Déterminer la fréquence cardiaque par les mouvements de la cage thoracique

Ce que mesure le smartphone

Lorsque le cœur bat, il produit des vibrations mécaniques qui se transmettent à la paroi thoracique. En posant un smartphone sur la poitrine, l'accéléromètre enregistre ces vibrations. Cette technique s'appelle la sismocardiographie(SCG, pour seismocardiography). Elle a été introduite en milieu clinique en 1991 par Salerno et Zanetti, qui ont adapté des méthodes issues de la sismologie pour enregistrer les vibrations cardiaques depuis la surface du corps.

Le cycle cardiaque vu par l'accéléromètre

Le cycle cardiaque comporte deux phases principales :

• la systole, pendant laquelle le ventricule se contracte et propulse le sang dans l'aorte ;

• la diastole, pendant laquelle le cœur se relâche et se remplit de sang.

Ces deux phases impliquent des mouvements mécaniques distincts. La systole produit les vibrations les plus fortes : la contraction du muscle, l'ouverture de la valve aortique et l'accélération du sang créent une impulsion qui se transmet à la paroi thoracique. La fermeture de la valve aortique, à la fin de la systole, produit un second événement mécanique, souvent visible comme un pic séparé sur le graphique.

C'est pourquoi, dans de bonnes conditions de mesure, on peut observer deux pics distincts par battement et non un seul : un pour l'éjection, un pour la fermeture des valves. Cette observation est difficile à obtenir en comptant son pouls au poignet.

En réalité, le signal SCG complet contient encore plus d'informations. Dans la littérature scientifique, on identifie jusqu'à sept événements mécaniques distincts par cycle : fermeture de la valve mitrale (MC), contraction isovolumétrique (IVC), ouverture de la valve aortique (AO), éjection rapide (RE), fermeture de la valve aortique (AC), ouverture de la valve mitrale (MO) et remplissage rapide (RF). En pratique, avec un accéléromètre de smartphone, seuls les événements les plus énergétiques — l'éjection et la fermeture des valves — sont visibles de manière distincte.

Sensibilité de l'accéléromètre

Un accéléromètre de smartphone peut détecter des accélérations inférieures à 0,01 m/s². Les vibrations thoraciques produites par le cœur sont de cet ordre de grandeur — des déplacements de moins d'un millimètre. Le fait que le même capteur utilisé pour détecter la rotation de l'écran ou compter les pas puisse aussi enregistrer un signal cardiaque illustre la sensibilité des capteurs MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) intégrés dans les appareils actuels.

Cette sensibilité a des limites. Les mouvements du corps, la respiration et la position du smartphone affectent la qualité du signal. C'est pourquoi l'élève doit rester le plus immobile possible pendant l'enregistrement, et pourquoi le signal s'améliore quand la respiration est brièvement suspendue.

Au repos et après l'effort

Au repos, la fréquence cardiaque est généralement comprise entre 60 et 100 battements par minute chez l'adulte (et souvent plus élevée chez l'enfant). Après un effort physique, le cœur accélère pour répondre aux besoins accrus en oxygène des muscles. Sur le graphique, les pics se rapprochent, ce qui traduit directement l'augmentation de la fréquence cardiaque.

Pour aller plus loin : la ballistocardiographie

La sismocardiographie (ce que fait le smartphone dans cette activité) ne doit pas être confondue avec une technique apparentée : la ballistocardiographie (BCG).

La ballistocardiographie mesure non pas les vibrations locales de la cage thoracique, mais le recul du corps entier en réaction à l'éjection du sang. Le principe est celui de la troisième loi de Newton : lorsque le cœur propulse le sang dans l'aorte, le corps se déplace très légèrement dans la direction opposée, par conservation de la quantité de mouvement.

Ce phénomène a été observé pour la première fois en 1877 par Gordon, qui avait remarqué que l'aiguille d'une balance oscillait au rythme du cœur d'une personne debout dessus. Dans les années 1930, Starr a construit les premiers instruments de mesure dédiés, sous forme de tables à plateau mobile.

La BCG ne se mesure pas avec un accéléromètre sur la poitrine. Elle se mesure avec une balance de précision, un lit instrumenté, ou des capteurs de force placés sous les pieds d'une chaise. Aujourd'hui, des balances connectées intègrent cette technologie pour surveiller la santé cardiaque au quotidien, et des expériences de BCG en trois dimensions ont été réalisées en microgravité à bord de la station spatiale MIR et lors de vols paraboliques de l'ESA.

Les deux techniques — SCG et BCG — mesurent des conséquences mécaniques du même phénomène (le battement cardiaque), mais à des échelles et des emplacements différents. Cette distinction est en elle-même un sujet de discussion intéressant en classe : un même événement physique, deux manifestations mesurables, deux méthodes de détection.