Amélioration du traitement de signal pour un dispositif de détection de la respiration basé sur la température du souffle nasal

mXlab Aoû 2024 MX-24-03-FR
Amélio a ion du ai emen de signal pou un disposi i de
dé ec ion de la espi a ion basé su la empé a u e du sou le nasal
Luana Belinsky
Résumé
Ce documen p ésen e le a ail éalisé en e mai e aoû 2024 pou amélio e le ai emen de
signal du module espi a oi e du p oje C ocodile. Nous déc i ons d’abo d les besoins ayan
mo i é les amélio a ions logicielles, puis nous dé aillons les eche ches e ec uées pou examine
le ype de ai emen de signal cou ammen u ilisé pou des applica ions similai es aux nô es.
Nous expliquons ensui e les expé imen a ions éalisées pou dé e mine la mé hode de calcul de
empé a u e la mieux adap ée à nos besoins e nous déc i ons inalemen les modi ica ions appo ées
au ai emen de signal espi a oi e pou ob eni des données plus signi ica i es en u ilisan la
biblio hèque Plaque e, spécialisée dans le ai emen de signal.
Mo s-clés : bio eedback, biomé ie à aible coû s, dé ec ion de espi a ion, ex ac ion de ca ac é is-
iques, ai emen de signal.
Un appo echnique du mXlab
Uni e si é du Québec à Mon éal
h p ://mxlab.uqam.ca
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A ibu ion-Pa age dans les Mêmes Condi ions 4.0 In e na ional
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In oduc ion
C ocodile es un p oje d’ins alla ion in e ac i e des a is es So ian Aud y e E in Gee dans laquelle
les pe sonnes u ilisa ices po en un disposi i cap an des données biomé iques ( espi a ion, lux
sanguin, ac i i é élec ode male). À pa i de ces données, un p o il émo ionnel es dé e miné
pa app en issage machine e des images co espondan es son géné ées en emps éel pa in el-
ligence a i icielle. Ce p oje s’appuie su la biblio hèque de ai emen de données biomé iques
BioDa a (Geee al. 2025a), élabo ée majo i ai emen pa E in Gee. Au débu de ce a ail, les
indica eu s espi a oi es ob enus é aien peu ep ésen a i s du cycle espi a oi e de la pe sonne
u ilisa ice. Ce appo echnique ai e des amélio a ions que nous a ons appo ées au module espi-
a oi e au ni eau du ai emen de signal; un au e appo (MX-24-02-FR) dé aille les amélio a ions
élec oniques e ma é ielles.
Les besoins du p oje C ocodile en ce qui conce ne l’analyse des données espi a oi es incluen :
No malisa ion du signal : La espi a ion es analysée pa mesu e de la empé a u e de l’ai à la so -
ie des oies espi a oi es. Comme la empé a u e ambian e a ie selon le con ex e d’ins alla ion e
que les pa amè es espi a oi es a ien selon les pe sonnes u ilisa ices, les aleu s des indica eu s
espi a oi es doi en ê e no malisées pou pou oi ê e compa ées.
É olu ion en emps éel : Le signal doi ê e ai é en emps éel. La apidi é compu a ionnelle
doi donc ê e considé ée e le ai emen de signal doi pou oi s’ajus e selon les a ia ions de
espi a ion à moyen e me sans pe d e le dé ail des a ia ions ponc uelles. Idéalemen , ce ai emen
s’e ec ue en ou ou en pa ie su un mic ocon ôleu p ésen an des con ain es su le plan de la
mémoi e e de la i esse de calcul.
Rep ésen a ion du cycle espi a oi e : Plus les indica eu s espi a oi es ex ai s à pa i du signal
de empé a u e a i en à e lé e les sub ili és de la espi a ion de la pe sonne u ilisa ice, plus
le module d’app en issage machine au a d’in o ma ions à disposi ion pou dé e mine un p o il
émo ionnel co espondan .
2
Re ue de li é a u e : p a iques cou an es en analyse espi a oi e
Mé hodes de calcul de la empé a u e
La plupa des mé hodes d’analyse de la espi a ion a ec des he mis ances u ilisen comme signal
ini ial la empé a u e de l’ai à la so ie des oies espi a oi es. Géné alemen , c’es l’équa ion de
S einha -Ha – ou une e sion simpli iée de l’équa ion – qui es u ilisée pou le calcul (Massa onie
al. 2019; Laza oe al. 2021). Nous a ons aussi ou é un cas de calcul de empé a u e espi a oi e
aisan plu ô appel à une able de co espondance (Bandyopadhyaye al. 2016). Les déma ches
e ec uées pou compa e les deux mé hodes se on dé aillées dans la p ochaine sec ion.
