Brevet FR3162616A1 — publié le 20251205

L'invention concerne un dispositif de mesure et des méthodes permettant de déterminer les données relatives à la pression artérielle à l'aide d'un capteur PPG et d'un modèle opto-mécanique du tissu. Figure de l'abrégé : Figure 5 Méthode de détermination de données relatives à la pression artérielle La présente description concerne un dispositif PPG, un système PPG et une méthode permettant de déterminer des données relatives à la pression artérielle, notamment des données relatives à la pression artérielle des artères, à l'aide d'un capteur optique, tel qu'un capteur de photopléthymosgramme (PPG). Contexte L'utilisation de capteur PPG pour déterminer la pression artérielle est un sujet de recherche depuis de nombreuses années. Cependant, la relation entre la pression artérielle et le PPG est complexe et multifactorielle. De nombreuses tentatives et recherches ont été menées, mais l'absence sur le marché d'un dispositif fiable de mesure de la pression artérielle à l'aide d'un capteur PPG illustre le besoin de nouvelles méthodes. Résumé La méthode et le dispositif décrits dans la présente demande utilisent des données optiques obtenues sur un utilisateur (dans un tissu) et un modèle de propagation de la lumière à l'intérieur de ce tissu. Étant donné que ces données optiques sont représentatives d'une déformation locale du tissu due à l'impulsion sanguine, les données optiques sont également appelées données PPG. Selon une mise en œuvre, la description concerne une méthode pour déterminer des données relatives à la pression artérielle, la méthode comprenant : - l'obtention de données de photopléthysmogramme (PPG) mesurées, d’un utilisateur, - la détermination de données relatives à la pression artérielle à l'aide des données PPG mesurées et d'un modèle opto-mécanique hybride,. En particulier, les données PPG sont obtenues à partir d'un signal PPG mesuré par un capteur PPG. Le capteur PPG peut être monté sur un dispositif de mesure qui comprend également une circuiterie de contrôle. La méthode peut être mise en œuvre par le circuiterie de contrôle. Dans un mode de réalisation, les données relatives à la pression artérielle sont des données relatives à la pression différentielle. Cette méthode est particulièrement efficace lorsqu'elle est combinée à un modèle linéaire hybride opto-mécanique. Le modèle opto-mécanique hybride est une combinaison d'un modèle mécanique du tissu et d'un modèle optique de la lumière à l'intérieur de ce tissu. Dans un mode de réalisation, le modèle hybride opto-mécanique (le modèle mécanique de ce dernier) comprend un modèle poroélastique. Plus précisément, ce modèle poroélastique peut être linéaire. Dans ce cas, comme indiqué précédemment, les données relatives à la pression artérielle peuvent être des données relatives à la pression différentielle. Dans un mode de réalisation, le modèle hybride opto-mécanique (le modèle optique de ce dernier) comprend un modèle de diffusion. L'approche de la diffusion implique un rapport diffusion/absorption élevé. Dans un mode de réalisation, la détermination des données relatives à la pression artérielle comprend, à l’aide d'une table de correspondance entre des données simulées relatives à la pression artérielle et des données PPG simulées calculées à l'aide du modèle opto-mécanique hybride : - l'extraction d'au moins une caractéristique du signal PPG mesuré, - l’identification d’un signal PPG simulé le plus proche du signal PPG mesuré à l'aide de l’au moins une caractéristique extraite, et - le renvoi des données simulées relatives à la pression artérielle associées au PPG simulé le plus proche en tant que données relatives à la pression artérielle déterminées. Selon un autre aspect, la divulgation concerne une méthode pour déterminer les données de pression différentielle, la méthode comprenant : - l'obtention de données mesurées de photopléthysmogramme (PPG) d'un utilisateur, -la détermination de données relatives à la pression différentielle à l'aide des données PPG mesurées et d'un modèle mécanique linéaire. Dans un mode de réalisation, le modèle est un modèle hybride opto-mécanique. Les caractéristiques supplémentaires divulguées pour l'aspect précédent s'appliquent