Physiologie humaine

La physiologie humaine est la branche de la biologie qui étudie le fonctionnement du corps humain : circulation, respiration, thermorégulation, contraction musculaire, transmission nerveuse. Beaucoup de ces mécanismes se traduisent par des grandeurs physiques mesurables, accessibles aux capteurs d’un smartphone.

Observer expérimentalement la physiologie humaine

FizziQ permet de mesurer plusieurs grandeurs physiologiques sans matériel médical : la caméra donne accès au pouls, l’accéléromètre aux mouvements du corps et aux battements cardiaques, le chronomètre au temps de réaction.

Étapes :

• Poser l’extrémité d’un doigt sur l’objectif de la caméra arrière, flash allumé, et lancer la mesure de photopléthysmographie : le signal lumineux réfléchi oscille au rythme du pouls.
• Compter le nombre d’oscillations sur une durée connue, par exemple 30 s, pour obtenir la fréquence cardiaque en battements par minute. Rester parfaitement immobile pendant l’acquisition, car le moindre mouvement du doigt masque le signal.
• Poser le smartphone à plat sur la cage thoracique, en position allongée, et enregistrer l’accélération : les oscillations lentes donnent la fréquence respiratoire, les pics rapides les battements du cœur.
• Refaire la mesure de fréquence cardiaque après trente flexions, puis toutes les minutes pendant cinq minutes, et tracer la courbe de récupération.
• Mesurer le temps de réaction en déclenchant le chronomètre au signal sonore et en l’arrêtant au plus vite, puis répéter une dizaine de fois pour obtenir une moyenne et une dispersion.

Activités scientifiques sur ce thème

Les smartphones permettent de conduire des expériences passionnantes pour mieux comprendre le fonctionnement du corps humain, notamment grâce à la caméra ou à l’accéléromètre.

• Déterminer la fréquence cardiaque grâce à l’accéléromètre
• Mesurer le pouls par photopléthysmographie du doigt
• Respiration cellulaire d’un muscle à l’effort
• Accélération centripète et tolérance du corps : l’astronaute et l’essoreuse

En savoir plus

La photopléthysmographie : lire le pouls avec de la lumière

C’est le principe de tous les capteurs de fréquence cardiaque optiques, du bracelet connecté au smartphone. On éclaire la peau et on mesure la lumière qui revient. À chaque systole, le cœur envoie une onde de pression qui dilate les artérioles du doigt : le volume de sang dans le tissu éclairé augmente pendant un instant. Or l’hémoglobine absorbe la lumière ; plus il y a de sang sous la peau, moins il en revient vers le capteur. L’intensité lumineuse reçue oscille donc au rythme du pouls. Le signal utile est très faible, de l’ordre du pour cent de l’intensité totale : l’essentiel de la lumière est absorbé par les tissus, les os et le sang veineux, qui eux ne varient pas. C’est cette composante variable, et elle seule, qui porte l’information cardiaque.

Pourquoi la lumière verte

Les capteurs optiques des montres utilisent des LED vertes parce que l’hémoglobine absorbe fortement dans le vert, autour de 520 à 570 nm, ce qui maximise le contraste entre systole et diastole. Avec un smartphone, on utilise plutôt le flash blanc et l’on exploite le canal rouge de l’image, car la lumière rouge traverse mieux les tissus du doigt : elle ressort de l’autre côté avec une intensité suffisante pour saturer le canal rouge du capteur, dont on suit alors les variations. Les deux approches mesurent la même chose, mais l’une travaille en réflexion sur la peau, l’autre en transmission à travers le doigt.

Fréquence cardiaque et adaptation à l’effort

Au repos, la fréquence cardiaque d’un adolescent se situe entre 60 et 90 battements par minute. À l’effort, elle augmente d’abord parce que le système nerveux sympathique accélère le cœur, ce qui permet d’augmenter le débit sanguin vers les muscles. La fréquence maximale décroît avec l’âge, selon la formule approchée 220 moins l’âge, qui reste une estimation grossière et individuelle. L’intérêt pédagogique est surtout dans la récupération : la vitesse à laquelle le pouls redescend après l’effort est un bon indicateur de l’entraînement, plus fiable que la valeur maximale atteinte.

Une erreur fréquente : confondre fréquence cardiaque et pression artérielle

Un smartphone mesure une fréquence, pas une pression. Le nombre de battements par minute ne renseigne pas sur la tension artérielle, qui exige un brassard et une mesure de la pression d’occlusion de l’artère. De même, aucune application ne mesure la saturation en oxygène de façon fiable avec la seule caméra : un vrai oxymètre compare l’absorption à deux longueurs d’onde distinctes, rouge et infrarouge, ce que le capteur d’un smartphone ne permet pas. Ces mesures scolaires sont des mesures physiques valides, mais ne sont en aucun cas des dispositifs médicaux.

