Accélérocardiogramme
Déterminer la fréquence cardiaque par les mouvements de la cage thoracique
A chaque battement, le cœur produit de très faibles mouvements du thorax. Ces micro-mouvements sont invisibles à l’œil nu, mais ils peuvent être détectés par des capteurs très sensibles. Les smartphones contiennent justement un accéléromètre capable de mesurer de petites variations d’accélération selon plusieurs directions. En plaçant le smartphone sur la poitrine, il devient possible d’enregistrer les vibrations produites par les battements cardiaques. Cette approche se rapproche d’une méthode appelée ballistocardiographie, utilisée pour étudier les mouvements du corps liés à l’éjection du sang par le cœur. L’activité permet ainsi d’explorer la physiologie cardiaque avec un objet du quotidien. Elle montre aussi qu’un capteur conçu pour détecter des mouvements peut servir à mesurer un phénomène biologique. L’élève découvre enfin qu’un signal expérimental peut contenir plusieurs informations sur le rythme et la régularité des battements.
Résumé :
L'élève place son smartphone sur sa poitrine et utilise l'accéléromètre pour détecter les mouvements causés par les battements cardiaques. En analysant le graphique obtenu, il identifie la fréquence cardiaque au repos, puis après une activité physique, en utilisant l'accéléromètre de FizziQ.
Niveau :
Auteur :
Durée :
Cycle 4
FizziQ
Objectif pédagogique :
- Mesurer expérimentalement une fréquence cardiaque à partir d’un signal d’accélération
- Comprendre que les battements du cœur produisent des micro-mouvements mesurables
- Utiliser un accéléromètre comme instrument de mesure scientifique
- Comparer le rythme cardiaque au repos et après un effort physique
- Interpréter un signal périodique et en extraire une information quantitative
Concepts scientifiques :
- Fréquence cardiaque
- Cycle cardiaque
- Systole et diastole
- Accélération
- Signal périodique
- Ballistocardiographie
- Micro-mouvements thoraciques
- Mesure expérimentale
Capteurs :
- Accéléromètre
Matériel :
- Smartphone avec l'application FizziQ (ou une application équivalente comme phyphox permettant l'acquisition des données de l'accéléromètre avec un smartphone)
- Surface plane pour s'allonger
Protocole expérimental :
1. Ouvrir l’application FizziQ.
2. Sélectionner l’instrument Accélération absolue.
3. S’allonger sur le dos sur une surface plane.
4. Poser le smartphone sur la poitrine, au niveau du cœur, en le stabilisant légèrement sans appuyer fortement.
5. Lancer l’enregistrement et rester le plus immobile possible pendant quelques secondes.
6. Respirer calmement, puis, si possible, refaire une mesure en bloquant brièvement la respiration pendant un très court instant pour réduire les mouvements respiratoires.
7. Arrêter l’enregistrement et observer le graphique obtenu.
8. Repérer les oscillations régulières du signal correspondant aux battements cardiaques.
9. Compter le nombre d’oscillations sur une durée connue pour calculer la fréquence cardiaque en battements par minute.
10. Refaire la mesure plusieurs fois pour vérifier la régularité du résultat.
11. Effectuer ensuite un effort physique modéré, par exemple quelques sauts sur place.
12. Reprendre une mesure immédiatement après l’effort et comparer les deux signaux.
13. Noter les observations, les graphiques et les résultats dans le cahier d’expérience.
Résultats attendus
Le graphique d’accélération présente de faibles oscillations répétées dans le temps. Ces oscillations correspondent aux micro-mouvements de la cage thoracique provoqués par l’activité mécanique du cœur. Au repos, la fréquence mesurée est généralement régulière et correspond à un rythme cardiaque modéré. Après un effort physique, les oscillations deviennent plus rapprochées, ce qui traduit une augmentation de la fréquence cardiaque. Le signal peut être perturbé par les mouvements du corps, la respiration ou une mauvaise position du smartphone. Dans certains cas, la forme du signal peut faire apparaître plusieurs pics rapprochés au sein d’un même battement, mais cette observation reste variable selon les conditions expérimentales et la sensibilité du capteur.