T ai emen du signal
La plupa des applica ions de su eillance de la espi a ion déc i es dans la li é a u e s’in é essen
su ou au y hme espi a oi e ( espi a ions pa minu e) : le ai emen du signal ise donc habi-
uellemen à édui e le b ui e à dé ec e les pics. Pa exemple, dans un des cas que nous a ons
examinés (Laza oe al. 2021), une no malisa ion minime es appliquée en sous ayan la empé a u e
moyenne du signal, puis un il e passe-bas a ec une moyenne mobile exponen ielle es u ilisé pou
édui e le b ui . La mé hode de il age semble app op iée e essemble à celle que nous u ilisions
déjà. La no malisa ion p oposée ici es cependan insu isan e pou nos besoins; comme nous nous
in é essons à des pa amè es comme l’ampli ude des espi a ions, l’é endue de la a ia ion doi
aussi ê e no malisée. Dans un au e cas examiné (Milicie al. 2017), l’algo i hme de dé ec ion de
pics es p ésen é : il es basé su la dé ec ion des aleu s minimales e maximales a ec un seuil de
olé ance de epli pou ne pas aussemen in e p é e le b ui comme un pic. Nous a ons considé é
ce e mé hode lo s de l’amélio a ion de no e code.
É alua ion des mé hodes de calcul de la empé a u e
Au débu de ce a ail, le signal ini ial ai é é ai la aleu ob enue di ec emen pa le con e isseu
analogique-numé ique. Ce e aleu es ep ésen a i e de la ésis ance du cap eu mais n’é olue
pas de maniè e linéai e pa appo à la empé a u e. Nous a ons oulu u ilise comme signal
espi a oi e ini ial la empé a u e calculée, puisque c’es la mé hode p i ilégiée dans la li é a u e.
3
Pou dé e mine la mé hode de calcul la mieux adap ée aux besoins de C ocodile, nous a ons
d’abo d compa é la pe o mance des deux mé hodes à l’aide de biblio hèques C++ ou ées dans nos
eche ches (Shaya2023; Ci iena2024). A ec deux he mis ances di é en es, nous a ons p is dix
mesu es1en e 20°C e 40°C a ec un he momè e digi al comme é é ence e nous a ons calculé
la di é ence en e la empé a u e de é é ence e la empé a u e calculée a ec chaque mé hode.
Puisque les mé hodes de calcul se son é élées d’exac i ude compa able, nous a ons examiné
d’au es ca ac é is iques. La mé hode de S einha -Ha implique des calculs ma héma iques e-
la i emen complexes : elle demande donc plus de puissance de calcul, mais elle u ilise peu de
mémoi e. La mé hode de la able de co espondance, au con ai e, es plus apide ca elle implique
peu de calculs, mais elle occupe plus de mémoi e. Un au e pa amè e impo an à considé e es
la lexibili é de la mé hode e la acili é de calib a ion. Celle-ci es nécessai e si une he mis ance
ne passe pas le p ocessus de con ôle ou si on eu u ilise di é en s modèles de he mis ances. La
calib a ion en ois poin s de la mé hode S einha -Ha es ela i emen simple, alo s que pou la
able de co espondance, une calib a ion implique ai de c ée une nou elle able en iè emen , ce
qui es beaucoup plus demandan en e mes de emps e de a ail. Considé an ces ca ac é is iques,
la mé hode de S einha -Ha nous semble mieux adap ée à nos besoins.
Di é ence en e T° du he momè e
digi al e T° calculée a ec l’équa ion
S einha -Ha
Di é ence en e T° du he momè e
digi al e T° calculée a ec la mé hode
de la able de co espondance
Médiane Moyenne Médiane Moyenne
oldNTC 0,775 0,803 0,71 0,769
MA100 0,475 0,619 0,57 0,676
Table 1 – Compa aison des di é ences en e les empé a u es calculées pa di é en es mé hodes pou deux
he mis ances NTC. Le cap eu oldNTC es une composan e géné ique de ma que inconnue alo s que MA100
es une he mis ance de g ade biomédical.
Cependan , nous a ons dû me e de cô é l’in ég a ion du calcul de la empé a u e pou le momen
ca elle demande plusieu s aleu s de é é ence selon la he mis ance u ilisée : elle é ai op
complexe à in ég e à la biblio hèque BioDa a, qui se eu simple d’u ilisa ion e p ê e à l’emploi.
1Les mesu es on é é p ises en ecou an les cap eu s d’une couche impe méable e les imme gean dans l’eau.
