Bandes utiles

Le signal PPG récupéré contient de multiples informations dans le domaine des fréquences. En fonction du traitement que l’on en fait, il est possible d’en déduire des paramètres physiologiques, telle que la fréquence cardiaque. Étant donnée que celle-ci est variable, il convient au préalable d’établir la plage de fréquence sur laquelle tra-vailler, et ainsi pouvoir éliminer les composantes non désirées du signal. On présente les plages d’intérêt des principales composantes du PPG selon les standards de la

lit-térature [86, 166–168]. Ces plages sont définies dans le domaine de la variabilité de fréquence cardiaque qui se concentre autour du cœur et de ses interactions avec le système nerveux autonome. Ainsi, les degrés de fluctuations de la durée des contrac-tions du cœur ou de l’intervalle entre deux contraccontrac-tions de la Variabilité de Fréquence Cardiaque (VFC), sont des causes de fluctuations de la fréquence cardiaque propre. Mesurer cette variabilité est également un moyen d’obtenir des informations diverses sur les adaptations du cœur aux sollicitations immédiates. On retrouve ainsi, dans le tableau 4.6, les composantes fréquentielles du PPG avec le décalage en DC et les varia-tions comprises dans la composante globale AC. En plus de la fréquence cardiaque et de sa VFC, on pourra y retrouver la fréquence respiratoire (typiquement sous les 1.0 Hz), les artéfacts de mouvements (non prédictibles) ainsi que les bruits et autres signaux parasites à toutes les fréquences. La chaîne de réception doit donc être en mesure de travailler dans les fréquences utiles clairement spécifiées pour pouvoir isoler le signal utile des parasites et ses composantes dans les divers canaux pour le traitement. On donne en exemple dans la figure 4.13 le spectre des fréquences d’un PPG sur une large bande qui présente de nombreuses composantes, ainsi que de nombreux parasites.

Figure 4.13 – Exemple du spectre d’un PPG sur le doigt d’après [95]

Variable Plage fréquentielle [Hz] Origine DC 0 Tissus "inertes" ULF 0 − 0.0033 Système autonome VLF 0.0033 − 0.04 LF 0.04 − 0.15 HF 0.15 − 0.40

Fréquence cardiaque 0.40 − 4.0 Age et activité

Table 4.6 – Composantes fréquentielles utiles du PPG

4.2.3 Filtrage

La motivation première du filtrage réside dans le calcul de l’équation 3.32 qui porte sur le calcul du ROS. Ce ratio nécessite la disponibilité des composantes DC et AC des

PPG en temps réel. Présentées dans la section 4.2.2, les composantes fréquentielles dans le signal PPG sont mêlées et bruitées. La première étape consiste donc typiquement en un pré-filtrage passe-bas, pour séparer les composantes utiles du reste. De façon gé-nérale, on considère que la maximisation du SNR passe par la réduction des parasites (bruits, signaux parasites, artéfacts de mouvement, etc.) au-delà de la fréquence car-diaque avant tout. Diverses études tentent d’évaluer la fréquence de coupure optimale du PPG. Mais elles se résument globalement à récupérer la totalité, ou une partie, de la plage de fréquences allant du continu à plusieurs harmoniques des battements du cœur [15, 74, 78, 169–171]. En effet, une fois le DC extrait et la respiration éliminée, la plus grande variation dans le signal est généralement due au pouls et peut donc être suivie. Cette fréquence n’étant pas connue au préalable, on réserve généralement l’isolation de la fréquence cardiaque pour le post-traitement.

Parmi les différents type de filtres disponibles, la conception d’un oxymètre de pouls pour la ME nécessite non seulement une faible déformation des signaux filtrés, mais également un délai constant entre eux, puisque le calcul du SpO₂ fonctionne sur les échantillons qui correspondent à une illumination précise dans le temps. Ainsi, bien que les filtres de Butterworth soient parfois choisis, c’est bien le faible délai de groupe des filtres de Bessel qu’il convient de mettre à profit, afin que le déphasage entre les différentes composantes du PPG ne soit pas impacté. En effet, le moindre déphasage sur les composantes du signal peut avoir une répercussion importante sur le calcul de la saturation et donc sur l’établissement du pronostic. Aussi, la réponse aux échelons envoyés par les sources lumineuses est bien plus plate que pour les filtres de Butterworth et permet donc un échantillonnage plus aisé sur la résultante des salves lumineuses.

L’ordre, quant à lui, est variable selon les cas, car il dépend bien de la puissance des parasites à éliminer. Dans notre approche embarquée, un compromis entre le SNR et la consommation est à trouver pour le pré-filtrage. De façon générale, on peut considérer qu’un filtre d’ordre de 3 à 4 est suffisant, car il y a la possibilité de renforcer ce traitement par des filtres numériques, une fois le signal converti.

Figure 4.14 – Filtrage agressif du PPG [169]

Une fois encore, l’expression du besoin vient raffiner cette étape de filtrage en pro-posant plusieurs axes de prototypage. L’exemple donné par la figure 4.14 montre l’ap-plication d’un filtrage agressif à visée strictement opérationnelle : l’utilisation d’une fréquence de coupure très proche de la fondamentale du rythme cardiaque, pour le filtre passe-bas, déforme le signal pour n’en garder que le pouls. Dans le but du cal-cul de la saturation, on peut considérer que ce filtrage n’est pas destructif, tant qu’il conserve l’amplitude des composantes AC et DC et la fréquence. Il permet ainsi de

réduire les ambitions du dispositif à la seule fonctionnalité du calcul de la saturation. Cependant, dans une approche plus conservatrice et exploratoire telle que la nôtre, le développement d’un outil de suivi de l’activité de la ME nécessite de pouvoir observer toutes les composantes du PPG. La reconstitution du signal complet pouvant aider à établir un diagnostic plus précis, il n’est pas raisonnable (tout du moins à ce jour) de s’affranchir des composantes additionnelles à la fréquence cardiaque (diastole et sys-tole, entre autres) qui peuvent, comme l’a montré la figure 3.6, détenir des informations décisives quant à la vascularisation du sujet et son état général. De plus, l’élargisse-ment de la bande utile, typiquel’élargisse-ment dans la dizaine de Hertz, permet de récupérer les harmoniques de la fréquence cardiaque et donc, de renforcer la puissance du signal utile.