WO2022243235A1 - Dispositif portable permettant de caractériser avec précision et d'une façon synthétique l'état de forme physique d'individus en activité ainsi que de calculer et détecter en temps réel et avec précision leurs seuils ventilatoires - Google Patents

Dispositif portable permettant de caractériser avec précision et d'une façon synthétique l'état de forme physique d'individus en activité ainsi que de calculer et détecter en temps réel et avec précision leurs seuils ventilatoires Download PDF

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WO2022243235A1
WO2022243235A1 PCT/EP2022/063170 EP2022063170W WO2022243235A1 WO 2022243235 A1 WO2022243235 A1 WO 2022243235A1 EP 2022063170 W EP2022063170 W EP 2022063170W WO 2022243235 A1 WO2022243235 A1 WO 2022243235A1
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sensor
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detecting
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Gabriel DIB
Claire MOLINARI
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Definitions

  • TITLE Portable device allowing to characterize with precision and in a synthetic way the state of physical form of individuals in activity as well as to calculate and detect in real time and with precision their ventilatory thresholds
  • the present invention relates to a portable device making it possible to characterize with precision and in a synthetic way the state of physical form (circulatory, respiratory and musculoskeletal systems) of individuals in activity (eg walking, running, cycling, rowing, elliptical trainer, paced physical exercise) as well as accurately calculating/detecting their Ventilatory Thresholds allowing the activity to be adapted to the "current" level of physical fitness.
  • the device according to the present invention is based more particularly on the calculation of the V02max, by improving the precision of this calculation thanks to the Respiratory Frequency, measured in a way adapted to the activity, resistant to artefacts and also in real time.
  • the measurement of the Respiratory Rate also makes it possible to calculate/detect the Ventilatory Thresholds with precision.
  • the present invention makes it possible to characterize with precision the state of form of the person, by means in particular of the calculation of the V02max and the integration of the measurement of the Respiratory Frequency in this calculation.
  • the V02max is the scientific, synthetic and most precise indicator of physical condition and encompasses the circulatory, respiratory and musculoskeletal systems.
  • the method was developed in relation to V02max values measured in the laboratory and validated with different exercise modes.
  • the accuracy of the method when applied to our invention is 95% (average absolute error in percent, MAPE ⁇ 5%). The error is similar to that of the method referenced by professionals in the laboratory. It is difficult to do better for a physiological measurement.
  • the V02 Max is a well-known indicator for athletes.
  • V02max unit is the liter of oxygen per minute (L.min-1), however, in order to take into account the different morphologies, its value is related to the weight. It will then be expressed in ml.kg-1.min-1.
  • V02max means the body is better able to take in oxygen, deliver it to the muscles, and be transformed to create the energy fuel the muscles use to contract and function. This is important because this source of energy is one of the most efficient for the body.
  • V02max measurement method referenced by professionals, is of high precision, but requires professional equipment, which is expensive, complex to use, and also requires means in terms of time and qualified resources for the calibration of equipment and interpretation of results.
  • K5 device from Cosmed (registered trademark), which consists of a mask connected to an electronic box worn like a backpack, which allows the laboratory test to be carried out in mobility.
  • This box is a portable gas exchange analyzer.
  • This device is associated with a chest strap, heart rate monitor, a sensor (inertial platform) for evaluating walking/running parameters and a GPS watch, activity tracker.
  • the subject performs an exercise until exhaustion. This exercise can be described as extreme and not recommended for seniors with frailties.
  • V02max slightly simpler and more practical methods for measuring V02max can be like a 6-minute walk test, a 12-minute Cooper run, or even a fixed-distance run, etc. Under these conditions, it is a question of evaluating the distance traveled and the maximum speed maintained. However, these methods are not very precise, in particular because it is difficult to maintain a constant and maximum speed for more than 8 minutes. Indeed, the maximum aerobic speed that allows these tests to estimate V02max can only be sustained over a period of 2 to 8 min. These simple test methods reflect the level of cardio-respiratory endurance of a subject but the accuracy of the result is lower than a laboratory method.
  • V02max uses, via a Mobile Application, the inertial platform of the Smartphone or the connected watch without the respiratory rate (RR).
