mXlab Juin 2024 MX-24-02-FR
Amélio a ion élec onique e ma é ielle d’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 juin 2024 pou op imise les composan s
ma é iels du module espi a oi e du p oje C ocodile. Nous déc i ons d’abo d les besoins spé-
ci iques du p oje qui on mo i é ce e déma che. Nous dé aillons ensui e la eche che menée
pou iden i ie les mé hodes de mesu e e cap eu s u ilisés pou la su eillance de la espi a ion
dans le milieu de la eche che, a in de les compa e aux nô es e iden i ie des amélio a ions
po en ielles. Nous expliquons ensui e les expé imen a ions menées pou compa e les cap eu s
candida s e sélec ionne celui le mieux adap é aux besoins du p oje . Finalemen , nous p ésen ons
les modi ica ions implémen ées.
Mo s-clés : bio eedback, biomé ie à aible coû , cap eu de espi a ion, disposi i s in e ac i s,
ins umen a ion physiologique, op imisa ion ma é ielle, sou le nasal.
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 elligence
a i icielle. A an d’en ame ce a ail, les données espi a oi es manquaien de iabili é, limi an
la capaci é du sys ème d’app en issage machine d’é abli des pa ons de p o ils émo i s cohé en s
pou an ê e appliqués à di é en es pe sonnes u ilisa ices. Ce appo echnique ai e des amé-
lio a ions que nous a ons appo ées au module espi a oi e au ni eau élec onique e ma é iel;
un au e appo (MX-24-03-FR) dé aille a les amélio a ions du ai emen de signal. Il exis e
peu d’exemples de sys èmes d’analyse de la espi a ion à aible coû , pa iculiè emen pou des
applica ions a is iques, en aison de la complexi é des données espi a oi es e des nomb euses
in e é ences possibles. No e manda isai à amélio e la quali é des données ob enues an pou
épond e aux besoins de no e p oje que pou comble un manque dans la biomé ie espi a oi e à
aible coû .
Les besoins du p oje en ce qui conce ne l’ob en ion de données espi a oi es incluen :
Fiabili é e ep oduc ibili é des données : Comme on s’in é esse su ou aux a ia ions du signal
espi a oi e, l’accen n’es pas su l’exac i ude absolue des aleu s ob enues, mais plu ô su la
iabili é de la quali é e du spec e du signal d’une u ilisa ion à l’au e. Des mé hodes de con ôle e
de calib a ion peu en ê e implémen ées pou assu e la égula i é des mesu es.
Sensibili é e ésolu ion : La sensibili é du cap eu e la ésolu ion de la mé hode de mesu e son
c uciales pou pou oi cap e des dé ails espi a oi es po en iellemen indica i s de changemen s
émo ionnels, même quand la espi a ion es peu p o onde.
E gonomie : L’e gonomie joue un ôle clé dans nos décisions; le disposi i po é pa les pe sonnes
u ilisa ices doi ê e con o able, épond e à des enjeux d’accessibili é e ésis e à ce aines in e -
é ences de mou emen .
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Budge e acili é d’implémen a ion : Puisque C ocodile es un p oje don les mé hodes ma é-
ielles e logicielles se eulen accessibles au public, les solu ions à aible coû e aciles à me e
en œu e doi en ê e p i ilégiées.
Re ue de li é a u e : p a iques cou an es en analyse espi a oi e
Mé hodes de mesu e
Pou compa e no e app oche à celles déjà exis an es dans le milieu de la eche che, nous a ons
examiné deux e ues de li é a u e su les mé hodes de su eillance de la espi a ion : une su les
mé hodes basées su le con ac (Massa onie al. 2019) e une su les mé hodes sans il (Hussain
e al. 2023). Les mé hodes sans il déc i es pa Hussain e al. u ilisen des echnologies sou en
coû euses; no e analyse s’es donc concen ée su les mé hodes basées su le con ac .
Les mé hodes de su eillance espi a oi e déc i es dans la e ue de Massa oni e al. son :
Flux d’ai : Nous a ons éca é les echniques de lux d’ai espi a oi e ca elles impliquen des
coû s éle és ou des disposi i s encomb an s.
Sons espi a oi es : La mé hode des sons espi a oi es a é é exclue en aison du b ui impliqué
dans un con ex e d’ins alla ion in e ac i e.
Tempé a u e de l’ai : Ce e mé hode nous semble adéqua e.
Humidi é de l’ai : Nous a ons éca é la mé hode de l’humidi é de l’ai à cause du p ix éle é de
cap eu s d’humidi é ayan un emps de éponse apide.
