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RÉSUMÉ
Les wearables désignent l’intégration de capteurs miniaturisés sur ou autour du corps humain pouvant être connectés à un service distant. Cet article vise à dresser un tableau des dispositifs de capteurs connectés portables pour la santé. Les principaux signes vitaux (paramètres physiques, cardiovasculaires, respiratoires, bioélectriques et biochimiques) sont d’abord présentés, ainsi que les technologies de mesure associées. Des enjeux liés au développement de wearables plus performants sont ensuite exposés, entre autres en termes d’architecture, de protocole de communication, d’autonomie énergétique, de technologies d’intégration et d’aspects éthiques.
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Wearables consist of miniaturised sensors embedded on or around the body, that can be connected to a remote server. This article aims to provide a picture of wearables for healthcare. First will be presented the vital signs (physical, cardiovascular, respiratory, bioelectrical, and biochemical parameters) that can be monitored, as well as the corresponding sensing technologies. Then, the challenges related to wearables development will be discussed, regarding architecture, communication protocol, power consumption, integration technologies, and ethical aspects.
Auteur(s)
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Alice LEMARQUAND : Post-doctorante - Laboratoire Électronique, SYstèmes de Communication et Microsystèmes (ESYCOM), UMR 9007, Université Gustave Eiffel, Champs-sur-Marne, France - Laboratoire de Biomécanique Appliquée (LBA), UMRT24 Aix Marseille Université/Université Gustave Eiffel, Marseille, France
-
Gaëlle LISSORGUES : Professeure - Laboratoire Électronique, SYstèmes de Communication et Microsystèmes (ESYCOM), UMR 9007, Université Gustave Eiffel, Champs-sur-Marne, France
INTRODUCTION
Les wearables ou dispositifs connectés portables désignent des solutions à base de capteurs miniaturisés intégrés sur ou autour du corps humain et pouvant être connectés à un service distant pour la collecte des données mesurées. Basés sur des principes essentiellement mécaniques, électriques, optiques ou biochimiques, ces capteurs permettent de mesurer des paramètres physiologiques, en particulier les signes vitaux incluant des paramètres physiques, cardiovasculaires, respiratoires, neurologiques ou biochimiques. Ils se déclinent sous des formes plus ou moins invasives, allant de l’implant au dispositif à porter sous format de vêtement ou d’accessoire.
En tant que part de l’Internet des Objets (IoT pour Internet of Things), les wearables sont aujourd’hui omniprésents et les domaines d’applications sont multiples. De nouveaux produits ne cessent de se développer en réponse à des besoins d’ordre tant médicaux que récréatifs ou sportifs. Cette évolution est associée également aux progrès technologiques d’une part sur les aspects matériels, et d’autre part en gestion des données (stockage, traitement, big data…).
Cet article s’organise en deux parties. Dans la première sont décrits les principaux paramètres physiologiques pouvant être mesurés : paramètres physiques incluant la température et le mouvement, paramètres cardiovasculaires (rythme cardiaque et variabilité, onde de pouls, pression artérielle), paramètres respiratoires (rythme respiratoire et saturation en oxygène du sang) et paramètres biochimiques (glucose, pH, lactate). Les principales technologies de capteurs associées sont également présentées. Une seconde partie s’intéresse aux enjeux et aux problématiques rencontrées lors du développement d’un dispositif connecté portable dans un environnement technologique en pleine évolution (architecture, communication sans fil, solution d’alimentation, intégration, aspects éthiques et réglementaires).
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KEYWORDS
biosensor | wearable | vital sign | physiological parameter
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Problématiques associées au développement de dispositifs portables connectés
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1. Paramètres physiologiques
Afin de développer des solutions wearables, il est nécessaire de caractériser un certain nombre de paramètres physiologiques par des méthodes décrites dans cette partie. L’ordre de grandeur de ces paramètres est donné dans le tableau 1. Basés sur des principes électroniques et mécaniques (transducteurs piézoélectrique, piézorésistif, capacitif), optiques ou électrochimiques, de nombreux capteurs ont ainsi été développés et peuvent être intégrés dans des wearables pour la mesure non invasive des signes vitaux [R 400] . Pour chacun des paramètres, le choix du capteur à utiliser se fait notamment en fonction des spécificités techniques dont la précision, l’étendue de mesure, et la fréquence d’échantillonnage nécessaires.
1.1 Paramètres physiques
Tandis qu’une température élevée du corps est signe d’infection, une baisse de température...
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Paramètres physiologiques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HEIKENFELD (J.), JAJACK (A.), ROGERS (J.), GUTRUF (P.), TIAN (L.), PAN (T.), LI (R.), et al - Wearable sensors : modalities, challenges, and prospects. - In Lab on a Chip – The Royal Society of Chemistry, p. 217-248 – 10.1039/C7LC00914C (2018).
-
(2) - AN (B.W.), SHIN (J.H.), KIM (S.-Y.), KIM (J.), JI (S.), PARK (J.), LEE (Y.), et al - Smart Sensor Systems for Wearable Electronic Devices. - In Polymers – MDPI AG, p. 303 – 10.3390/polym9080303 (2017).
-
(3) - KHAN (Y.), OSTFELD (A.E.), LOCHNER (C.M.), PIERRE (A.), ARIAS (A.C.) - Monitoring of Vital Signs with Flexible and Wearable Medical Devices. - In Advanced Materials (Deerfield Beach, Fla.) – p. 4373-4395 – 10.1002/adma.201504366 (2016).
-
(4) - MAJUMDER (S.), MONDAL (T.), DEEN (M.J.) - Wearable Sensors for Remote Health Monitoring. - In Sensors (Basel, Switzerland) – p. 130 – 10.3390/s17010130 (2017).
-
(5) - TAMURA (T.), HUANG (M.), TOGAWA (T.) - Current Developments in Wearable Thermometers. - In Advanced Biomedical...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Solutions wearables de dispositifs commerciaux
Les dispositifs connectés les plus répandus depuis les années 2020 sont les montres connectées permettant de compléter les fonctionnalités du smartphone [1] [84] [92]. Ces appareils permettent de plus de mesurer des paramètres physiologiques comme le rythme cardiaque, la température, la pression artérielle, l’oxygénation sanguine, le taux de glucose, l’activité électro-dermique, l’accélération ou encore des paramètres environnementaux (température, humidité, altitude, pression atmosphérique, lumière, son, gaz, UV, position GPS). Le poignet représente une localisation pratique et accessible pour le port d’un capteur, bien que sensible aux artefacts de mouvements. Il est à noter que les signaux physiologiques à cet endroit sont de faible amplitude et des transducteurs avec une grande sensibilité doivent donc être utilisés [18]. La sensibilité et la fiabilité de ces dispositifs commerciaux sont discutées dans plusieurs articles, notamment concernant la mesure du rythme cardiaque [93] [94] [95] [96]. Quelques approches pour améliorer ces mesures sont présentées dans l’article de Castaneda et al. [97].
Il existe également des solutions non intégrées multi-capteurs, des solutions sous forme de patch ou de vêtements (généralement des T-shirts). Une liste d’exemples est proposée ci-dessous dans cet annuaire :
a. solutions non intégrées, qui offrent de nombreuses options pour la recherche :
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Biosignalplux ( ...
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