Notre Technologie

Notre technologie brevetée

Ballistocardiographie

La ballistocardiographie est une méthode de surveillance non intrusive de l’activité cardiaque. Elle a été inventée à la fin du XIXe siècle mais a été remplacée par les premiers électrocardiographes, plus précis à l’époque. Aujourd’hui, avec les nouvelles technologies de capteurs, le traitement du signal numérique et l’intelligence artificielle, cette technologie suscite un regain d’intérêt. Le principe de la ballistocardiographie est analogue à celui de la sismologie : lorsque le cœur bat, le sang éjecté traverse l’artère aorte et génère une micro-vibration. Ce phénomène mécanique permet une surveillance cardiaque par le biais de mesures sans contact de la variation de pression (avec une jauge de contrainte) ou d’une déformation (avec des accéléromètres) du lit ou du matelas. 

Source vidéo : Blausen 

Le babyphone Fealing utilise un accéléromètre ultra-sensible pour enregistrer les micro-vibrations du corps et utilise la ballistocardiographie pour enregistrer l’activité cardiaque sans contact, au lieu de l’électrocardiographie, standard hospitalier très intrusif et peu confortable pour les bébés. D’autres signes vitaux, tels que l’activité respiratoire et l’activité motrice, sont également mesurés.

Fealing associe ce procédé à des algorithmes de traitement du signal et de machine learning adaptés afin : 

  • d’analyser les cycles du sommeil
    Les variations des rythmes cardiaque et respiratoire sont des données très pertinentes pour l’étude des cycles du sommeil. En analysant ces données, Fealing renvoie des informations sur la qualité du sommeil du bébé.
  • de dépister des maladies cardiorespiratoires
    Les maladies cardiorespiratoires sont usuellement diagnostiquées par des examens intrusifs tels que des électrocardiographies / ECG, des échographies ou encore des polysomnographies. Ces examens sont particulièrement longs et nécessitent un déplacement à l’hôpital; Fealing permet d’avoir un premier diagnostic rapide sur une éventuelle pathologie du bébé.

Cette technologie est breveté

Algorithmes

Les algorithmes de traitement de signal interprètent les micro-vibrations détectées par le babyphone et identifient une signature cardiaque, respiratoire et motrice propre à chaque patient. Ainsi, les signes vitaux tels que la fréquence cardiaque, la fréquence respiratoire et l’amplitude des mouvements sont mesurés et les cycles de sommeil déterminés.

Les médecins qui contribuent au développement du babyphone Fealing comparent les mesures de notre dispositifs aux références hospitalières pour faire la distinction entre les patients malades et les patients sains. Une intelligence artificielle est développée et pourra à terme faire de la médecine préventive. 

Le graphe ci-dessous est un exemple de mesures brutes par l’accéléromètre du babyphone d’une part ; d’autre part leur traitement pour en extraire le ballistocardiogramme, c’est à dire les micro-vibrations qui proviennent du coeur, les battements cardiaques et la fréquence cardiaque. 

graphique de traitement du signal

Intégration textile

Selon le type de lit et de matelas utilisés, la qualité du signal enregistré peut être dégradée. Fealing possède une expertise dans l’intégration textile. La robustesse au bruit ambiant a également été étudiée et un algorithme spécifique de détection du rythme cardiaque a été conçu dans le cas du ballistocardiogramme chez le bébé, dont l’amplitude peut être environ 30 fois inférieure à celle des adultes en raison de son faible poids et de sa faible force contractile cardiaque. L’amplification analogique est également nécessaire pour obtenir de bonnes performances de détection et concerne généralement l’électronique et les capteurs. Nous avons observé que la nature de la literie et du cadre de lit modifie la propagation de la force d’éjection vers le capteur, en particulier en cas de mousse visqueuse ou de lits médicalisés rembondissants: les comportements mécaniques de la literie et du cadre de lit peuvent jouer un rôle dans l’amplification du signal. Nous avons breveté une solution permettant d’intégrer intelligemment le babyphone dans du textile. Ainsi, le babyphone est compatible pour tous types de lit.

Publication de notre fondateur Guillaume Cathelain

Notre fondateur Guillaume est un chercheur reconnu et spécialiste de la ballistocardiographie, méthode de mesure sans contact de la santé.

Voici quelques publications :

https://www.researchgate.net/profile/Guillaume_Cathelain

Ci dessous des résumé de ces articles de recherche

Professeur François Jouen est directeur d’étude à l’Ecole Pratique des Hautes Etudes et chercheur en physiologie

Dr Jean Bergounioux est PU-PH (professeur universitaire – praticien hospitalier) en réanimation pédiatrique à l’Assistance Publique des Hôpitaux de Paris. 

Guillaume Cathelain est chercheur en traitement de signal et intelligence artificielle, et expert en ballistocardiographie. 

Co-auteurs sur certaines publications : B. Rivet, S. Achard

La surveillance des signes vitaux des nouveau-nés peut être nocive et entraîner des troubles du développement. La ballistocardiographie (BCG), une méthode de surveillance de la fréquence cardiaque sans contact, a le potentiel de réduire cette douleur de surveillance. Cependant, l’analyse de ces signaux est difficile à cause du bruit, de la variabilité physiologique inhérente et des artefacts (par exemple, la modulation d’amplitude respiratoire et les changements de position du corps). Nous proposons donc un nouvel algorithme de détection des battements cardiaques par une méthode de correspondance de modèles, avec comme distance la déformation temporelle dynamique (DTW). Un modèle de battement de cœur est automatiquement entraîné et les battements de cœur potentiels les plus similaires dans le signal sont classés positifs. Les étapes de normalisation des données et de DTW surmontent les problèmes d’amplitude et de variabilité temporelle. L’algorithme de correspondance du modèle DTW a été testé sur des enregistrements BCG de 20 à 50 minutes de dix adultes en bonne santé dans un environnement bruité. Il convient aux applications médicales, en temps réel et à faible coût.