  • RR respiratory rate
  • the ventilatory threshold corresponds to a significant physiological change: the energy production pathway changes from an oxygen consumption mode (aerobic) to an anaerobic mode. This transition is called the anaerobic threshold. Exercising at or above the transition is useful for athletes but is not possible for a long time and is not recommended for people with frailties.
  • HR heart rate
  • the usual training protocols are based on two approximations: 1) HR max (the highest number of heartbeats per minute that an individual can reasonably achieve in intense exercise, estimated by different formulas.
  • Respiratory rate is still poorly recorded in healthcare, despite substantial evidence of its clinical relevance.
  • Respiratory rate (RR) is a fundamental vital sign that is sensitive to different disease states (eg, adverse cardiac events, pneumonia) and stressors, including emotional stress, cognitive load, heat, cold, physical exertion and exercise-induced fatigue.
  • the sensitivity of respiratory rate to these conditions is greater than that of most other vital signs, and the ability with our device to measure respiratory rate has important implications for healthcare, professional settings, and sport.
  • the respiratory rate (values expressed both in breaths / min and in Hz) can change in response to different factors.
  • Elevated resting RR was found to be the most accurate vital sign for predicting cardiac arrest relative to heart rate and blood pressure in hospitalized patients.
  • the increase in resting RR is observed hours before the onset of cardiac arrest, suggesting that RR monitoring may aid in the early detection and management of adverse cardiac events.
  • Doctors perform examinations whether for sports or rehabilitation (cardiology, etc.) on an ergometer (treadmill, bicycle, rowing machine, etc.) by gradually increasing the intensity of the effort until the person reaches a heart rate (HR) at least greater than 70% of their theoretical maximum heart rate (estimated and not measured). From this examination they derive a generally linear relationship between speed (power) and heart rate.
  • HR heart rate
  • RR Ventilatory Threshold
  • the measurement of the Respiratory Rate is also carried out by various other methods from measurement(s) of other physiological parameter(s) such as blood flow or movement of the ribcage.
  • these solutions are either imprecise, or intrusive and unsuitable, for example, for exercises integrated into the daily lives of seniors.
  • European patent No. EP 0 809 965 B1 (Seiko Epson Corporation), which relates to a health monitoring device and an exercise assistance device .
  • European patent No. EP 2 059 166 B1 (Fresenius Medical Care GmbH), which relates to a method and a device for determining the respiratory rate.
  • EP 2 773 263 B1 (LifeLens Technologies), which relates to a metabolic and cardio-pulmonary monitoring device.
  • the present invention proposes a portable device making it possible to characterize with precision the state of physical form of an active user, in particular by taking into account the V02max parameter and by improving the precision of this calculation thanks to the Respiratory Frequency, measured from a way adapted to the activity, resistant to artifacts and in real time.
  • the device allows, thanks also to the measurement of the Respiratory Frequency, the calculation and the detection with precision of the ventilatory threshold.
  • the method and the system for characterizing the shape and calculating in particular the V02max according to the present invention compensate for the defects of the state of the prior art.
  • the data relating to the respiratory rate and the biomechanical parameters of the activity are acquired by a smart portable device.
  • the maximum oxygen consumption is calculated using the method provided by the invention, and the measurement of cardiorespiratory endurance is carried out conveniently and quickly.
  • the method according to the present invention saves the user the constraint due to the wearing of the mask for the analysis of gaseous exchanges, the costs of the laboratory test, the time required for the calibration and the wearing of the equipment, the interpretation of the results and also the exhaustion due to traditional test methods.
  • the present invention thanks to the portable device, also makes it possible to measure and detect (and not to estimate) the Ventilatory Threshold (SV). It is an important physiological parameter for the training of athletes but also of seniors.
  • the VS makes it possible to adapt the activity to the "daily" physical fitness level of the athlete, sportsman, young person or senior citizen, to overcome the risk of overtraining and recurrent fatigue if the athlete is not not at their usual physical level (illness, dehydration, stress, etc.), or to avoid a health accident for the senior person.
  • the present invention aims to provide a solution accessible to the greatest number, by democratizing a laboratory method which requires costly equipment, time and qualified resources.
  • the solution is based on 30 years of scientific and field experience, 140+ international scientific publications, validated on athletes, young and older seniors including Robert Marchand, amateur cyclist, world record holder at 105, who had a V02max d a fifty-year-old.
