoire selon la revendication précédente dans lequel la valeur cible correspond sensiblement à un cycle respiratoire de 10 secondes de manière à 10 produire un effet Vaschillo sur l'individu. 6. Procédé de détermination d'une fréquence respiratoire selon l'une ou l'autre des revendications 4 et 5 dans lequel l'étape d'affichage comporte l'affichage de formes ou de scènes animées dont la 15 vitesse permet de déduire le rapprochement ou l'écartement du cycle respiratoire de l'individu avec celui du cycle déterminé. 7. Procédé de détermination d'une fréquence respiratoire selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel on réalise 20 une étape préalable de sélection de la zone cible de fréquence respiratoire entre différents modes de fonctionnement et notamment « adulte en respiration spontanée », « enfant en respiration spontanée » ou encore « adulte en exercice de cohérence cardiaque ». 25 8. Dispositif de détermination d'une fréquence respiratoire pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant un capteur de mesure par pléthysmographie, des moyens de traitement des données 30 mesurées et des moyens d'affichage de la fréquence respiratoire et/ou de son évolution. 11 3024943 9. Dispositif de détermination d'une fréquence respiratoire selon la revendication précédente comportant un terminal électronique équipé d'une caméra et d'un flash pour la mesure par pléthysmog raph ie. 10.Dispositif de détermination d'une fréquence respiratoire selon l'une des revendications 8 et 9 comprenant des moyens d'avertissement automatique permettant à l'utilisateur de suivre un programme d'exercice selon une fréquence. 11.Dispositif de détermination d'une fréquence respiratoire selon l'une des revendications 8 et 9 comprenant des moyens de surveillance en continu de la fréquence respiratoire d'un individu afin de détecter toute anomalie respiratoire et notamment d'apnée du sommeil.