Photopléthysmographie du doigt
Utilise la couleur de ton doigt pour mesurer ton rythme cardiaque.
Description détaillée
La photopléthysmographie (PPG) est une technique optique qui permet de détecter les variations du volume sanguin dans les tissus. Dans cette activité, l'élève utilise le flash LED de son smartphone comme source lumineuse et la caméra comme capteur pour observer les oscillations de luminosité causées par le flux sanguin pulsatile dans son doigt. Chaque battement cardiaque augmente temporairement le volume sanguin dans les capillaires, ce qui modifie l'absorption de la lumière. En analysant ces variations périodiques, l'élève peut déterminer sa fréquence cardiaque et comprendre le principe utilisé dans les montres connectées et les oxymètres de pouls. FizziQ permet d'utiliser directement la caméra du smartphone comme colorimètre pour enregistrer ce signal lumineux en temps réel et consigner la mesure de fréquence cardiaque dans le cahier d'expérience.
Objectifs pédagogiques
- Mesurer une variation périodique de luminosité liée au flux sanguin
- Identifier la relation entre un signal lumineux et le rythme cardiaque
- Comprendre le principe physique de l’absorption de la lumière par le sang
- Déterminer expérimentalement une fréquence cardiaque à partir de données mesurées
- Relier une observation expérimentale à un phénomène physiologique réel
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Colorimètre (mesure de luminosité)
Capteurs
- Caméra
Fonctionnalités FizziQ
- Cahier d'expérience — Consigner la fréquence cardiaque calculée à partir des oscillations et la comparer à la mesure manuelle du pouls au poignet.
Matériel nécessaire
- Smartphone avec l'application FizziQ (instrument Colorimètre) et flash LED fonctionnel
- Un environnement calme pour la mesure
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil de mesure de luminosité comparable.
Protocole expérimental
Ouvre FizziQ et sélectionne l'instrument Luminosité (ou Éclairement).
Active le flash LED de ton smartphone en mode continu.
Place délicatement le bout de ton index sur l'objectif de la caméra, en couvrant également le flash. La lumière du flash doit traverser ton doigt.
Lance l'enregistrement de la luminosité en fonction du temps. Reste immobile et évite de bouger ton doigt.
Enregistre pendant 15 à 20 secondes, puis arrête.
Observe le graphique : tu dois voir des oscillations périodiques. Chaque oscillation correspond à un battement cardiaque.
Le signal varie car le volume sanguin dans ton doigt change à chaque pulsation : plus de sang absorbe plus de lumière, donc moins de lumière atteint le capteur.
Compte le nombre de pics (ou de creux) sur une durée connue. Calcule la fréquence cardiaque : FC = (nombre de pics / durée en secondes) × 60.
Compare cette mesure avec celle obtenue en comptant manuellement ton pouls au poignet pendant 30 secondes.
Note tes résultats dans le cahier d'expérience et conclus sur le principe de la photopléthysmographie utilisée dans les montres connectées.
Résultats attendus
Lorsque le doigt recouvre la caméra et la LED, un signal lumineux variable apparaît sur l’écran. Ce signal présente des oscillations régulières correspondant aux battements du cœur. L’intensité lumineuse diminue légèrement lors de la systole, lorsque le volume sanguin augmente dans le doigt, puis augmente lors de la diastole. La fréquence des oscillations correspond à la fréquence cardiaque, généralement comprise entre 60 et 100 battements par minute au repos. Des variations ou du bruit peuvent apparaître si le doigt bouge ou si la pression sur la caméra change. Une mesure stable nécessite une immobilité relative et une pression modérée du doigt.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi l’intensité lumineuse diminue-t-elle lorsque le cœur se contracte ?
- Comment peut-on déterminer la fréquence cardiaque à partir du graphique obtenu ?
- Pourquoi la lumière verte est-elle particulièrement adaptée à cette mesure ?
- Quels facteurs peuvent perturber la qualité du signal mesuré ?
- En quoi cette technique est-elle similaire à celle utilisée dans les montres connectées ?
Explications scientifiques
La photopléthysmographie (PPG) est une technique non invasive qui détecte les variations du volume sanguin dans les tissus en mesurant les changements d'absorption ou de réflexion de la lumière. Dans cette expérience, la LED du smartphone émet une lumière qui traverse partiellement le doigt, et la caméra mesure l'intensité lumineuse transmise. Le principe repose sur les propriétés optiques du sang: l'hémoglobine absorbe fortement la lumière verte (longueur d'onde ~525-535 nm), tandis que les tissus environnants l'absorbent moins. À chaque battement cardiaque (systole), le cœur propulse le sang dans les artères, augmentant temporairement le volume sanguin dans les capillaires du doigt.
Cette augmentation accroît l'absorption de la lumière, réduisant l'intensité lumineuse détectée. Pendant la phase de relaxation cardiaque (diastole), le volume sanguin diminue, et l'intensité lumineuse augmente. Ce cycle crée une onde pulsatile caractéristique dont la fréquence correspond directement au rythme cardiaque. La lumière verte est préférentiellement utilisée car elle offre le meilleur compromis entre pénétration tissulaire et absorption par l'hémoglobine.
Les montres connectées utilisent effectivement des LEDs vertes pour la même raison. L'asymétrie observée dans les courbes (montée plus rapide que la descente) reflète la physiologie cardiaque: la contraction ventriculaire (systole) est un événement rapide et puissant, tandis que le remplissage (diastole) est plus progressif. Cette technique permet non seulement de mesurer la fréquence cardiaque, mais aussi d'analyser la forme de l'onde de pouls, qui peut révéler des informations sur l'élasticité artérielle et la santé cardiovasculaire.
La PPG est aujourd'hui largement utilisée dans les dispositifs médicaux et les objets connectés, illustrant parfaitement comment un principe physique simple (l'absorption différentielle de la lumière) peut être exploité pour des applications de santé quotidiennes.
Extensions possibles
- Comparer la fréquence cardiaque au repos et après un effort physique.
- Réaliser des mesures sur différents doigts et comparer la qualité du signal.
- Mesurer l’évolution de la fréquence cardiaque pendant une phase de relaxation.
- Tester différentes pressions du doigt sur la caméra et analyser l’effet sur le signal.
- Comparer les mesures obtenues avec un autre dispositif de mesure cardiaque si disponible.
Questions fréquentes
Qu'est-ce que la photopléthysmographie ?
La photopléthysmographie est une technique qui mesure les variations de volume sanguin dans les tissus en détectant les variations d’absorption de la lumière.
Pourquoi faut-il rester immobile pendant la mesure ?
Les mouvements modifient la quantité de lumière détectée et introduisent du bruit dans le signal, ce qui rend la mesure moins précise.
Peut-on mesurer la saturation en oxygène avec cette méthode ?
Cette activité permet principalement de mesurer la fréquence cardiaque. La mesure de la saturation en oxygène nécessite plusieurs longueurs d’onde lumineuses spécifiques.
Pourquoi le signal n’est-il pas parfaitement régulier ?
Le rythme cardiaque varie naturellement et des perturbations expérimentales comme les mouvements ou les variations de pression peuvent influencer le signal.
Cette méthode est-elle utilisée en médecine ?
Oui, la photopléthysmographie est utilisée dans les oxymètres de pouls et dans de nombreux objets connectés pour surveiller le rythme cardiaque.
Prêt à commencer ?
Téléchargez FizziQ et lancez cette activité avec vos élèves.