WO2014045243A1 - Moniteur d'activité cardiaque pour le tir à l' arc - Google Patents

Moniteur d'activité cardiaque pour le tir à l' arc Download PDF

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WO2014045243A1
WO2014045243A1 PCT/IB2013/058709 IB2013058709W WO2014045243A1 WO 2014045243 A1 WO2014045243 A1 WO 2014045243A1 IB 2013058709 W IB2013058709 W IB 2013058709W WO 2014045243 A1 WO2014045243 A1 WO 2014045243A1
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WO
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monitor
cardiac activity
sensor
optical
skin
Prior art date
Application number
PCT/IB2013/058709
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Inventor
Cédric BORNAND
Thierry Schneider
Enrico STADERINI
Xavier VEUTHEY
Original Assignee
Tabrasco Sa
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Publication date
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    • A61B2562/14—Coupling media or elements to improve sensor contact with skin or tissue
    • A61B2562/146—Coupling media or elements to improve sensor contact with skin or tissue for optical coupling

Definitions

  • the invention relates to the measurement of the cardiac activity and the emotional state of a subject during a sporting activity, in particular archery.
  • cardiac activity is meant especially the heart rate.
  • the objective of the measure is multiple:
  • Figure 3 shows a heart activity monitor according to the present invention disposed and maintained at the tibia of an archer
  • Figure 4 illustrates a cardiac activity presenting system according to the present invention comprising a cardiac activity monitor and a treatment user device;
  • Transmitter 11 and antenna 15 form a wireless communication system.
  • the filtered PPG signal is then supplied to the microcontroller 9.
  • the microcontroller 9 uses an algorithm to digitize and process the PPG signal to determine the heartbeat.
  • the microcontroller 9 is configured to change the PPG signal processing algorithm when the motion detection means 7 detect a movement of the monitor 1 and provides a motion signal to the microcontroller 9.
  • the transmitter 11 is an RF transmitter.
  • the radio communication used for the data is based, for example, on a RF module certified by the wireless company! AMBER.
  • the modem operates with a standardized frequency, such as 868 MHz.
  • the transmitter is, for example, a Bluetooth transmitter.
  • the transmitter 11 is further configured to receive wireless energy from an external wireless power transmitter and to power the monitor 1 with power.
  • the guide 27 ensures that the sensor 3 is properly positioned between the fastener 29 and the user's skin so that the pressure is optimal.
  • the outer shape of a support 31 of the sensor 3 is also important, it is rounded and projecting with respect to the outer surface of the housing 25 (FIG. 2b) of the order of 0.3 mm or more (between the top and the surface of the case) and has been chosen so that the part or area in contact with the skin becomes embedded slightly in the skin, even when marking the monitor 1 is worn a long time. This incrustation can be of the order of 0.3 mm or more.
  • the housing 25 produces less pressure on the skin,
  • the cardiac activity presenting system comprises the monitor 1 and the processing user device 23 (FIG. 4).
  • the processing user device 23 includes an RF receiver 35 linked to an antenna 37, a processor 39, and a processor. Screen 41.
  • the device 23 is configured to receive and store heartbeat data sent by the transmitter 11 and to process and display this data on the screen 41 (as well as any data measured and sent by the monitor 1).
  • the present invention also relates to a system 43 for image acquisition and heart rate (Figure 6).
  • This system comprises, in addition to the monitor 1 and the processing user device 23, at least one external camera (or internal in the case of an ordiphone) used to provide images of the user to the user device 23 that is configured to superimpose the images and data on the received heartbeat and display them on the screen 41.
  • the present invention further relates to a system 45 for the diffusion of cardiac activity of multiple competitors (FIG. 7).
  • the system 45 includes a plurality of monitors 1a, 1b, a broadcast station, and a reception center 47.
  • Each monitor 1 has a unique identification, for example, its serial number and is configured to transmit this identification as well as the data concerning the measured heartbeats to the reception center 47.
  • the reception center 47 includes an RF receiver suitable for receive the signals transmitted by each monitor 1 having the identification and the data concerning the measured heart beats, the reception center 47 is further configured to identify each competitor based on the received identification and to transmit the name of the competitor and his data regarding his measured heartbeat (as well as data concerning other measurements made) at the broadcasting station, for example by WiFi, where these data are superimposed on the images of the competition and broadcast to the public (for example on a giant screen 49 in a stadium).
  • PPG with wireless transmission of energy and / or data
  • a single monitor 1 to detect heartbeat and movement
  • the signal analysis dissociates the heartbeats and movements of the athlete.
  • the software included in monitor 1, observes the signal and, after a whole series of deductions, is able to isolate the cardiac signal from the whole of the measured signal, which has been made possible by obtaining a low-noise signal that allows a measurement with a resolution greater than 10 bits, so that it becomes possible to distinguish the cardiac signal despite large differences in skin tones, from white to black through matte skin. high for a battery-operated system, unlike watches and self-adaptive measuring principle.
  • the light signal is produced by the passage of a current greater than 20 mA in the LED 19, whose wavelength is between 750 and 990 nm; photo ⁇ 21 used detector is sensitive in the same range of wavelengths.
  • the light perceived by the phototransistor 21 has the effect of discharging a previously charged capacity.
  • the light pulse is maintained until the voltage across the capacitor is below a certain threshold, manually adjustable, automatically or not adjustable.
  • the capacity will be placed in the immediate vicinity of the photodetector 21 because wires of several cm would disturb the measurement.
  • the capacity is high: it is between 100 nF and 10 ⁇ F depending on the desired sensitivity. In order to allow battery operation, the measurement is repeated only a number of times per second, ranging from 100 to 5.