  • the invention relates to a portable device for measuring and characterizing the state of physical fitness of an active user, comprising:
  • the present invention makes it possible to encourage sedentary people who do not know how to get back into activity without fear of falling back into the discomfort of physical activities which would not take into account the current level of their physical and mental fitness.
  • Athletes, sportsmen and young and old people can also be motivated to achieve a goal, to initiate preventive and/or corrective action to improve their physical form or other well-being criteria and reduce the factors risk of chronic disease or falls.
  • Physical inactivity and poor physical condition are associated with several health problems, such as cardiovascular disease, metabolic disorders (eg, overweight, obesity, diabetes), musculoskeletal disorders, lung disease, etc Improving cardiorespiratory endurance has been shown to be physical fitness, reduce all-cause mortality.
  • a 10% increase in V02max can reduce the risk of mortality by 15% and give him 10 additional years of good quality life, as illustrated in Figure 1.
  • the device Thanks to the device according to the present invention, users can monitor their ventilatory threshold on a daily basis, without any laboratory effort. This is of great interest in the development of their training programs. Indeed, the determination of the ventilatory threshold during and/or directly after the physical effort allows a better training, an improvement of the endurance and therefore of the V02max.
  • Another specificity of the device according to the present invention is to give training instructions to the user based on the perception of the effort. This allows you to listen to yourself and not follow training based on performance criteria, not personalized (eg following a set speed, heart rate) with the risk of injury or exhaustion.
  • the user is thus able to associate an effort perception setpoint with appropriate cardio-respiratory resources without this leading to constraint, allowing him to adapt training even better to his physical condition; this training having already been personalized following the assessment carried out and the characterization of its form.
  • a cardio-respiratory evaluation is done in the laboratory or in the field with fixed speed instructions, which increase at given times, until the person reaches exhaustion.
  • the present invention takes advantage of other precise measurements of the portable device. Thanks to the integrated inertial platform (3D accelerometer, 3D gyroscope, magnetometer, etc.), measurements of gait/walking parameters make it possible to assess the risk of falls and cognitive impairment based on the clinically proven results of various scientific publications. The accuracy of the measurements is greatly improved thanks to the possibility of positioning the portable device at the lower back, close to the center of gravity of the body.
  • falls for example, each year in France, 20 to 30% of people over 65 and 50% of people over 85 are victims of at least one fall. 15% of falls are responsible for bone trauma (fracture of the femoral neck in 30% of cases).
  • fall prevention can provide an answer to a human and public health issue:
  • the challenge is to detect as soon as possible Mild Cognitive Deficits exposing to the risk of dementia.
  • said device is autonomous.
  • said device is connected to another device of the smartphone, connected watch or digital tablet type which are connected to the Cloud or said device is connected directly to the Cloud.
  • said interactive interface is a graphical interface.
  • said interactive interface is an audio interface.
  • said device is associated with an accessory, making it possible to clip it, or to fix it or to integrate it into equipment or to insert it into equipment.
  • the algorithm is implemented in real time.
  • the algorithm is embedded in the device.
  • the algorithm is executed partially or totally outside the device.
  • said device comprises at least one microphone.
  • the at least one microphone is unidirectional.
  • said device comprises several omnidirectional microphones, placed in a network (beamforming), with signal processing to create a directional microphone, which makes it possible to place the device far from the mouth/nose.
  • said device implements an algorithm for detecting audio rhythms or Artificial intelligence (eg Deep Learning) of the microphone(s) in order to extract the Respiratory Frequency therefrom in a way adapted to the activity, resistant to artefacts. , in a noisy environment.
  • Artificial intelligence eg Deep Learning
  • said device comprises redundant sensors (eg redundant microphone(s), or microphone(s) and probe for detecting the change in temperature due to breathing) to make the measurements more reliable.
  • redundant sensors eg redundant microphone(s), or microphone(s) and probe for detecting the change in temperature due to breathing
  • said device comprises an inertial platform which comprises a 3D accelerometer sensor, a 3D gyroscope, a magnetometer, a barometer and/or a satellite positioning system.
  • said device further comprises a microcontroller or an artificial intelligence processor for the loT devices, a memory, a BLE module or another mode of transmission, a battery, one or more LEDs, a multifunction button (for example activation, recording, transmission and deletion of recordings, reset) or a plurality of buttons, a speaker, a buzzer and/or a vibrator, as well as other components of a loT system.
