Stéthoscope
Etude du rythme cardiaque avec un smartphone transformé en stéthoscope
Depuis des siècles, les médecins utilisent des instruments pour écouter les sons produits par le corps humain. Le stéthoscope, inventé au XIXe siècle, permet d’écouter les battements du cœur et d’observer son fonctionnement interne. Chaque battement cardiaque produit des sons caractéristiques liés à la fermeture des valves cardiaques. Ces sons, appelés « lub » et « dub », correspondent à différentes étapes du cycle cardiaque. Aujourd’hui, les microphones intégrés aux smartphones sont suffisamment sensibles pour capter ces vibrations sonores. En utilisant une application adaptée, il devient possible d’enregistrer et de visualiser les sons cardiaques sous forme de signal. Cette activité propose de transformer un smartphone en stéthoscope numérique simple. L’élève apprend à écouter, visualiser et analyser les battements du cœur. Cette expérience permet de relier des phénomènes biologiques à des mesures physiques et à l’analyse du signal.
Résumé :
L'élève utilise le microphone de son smartphone comme capteur acoustique pour détecter les battements cardiaques, en utilisant le microphone et l'analyseur sonore de FizziQ. Activité adaptée au Collège.
Niveau :
Auteur :
Durée :
Collège
Fizziq
20 minutes
Objectif pédagogique :
- Enregistrer des sons cardiaques à l’aide d’un microphone.
- Identifier les deux sons principaux du cycle cardiaque.
- Mesurer la fréquence cardiaque à partir d’un signal sonore.
- Comprendre le lien entre sons cardiaques et fonctionnement du cœur.
- Observer l’influence du bruit sur la qualité des mesures.
Concepts scientifiques :
- Sons cardiaques
- Cycle cardiaque
- Systole et diastole
- Propagation des ondes sonores
- Microphone comme capteur acoustique
- Fréquence cardiaque
- Filtrage du signal
- Rapport signal sur bruit
Capteurs :
- Microphone
Matériel :
Smartphone avec l'application FizziQ; Un environnement calme; Cahier d'expérience FizziQ
Protocole expérimental :
Résultats attendus
Le signal enregistré présente des oscillations répétitives correspondant aux battements du cœur. Chaque cycle cardiaque produit deux sons distincts rapprochés dans le temps. Le premier son est généralement plus long et plus grave que le second. Le second son est plus court et plus aigu. La fréquence des cycles correspond à la fréquence cardiaque. La qualité du signal dépend fortement du niveau sonore ambiant et de la stabilité du smartphone. Des perturbations peuvent apparaître si l’élève bouge ou respire profondément. L’utilisation d’un filtre améliore généralement la lisibilité du signal.
Questions scientifiques :
- Pourquoi observe-t-on deux sons distincts pour chaque battement cardiaque ?
- Pourquoi le bruit ambiant perturbe-t-il la mesure des sons cardiaques ?
- Comment la position du smartphone influence-t-elle la qualité du signal ?
- Pourquoi faut-il maintenir le smartphone immobile pendant l’enregistrement ?
- Comment le filtrage améliore-t-il la lisibilité du signal ?
- Pourquoi la fréquence cardiaque varie-t-elle selon l’activité physique ou l’état émotionnel ?
Analyse scientifique
Les sons cardiaques, communément appelés "lub-dub", sont produits par la fermeture des valves cardiaques pendant le cycle de contraction et de relaxation du cœur. Le premier son ("lub") est plus sourd et prolongé, causé par la fermeture des valves auriculo-ventriculaires (mitrale et tricuspide) lors de la contraction ventriculaire (systole). Le second son ("dub") est plus court et aigu, produit par la fermeture des valves semi-lunaires (aortique et pulmonaire) quand la pression dans les artères dépasse celle des ventricules en fin de systole. Le microphone d'un smartphone, bien que conçu pour capter la voix humaine, possède une sensibilité suffisante pour détecter ces vibrations acoustiques, particulièrement lorsqu'il est placé fermement contre le sternum, où les sons sont les mieux transmis à travers la cage thoracique. Le défi principal est le rapport signal/bruit: les battements cardiaques sont de faible amplitude comparés aux bruits ambiants et aux mouvements corporels. C'est pourquoi le filtrage est crucial. Le filtre passe-bas réglé à 70 Hz dans FizziQ atténue les hautes fréquences (y compris la plupart des bruits respiratoires et ambiants) tout en préservant les sons cardiaques qui se situent principalement entre 20 et 150 Hz. Pour optimiser la mesure, il est recommandé de: 1) Maintenir une pression constante mais pas excessive du téléphone contre la poitrine; 2) Retenir sa respiration brièvement pour réduire les interférences; 3) Rester parfaitement immobile pendant l'enregistrement. La visualisation du signal permet d'observer non seulement la fréquence cardiaque, mais aussi la séparation entre les deux sons caractéristiques, offrant une fenêtre sur la dynamique du cycle cardiaque. Cette technique simple mais puissante illustre comment des appareils quotidiens peuvent être détournés pour des applications médicales rudimentaires.
Variantes possibles
- Réaliser des mesures avant et après un effort physique pour observer l’évolution du rythme cardiaque.
- Comparer les enregistrements réalisés en position assise et allongée.
- Tester différentes positions du smartphone sur la poitrine.
- Enregistrer les sons cardiaques dans des environnements plus ou moins bruyants pour comparer la qualité du signal.
- Comparer les résultats obtenus avec ceux d’un autre élève.
Activités et ressources associées
- Photopléthysmographie : Utilise la couleur de ton doigt pour mesurer ton rythme cardiaque.
- Accélérocardiogramme : Déterminer la fréquence cardiaque par les mouvements de la cage thoracique
- Effet tube : Mesurer la vitesse du son par résonance acoustique dans un tube
- Effet doppler : Mesurer la vitesse d’un véhicule grâce à l’effet Doppler sonore
FAQ
Q: Qu'est-ce que le sons cardiaques ?
R: Le défi principal est le rapport signal/bruit: les battements cardiaques sont de faible amplitude comparés aux bruits ambiants et aux mouvements corporels.
Q: Comment FizziQ transforme-t-il le microphone en instrument de mesure ?
R: FizziQ utilise le microphone du smartphone pour mesurer le niveau sonore en décibels, identifier la fréquence fondamentale d'un son et afficher le spectre complet des fréquences. Ces données peuvent être enregistrées et analysées graphiquement.
Q: Peut-on réaliser cette activité en autonomie à la maison ?
R: Oui, cette activité ne nécessite qu'un smartphone avec l'application gratuite FizziQ. Elle peut être réalisée à la maison, en classe ou sur le terrain, sans matériel de laboratoire spécialisé.