  • the sensor 3 may comprise several LEDs or photo-detectors characterized by wavelengths different from each other making it possible to obtain more information than simply the heart rate: different depths can be observed, and the parameters usually measured by the photopietysmography are available: arterial oxygen saturation, cardiac or vascular problems, respiration. 3. Automatic calibration of the power
  • the monitor 1 is configured to automatically adjust the conditions of use of the sensor 3 in order to consume a minimum of energy.
  • the current setting is automatically selected to obtain sufficient accuracy and reduce consumption; transparent skins will thus induce lower consumption for the same precision as dark skins.
  • the senor 3 includes a plurality of detectors 21 or a matrix of detectors 21. Similarly, and for the same reasons, the sensor 3 includes a light source 19 or a plurality of light sources 19.
  • the monitor 1 is able to determine the light source / detector combination, light source / detectors, light sources / detector or light sources / detectors with the best signal-to-noise ratio.
  • the monitor thus determines the optical transmitter / optical detector or optical transmitter / optical detector pair providing a PPG signal for photoplethysmography.
  • the monitor 1 is thus configured to use the plurality of light sources and detectors to optimize the sensitivity of the monitor.
  • the monitor 1 is further configured to use the plurality of light sources and detectors to increase the number of measurable parameters and / or to assist the user in locating the best location for positioning the sensor 3. 4. Higher sensitivity than usual
  • the system is characterized by a higher sensitivity than usual in such products. This feature has been sought to allow the sensor 3 to be placed in various parts of the body, and thus to meet the expectations of users who would be embarrassed to be imposed a specific location to put the sensor 3. Thus the sensor can be placed either on an artery, on a vein or on capillaries. 5. Position
  • the sensor can be advantageously positioned on the head, hand, forearm or leg.
  • the most favorable place is on the shin, at the interface between the muscle and the bone, so the front of the leg, or squarely on the tibia bone. 6.
  • the housing 25 is provided with the guide 27 for the elastic fastener 29.
  • This guide ensures that the optical sensor is properly placed between the fastener and the skin> so that the pressure is maximum.
  • the shape of the support 31 of the optical sensor is also important, it was chosen so that the part in contact with the skin is incrusted slightly in the skin, even marking it when the device is worn a long time.
  • the rest of the housing 25 then produces less pressure on the skin. In some cases, the sensor part will be separated by wires from the rest of the circuit. 7.
  • a NFC (Near Field Communication) magnetic link or an optical tag are used to enable quick and easy identification by a terminal such as a smartphone.
  • a short-distance radio link to allow communication between the monitor 1 and a personal display system, such as a smartphone or a tablet PC.
  • a radio network can allow several sensors to route their data to a reception center, intended to collect data for display or for media coverage of television results, as shown in Figure 7.
  • the sensor 3 or monitor 1 can advantageously be integrated on medical or sports equipment, such as on an arc. 9. Combination of a PPG sensor with an altimeter
  • the monitor 1 can advantageously be combined with an altimeter to track the evolution of the parameters measured by the PPG sensor as a function of altitude. 10.
  • Packaging housing 25 and support 31
  • All hostile environments empty space, large deep water, ...) 11.
  • PPG with wireless transmission of energy and / or data
  • the senor 3 further includes electrodes 51, for example, at least two curved (non-flat) electrodes and the monitor 1 is configured to measure and determine the resistivity of the skin by the intermediate of these electrodes and an algorithm stored in the monitor 1.
  • electrodes 51 for example, at least two curved (non-flat) electrodes
  • the monitor 1 is configured to measure and determine the resistivity of the skin by the intermediate of these electrodes and an algorithm stored in the monitor 1.
  • the microcontroller 9 provides the data concerning the resistivity (impedance) of your skin to the transmitter 11 for sending to the processing user device 23.
  • the user processing device 23 is able to process and simultaneously present these data concerning the resistivity of the device. skin as well as the data concerning the measured heartbeat.
  • the joint use by the algorithms of measuring heart rate and skin resistivity is an effective means of identifying changes in the emotional state of the subject. Indeed, the cardiac activity evolves according to emotions and efforts.
  • the resistivity of the skin evolves according to movements and emotions. For example, a change in the value of the resistivity per unit of time greater than a predetermined threshold signals a significant increase in the level of stress of an archer during a preparation of a shot. As a result, the extraction of the emotional state of the subject is facilitated, as well as the qualification of the movement of the subject,
  • the other advantage of the combination between these two sensors is a measure of the quality of the clamping. Since the electrodes are not flat, the contact with the skin will vary depending on the tightening.
  • the monitor 1 is configured to signal that the quality of the clamping is acceptable, for example, by lighting an LED or emitting a sound when the value of the resistivity is greater than a predetermined threshold or when the resistivity of the measured skin is within a predetermined range .
  • the monitor 1 thus includes means for simultaneously providing data relating to a change in the emotional state of an athlete and informing the user about the quality of the monitor's tightness against the skin.
  • the architecture of the PPG has the advantage of allowing the simple realization of a measurement of the oxygen saturation rate, which then makes it possible to measure the frequency of the subject's respiration.
  • the monitor 1 is equipped with an additional PPG channel whose wavelength is in the visible red, for example 660 nm, in addition to the channel situated in the infrared between 750 and 990 nm.
  • the sensor 3 further includes an LED in the visible red (for example 660 nm) and a corresponding optical detector.
  • the monitor uses an algorithm to digitize and process the additional PPG signal to determine an oxygen saturation rate.
  • the microcontroller 9 supplies the data concerning the oxygen saturation rate to the transmitter 11 for sending to the processing user device 23. 15. Joint use with a force sensor
  • the housing 25 or the support 31 includes a force sensor, for example a Force-sensing resistor (FSR) or a strain gauge, on its outer surface.
  • FSR Force-sensing resistor
  • the joint use by the algorithms of measuring the heart rate and the clamping force provided by this force sensor has the advantage of ensuring that the sensor 3 is correctly placed.