également à cet aspect. La divulgation concerne également un produit de programme informatique comprenant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par une circuiterie de contrôle d'un dispositif de mesure, amènent le dispositif de mesure à exécuter une méthode telle que présentée ci-dessus. La divulgation concerne également un dispositif de mesure comprenant un capteur optique (par exemple un capteur PPG) et une circuiterie de contrôle, dans lequel la circuiterie de contrôle est configuré pour mettre en oeuvre une méthode telle que présentée ci-dessus, et dans lequel les données PPG sont traitées à partir d'un signal PPG mesuré par le capteur optique. Le dispositif de mesure peut être une montre, un brassard, un appareil à doigt, etc. Présentation des dessins Les dessins suivants sont fournis à titre d'illustration uniquement : - FIG. 1 : la FIG. 1 illustre une représentation schématique d'un dispositif de mesure avec un capteur optique, - FIG. 2 : la FIG. 2 illustre plusieurs types de dispositifs de mesure tels que représentés schématiquement sur la FIG. 1 , - FIG. 3 : la FIG. 3 illustre une représentation schématique d'un dispositif de mesure et de son écosystème connecté, - FIG. 4 : la FIG. 4 montre des équations du modèle, - FIG. 5 : la FIG. 5 montre la décomposition des différentes étapes du modèle, - FIG. 6 : la FIG. 6 montre le signal PPG, la dérivée et la dérivée seconde, notamment utilisées pour déterminer les caractéristiques du signal PPG, appelées données PPG, - FIG. 7 : la FIG. 7 montre une comparaison des données simulées (obtenues avec le modèle) et des données mesurées, - FIG. 8 : la FIG. 8 montre une correspondance entre les valeurs de pression différentielle mesurées et la valeur de pression différentielle simulée identifiée pour le plus proche voisin, - FIG. 9 : la FIG. 9 montre un diagramme illustrant une méthode selon un mode de réalisation de la divulgation. Description détaillée La FIG. 1 illustre un dispositif de mesure 100 qui comprend un capteur optique 102 configuré pour mesurer les données optiques d'un utilisateur. Le capteur optique comprend un ou plusieurs émetteurs de lumière 104 (par exemple, une ou plusieurs LED), configurés pour émettre de la lumière vers l'utilisateur, et un récepteur de lumière 106, configuré pour recevoir la lumière émise par l'émetteur de lumière 104 et réfléchie (ou diffusée) par les tissus de l'utilisateur. Plus précisément, seule une zone localisée de l'utilisateur reçoit de la lumière. Cette zone localisée est généralement le bout d'un doigt, une partie du poignet, un lobe d'oreille, etc. Le dispositif de mesure 100 comprend généralement un boîtier 108, sur lequel ou à travers lequel le capteur optique 102 est monté. Un doigt de l'utilisateur 110 est représenté en interaction avec le capteur optique 102. Dans un mode de réalisation, le capteur optique 102 est un capteur PPG. Des exemples de capteurs PPG sont fournis sur la FIG. 2 , avec une montre 202 (telle que ScanWatch™ de Withings™, une Apple Watch™, une montre Garmin™, etc.), un capteur de doigt 202 (connu comme un oxymètre au doigt), un dispositif multiscope 204, tel que BeamO™ de Withings™, un brassard, etc. La zone localisée est perfusée par des vaisseaux sanguins, dans lesquels le sang circule de manière pulsatile. Le sang contient de l'hémoglobine qui absorbe la lumière, de sorte qu’une variation de la teneur en hémoglobine induit une variation de la lumière reçue. Le capteur PPG peut fonctionner à plusieurs longueurs d'onde. Par exemple, la longueur d'onde peut se situer dans les domaines du vert, du rouge et de l'infrarouge, par exemple en dessous de 600 nm ou 540 nm, entre 500 nm et 600 nm, et entre 800 et 1000 nm. Les capteurs PPG sont connus en soi et ne seront pas divulgués plus en détail. Le capteur PPG 102 génère un signal PPG mesuré, qui peut ensuite être traité pour générer des données PPG mesurées. Dans un mode de réalisation, le dispositif de mesure 100 est un dispositif connecté faisant partie d'un écosystème 300 représenté sur la FIG. 3 , qui peut échanger des données avec un dispositif informatique. Le dispositif informatique peut être un smartphone ou un serveur. Par exemple, l'dispositif de mesure peut communiquer avec un