  • a microcontroller or an artificial intelligence processor for the loT devices a memory, a BLE module or another mode of transmission, a battery, one or more LEDs, a multifunction button (for example activation, recording, transmission and deletion of recordings, reset) or a plurality of buttons, a speaker, a buzzer and/or a vibrator, as well as other components of a loT system.
  • a loT system can be, for example, a battery with or without capacitor, a screen and/or a touch interface, a wired socket, an inductive battery charging system, an audio socket and/or a control system vocal.
  • said device further comprises a body parameter sensor and/or an environment parameter sensor.
  • said device further comprises means for detecting an alert.
  • said device produces training instructions based on the perception of the effort and/or the ventilatory threshold.
  • said device comprises means for preventing the risk of falling and for carrying out Feedback Training by driving and monitoring a faulty parameter.
  • the senor also measures the actimetry of the user
  • the present invention also relates to a system comprising the device mentioned above measuring in particular the respiratory rate, as well as at least a 2nd device, with an inertial platform making it possible to measure the cadence of a cyclist, rower, etc. and/or activity parameters, the first device clipped to the level of the shirt or the T-shirt, not being able to measure, for example, the cadence of a cyclist or a rower.
  • At least one additional device comprising complementary sensors would make it possible to carry out other measurements.
  • the present invention also relates to a system comprising the device mentioned above, a device of the smartphone, connected watch or digital tablet type, and a server in the cloud.
  • said system further comprises at least one second measuring device for measuring the cadence for rhythmic activities or for performing other measurements.
  • said system further comprises another device coupled with the first device.
  • the same device can measure respiratory rate and cadence/speed.
  • this second device can be put on the wrist or on the handle of the rowing machine, on the foot or on the elliptical machine/pedal of the bike.
  • This second device can also be positioned at another part of the body, for example the lower back, in particular to measure synchronization with the upper body during exercise or walking.
  • FIG. 1 represents fitness as a function of age
  • FIG. 2 shows a device according to the present invention, in one embodiment.
  • FIG. 3 illustrates the architecture of the system implementing the device according to the present invention.
  • FIG. 4 represents signal flow processing
  • FIG. 5 illustrates a conceptual view of an audio noise reducer.
  • FIG. 6 shows an example of noise reduction.
  • FIG. 7 illustrates envelope detection.
  • FIG. 8 represents the rhythm extraction flow.
  • FIG. 9 illustrates machine-learning based signal flow.
  • the present invention relates to a portable device 100 making it possible to measure and characterize the state of physical fitness of an active user, comprising:
  • At least one sensor 110 measuring the respiratory rate and/or at least one sensor 140 measuring parameters of the user's activity
  • the device 100 also implements an algorithm allowing an analysis of the measurement parameters and the calculations.
  • the real-time and accurate measurement of the respiratory rate also makes it possible to accurately detect the ventilatory threshold (SV).
  • SV ventilatory threshold
  • This threshold is important for the training of athletes (seniors or not) but it is estimated today with great imprecision.
  • the ventilatory threshold detected with precision thanks to the measurement of the respiratory rate, is also useful for seniors so as not to cause accidents during exercise sessions.
  • the device 100 comprising in particular the sensors 110 and 140, is non-intrusive, and is positioned for example at the level of the collar of the shirt/T-Shirt, or in a headband, headband or even integrated into headphones, which thanks to :
  • - audio rhythm processing software or AI (Deep Learning) software can measure the respiratory rate, in the audio signal provided by the beamforming, in a noisy environment;
  • an inertial platform and associated software to analyze the activity parameters, for example walking, running and gait.
  • the sensor 140 measures parameters of user activity.
  • the device positioned in front of the mouth, allows the precise measurement of the respiratory rate, the gait parameters, brings significant precision to the calculation of the V02max and also allows the precise detection of the ventilatory threshold. .
  • the device 100 includes several omnidirectional microphones, placed in an array (beamforming), with signal processing to create a directional microphone, which allows the device to be placed away from the mouth/nose.
  • the device 100 implements an algorithm for processing the audio of the microphone(s) in order to extract the respiratory rate therefrom in a way adapted to the activity, resistant to artifacts, in a noisy environment. .