  • Another advantage is that we obtain an indirect measurement of the movement of the subject, which allows us to realize at no extra cost a pedometer or to determine levels of activity of the subject.
  • the use of magnetic sensors or inertia sensors, such as accelerometers and gyroscopes, is of course also possible to take account of the movement. Algorithms stored in the monitor 1 or user processing device 23 can accommodate each of these information sources. 16. Plurality of measurement points
  • monitors 1 and 3 provide an additional means of discriminating, from the PPG measurement, the effect due to the own movement of the subject and that due to the heartbeat. Indeed, by choosing the positioning of the monitors 1, the heart rate will be perceived in the same way, while the effect of the movement will be perceived differently. The algorithms of monitor 1 can then more easily extract the heart rate of the PPG signal. 17. Synchronization between video image and heart rate
  • the image acquisition and heart rate system 43 includes one or more cameras, and may further include one or more measurement channels on one or more subjects.
  • the system 43 may also include accessories enabling the activation or deactivation of the recording, such as for example a foot switch.
  • the system 43 is portable and battery operated.
  • the addition to the system 43 of a delay adjustable by the user allows him to decide once his shot is over, if he wants to record or not his performance. Thus, when the athlete feels that his gesture is particularly fair, or that it contains an interesting feature, then he may decide to keep recording his performance, this with a minimum of difficulty and time. He can still add comments to his recording.
  • the advantage of separating into two distinct parts the realization of the monitor 1 measurement lies in the fact that the system can be easily adapted to the needs, by the change of the sensor 3de measurement or simply by changing the length of the cable d interconnection: according to the skin of the subject, according to the type of measures envisaged, according to their place of application or according to the environment.
  • An interesting embodiment of the monitor is, for example, to replace the onboard software on the monitor using one or more LEDs and one or more photodetectors as communication interface.

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Abstract

L'invention concerne un moniteur d'activité cardiaque pour activité sportive, en particulier le tir à l'arc, comprenant un capteur de type PPG et un système de fixation adapté pour positionner ledit capteur face à une zone du corps permettant d'effectuer une photoplétysmographie. Le moniteur est caractérisé par le fait que le système de fixation est adapté pour positionner le capteur au niveau du tibia, à l'interface entre le muscle et l'os.

Description

Moniteur d'activité cardiaque pour le tir à l'arc
Domaine de l'invention
L'invention concerne la mesure de l'activité cardiaque et l'état d'émotivité d'un sujet lors d'une activité sportive, en particulier le tir à l'arc. Par « activité cardiaque » on entend notamment la fréquence cardiaque. L'objectif de la mesure est multiple :
Prendre en compte l'état de santé du sujet, par exemple afin d'éviter des accidents ;
Comprendre l'intensité de son état intérieur, par exemple dans un but de médiatisation ; et
Améliorer le geste sportif en tenant compte des paramètres physiologiques du sujet.
Ainsi l'athlète peut développer des stratégies basées sur des données objectives.
Etat de la technique
On connaît plusieurs techniques de mesure non-invasive de la fréquence cardiaque lors d'une activité sportive. Toutes ces techniques sont cependant perturbées par Se mouvement de l'athlète et présentent en outre d'autres aspects négatifs: l'ECG n'est pas confortable, le radar UWB doit être placé près du cœur, fa méthode Doppfer implique des ultrasons qu'il est difficile de maintenir en place.
Description générale de l'invention
Les problèmes mentionnés ci -dessus ont été résolus grâce au moniteur d'activité cardiaque et physiologique faisant l'objet des revendications de la présente demande de brevet dénommé le « moniteur » ou « moniteur d'activité cardiaque » dans la suite du texte.
La technique de mesure de l'activité cardiaque est la photoplétysmographie ; elle utilise la réflexion cutanée de la lumière infrarouge au niveau du plexus veineux intradermique ou alternativement au niveau de l'artère poplitée. Le moniteur est adapté de manière à tenir compte des mouvements spécifiques de l'athlète, à ne pas les perturber, et à fonctionner malgré les énormes différences de couleurs de peau, épaisseurs et couches.
Grâce à une réalisation par module de mesure combinant les composants nécessaires à la photoplétysmographie ainsi que d'autres types de mesure, on assure la souplesse nécessaire pour adapter un équipement aux besoins spécifiques d'un sport ou d'un autre.
La Figure 3 illustre un mode de réalisation particulièrement avantageux dans lequel le moniteur d'activité cardiaque est disposé au niveau du tibia, par exemple à l'Interface entre le muscle et l'os. Outre l'obtention d'une mesure de bonne qualité, l'archer n'est pas perturbé dans ses mouvements. Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de ia présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par ies dessins annexés, dans lesquels :
la Figure 1 illustre un moniteur d'activité cardiaque selon ia présente invention ; les Figures 2a et 2b illustrent un moniteur d'activité cardiaque selon la présente invention et une attache élastique pour fixer le moniteur sur une partie d'un corps d'un athlète ;
la Figure 3 montre un moniteur d'activité cardiaque selon fa présente invention disposé et maintenu au niveau du tibia d'un archer ;
ia Figure 4 illustre un système de présentation d'activité cardiaque selon la présente invention comprenant un moniteur d'activité cardiaque et un dispositif utilisateur de traitement ;
la Figure 5 illustre un système de présentation d'activité cardiaque selon la présente Invention comprenant un moniteur d'activité cardiaque et un ordiphone ou un ordinateur ;
ia Figure 6 illustre un système d'acquisition d'image et de rythme cardiaque selon la présente invention comportant un moniteur d'activité cardiaque, un dispositif utilisateur de traitement et au moins une caméra ; et
la Figure 7 illustre un système de diffusion d'activité cardiaque de multiples compétiteurs selon la présente invention incluant une pluralité de moniteurs d'activité cardiaque et une centrale de réception.