terminal mobile 314 (type smartphone) et/ou un serveur distant 316. Dans un mode de réalisation, le dispositif de mesure 100 communique avec le terminal mobile 314 (via BLE par exemple), qui lui-même communique avec le serveur 316 (via WIFI par exemple). Le dispositif de mesure 100 comprend une circuiterie de contrôle 302 avec un processeur 304, une mémoire 306 et une interface E/S (" entrée/sortie ") 308 configurée pour envoyer et recevoir des données depuis et vers la circuiterie de contrôle 302. Un module de communication 310 est conçu pour échanger des données avec un dispositif externe (par exemple un smartphone). Le module de communication 310 peut être un module sans fil, tel que Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth Low Emission, etc. Le circuit de contrôle 302 est connecté au capteur optique 102 pour échanger des données, notamment pour lui envoyer des instructions et recevoir des données optiques de sa part. Le circuit de contrôle 302 est en outre configuré pour traiter les données optiques. Pour afficher les données à un utilisateur, l'dispositif de mesure 100 peut comprendre un écran 311. L'dispositif de mesure peut comprendre une batterie pour stocker l'énergie. La mémoire 306 est configurée pour stocker des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par le processeur 304, amènent le dispositif de mesure à exécuter l'une des méthodes décrites dans la présente description. Les méthodes peuvent être exécutées localement, par le processus 304 du dispositif de mesure. Aucune connexion avec le dispositif externe n'est nécessaire pour exécuter l'une de ces méthodes. Le dispositif de mesure 100 peut communiquer, à l'aide du module de communication 310 et d'un réseau de communication 312, avec un appareil externe, tel qu'un terminal mobile 314 ou un serveur 316. Le réseau de communication peut être de différents types : sans fil à courte portée (Bluetooth, Wi-Fi, etc.), sans fil à longue portée (données cellulaires, 3G, 4G, 5G, etc.), câblé (Ethernet, etc.). Méthode, dispositif et modèle opto-mécanique hybride Le dispositif de mesure 100 est configuré pour déterminer des données relatives à la pression artérielle en utilisant les données PPG mesurées obtenues au moyen du capteur optique 102 et en utilisant un modèle opto-mécanique hybride. Les données PPG proviennent d'un signal PPG obtenu par le capteur PPG 102. Dans un mode de réalisation, les données relatives à la pression artérielle comprennent la pression différentielle, qui est la différence entre la pression systolique et la pression diastolique. L'utilisation de la pression différentielle au lieu de la pression artérielle permet de simplifier la modélisation du tissu et la propagation de la lumière diffusée dans celui-ci. Description du modèle Le modèle hybride opto-mécanique comprend deux modèles : l'un pour la propagation de la lumière, appelé modèle optique, et l'autre pour les tissus, appelé modèle mécanique, qui tient compte de la déformation des tissus et de leurs propriétés mécaniques. Dans un mode de réalisation, le modèle mécanique est un modèle poroélastique. Plus précisément, dans un mode de réalisation, le modèle mécanique est un modèle poroélastique linéaire. Pour tirer pleinement parti de ce modèle, les données relatives à la pression artérielle comprennent ici les données relatives à la pression différentielle. Dans une autre mise en œuvre, le modèle mécanique est un modèle poroélastique non linéaire. Ce modèle permet de calculer les pressions systolique et/ou diastolique. Modèle poroélastique L'hypothèse de ce modèle poroélasique est que le tissu subit de petites déformations par rapport à une configuration de référence. La modélisation poroélastique est illustrée sur la FIG. 4 , avec un ensemble d'équations 400. σ f est la phase fluide ϕ, fluide supposé newtonien (pour un modèle linéaire uniquement), et v f est la vitesse du fluide (sang), où σ s = 1-σ f est la phase solide, supposée élastique et linéaire, et u s est le déplacement du mélange solide. Le mélange de la phase solide et de la phase fluide est supposé incompressible, mais le modèle peut être généralisé. P est le multiplicateur de Lagrange, k est la conductivité hydraulique. Les équations définissent