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Amélio e le ai emen de signal dans BioDa a
U ilisa ion de la biblio hèque Plaque e
Au débu de ce a ail, les indica eu s espi a oi es ex ai s g âce à la biblio hèque BioDa a é aien
les sui an s : le signal ini ial no malisé pa mé hode min-max2, le y hme espi a oi e en espi a ions
pa minu e, un indica eu ela i 3de y hme espi a oi e e un indica eu ela i d’ampli ude. L’in-
dica eu ela i d’ampli ude é ai peu signi ica i e les données ob enues semblaien insu isan es
pou e lé e de maniè e dé aillée la espi a ion de la pe sonne u ilisa ice ( oi Annexe I). Nous
a ons en ep is d’amélio e le module espi a oi e de BioDa a en aisan appel à la biblio hèque de
ai emen de signal Plaque e (Aud ye Ouelle F ede ickss. d.) ca elle o e une mé hode obus e
de dé ec ion de pics, des obje s de no malisa ion basés su l’éca - ype e un pa amè e de enê e
empo elle pou chaque obje pe me an d’ajus e acilemen le deg é d’adap a ion empo elle des
aleu s.
La biblio hèque Plaque e o e plusieu s obje s de ai emen de données. Les in o ma ions sui-
an es son i ées du si e de Plaque e, é é encé p écédemmen . À moins de men ion con ai e, le
code inclus co espond au cons uc eu .
Lissage
L’obje Smoo he es un il e passe-bas u ilisan une moyenne mobile exponen ielle. Il p end en
pa amè e un ac eu empo el, comp is en e [0, 1] ep ésen an l’impo ance des nou elles aleu s
pa appo aux anciennes aleu s.
Smoo he ( loa smoo hWindow = PLAQUETTE_DEFAULT_SMOOTH_WINDOW) ;
2Mé hode de no malisa ion dans laquelle la aleu minimale de ien 0, la aleu maximale de ien 1 e les au es aleu s
de iennen des décimales en e 0 e 1.
3L’indica eu ela i ep ésen ai le ni eau d’un pa amè e pa appo à la moyenne pe sonnelle, su une échelle de 0
à 1 : une aleu p oche de 0 indiquai un ni eau in é ieu à la moyenne andis qu’une aleu p oche de 1 indiquai un
ni eau supé ieu .
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No malisa ion
L’obje No malize égula ise les signaux en an s en les no malisan au ou d’une moyenne cible
e d’un éca - ype cible. Il peu p end e en pa amè e la moyenne cible, l’éca - ype cible e une
enê e empo elle (en secondes) pou applique une moyenne mobile exponen ielle à ces aleu s.
No malize ( loa mean, loa s dDe , loa imeWindow) ;
Mise à l’échelle
L’obje MinMaxScale égula ise les signaux en an s en les échelonnan dans un nou el in e alle
de [0, 1] en onc ion des aleu s minimales e maximales du signal. Pou eni comp e des signaux
qui peu en é olue au il du emps, la pe sonne u ilisa ice peu spéci ie une « enê e empo elle »
pou con ôle la i esse de a ia ion des limi es minimales e maximales à l’aide d’une moyenne
mobile exponen ielle. Ce pa amè e empo el n’es pas dé ini dans le cons uc eu de MinMaxScale
mais une mé hode pe me de le spéci ie :
i ual oid imeWindow( loa seconds) ;
Dé ec ion de pics
L’obje PeakDe ec o pe me la dé ec ion de pics (maximums e minimums) en u ilisan soi des
modes de anchissemen , soi des modes d’apex. Nous u ilisons les modes d’apex (PEAK_MAX e
PEAK_MIN, qui pe me en d’iden i ie le momen du cycle espi a oi e où la empé a u e a ein
son maximum à l’expi a ion e son minimum à l’inspi a ion. Dans ces modes, le pic es dé ec é
ap ès que le signal ai anchi le seuil de déclenchemen igge Th eshold, a ein son apex, puis
edescendu d’un ce ain pou cen age en e le seuil e l’apex (pa amé é pa allbackTole ance).
Une ois le pic dé ec é, le dé ec eu a end que le signal anchisse à nou eau le eloadTh eshold
a an de pou oi ê e déclenché à nou eau.