Description détaiiiée de l'invention
L'invention sera mieux comprise ci-après au moyen d'un exemple non-limitatif qui concerne un moniteur d'activité cardiaque en deux parties, l'une étant la tête sensible ou capteur et l'autre étant ia partie analyseur et de communication. La présente invention concerne aussi un système de présentation d'activité cardiaque comprenant le moniteur d'activité cardiaque et un dispositif utilisateur de traitement.
La Figure 1 illustre un moniteur d'activité cardiaque 1 selon la présente invention comprenant un capteur 3, un circuit de traitement de bruit 5, des moyens de détection de mouvement 7 du moniteur (par exemple, un détecteur du champ magnétique terrestre, un détecteur d'inertie ou un accéléromètre), un microcontrôleur 9, un transmetteur 11 relié à une antenne 15 ainsi qu'une batterie 17.
Au lieu ou en plus de la batterie 17, le moniteur peut comprendre un récepteur d'énergie sans-fil pour recevoir de l'énergie transmise au moniteur 1 par un transmetteur d'énergie externe sans-fil. La partie analyseur et de communication du moniteur 1 comprend ainsi le circuit de traitement de bruit 5, les moyens de détection de mouvement 7, le microcontrôieur 9, le transmetteur 11, l'antenne 15 et la batterie 17.
Le transmetteur 11 et l'antenne 15 forment un système de communication sans-fil.
Le moniteur 1 est configuré pour effectuer une mesure de l'activité cardiaque par la technique de la photoplétysmographie (PPG).
Le capteur 3 comprend au moins un émetteur optique 19, par exemple, une LED dont la longueur d'onde est comprise entre 750 et 990 nm et au moins un détecteur optique 21 apte à détecter une longueur d'onde comprise entre 750 et 990 nm.
Comme illustré sur la Figure 2a, la LED 19 est positionnée au-dessus et proche du détecteur optique 21. Alternativement, les postions de la LED 19 et du détecteur optique 21 peuvent être inversées. La réflexion cutanée de la lumière émise par la LED au niveau du plexus veineux intradermique ou alternativement au niveau de l'artère poplitée est captée par le détecteur optique 21 et le signal PPG généré par celui-ci est fourni au circuit de traitement de bruit 5.
Ce circuit 5 est configuré pour filtrer le bruit présent dans le signa! PPG.
Le signal PPG filtré est ensuite fourni au microcontrôleur 9. Le microcontrôleur 9 utilise un algorithme permettant de numériser et traiter le signal PPG afin de déterminer les battements cardiaques.
Le microcontrôleur 9 est configuré pour changer d'algorithme de traitement du signai PPG lorsque les moyens de détection de mouvement 7 détectent un mouvement du moniteur 1 et fournit un signal de mouvement au microcontrôieur 9.
Le microcontrôleur 9 fournit des données concernant les battements cardiaques mesurés au transmetteur 11 pour i'envoi vers un dispositif utilisateur de traitement 23 (Figure 4) par l'intermédiaire de l'antenne 15.
Le transmetteur 11 est un transmetteur RF. La radio-communication utilisée pour les données est basée, par exemple, sur un module RF certifié par l'entreprise sans fi! AMBER. Le rnoduie fonctionne avec une fréquence normalisée, comme par exemple 868 MHz. Alternativement, ie transmetteur est, par exemple, un transmetteur Bluetooth.
Le transmetteur 11 est en outre configuré pour recevoir de l'énergie sans-fil émise par un transmetteur d'énergie externe sans-fil et pour alimenter le moniteur 1 en énergie.
Le moniteur 1 inclut un boîtier 25 muni d'un guide 27 pour recevoir une attache élastique 29 (Figures 2a et 2b). La Figure 3 illustre le moniteur 1 disposé et maintenu au niveau du tibia d'un utilisateur par l'attache élastique 29.
Le guide 27 assure de bien placer le capteur 3 entre l'attache 29 et la peau de l'utilisateur de sorte que la pression soit optimale. La forme extérieure d'un support 31 du capteur 3 est aussi importante, elle est arrondie et en saillie par rapport à la surface extérieure du boîtier 25 (Figure 2b) de l'ordre de 0.3 mm ou plus (entre le sommet et la surface du boîtier) et a été choisie pour que la partie ou zone en contact avec la peau s'incruste légèrement dans la peau, quitte à la marquer lorsque le moniteur 1 est porté longtemps. Cette incrustation peut être de l'ordre de 0.3 mm ou plus. Le boîtier 25 produit moins de pression sur la peau,
Dans une variante de la présente invention, le capteur 3 peut être déboité et séparé du reste du circuit et du moniteur 1 et remplacé par un autre capteur ayant des caractéristiques optiques différentes mieux adapté à la peau du sujet, au type des mesures envisagées, au lieu d'application ou encore à l'environnement.
Le moniteur 1 peut en outre inclure un haut-parleur 33 pour générer un son audible pour l'utilisateur lorsqu'un battement cardiaque est mesuré. Le microcontrôleur 9 est configuré pour générer le son pour chaque battement cardiaque détecté ou alternativement lorsque la fréquence cardiaque n'est plus dans une gamme de fréquence cardiaque pré-enregistrée par l'utilisateur.
Le système de présentation d'activité cardiaque comprend le moniteur 1 et le dispositif utilisateur de traitement 23 (Figure 4), Le dispositif utilisateur de traitement 23 (Figure 4) inclut un récepteur RF 35 reiié à une antenne 37, un processeur 39 et un écran 41. Le dispositif 23 est configuré pour recevoir et stocker les données concernant les battements cardiaques envoyées par le transmetteur 11 et pour traiter et afficher ces données sur l'écran 41 (ainsi que toutes données mesurées et envoyées par le moniteur 1).