Composan s de l’ai : Nous a ons égalemen éca é la mé hode des composan s de l’ai en aison
de son coû éle é.
Mou emen s de la pa oi ho acique : La mé hode des mou emen s de la pa oi ho acique a é é
exclue, ca elle nécessi e que les pe sonnes u ilisa ices es en immobiles ou u ilisen une bande
ho acique qui es di icile à end e accessible à ous.
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Modula ion de l’ac i i é ca diaque : Puisqu’un cap eu de pouls e de équence ca diaque es
déjà in ég é au disposi i , ce e mé hode nous semble in é essan e.
Les mé hodes que nous a ons jugées pe inen es pou nos besoins son la mesu e de la empé a u e
de l’ai à la so ie des oies espi a oi es e la modula ion de l’ac i i é ca diaque. Le a ail éalisé
de mai à juin 2024 s’es concen é su le cap eu de empé a u e e le ai emen de son signal;
l’explo a ion de la modula ion de l’ac i i é ca diaque es p é ue pou un u u appo .
Cap eu s e ci cui
Le cap eu u ilisé ini ialemen é ai une he mis ance à coe icien de empé a u e néga i de 10 kΩ
d’en ée de gamme (Leaded NTC The mis o s (Disks) 2024). Dans la e ue de Massa oni e al., les
qua e ypes de cap eu s he miques analysés son les he mis ances, les he mocouples, les cap eu s
py oélec iques e les cap eu s à ib e op ique. Ces cap eu s on des p op ié és similai es e leu
quali é a ie en onc ion du p ix. Comme un pe i budge es impo an pou assu e l’accessibili é
du p oje , nous a ons dé e miné que les he mis ances son un choix app op ié, é an géné alemen
plus abo dables ou en o an un bon appo exac i ude-p ix.
L’enjeu au ni eau du ci cui élec ique à implémen e a ec une he mis ance éside dans l’op imi-
sa ion de la ésolu ion e la éduc ion du b ui dans la ans o ma ion du signal analogique pa un
con e isseu analogique-numé ique (CAN). Un CAN d’une ésolu ion de 10 bi s es géné alemen
considé é comme su isan pou la su eillance he mique de la espi a ion (Laza oe al. 2021),
mais les applica ions dé aillées dans la li é a u e se penchen su le y hme espi a oi e a ec peu de
considé a ion pou le ni eau de dé ail du signal espi a oi e. U ilise un CAN ex e ne de plus hau e
ésolu ion peu augmen e le ni eau de dé ail des mesu es.
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Compa aison des cap eu s jugés p ome eu s
Nous a ons d’abo d é alué no e cap eu ini ial (NTC 10 k EPCOS) e examiné di é en es op ions
de cap eu s de empé a u e disponibles su le ma ché. Le ableau ci-dessous compa e ces op ions e
indique pa un as é isque (*) les ois candida s e enus pou é alua ion : la he mis ance MA100
(Amphenol The mome ics), le he momè e numé ique TMP117 e le he momè e numé ique
MAX30205.
Cap eu In e ace Exac i ude Coû Commen ai e
NTC 10k EPCOS Analogue non
linéai e
? 1 US$ Le cap eu ini ialemen u ilisé.
TMP61 PTC
The mis o
Analogue linéai e ±1 °C 1 US$ Exac i ude non idéale. Fo ma
physique compac disponible.
TMP35/36/37/LM35 Analogue linéai e en ±0.5 °C 3 US$ Exac i ude non idéale. Fo ma
physique compac disponible.
*TMP117 I2C ±0.1 °C 10–15 US$ Ca es d’adap a ion encomb an es,
pas de o ma physique idéal.
MAX30208 I2C ±0.1 °C 73 US$ Le MAX30205 es mieux adap é à la
empé a u e du co ps humain.
*MAX30205 I2C ±0.1 °C 6–46 CAN$ Ca es d’adap a ion encomb an es,
pas de o ma physique idéal.
ADT7420 I2C ±0.25 °C 11–36 US$ Exac i ude non idéale. Fo ma
compac mais plusieu s ils.
STTS22H I2C ±0.5 °C 7 US$ Exac i ude non idéale. Fo ma
compac , 2 ils.
MCP9808 I2C ±0.5 °C 5 US$ Exac i ude non idéale. Fo ma un peu
encomb an , plusieu s ils.
DS18B20 Dallas 1-Wi e
p o ocol
±0.5 °C 10–15 US$ Exac i ude non idéale. Fo ma sonde
idéal, in e ace non idéale.
*NTC 10k MA100
Amphenol
The mome ics
Analogue non
linéai e
±0.1 °C 7–15 US$ Quali é médicale. T ès compac
(diamè e 1 mm).