Questions scientifiques :
- Pourquoi le smartphone peut-il détecter les battements du cœur alors qu’ils sont presque imperceptibles ?
- Quelle différence existe-t-il entre cette mesure et un électrocardiogramme médical ?
- Pourquoi la respiration perturbe-t-elle le signal enregistré ?
- Comment expliquer l’augmentation de la fréquence cardiaque après un effort ?
- Pourquoi deux mesures successives ne donnent-elles pas exactement le même signal ?
- Peut-on distinguer plusieurs phases du cycle cardiaque dans le graphique obtenu ?
Analyse scientifique
Lorsque le cœur bat, il provoque de très légers mouvements de la cage thoracique. Ces mouvements sont liés au cycle cardiaque, qui comporte deux phases principales :
la systole, pendant laquelle le cœur se contracte et propulse le sang dans les artères ;
la diastole, pendant laquelle il se relâche et se remplit de sang.
À chaque battement, le cœur génère une onde de pression qui se propage dans l’ensemble du corps. Cette onde entraîne de très faibles déplacements des tissus, de l’ordre de quelques millimètres, voire moins.
Un smartphone contient un accéléromètre, un capteur capable de mesurer de très petites variations de mouvement. Il peut détecter des accélérations inférieures à 0,01 m/s². Placé sur la poitrine, perpendiculairement au corps, il est suffisamment sensible pour enregistrer les micro-mouvements provoqués par les battements du cœur.
Cette capacité est remarquable : elle montre que le smartphone peut fonctionner comme un véritable instrument de mesure scientifique.
Cette technique s’appelle la ballistocardiographie. Elle était autrefois réalisée avec des dispositifs médicaux complexes et encombrants. Aujourd’hui, les capteurs intégrés aux smartphones permettent de l’explorer simplement dans un cadre éducatif, notamment avec des applications comme FizziQ.
Au repos, le rythme cardiaque est généralement compris entre 60 et 100 battements par minute chez l’adulte (et plus élevé chez l’enfant). Il augmente lors d’un effort physique pour répondre aux besoins accrus en oxygène des muscles.
Pour en savoir plus sur les concepts de battement cardiaques, systole et diastole vous pouvez consulter cet article : https://www.fizziq.org/post/pouls et également réaliser ces deux activités sur le pouls : https://www.fizziq.org/team/photoplethysmographie et https://www.fizziq.org/team/stethoscope
Variantes possibles
- Comparer les mesures obtenues en position allongée et en position assise
- Étudier l’influence de la respiration calme, profonde ou bloquée brièvement sur la qualité du signal
- Comparer le rythme cardiaque avant et après différents types d’effort
- Réaliser plusieurs mesures successives pour étudier la régularité du rythme
- Tester différentes orientations du smartphone sur la poitrine pour voir quel axe donne le signal le plus exploitable
FAQ
Q: Le graphique obtenu est-il un véritable électrocardiogramme ?
R: Non. Un électrocardiogramme mesure l’activité électrique du cœur, alors qu’ici le smartphone mesure de faibles mouvements mécaniques de la poitrine.
Q: Pourquoi faut-il rester très immobile ?
R: Les battements du cœur produisent un signal faible. Les mouvements du corps ou de la respiration peuvent facilement le masquer.
Q: Pourquoi la fréquence cardiaque augmente-t-elle après l’effort ?
R: Après un effort, les muscles ont besoin de plus d’oxygène. Le cœur accélère donc pour envoyer davantage de sang dans l’organisme.
Q: Peut-on toujours observer plusieurs pics dans un battement ?
R: Pas nécessairement. Cela dépend de la sensibilité du capteur, de la position du smartphone et du niveau de bruit dans la mesure.
Q: Quelle valeur de fréquence cardiaque peut-on attendre au repos ?
R: Au repos, la fréquence cardiaque est souvent comprise entre 60 et 100 battements par minute, avec des valeurs parfois plus basses chez les personnes entraînées.
Q: Quelles sont les limites de cette expérience ?
R: Le signal peut être perturbé par la respiration, les mouvements parasites, la position du smartphone et les différences de sensibilité entre appareils.