Le dispositif utilisateur de traitement 23 peut être un ordiphone (Figure 5) ou un ordinateur.
La présente invention est aussi relative à un système 43 d'acquisition d'image et de rythme cardiaque (Figure 6). Ce système comprend, outre le moniteur 1 et le dispositif utilisateur de traitement 23, au moins une caméra externe (ou interne dans le cas d'un ordiphone) utilisée pour fournir des images de l'utilisateur au dispositif utilisateur de traitement 23 qui est configuré pour superposer les images et les données concernant les battements cardiaques reçues et les afficher sur l'écran 41.
La présente invention concerne en outre un système 45 de diffusion d'activité cardiaque de multiples compétiteurs (Figure 7). Le système 45 comprend une pluralité de moniteurs la, lb, une station de radiodiffusion et une centrale de réception 47.
Chaque moniteur 1 a une identification unique, par exemple, son numéro de série et il est configuré pour transmettre cette identification ainsi que les données concernant les battements cardiaques mesurés à la centrale de réception 47. La centrale de réception 47 inclut un récepteur RF apte à recevoir les signaux transmis par chaque moniteur 1 comportant l'identification et les données concernant les battements cardiaques mesurés, La centrale de réception 47 est en outre configurée pour identifier chaque compétiteur basé sur l'identification reçue et pour transmettre le nom du compétiteur et ses données concernant ses battements cardiaques mesurés (ainsi que des données concernant d'autres mesures effectuées) à la station de radiodiffusion, par exemple par WiFi, où ces données sont superposées sur les images de la compétition et diffusées au public (par exemple sur un écran géant 49 dans un stade).
L'invention se différencie de l'état de ia technique notamment par les points suivants (ceux-ci ne sont pas forcément tous présents dans chaque variante de l'invention) : 1. Un seul capteur pour détecter les battements du coeur et le mouvement 2. Puissance élevée pour un système fonctionnant sur batterie, contrairement aux montres, et principe de mesure auto-adaptatif.
3. Calibrage automatique de la puissance
4. Sensibilité plus élevée que d'habitude
5. Position
6. Attache spécifique pour le serrage
7. Combinaison des 3 modes de communication : pour répondre aux besoins des compétitions, de f'entrainernent et de la santé des athlètes
8. Intégration du capteur sur l'équipement sportif: arc
9. Combinaison d'un capteur PPG (photopléthysmographie) avec un altimètre
10. Packaging adapté à tous milieux hostiles
1 1. Usage multiple du capteur PPG
12. PPG avec transmission sans fil de l'énergie et /ou des données
13. PPG combiné avec une mesure de la résistivité de Sa peau
14. Oxymétrie, un complément intéressant
15. Utilisation conjointe avec un capteur de force
16. Pluralité des points de mesure
17. Synchronisation entre l'image vidéo et le rythme cardiaque
18. Fixation du module de mesure sur le sujet
19. Réalisation où le capteur est séparé de ia partie processeur/transmission
20. Réaiisation où les détecteurs et émetteurs optiques sont aussi utilisés comme moyen de communication
1. Un seul moniteur 1 pour détecter les battements du cœur et le mouvement
Avantageusement, l'analyse du signal dissocie les battements cardiaques et les mouvements de l'athlète. Le logiciel, inclus dans le moniteur 1, observe (e signal et, après toute une suite de déductions, est capable d'isoler le signai cardiaque de l'ensemble du signai mesuré. Cette particularité a été rendue possible grâce à l'obtention d'un signai peu bruité qui permet une mesure avec une résolution supérieure à 10 bits. Ainsi il devient possible de distinguer le signal cardiaque malgré de grandes différences de teintes de peau, allant du blanc au noir en passant par des peaux mates. 2. Puissance élevée pour un système fonctionnant sur batterie, contrairement aux montres et principe de mesure auto-adaptatif.
Le signal lumineux est produit par le passage d'un courant supérieur à 20 mA dans la LED 19, dont la longueur d'onde est comprise entre 750 et 990 nm ; le photo¬ détecteur 21 utilisé est sensible dans la même gamme de longueurs d'onde. La lumière perçue par ie phototransistor 21 a comme effet de décharger une capacité préalablement chargée. L'impulsion lumineuse est maintenue jusqu'à ce que la tension aux bornes de la capacité soit inférieure à un certain seuil, réglable manuellement, automatiquement ou non réglable. La capacité sera placée à proximité immédiate du photo-détecteur 21 car des fils de plusieurs cm perturberaient la mesure. La capacité est élevée : elle vaut entre 100 nF et 10 μF selon la sensibilité recherchée. Afin de permettre un fonctionnement sur batterie, la mesure n'est répétée qu'un certain nombre de fois par seconde, allant de 100 à 5.
Le capteur 3 peut comprendre plusieurs LED ou photo-détecteurs caractérisés par des longueurs d'ondes différentes les unes des autres permettant d'obtenir davantage d'information que simplement le rythme cardiaque : différentes profondeurs peuvent être observées, et ies paramètres habituellement mesurés par la photopiétysmographie sont accessibles : saturation artérielle en oxygène, problèmes cardiaques ou vascuiaires, respiration. 3. Calibrage automatique de la puissance
Selon une autre aspect de la présente invention, le moniteur 1 est configuré pour ajuster automatiquement les conditions d'utilisation du capteur 3 dans le but de consommer un minimum d'énergie. Ainsi le réglage du courant est choisi automatiquement pour obtenir une précision suffisante et réduire la consommation ; des peaux transparentes provoqueront ainsi une consommation inférieure pour une même précision que des peaux sombres.