un ensemble d'équations partielles différentes dans le domaine (ici, un volume représente le tissu du doigt). Le crochet 402 représente la partie solide du modèle, le crochet 404 la partie fluide, tandis que le crochet 406 représente la conservation de la quantité de mouvement et le support 408 la conservation de la masse. La discrétisation dans le temps a été effectuée à l'aide d'une méthode d'Euler à rebours (« backward Euler ») pour le fluide et la structure, et la discrétisation dans l'espace a été effectuée à l'aide d'une méthode P1-P1-(Brezzi-Pitkaranta)-stabilisée. Le document « Barré, M., Grandmont, C. et Moireau, P., 2022. Analysis of a linearized poromechanics model for incompressible and nearly incompressible materials. Evolution Equations and Control Theory » fournit de plus amples informations sur ce type de modélisation. Un mode de réalisation pour le modèle optique pour l'absorption et la diffusion de la lumière est un modèle de diffusion, ce qui signifie un rapport diffusion/absorption élevé. Une approche d'approximation de diffusion quasi-statique a été adoptée. Toutefois, une équation de transfert radiatif pourrait être utilisée, mais elle nécessite davantage de ressources de calcul. Le modèle peut être décomposé en plusieurs étapes, illustrées sur le diagramme 500 de la FIG. 5 avec les équations correspondantes. À 502, u s , v f et p sont calculés (en tenant compte des conditions limites) ; à 504, la porosité est calculée, en tenant compte de la linéarisation autour de ϕ ; à 506, pour une longueur d'onde lambda donnée, le coefficient d'absorption est déterminé ; à 508, la fluence ϕ est trouvée en utilisant l'équation de diffusion, qui est ensuite utilisée pour déterminer une fluence ; à 510, la trace du signal est calculée, en utilisant la fluence. Cette trace de signal correspond à un signal PPG. Ces deux modèles sont combinés, notamment à l'aide d'une technique d'éléments finis, mais d'autres techniques sont possibles. Pour calculer le modèle, le logiciel utilisé est FELiScE (" Finite Elements for Life Sciences and Engineering "), développé par les laboratoires COMMEDIA de l'INRIA. Vérification du modèle La précision du modèle a été vérifiée à l'aide d'un ensemble de données de 21 mesures (signaux PPG au bout du doigt et pression sanguine brachiale, sur 21 individus) et d'une simulation pour N=72000 signaux PPG, tous dans une plage prédéfinie pour tous les paramètres poroélastiques et optiques. En particulier, 10 paramètres ont été modifiés pour les N simulations, dont 5 concernent la partie poroélastique du modèle et 5 la partie optique du modèle (porosité, perméabilité, viscosité de l'hématocrite, pression différentielle, module d'Young du tissu, absorption de l'hémoglobine oxygénée, absorption de l'hémoglobine désoxygénée, absorption du tissu exsangue, diffusion réduite de la peau, saturation (artério-veineuse). Les conditions limites sont également prises en compte. En outre, une conversion de la pression différentielle au bout du doigt et de la pression sanguine brachiale est effectuée en utilisant le mode de Branco et al. (Watanabe, S.M., Blanco, P.J. et Feijóo, R.A., 2013. Mathematical model of blood flow in an anatomically detailed arterial network of the arm. ESAIM: Mathematical Modelling and Numerical Analysis , 47(4), pp.961-985). Pour comparer les signaux PPG simulés et les signaux PPG mesurés, il faut extraire des caractéristiques. Ces caractéristiques peuvent inclure des amplitudes, telles que l'amplitude OS, comme illustré sur la FIG. 6 , avec un signal PPG, sa dérivée et sa dérivée seconde et des points marqués par des lettres. Les résultats sont présentés à la FIG. 7 , pour une amplitude O-S du signal PPG (comparaison entre les signaux PPG simulés et les signaux PPG mesurés) et trois longueurs d'onde des capteurs optiques 102 (vert, rouge, infrarouge). Les points 702 sont calculés pour les N signaux (la courbe 704 est la densité des données calculées), les points plus gros représentent l'amplitude O-S pour le signal PPG mesuré et la moyenne du signal PPG mesuré (la courbe 706 est la densité des données mesurées et la courbe 708 de la moyenne des données mesurées). La superposition des densités montre la pertinence du modèle. Inversion