La ballistocardiographie (BCG), une méthode de surveillance de la fréquence cardiaque sans contact, a le potentiel de mesurer les signes vitaux et de réduire la douleur et l’inconfort des nouveau-nés. Elle utilise un accéléromètre placé sur le côté du matelas. Comme l’amplitude du signal est très faible, le conditionnement du signal analogique a besoin d’un gain d’amplificateur élevé et est donc très sensible aux valeurs continues et au bruit. Cependant, les filtres de découplage analogique habituels sont lents à se stabiliser, et l’ensemble individu plus lit peut être modélisé comme un système mécanique masse-ressort-amortissement qui génère du bruit à sa fréquence de résonance. Par conséquent, le signal BCG est susceptible de saturer pendant plusieurs secondes chaque fois que l’individu bouge. Nous présentons un nouveau circuit électronique de conditionnement intelligent pour ballistocardiographie qui identifie la fréquence de résonance du système, filtre la valeur continue et le bruit, et amplifie fortement le signal BCG sans saturation après le mouvement du patient. Il a été testé avec succès sur un modèle expérimental et ouvre des possibilités pour des applications médicales, en temps réel et à faible coût.

La ballistocardiographie (BCG), une méthode de surveillance de la fréquence cardiaque sans contact, a le potentiel de mesurer les signes vitaux et de réduire la douleur et l’inconfort des nouveau-nés. Elle utilise un accéléromètre placé sur le côté du matelas. Cependant, les natures de literie et de cadre de lit peuvent altérer la propagation de la force d’éjection vers le capteur, en particulier en cas de mousse visqueuse ou d’amortissement des lits médicaux. Comme les nouveau-nés ont une force d’éjection plus faible que les adultes, les battements cardiaques sont parfois indétectables avec les systèmes BCG habituels.

La contribution de la nature de la literie à l’amplitude du BCG est étudiée et une literie guide d’ondes est conçue pour amplifier le signal du BCG : un volontaire adulte en bonne santé est invité à se reposer en position couchée sur un lit. Un accéléromètre sans contact enregistre le BCG pendant une minute sur la surface du lit, à vingt centimètres du thorax. L’amplitude des battements cardiaques est comparée pour différentes literies guides d’ondes, avec ou sans housse de matelas. Une autre expérimentation applique ce principe avec un smartphone qui comprend un accéléromètre sans aucune amplification électronique, en comparaison avec un système BCG habituel. Les litières de guides d’ondes sélectionnées amplifient de manière significative jusqu’à 50% les battements cardiaques les plus petits du signal BCG. Le BCG mesuré par smartphone a également été amplifié avec la literie du guide d’ondes et les battements cardiaques ont pu être détectés.

Les choix de la literie et du cadre de lit doivent être pris en compte pour les systèmes de mesure BCG. La literie guides d’ondes amplifie la force d’éjection générée lors de la systole et offre la possibilité de développer une méthode de surveillance sans contact sur smartphone pour l’activité cardiaque mécanique des nouveau-nés.

La surveillance des signes vitaux des nouveau-nés peut être nocive et entraîner des troubles du développement. La ballistocardiographie, une méthode de surveillance de la fréquence cardiaque sans contact, a le potentiel de réduire cette douleur de surveillance. Cependant, le traitement du signal est difficile à cause du bruit, de la variabilité physiologique inhérente et des artefacts (par exemple, la modulation de l’amplitude respiratoire et les changements de position du corps). Nous proposons une nouvelle méthode de détection du rythme cardiaque utilisant des réseaux de neurones pour apprendre cette variabilité. Un modèle U-Net prend des enregistrements de trente secondes comme entrées et agit comme un filtre non linéaire. Pour chaque enregistrement, il génère les probabilités d’échantillonnage d’appartenance aux segments IJK. Un algorithme de détection des battements cardiaques détecte enfin les battements cardiaques de ces segments, sur la base d’un critère de distance. L’U-Net a été entraîné sur 30 sujets et testé sur 10 sujets, en bonne santé et âgés de 8 à 74 ans. Les battements cardiaques ont été détectés avec une précision de 92% et un rappel de 80%, avec des optimisations possibles à l’avenir pour obtenir de meilleures performances.

Pour en savoir plus

C-S. Kim, S. L. Ober, M. S. McMurtry, B. A.  Finegan, O. T. Inan,and R. M. Hahn,“Ballistocardiogram: Mechanism and Potential for Unobtrusive Cardiovascular Health Monitoring”, Nature Scientific Reports,  vol. 6, Aug. 2016, Art. No. 31297.

G. Cathelain, B. Rivet, S. Achard, J. Bergounioux, F. Jouen, « Dynamic Time Warping for Heartbeat Detection in Ballistocardiography », Computing in Cardiology, vol 46, 2019.

Les brevets et articles scientifiques de Fealing sont en cours de publication. La recherche est réalisée en collaboration avec l’Université Paris Sciences Lettres et l’Ecole Pratique des Hautes Etudes.