Afin d'accroître la sensibilité, les possibilités de mesure et de faciliter la pose du capteur au bon endroit sur la peau, le capteur 3 inclut une piuralité de détecteurs 21 ou une matrice de détecteurs 21. De même, et pour ies mêmes raisons, le capteur 3 inclut une source lumineuses 19 ou une pluralité de sources lumineuses 19.
Le moniteur 1 est apte à déterminer la combinaison source lumineuse/détecteur, source lumineuse/détecteurs, sources lumineuses/détecteur ou sources lumineuses/détecteurs ayant le meilleur rapport signal sur bruit.
Le moniteur détermine ainsi le couple émetteur optique / détecteur optique ou transmetteurs optiques / détecteurs optiques fournissant un signal PPG permettant d'effectuer une photoplétysmographie.
Le moniteur 1 est ainsi configuré pour utiliser la pluralité de sources lumineuses et de détecteurs pour optimiser la sensibilité du moniteur.
Le moniteur 1 est en outre configuré pour utiliser la pluralité de sources lumineuses et de détecteurs pour augmenter le nombre de paramètres mesurables et/ou pour aider l'utilisateur à localiser le meilleur endroit pour positionner le capteur 3. 4. Sensibilité plus élevée que d'habitude
Le système se caractérise par une sensibilité plus élevée que d'habitude dans ce genre de produits. Cette caractéristique a été recherchée afin de permettre de placer le capteur 3 en des endroits divers du corps, et permettre ainsi de répondre aux attentes des utilisateurs qui seraient gênés de se voir imposer un endroit précis pour mettre ie capteur 3. Ainsi le capteur peut être placé soit sur une artère, sur une veine ou encore sur des vaisseaux capillaires. 5. Position
Le capteur peut être positionné de manière avantageuse sur la tête, la main, l'avant-bras ou la jambe. Pour un archer, l'endroit le plus favorable se trouve sur le tibia, à l'interface entre le muscle et l'os, donc la partie frontale de la jambe, ou alors carrément sur l'os du tibia. 6. Attache spécifique pour le serrage
Pour permettre d'appliquer au mieux le capteur optique 3 sur la peau, le boîtier 25 est muni du guide 27 pour l'attache élastique 29, Ce guide assure de bien placer le capteur optique entre l'attache et ia peau> de sorte que la pression soit maximale. La forme du support 31 du capteur optique est aussi importante, elle a été choisie pour que la partie en contact avec la peau s'incruste légèrement dans la peau, quitte à la marquer lorsque le dispositif est porté longtemps. Le reste du boîtier 25 produit alors moins de pression sur la peau. Dans certains cas on séparera par des fils ia partie capteur du reste du circuit. 7. Combinaison des 3 modes de communication: pour répondre aux besoins des compétitions, de l'entraînement et de la santé des athlètes
Plusieurs modes de communication peuvent être sélectionnés, dont ia combinaison est parfois nécessaire pour répondre aux besoins des utilisateurs et des organisateurs d'événements. A cet effet, une liaison magnétique NFC (Near Field Communication) ou un tag optique sont utilisés pour permettre une identification rapide et facile par un terminal tel un ordiphone. On peut en outre configurer une liaison radio de courte distance pour permettre une communication entre le moniteur 1 et un système personnel d'affichage, tel un ordiphone ou une tablette PC. On peut également configurer un réseau radio pour permettre à plusieurs capteurs d'acheminer leurs données vers une centrale de réception, destinée à collecter les données pour leur affichage ou pour la médiatisation des résultats à la télévision, comme illustré dans la Figure 7. 8. Intégration du capteur sur l'équipement sportif: arc
Le capteur 3 ou moniteur 1 peut avantageusement être intégré sur un équipement médical ou sportif, comme par exemple sur un arc. 9. Combinaison d'un capteur PPG avec un altimètre
Le moniteur 1 peut avantageusement être combiné à un altimètre pour suivre en fonction de l'altitude l'évolution des paramètres mesurés par le capteur PPG. 10. Packaging adapté à tous milieux hostiles
Packaging (boîtier 25 et support 31) adapté à tous îes milieux hostiles (vide dans l'espace, grandes eaux profondes, ...) 11. Usage multiple du capteur PPG
Utilité d'une part pour ia prise de mesure du rythme cardiaque et d'autre part dans la transmission des données entre le moniteur 1 et le monde extérieur. 12. PPG avec transmission sans fil de l'énergie et /ou des données
Par induction magnétique ou signal lumineux. On peut ainsi tirer profit d'une LED et d'un capteur photosensibie nécessaire pour un PPG. 13. PPG combiné avec une mesure de la résistivité de ia peau
Selon un autre aspect de la présente invention, le capteur 3 inclut en outre des électrodes 51, par exemple, au moins deux électrodes courbées (non-plates) et le moniteur 1 est configuré pour mesurer et déterminer la résistivité de la peau par l'intermédiaire de ces électrodes et un algorithme stocké dans ie moniteur 1.
Le microcontrôleur 9 fournit les données concernant la résistivité (impédance) de ta peau au transmetteur 11 pour l'envoi vers le dispositif utilisateur de traitement 23. Le dispositif utilisateur de traitement 23 est apte à traiter et simultanément présenter ces données concernant la résistivité de la peau ainsi que les données concernant les battements cardiaques mesurés. L'utilisation conjointe par les algorithmes de la mesure du rythme cardiaque et de la résistivité de ia peau constitue un moyen efficace pour cerner les changements d'état émotionnel du sujet. En effet, l'activité cardiaque évolue en fonction des émotions et des efforts. La résistivité de la peau évolue en fonction des mouvements et des émotions. Par exemple, un changement de ia valeur de la résistivité par unité de temps supérieur à un seuil prédéterminé signale une augmentation significative du niveau du stress d'un archer lors d'une préparation d'un tir. De ce fait l'extraction de l'état d'émotivité du sujet en est facilitée, ainsi que la qualification du mouvement du sujet,
Dans cette réalisation de la présente invention, nous avons tiré avantage du fait qu'un substrat unique peut recevoir les deux types de mesure sans se perturber. En effet, d'un côté on a un système optique, et de l'autre un système électrique. Les deux peuvent cohabiter sans peine.