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Le seuil de déclenchemen es spéci ié dans le cons uc eu :
PeakDe ec o ( loa igge Th eshold, uin 8_ mode = PEAK_MAX) ;
Des mé hodes comme la sui an e pe me en de spéci ie les au es pa amè es :
oid eloadTh eshold( loa eloadTh eshold) ;
Les données son en oyées dans ces obje s a ec un opé a eu de canalisa ion (>>) qui en oie des
données d’une uni é à une au e de gauche à d oi e. Pa exemple :
inpu >> ou pu ;
Le schéma sui an , issu de la documen a ion o icielle de Plaque e (Aud ye Ouelle F ede icks
s. d.) illus e la dé ec ion de pics a ec le PeakDe ec o :
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Pa amè es espi a oi es amélio és
Signal ini ial
ge Raw() : Comme men ionné p écédemmen , le signal ini ial es pou l’ins an enco e la aleu
enan di ec emen du con e isseu analogique-numé ique (CAN). Nous a ons cependan ajou é
la possibili é d’u ilise un signal ini ial p o enan d’un CAN ex e ne, pou pe me e une ésolu ion
plus éle ée que celle des CAN s anda d de 10 bi s in ég és no malemen dans les mic ocon ôleu s
des pla e o mes comme Teensy e A duino. Ce e onc ionnali é nous pe me no ammen l’u ili-
sa ion d’un CAN ex e ne de 16 bi s que nous a ons in ég é au sys ème élec onique du module
espi a oi e de C ocodile ( oi le appo MX-24-02-FR pou les dé ails).
Cons an es :
// De aul espi a ion sample a e 50Hz
Respi a ion(uin 8_ pin, unsigned long a e=50) ;
Lec u e du signal ini ial :
i (_ge Ex e nalADCValue){ // i using ex e nal ADC
_adcValue = _ge Ex e nalADCValue() ;
}else {
_adcValue = analogRead(_pin) ; // i using A duino in e nal ADC
}
Ob en ion de la aleu :
unsigned long Respi a ion ::ge Raw() cons { e u n _adcValue ;}
Signal ini ial no malisé
ge No malized() : Le signal ini ial es ensui e lissé a ec un Smoo he e no malisé a ec un No mali-
ze ayan une cou e enê e empo elle (5 secondes). Ce e no malisa ion adap a i e es nécessai e
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pou ajus e la égula isa ion des données en onc ion des a ia ions de empé a u e à moyen e me.
Pa exemple, une hausse de la empé a u e moyenne peu ê e causée pa une augmen a ion apide
du y hme espi a oi e ou une pé iode de colè e en aînan une ascula isa ion acc ue de la peau du
isage.
Cons an es :
loa no malize Mean = 0 ;
loa no malize S dDe = 1 ;
loa no malize TimeWindow = 5 ;
loa smoo he Fac o = 0.5 ;
Obje s Plaque e :
No malize no malize (no malize Mean, no malize S dDe ,
no malize TimeWindow) ;
Smoo he smoo he (smoo he Fac o ) ;
T ai emen du signal :
alue >> smoo he >> no malize ; // smoo h and no malize ini ial signal
Ob en ion de la aleu :
// Re u ns no malized ADC signal ( a ge mean 0, s dDe 1)
// (example : −2 is lowe han usual, +2 is highe han usual)
loa Respi a ion ::ge No malized() cons {
e u n no malize ;
}
Signal ini ial mis à l’échelle
ge Scaled() : Le signal no malisé es ensui e mis à l’échelle en e 0 e 1 a ec un MinMaxScale don
la enê e empo elle es iden ique au No malize p écéden . Dans un cycle espi a oi e, à cause
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ge No malizedRpm(), ge ScaledRpm(), ge RpmLe el(), ge RpmChange() e ge RpmVa iabili y() :
Tous ces indica eu s son calculés de la même maniè e que les indica eu s d’ampli ude co espon-
dan s. La seule di é ence es l’ajou d’une ligne de code pou calcule la somme des in e alles
dans le ampon ci culai e, u ilisée pou dé e mine le aux de a ia ion (ge RpmChange()). Ce e
même aleu es employée pou con e i le aux de a ia ion de l’ampli ude en uni és pa minu e.
// Calcula e sum o in e als
_millisPassed = s d ::accumula e(s d ::begin(in e als),
s d ::end(in e als), 0) ;
Débi espi a oi e
Nous a ons en é de dé eloppe un indica eu de débi espi a oi e, similai e au aux de a ia ion
pou l’ampli ude ou le RPM, mais appliqué au signal ini ial. Ce indica eu au ai é é u ile pou
iden i ie les momen s où le lux espi a oi e a ie, pa exemple lo s d’une inhala ion soudaine liée
à la su p ise ou lo s d’une expi a ion en plusieu s phases.
i ( lowRa eMe o) { // equency o empe a u e sampling o low a e
calcula ion
_ lowRa e = alue − pValue ;
// Calcula e di e ence be ween cu en and p e ious empe a u e alue
_ lowRa e >> smoo he FlowRa e >> no malize FlowRa e ;
// Smoo h and no malize low a e
pValue = alue ; // s o e empe a u e alue o la es sampling
}
Cependan , les ésul a s n’on pas é é concluan s, ca le débi a ie considé ablemen même pendan
une espi a ion no male. Pou dé ec e un changemen de débi signi ica i , il aud ai pou oi
localise p écisémen le momen où il se p odui dans le cycle espi a oi e e le compa e aux au es
espi a ions. Nous a ons mis de cô é ce indica eu pou l’ins an .