du modèle Cependant, une fois que le modèle opto-mécanique hybride a été construit, une inversion peut être calculée pour déterminer une sortie spécifique sur la base d'une entrée. Le modèle opto-mécanique hybride est capable de générer un signal PPG lorsque des données relatives à la pression sanguine sont entrées (parmi d'autres entrées, telles que des paramètres mécaniques et optiques). Cependant, le dispositif de mesure 100 est capable de générer des signaux PPG. Par conséquent, pour obtenir un dispositif de mesure capable de déterminer des données relatives à la pression artérielle, le modèle opto-mécanique hybride doit être inversé, de sorte qu'à partir d'un signal PPG d'entrée, des données relatives à la pression artérielle puissent être déterminées. Tout d'abord, le modèle doit montrer qu'il peut être inversé, c'est-à-dire que les données relatives à la pression artérielle peuvent être déduites d'un signal PPG mesuré. La FIG. 8 illustre deux graphiques 802, 804 montrant la faisabilité de l'inversion du modèle hybride opto-mécanique. On peut trouver toutes les données simulées dans le voisinage d'une caractéristique (données PPG) extraite d'un signal PPG mesuré (moyenne sur tous les battements de cœur) avec une longueur de côté d'une certaine tolérance. Lorsque plusieurs simulations existent, la plus proche est choisie. Le graphique 802 montre les résultats pour les longueurs d'onde verte, rouge et infrarouge, pour lesquelles, avec une erreur relative de 20 %, 5 intersections sur 20 sont vides. Le tracé a une moyenne de 0,2 mmHg et un écart-type de 0,9 mmHg. Le graphique 804 reprend le même raisonnement, pour les longueurs d'onde rouge et infrarouge (le vert n'est pas pris en compte). Avec une tolérance de 5%, seule 1 intersection sur 20 est vide. La pression de traçage a une moyenne de 0,15 mmHg et un écart-type de 0,8 mmHg. Cela montre que le modèle peut être inversé. Il existe différentes techniques pour inverser un modèle ou obtenir des résultats équivalents. L'une d'entre elles consiste à créer une table de correspondance. Plusieurs données relatives à la pression artérielle sont introduites dans le modèle opto-mécanique hybride, qui génère des données PPG simulées correspondantes. Un ensemble complet de données est ensuite simulé pour créer une table de correspondance entre les données PPG simulées et les données simulées relatives à la pression artérielle. Plus précisément, les correspondances peuvent concerner des caractéristiques des signaux PPG qui ont été extraites, telles que celles divulguées précédemment. Étant donné que les entrées du modèle comprennent la pression artérielle (ou la pression différentielle correspondante) et d'autres paramètres physiques, la calibration de ces paramètres physiques peut être nécessaire. La calibration de ces paramètres physiques peut être nécessaire. Une façon de procéder consiste à utiliser la pression artérielle pour aider à calibrer les paramètres physiques et à ne faire varier que la pression artérielle. Méthode de détermination de données relatives à la PB Une méthode pour déterminer des données relatives à la BP va maintenant être divulguée. Le modèle opto-mécanique hybride a été divulgué précédemment. Ce modèle opto-mécanique hybride produit des données relatives à la pression artérielle lorsque des données PPG sont entrées. Plus précisément, les données relatives à la pression artérielle sont la pression différentielle. La FIG. 9 illustre une méthode 900. La méthode 900 peut être exécutée par la circuiterie de contrôle 302 du dispositif de mesure 100, de sorte que le dispositif de mesure soit capable de renvoyer directement les données relatives à la pression artérielle. A cet égard, la circuiterie de contrôle 302 peut stocker la table de correspondances décrite précédemment. A l’étape 902, la circuiterie de contrôle 302 reçoit un signal PPG d'un utilisateur interagissant avec le dispositif de mesure 100. A l’étape 904, le signal PPG mesuré peut être traité pour générer des données PPG, appelées données PPG mesurées. Par exemple, le traitement 904 peut comprendre l'extraction de caractéristiques comme décrit précédemment. A l’étape 904, la circuiterie de contrôle 302 a ainsi obtenu des données PPG mesurées. En