L'autre avantage de la combinaison entre ces deux capteurs est une mesure de la qualité du serrage. Du fait que ies électrodes ne sont pas plates, le contact avec la peau va varier en fonction du serrage. Le moniteur 1 est configuré pour signaler que la qualité du serrage est acceptable par exemple, en allumant une LED ou émettant un son lorsque la valeur de la résistivité est supérieure à un seuil prédéterminé ou lorsque la résistivité de la peau mesurée est dans une gamme prédéterminée.
Le moniteur 1 inclut ainsi des moyens pour simultanément fournir des données relatives à un changement de l'état émotionnel d'un athlète et informer l'utilisateur sur la qualité du serrage du moniteur contre ia peau.
Un seul signal mesuré par ces moyens permet de simultanément déterminer un changement de l'état émotionnel d'un athlète et une qualité du serrage du moniteur 1 contre la peau. 14.Oxymétrie, un complément intéressant
L'architecture du PPG a l'avantage de permettre la réalisation simple d'une mesure du taux de saturation d'oxygène, qui permet alors la mesure de ia fréquence de la respiration du sujet. Pour permettre cette mesure le moniteur 1 est équipé d'un canal PPG supplémentaire dont Sa longueur d'onde est comprise dans ie rouge visible, par exemple 660nm, en complément du canal situé dans l'infra-rouge entre 750 et 990 nm. Le capteur 3 inclut en outre une LED dans le rouge visible (par exemple 660nm) et un détecteur optique correspondant. De plus, le moniteur utilise un algorithme permettant de numériser et traiter le signal PPG supplémentaire afin de déterminer un taux de saturation d'oxygène. Le microcontrôleur 9 fournit les données concernant le taux de saturation d'oxygène au transmetteur 11 pour l'envoi vers le dispositif utilisateur de traitement 23. 15. Utilisation conjointe avec un capteur de force
Selon un autre aspect de la présente invention, le boîtier 25 ou le support 31 inclut un capteur de force, par exemple un Force-sensing resistor (FSR) ou une jauge de contrainte, sur sa surface extérieure. L'utilisation conjointe par les algorithmes de la mesure du rythme cardiaque et de la force de serrage fournie par ce capteur de force offre l'avantage de s'assurer que le capteur 3 est posé correctement. Un autre avantage est qu'on obtient une mesure indirecte du mouvement du sujet, qui nous permet alors de réaliser sans frais supplémentaire un podomètre ou encore de déterminer des niveaux d'activité du sujet. L'utilisation de capteurs magnétiques ou de capteurs d'inertie comme, par exemple des accéléromètres et des gyroscopes, est bien sûr aussi possible pour tenir compte du mouvement. Des algorithmes stockés dans !e moniteur 1 ou dispositif utilisateur de traitement 23 peuvent s'accommoder de chacune de ces sources d'information. 16. Pluralité des points de mesure
L'application sur le même sujet de plusieurs moniteurs 1 et capteurs 3 offre un moyen supplémentaire de discriminer, !ors de ia mesure PPG, l'effet dû au mouvement propre du sujet et celui dû aux battements cardiaques. En effet, en choisissant bien le positionnement des moniteurs 1, le rythme cardiaque sera perçu de la même manière, alors que l'effet du mouvement sera perçu différemment. Les algorithmes du moniteur 1 peuvent alors pius facilement extraire le rythme cardiaque du signai PPG. 17. Synchronisation entre l'image vidéo et le rythme cardiaque
L'utilisation d'une caméra synchronisée avec la mesure du rythme cardiaque, telle qu'illustré dans la Figure 6, et éventuellement d'autres mesures physiologiques offre plusieurs avantages : d'une part les meilleurs moments d'un événement peuvent être enregistrés et reproduits plus tard, sans ambiguïté sur ia simultanéité des images et des mesures livrées par le module de mesure. Ceci se fera par exemple dans un but d'amélioration du geste sportif, amélioration qui tiendra compte non seulement de i'aspect du geste, mais également de ses impiications physiologiques. D'autre part les informations synchronisées seront facilement exploitables lors de fa médiatisation du sport,
Le système 43 d'acquisition d'image et de rythme cardiaque comporte une ou plusieurs caméras, et peut en outre comporter un ou plusieurs canaux de mesure sur un ou plusieurs sujets.
Le système 43 peut aussi inclure des accessoires permettant l'activation ou la désactivation de l'enregistrement, comme par exemple un interrupteur à pied. Le système 43 est portable et fonctionne sur batteries. De plus, l'adjonction au système 43 d'un retard réglable par l'utilisateur lui permet de décider une fois son tir terminé, s'il veut enregistrer ou non sa performance. Ainsi, lorsque l'athlète sent que son geste est particulièrement juste, ou qu'il contient une caractéristique intéressante, alors il peut décider de conserver l'enregistrement de sa performance, ceci avec un minimum de difficulté et de temps. Il peut encore ajouter des commentaires à son enregistrement.
18. Fixation du moduie de mesure sur le sujet
L'utilisation de bandes de fixation élastiques 29 est recommandée. Un avantage vient de l'usage de bandes élastiques dont le matériau adhère sur lui-même, comme par exemple de type Coban de la société 3M. Cette bande autoadhésive a été déterminante pour permettre une fixation à la fois ergonomique, bon marché et hygiénique. En effet ce type de bandage peut être changé à chaque usage sans occasionner de frais excessifs. De plus ii ne nécessite aucune fixation, qui pourrait être gênante.