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Conclusion
En e mai e aoû 2024, le p oje C ocodile a béné icié d’une amélio a ion de son module espi a oi e
g âce à la modi ica ion de la biblio hèque BioDa a su laquelle il epose. Nous a ons in ég é la
biblio hèque de ai emen de signal Plaque e pou op imise les indica eu s de signal espi a oi e
no malisé, d’ampli ude e de dé ec ion de pics, ou en ajou an de nou elles ca ac é is iques
ex ac ibles, elles que le aux de a ia ion e le coe icien de a ia ion de l’ampli ude e du
y hme espi a oi e. Nous a ons ainsi éussi à ob eni un la ge spec e d’indica eu s espi a oi es
qui e lè en la espi a ion de la pe sonne u ilisa ice de maniè e dé aillée ( oi Annexes II, III e
IV).
Ce appo déc i la mé hodologie adop ée pou ésoud e le p oblème ini ial de iabili é e d’exp es-
si i é des indica eu s espi a oi es. Ap ès a oi dé ini les besoins du p oje , nous a ons mené une
e ue de li é a u e e compa é nos mé hodes de ai emen du signal a ec celles exis an es. Nous
a ons u ilisé les ou ils de la biblio hèque Plaque e pou dé eloppe nos indica eu s ex ac ibles e
a ons documen é leu implémen a ion.
Pa mi les aiblesses possibles de ce appo , no ons que nous n’a ons pas dé aillé le p ocessus
d’expé imen a ion qui a mené aux choix des équa ions e des enê es empo elles u ilisées dans
le ai emen de signal. Ce aines décisions on é é p ises en enan comp e des a an ages e des
incon énien s, mais compo en ce aines limi a ions. Pa exemple, la no malisa ion apide du
signal ini ial (en 5 secondes) peu en aîne la dé ec ion d’un aux pic d’inspi a ion si la pe sonne
u ilisa ice e ien sa espi a ion. Il es e aussi du a ail à ai e conce nan l’indica eu de débi
espi a oi e e l’in ég a ion de la empé a u e comme signal ini ial. Les a aux u u s pou aien
inclu e la modi ica ion de la classe « Respi a ion » pou la end e compa ible a ec d’au es ypes
de signaux e une e ue de li é a u e pou iden i ie des équa ions exis an es pou ex ai e le débi
espi a oi e. No ons que des amélio a ions ma é ielles e élec oniques du module espi a oi e de
C ocodile on é é dé eloppées pa allèlemen : elles on ai l’obje du appo MX-24-02-FR.
17
Ré é ences
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18
Annexe I
Indica eu s espi a oi es ob enus en débu mai.
Les indica eu s d’ampli ude e de équence espi a oi e (BPM) é aien limi és e peu ep ésen a i s
de la espi a ion de la pe sonne u ilisa ice. Un délai impo an en e une a ia ion (ex. : baisse d’am-
pli ude) e sa p ise en comp e pa l’indica eu empêchai de dé ec e e icacemen les changemen s
ponc uels ou apides en emps éel.
19
Annexe II
Indica eu s espi a oi es ob enus ap ès l’amélio a ion logicielle – signal de base.
Signal espi a oi e b u ( aleu du CAN), signal no malisé, signal mis à l’échelle (0-1), booléen
indiquan l’expi a ion.
20
Annexe III
Indica eu s espi a oi es ob enus ap ès l’amélio a ion logicielle – ampli ude.
Ampli ude espi a oi e b u e ( aleu s CAN en e le minimum e le maximum du cycle), ampli ude
no malisée, ampli ude mise à l’échelle (0–1), indica eu de ni eau d’ampli ude, aux de a ia ion
(∆ampli ude), a iabili é de l’ampli ude.
21

Annexe IV
Indica eu s espi a oi es ob enus ap ès l’amélio a ion logicielle – équence (RPM)
In e alle (en ms) en e les cycles espi a oi es, équence espi a oi e (RPM), équence no ma-
lisée, équence mise à l’échelle (0–1), indica eu de ni eau de équence, aux de a ia ion (∆
équence), a iabili é de la équence.
22