Table 1 – Compa aison des cap eu s de empé a u e disponibles su le ma ché.
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No e mé hodologie de compa aison des pa amè es es la sui an e :
Résolu ion, exac i ude e p écision : Nous a ons p is des mesu es à un deg é Celsius d’in e alle
dans la plage de aleu s d’in é ê (20°C - 35°C), à deux ep ises (en augmen an puis en diminuan
la empé a u e), en u ilisan comme é é ence un he momè e numé ique ayan une exac i ude de
±0.1°C. Les aleu s on é é compa ées en deg és Celsius : pou les he mis ances, nous a ons u ilisé
un CAN de 10 bi s e a ons con e i les aleu s a ec l’équa ion S einha -Ha . Les pa amè es de
ésolu ion, d’exac i ude e de p écision on é é calculés à pa i de ces données. Ces mesu es on é é
p ises en ecou an les cap eu s d’une couche impe méable e en les imme gean dans l’eau.
Temps de éponse he mique : Nous a ons mesu é le emps nécessai e pou un changemen de
empé a u e de 40°C e calculé le appo app oxima i pou un changemen d’un deg é.
Quali é géné ale du signal : Nous a ons analysé les a ia ions des données de empé a u e su
une pé iode de 60 secondes, en plaçan les cap eu s sous le nez e en simulan di é en s ypes de
espi a ions ( oi Annexe I).
E gonomie e acili é d’implan a ion : Nous a ons basé nos é alua ions su nos obse a ions e
no e jugemen .
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La compa aison des cap eu s es ésumée dans le ableau sui an 1:
Ca ac é is ique TMP117 MAX30205 oldNTC MA100
Résolu ion (bi s) 16 bi s 16 bi s CAN 10 bi s CAN 10 bi s
Résolu ion (°C) 0,0078 0,0078 0,11 0,1
Exac i ude (°C) 0,2 0,2 0,1 0,1
P écision (°C) 0,1 0,2 0,2 0,2
Temps de éponse
he mique (s/°C)
11 5 >15 3
Ni eau de dé ail du
signal espi a oi e
Excellen Excellen Médioc e T ès bon
E gonomie Médioc e : puce
emba quée su un
ci cui , qua e
connexions
nécessai es
Médioc e : puce
emba quée su un
ci cui . Sep
connexions
nécessai es
Bonne : o ma
compac acile à
in ég e dans un ube
d’oxygène. Deux
connexions
nécessai es.
Excellen e : cap eu
de 1 mm de diamè e
acile à in ég e dans
un ube d’oxygène.
Deux connexions
nécessai es.
Facili é
d’implémen a ion
Bonne : Aucune
calib a ion
nécessai e, p o ocole
I2C.
Bonne : Aucune
calib a ion
nécessai e, p o ocole
I2C.
Moyenne :
Calib a ion
po en iellemen
nécessai e, appo
analogique non
linéai e, calcul
nécessai e.
Moyenne :
Calib a ion
po en iellemen
nécessai e, appo
analogique non
linéai e, calcul
nécessai e.
Table 2 – Compa aison des cap eu s TMP117, MAX30205, oldNTC e MA100. Les ca ac é is iques les plus
a o ables son indiquées en ca ac è es g as.
Le emps de éponse, l’e gonomie e la quali é géné ale du signal de la he mis ance MA100 en on
un bon candida ; cependan , sa ésolu ion es limi ée pa le CAN u ilisé. Les he momè es digi aux
o en une excellen e ésolu ion mais son plus encomb an s à cause des ca es d’adap a ion. Pou
su mon e la limi a ion de ésolu ion du MA100, nous a ons décidé d’u ilise un CAN ex e ne de
16 bi s, le ADS1115 (ADS111x Ul a-Small, Low-Powe , I2C-Compa ible, 860-SPS, 16-bi ADCs
wi h In e nal Re e ence, Oscilla o , and P og ammable Compa a o (No. SBAS444I) 2018). Ce e
app oche a amélio é le ni eau de dé ail du signal de la he mis ance MA100 ( oi Annexe II).
1Le cap eu oldNTC es une he mis ance NTC 10k de ma que inconnue.
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Calib a ion de la he mis ance MA100
Il es habi uellemen suggé é de calib e les he mis ances a an de les u ilise (The mis o Cali-
b a ion and he S einha -Ha Equa ion 2006). Nous nous sommes inspi és de la p océdu e de
calib a ion à ois poin s suggé ée pa la compagnie ILX Ligh wa e pou e ec ue une calib a ion.