Ordres de grandeur

Fréquence cardiaque au repos : 60 à 90 bpm chez l’adolescent, 40 à 50 bpm chez un sportif d’endurance entraîné. Fréquence respiratoire au repos : 12 à 20 cycles par minute. Volume d’éjection systolique : environ 70 mL, soit un débit cardiaque de 5 L/min au repos et jusqu’à 25 L/min à l’effort maximal. Volume sanguin total : environ 5 L. Temps de réaction à un stimulus visuel : 200 à 250 ms ; à un stimulus sonore : 150 à 200 ms. Température corporelle centrale : 37 °C, régulée à quelques dixièmes de degré près. Puissance thermique dissipée au repos : 70 à 90 W.

Formule

La fréquence cardiaque se déduit de la période entre deux battements successifs :

f = 60 / T

où :

• f : fréquence cardiaque (battements par minute)
• T : durée entre deux battements consécutifs (s)

Elle peut aussi se calculer en comptant les battements sur une durée d’observation :

f = 60 × N / Δt

où :

• N : nombre de battements comptés
• Δt : durée de l’observation (s)

Le débit cardiaque relie la fréquence au volume envoyé à chaque battement :

Q = f × VES

où :

• Q : débit cardiaque (L/min)
• VES : volume d’éjection systolique, volume de sang éjecté à chaque battement (L)

Exemples d’application

• Un élève compte 38 battements en 30 s : sa fréquence cardiaque vaut 60 × 38 / 30 = 76 bpm

• Avec une fréquence de 70 bpm et un volume d’éjection de 70 mL, le débit cardiaque vaut 70 × 0,070 = 4,9 L/min, soit la totalité du sang de l’organisme qui circule chaque minute

• Le suivi de la fréquence cardiaque après trente flexions permet de tracer une courbe de récupération et de comparer des élèves d’entraînement différent

• La mesure du temps de réaction avec le chronomètre permet d’aborder la notion de moyenne et d’incertitude sur une série de mesures

• Un oxymètre de pouls hospitalier applique le même principe optique que la photopléthysmographie, mais avec deux longueurs d’onde pour distinguer l’hémoglobine oxygénée de l’hémoglobine réduite

• Les bracelets d’activité combinent photopléthysmographie et accéléromètre pour estimer à la fois la fréquence cardiaque et la dépense énergétique

FAQ

Q : Pourquoi faut-il rester immobile pendant la mesure du pouls ? R : Parce que le signal utile ne représente qu’environ 1 % de la lumière reçue. Le moindre glissement du doigt modifie la quantité de lumière transmise bien plus fortement que le passage de l’onde de pouls, et noie complètement le signal cardiaque.

Q : Comment un accéléromètre peut-il détecter les battements du cœur ? R : À chaque contraction, l’éjection du sang provoque un très léger recul du corps, par conservation de la quantité de mouvement. Ce mouvement est infime, mais suffisant pour l’accéléromètre d’un smartphone posé sur le thorax d’une personne allongée et immobile. On appelle cette technique la balistocardiographie.

Q : Le smartphone peut-il remplacer un appareil médical ? R : Non. Les mesures obtenues sont physiquement valides et pédagogiquement intéressantes, mais aucun capteur de smartphone n’est étalonné ni certifié comme dispositif médical. Ces expériences servent à comprendre un principe, pas à établir un diagnostic.

Q : Pourquoi la fréquence cardiaque augmente-t-elle avant même le début de l’effort ? R : Parce que le système nerveux anticipe. Le simple fait de se préparer à courir déclenche une réponse sympathique qui accélère le cœur, avant que les muscles n’aient consommé le moindre supplément d’oxygène. C’est un bon exemple de régulation anticipatrice.

Q : Pourquoi mesure-t-on le pouls au doigt et pas ailleurs ? R : Parce que l’extrémité des doigts est richement vascularisée, peu épaisse et faiblement pigmentée sous l’ongle, ce qui laisse passer assez de lumière. Le lobe de l’oreille et le poignet fonctionnent aussi, mais avec un signal plus faible ou plus sensible aux mouvements.

Concepts liés

Photopléthysmographie - Fréquence cardiaque - Métabolisme - Biomécanique - Accéléromètre - Colorimètre - Absorption lumineuse - Podomètre - Temps de réaction