Photopléthysmographie
Utilise la couleur de ton doigt pour mesurer ton rythme cardiaque.
Le cœur humain bat en permanence pour faire circuler le sang dans tout le corps. À chaque battement, une petite quantité de sang traverse les capillaires situés sous la peau, notamment dans les doigts. Depuis plusieurs décennies, les scientifiques utilisent une technique appelée photopléthysmographie pour détecter ces variations de volume sanguin à l’aide de la lumière. Cette méthode est aujourd’hui utilisée dans les hôpitaux et dans les montres connectées pour mesurer le rythme cardiaque. Elle repose sur le fait que le sang absorbe une partie de la lumière qui traverse les tissus. Grâce aux capteurs optiques présents dans un smartphone, il devient possible d’observer ces variations lumineuses. Dans cette activité, l’élève utilise la LED et la caméra de son smartphone pour transformer son appareil en capteur cardiaque. Cette expérience permet d’explorer à la fois des phénomènes optiques et des mécanismes physiologiques fondamentaux.
Résumé :
L'élève utilise le colorimètre de FizziQ pour détecter les variations de transparence de son doigt causées par le flux sanguin. Activité adaptée au Collège, Lycée.
Niveau :
Auteur :
Durée :
Collège, Lycée
FizziQ
30-50 minutes
Objectif pédagogique :
- 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 :
- Photopléthysmographie
- Absorption de la lumière par l’hémoglobine
- Cycle cardiaque
- Systole et diastole
- Signal périodique
- Fréquence cardiaque
- Transmission et absorption lumineuse
- Physiologie cardiovasculaire
Capteurs :
- Caméra
- Flash LED du smartphone (source lumineuse)
Matériel :
- Smartphone avec l'application FizziQ et flash LED fonctionnel
- Un environnement calme pour la mesure
Protocole expérimental :
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 :
- 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 ?
Analyse scientifique
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.
Variantes 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.
Activités et ressources associées
- Accélérocardiogramme : Déterminer la fréquence cardiaque par les mouvements de la cage thoracique
- Stéthoscope : Etude du rythme cardiaque avec un smartphone transformé en stéthoscope
- Respiration musculaire : Mettre en évidence la respiration cellulaire au niveau des cellules musculaires en mesurant les échanges gazeux d'un morceau de viande de bœuf dans une enceinte fermée.
- Réflexes : Comparaison des temps de réaction à un son selon que les yeux sont ouverts ou fermés
FAQ
Q: Qu'est-ce que la photopléthysmographie ?
R: La photopléthysmographie est une technique qui mesure les variations de volume sanguin dans les tissus en détectant les variations d’absorption de la lumière.
Q: Pourquoi faut-il rester immobile pendant la mesure ?
R: Les mouvements modifient la quantité de lumière détectée et introduisent du bruit dans le signal, ce qui rend la mesure moins précise.
Q: Peut-on mesurer la saturation en oxygène avec cette méthode ?
R: Cette activité permet principalement de mesurer la fréquence cardiaque. La mesure de la saturation en oxygène nécessite plusieurs longueurs d’onde lumineuses spécifiques.
Q: Pourquoi le signal n’est-il pas parfaitement régulier ?
R: Le rythme cardiaque varie naturellement et des perturbations expérimentales comme les mouvements ou les variations de pression peuvent influencer le signal.
Q: Cette méthode est-elle utilisée en médecine ?
R: Oui, la photopléthysmographie est utilisée dans les oxymètres de pouls et dans de nombreux objets connectés pour surveiller le rythme cardiaque.