19. Réalisation où ie capteur est séparé de la partie processeur/transmission
L'avantage de séparer en deux parties distinctes la réalisation du moniteur 1 de mesure réside dans le fait que le système pourra être facilement adapté aux besoins, par le changement du capteur 3de mesure ou, simplement, par le changement de la longueur du câble d'interconnexion : selon la peau du sujet, selon ie type des mesures envisagées, selon leur lieu d'application ou encore selon l'environnement.
20. Réalisation où les détecteurs et émetteurs optiques sont aussi utilisés comme moyen de communication
L'avantage d'utiliser ies détecteurs et émetteurs optiques non seulement pour la fonction de capteur, mais aussi pour transmettre des données est évident en termes de coûts de fabrication. Une réalisation intéressante du moniteur est, par exemple, de permettre de remplacer le logiciel embarqué sur le moniteur en utilisant une ou plusieurs LED et un ou plusieurs photodétecteurs comme interface de communication.
On comprendra que diverses modifications et / ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l'invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications annexées. Les différents modes de réalisation de l'invention décrits dans la présente description peuvent être combinés.

Claims

REVENDICATIONS
1. Moniteur (1) d'activité cardiaque pour activité sportive, en particulier le tir à l'arc, comprenant un capteur (3) de type PPG et un système de fixation (27,29,31) adapté pour positionner ledit capteur (3) face à une zone du corps permettant d'effectuer une photoplétysmographie, caractérisé par le fait que le système de fixation (27,29,31) est adapté pour positionner le capteur (3) au niveau du tibia, à l'interface entre le muscle et l'os.
2. Moniteur ( 1) d'activité cardiaque selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détection de mouvement (7) du moniteur (1), et en ce que le moniteur (1) est configuré pour arrêter d'effectuer la photoplétysmographie lorsque les moyens de détection de mouvement (7) détectent un mouvement du moniteur ( 1).
3. Moniteur ( 1) d'activité cardiaque selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (51) pour simultanément déterminer un changement de l'état émotionnel d'un athlète et une qualité du serrage du monitor (1) contre la peau.
4. Moniteur ( 1) d'activité cardiaque selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le capteur comprend au moins un émetteur optique (19) dont la longueur d'onde est comprise en 750 et 990 nm et au moins un détecteur optique (21) apte à détecter la lumière émise par le émetteur optique (19),
5. Moniteur ( 1) d'activité cardiaque selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant une capacité de 100 nF à 10 pF connectée à un phototransistor de sorte que ce dernier puisse charger ou décharger la capacité,
6. Moniteur ( 1) d'activité cardiaque selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le système de fixation (27, 29, 31) comprend des moyens (31) permettant d'incruster dans la peau une zone de contact du capteur (3).
7. Moniteur ( 1) d'activité cardiaque selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un système de communication sans-fil ( 11, 15) pour !a transmission de l'activité cardiaque mesurée.
8. Moniteur (1) d'activité cardiaque selon la 'revendication précédente caractérisé en ce que le système de communication sans-fil (11, 15) est en outre configuré pour recevoir de l'énergie par l'intermédiaire d'une onde électromagnétique et pour alimenter le moniteur (1) en énergie.
9. Moniteur (1) d'activité cardiaque selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre des moyens adaptés pour la mesure du taux d'oxymétne.
10. Moniteur (1) d'activité cardiaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il inclut en outre un capteur de force pour mesurer un niveau d'activité de l'athlète.
11. Ensemble constitué d'un moniteur (1) d'activité cardiaque selon l'une quelconque des revendications précédentes et d'un altimètre et/ou capteur de pression.
12. Moniteur (1) d'activité cardiaque selon Tune quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de détecteurs optiques (21) et en ce que le moniteur (1) est configuré pour déterminer le détecteur optique (21) ou les détecteurs optiques (21) parmi la pluralité de détecteurs optiques (21) fournissant un signal PPG permettant d'effectuer une photoplétysmographie.
13. Moniteur (1) d'activité cardiaque selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de émetteurs optiques (19) et en ce que le moniteur (I) est configuré pour déterminer le coupie émetteur optique (19) / détecteur optique (21) ou émetteurs optiques (19) / détecteurs optiques (21) fournissant un signa! PPG permettant d'effectuer une photoplétysmographie.
14. Système comprenant le moniteur (1) d'activité cardiaque selon l'une quelconque des revendications précédentes et un dispositif utilisateur de traitement (23) apte à recevoir et stocker les données envoyées par le moniteur ( 1) et pour traiter et afficher ces données,
15. Système de diffusion d'activité cardiaque de muitiples compétiteurs incluant une piuraiité de moniteurs ( 1) d'activité cardiaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, une station de radio diffusion et une centrale de réception (47), la centrale de réception (47) étant configurée pour identifier chaque utilisateur des moniteurs (1) sur la base d'un identificateur envoyé par ie moniteur ( 1) et pour transmettre le nom d'un utilisateur et des données mesurées concernant son activité cardiaque et l'impédance de sa peau à la station de radiodiffusion, la station de radiodiffusion étant configurée pour superposer ces données sur une image du compétiteur et pour diffuser l'image.
16. Moniteur (1) d'activité cardiaque selon ia revendication 4, caractérisé en ce que le moniteur est configuré pour remplacer un logiciel embarqué par l'intermédiaire de l'émetteur optique (19) et du détecteur optique (21) utilisés comme interfaces de communication.
17. Moniteur (1) d'activité cardiaque selon l'une quelconque des revendications 2 à 13, caractérisé en ce que les moyens de détection de mouvement (7) comportent un détecteur du champ magnétique terrestre ou un détecteur d'inertie.
PCT/IB2013/058709 2012-09-21 2013-09-20 Moniteur d'activité cardiaque pour le tir à l' arc WO2014045243A1 (fr)

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