Cependan , ce p ocessus demande du a ail e end la mé hode moins acile d’implémen a ion, ce
qui nui aux objec i s d’accessibili é du p oje .
Nous a ons donc compa é les données ob enues a ec e sans calib a ion en u ilisan les in o ma ions
ou nies dans la iche echnique du cap eu pou e ec ue les calculs :
MA100 - Cap eu A MA100 - Cap eu B
Tempé a u e
( he momè e
numé ique)
A ec calib a ion Sans calib a ion :
données de la iche
echnique
A ec calib a ion Sans calib a ion :
données de la iche
echnique
19,5 19,42 19,13 19,09 19,15
25 24,85 24,85 23,91 24,22
30,5 30,48 30,71 30,15 30,61
E eu absolue
moyenne
0,08 0,24 0,62 0,41
Table 3 – Compa aison en e deux cap eu s MA100 a ec e sans calib a ion.
Les ésul a s é aien similai es, même pa ois moins exac s a ec la calib a ion : une mesu e e onée
pendan la calib a ion peu édui e l’exac i ude. Comme l’exac i ude absolue des empé a u es n’es
pas c i ique pou nos besoins, nous a ons jugé su isan d’u ilise les données de la iche echnique
pou calcule la empé a u e.
Nous suggé ons pa con e d’ins au e un con ôle à la écep ion du cap eu pou égula ise les
données. D’abo d, é i ie que la empé a u e ambian e ob enue pa calcul a ec les données de la
iche echnique es similai e (à 1°C p ès) à la empé a u e ob enue a ec un he momè e numé ique
calib é. Au besoin, une compensa ion (“o se ”) peu ê e ajou ée au calcul de la empé a u e.
Ensui e, é i ie la quali é du signal ob enu quand on espi e su le cap eu : les données son -
elles dé aillées, a ec une ampli ude de signal su isan e e une éponse he mique apide? À i e
de é é ence, une espi a ion p o onde de ai en egis e une di é ence d’au moins 1°C en e le
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maximum à l’expi a ion e le minimum à l’inspi a ion. A ec l’usu e des cap eu s, si les données
ob enues ne son plus de la quali é a endue, nous ecommandons de calib e le cap eu a ec la
mé hode des ois poin s ou de le emplace .
Conclusion
En e mai e juin 2024, le p oje C ocodile a béné icié d’une amélio a ion ma é ielle de son module
espi a oi e g âce à l’in ég a ion des he mis ances MA100 d’Amphenol The mome ics e d’un
CAN ex e ne de 16 bi s. En compa an la quali é du signal a ec celle du cap eu p écéden , nous
obse ons une ne e amélio a ion ( oi Annexe III).
Ce appo echnique dé aille la déma che mé hodique que nous a ons en ep ise pou épond e
au p oblème ini ial de manque de iabili é des données espi a oi es. Nous a ons d’abo d dé ini
les besoins spéci iques du p oje qui on mo i é la déma che d’amélio a ion, mené une e ue de
li é a u e pou iden i ie les mé hodes de mesu e e cap eu s u ilisés pou la su eillance de la
espi a ion e les a ons compa és aux nô es. Puis, nous a ons sélec ionné e es é les élémen s les
plus p ome eu s a in d’iden i ie ceux les mieux adap és à nos besoins. Nous a ons inalemen
implémen é les amélio a ions alidées pa nos expé imen a ions e les a ons documen ées.
Pa mi les aiblesses possibles de ce appo , no ons que la e ue de li é a u e e la eche che de
cap eu s disponibles su le ma ché ne son pas exhaus i es e que nous n’a ons pas éussi à ob eni
l’exac i ude de +/-0.1 °C annoncée su la iche echnique des he mis ances MA100 d’Amphenol
The mome ics, malg é la calib a ion. Nous n’a ons pas compa é la pe o mance de la he mis ance
a ec di é en es ésis ances : peu -ê e que cela au ai pu nous aide à a eind e une plus g ande
exac i ude. Aussi, nous n’a ons pas explo é les sou ces po en ielles de b ui e d’e eu s liées au
posi ionnemen pa ois ins able du cap eu à la so ie des oies espi a oi es. Les a aux u u s
pou aien inclu e la é ision du p ocessus de calib a ion e l’explo a ion de meilleu es op ions pou
uni o mise e s abilise le posi ionnemen du cap eu à la so ie des oies espi a oi es e amélio e
l’e gonomie des disposi i s de cap a ion de la espi a ion. No ons que des amélio a ions logicielles
pou le ai emen du signal espi a oi e on é é dé eloppées pa allèlemen : elles e on l’obje d’un
p ochain appo (MX-24-03-FR).
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