particulier, l'utilisation du modèle opto-mécanique hybride signifie l'utilisation de la table de correspondance calculée à l'aide du modèle opto-mécanique hybride. La circuiterie de contrôle récupère les données simulées associées relatives à la pression artérielle correspondant aux données PPG simulées qui correspondent (« matching ») aux données PPG mesurées. Ces données simulées relatives à la pression artérielle deviennent les données relatives à la pression artérielle pour les données PPG mesurées. A l’étape 906, la circuiterie de contrôle détermine les données relatives à la pression artérielle à l'aide des données PPG mesurées et du modèle opto-mécanique hybride. En particulier, l'utilisation du modèle opto-mécanique hybride signifie l'utilisation de la table de correspondance calculée à l'aide du modèle opto-mécanique hybride. La circuiterie de contrôle 302 identifie au moins une caractéristique dans les données PPG mesurées et trouve les données PPG simulées les plus proches en utilisant au moins une caractéristique extraite. La plus grande proximité peut être déterminée à l'aide d'une mesure appropriée (distance, etc.). La circuiterie de contrôle 302 récupère ensuite les données simulées relatives à la pression artérielle associées aux données PPG simulées les plus proches des données PPG mesurées. Ces données simulées relatives à la pression artérielle recupérées deviennent les données relatives à la pression artérielle pour les données PPG mesurées. À l'étape 908, les données relatives à la pression artérielle déterminées sont stockées par la circuiterie de contrôle 302 ou affichées sur l'dispositif de mesure 100. Les données déterminées relatives à la pression artérielle peuvent également être envoyées par la circuiterie de contrôle 302 au dispositif informatique distant. Méthode (900) pour déterminer des données relatives à la pression artérielle, la méthode comprenant : - l'obtention (902, 904) de données de photopléthysmogramme,PPG, mesurées, d'un utilisateur, - la détermination (906) de données relatives à la pression artérielle à l'aide des données PPG mesurées et d'un modèle opto-mécanique hybride. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle les données relatives à la pression artérielle sont des données relatives à la pression différentielle. Méthode selon l'une des revendications 1 à 2, dans laquelle le modèle opto-mécanique hybride est une combinaison d'un modèle mécanique du tissu et d'un modèle optique de la lumière à l'intérieur de ce tissu. Méthode selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le modèle opto-mécanique hybride comprend un modèle poroélastique. Méthode selon les revendications 2 et 4, dans laquelle le modèle poroélastique est linéaire. Méthode selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle le modèle opto-mécanique hybride comprend un modèle de diffusion. Méthode selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle la détermination (906) comprend, à l'aide d'une table de correspondance entre des données simulées relatives à la pression artérielle et des données PPG simulées calculées à l'aide du modèle opto-mécanique hybride : - l'extraction d'au moins une caractéristique dans le signal PPG mesuré, - l'identification d'un signal PPG simulé le plus proche du signal PPG mesuré à l'aide de l’au moins une caractéristique extraite, et - le renvoi des données simulées relatives à la pression artérielle associées au PPG simulé le plus proche en tant que données relatives à la pression artérielle déterminées. Produit programme d'ordinateur comprenant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par une circuiterie de contrôle (302) d'un dispositif de mesure (100), amènent le dispositif de mesure à exécuter une méthode selon l'une des revendications 1 à 7. Dispositif de mesure (100) comprenant un capteur de photopléthysmogramme, PPG, (102) et un circuiterie de contrôle (302), dans lequel le circuiterie de contrôle est configuré pour exécuter une méthode selon l'une des revendications 1 à 7 et dans lequel les données PPG sont traitées à partir du signal PPG mesuré par le capteur optique (102). Le dispositif de mesure de la revendication 9, dans lequel le dispositif de mesure est une montre.