  • the device 100 comprises redundant sensors to make the measurements more reliable.
  • FIG. 2 shows a device 100 according to the present invention, in one embodiment.
  • the device 100 according to the present invention is portable, miniaturized, non-intrusive, non-stigmatising and has great autonomy.
  • a second device allows the measurement of exercise cadence such as rowing machine, bicycle, elliptical trainer, etc.
  • the device 100 according to the present invention is autonomous. In another embodiment, the device 100 according to the present invention is connected to another device 200 of the smartphone, connected watch or digital tablet type, which are connected to a “Cloud”. The device 100 can also be directly connected to a “Cloud”.
  • the device 200 of the smartphone, connected watch or digital tablet type can take the initiative to activate the device (for example for the Assessments, exercise sessions or the fall risk assessment test).
  • Device 200 can be on standby the rest of the time.
  • the device 100 can also take the initiative for activation when the user activates it, for example by a button placed on it or by moving it.
  • the device 100 implements an algorithm allowing an analysis of the measurement parameters, in real time or not, embedded in the device or not and an interactive application 130.
  • This algorithm is embedded in the device, or is executed partially or totally outside the device.
  • the interactive interface 130 is a graphical interface.
  • interactive interface 130 is an audio interface.
  • the interactive 130 application provides instructions and advice on how to adapt physical activity to achieve personalized maintenance or fitness goals.
  • the senor also measures the actimetry of the user.
  • the device 100 according to the present invention is associated with an accessory, making it possible to clip it or fix it, to integrate it into equipment or to insert it into equipment. It can for example be clipped with an accessory of the clothespin type on the collar of a shirt or on a T-Shirt to measure the respiratory rate and the parameters of walking. It can also be clipped at the base of the back close to the center of gravity, on shorts, belt, trousers, skirt or sports tracksuit, in order to accurately measure gait parameters.
  • the device 100 according to the present invention can also be inserted into a pocket of underwear, for actimetry. It can also be affixed to a mask, of the anti-virus or anti-pollution type. This makes it possible to measure the respiratory rate, even when wearing the mask.
  • the device 100 according to the present invention can also be, for example, clipped onto the laces of a shoe, attached to the pants or the crankset to measure the cadence on a bicycle or be integrated into a anti-sweat bracelet or fixed on the handle of the equipment of the rower type to measure the cadence.
  • the device 100 according to the present invention can also be integrated into a headband or even into headsets or even into devices of the “earpods” type.
  • the originality is also in the possibility of using the device 100 according to the present invention for the precise analysis of gait parameters, such as speed, cadence, regularity, cranio-caudal power, when it is positioned at the bottom of the back, close to the center of gravity and thus allow the assessment of the risk of falling.
  • gait parameters such as speed, cadence, regularity, cranio-caudal power
  • a simple test protocol was selected, following scientific publications and field studies. It is also possible to use the device 100 according to the present invention, not necessarily positioned at the lower back, to analyze the actimetry of the user.
  • the analysis of walking parameters in real time makes it possible to follow a parameter and its improvement in real time, thanks to the advice of the physiotherapist.
  • This allows a stimulating and gamified interaction for the therapy of gait disorders.
  • the parameters can be: speed, stride length, cadence, instability, regularity, symmetry, pathogenic shocks, total power.
  • the device 100 also makes it possible to detect an alert, for example if the user requests help or if the device detects an emergency (event detected for example by the microphones), or if he falls (event detected for example by the inertial platform).
  • an alert for example if the user requests help or if the device detects an emergency (event detected for example by the microphones), or if he falls (event detected for example by the inertial platform).
  • the breath and/or cough analysis via I ⁇ A also makes it possible to remotely monitor the evolution of a pathology following the administration of a treatment, or to detect an alert following the deterioration of the state of health, for example for patients with COPD (chronic obstructive pulmonary disease), detect heart problems, sleep apnea, pneumonia, dyspnea, stress, intellectual load...
  • COPD chronic obstructive pulmonary disease
  • the objective measurement of the frequency, its intensity as well as this analysis by I ⁇ A of the sound signature and the duration of the associated noises contain important information for physicians during telemonitoring, for example of drug efficacy, also during respiratory function tests, and rehabilitation exercises, in particular when these exercises and tests are carried out by technicians in the absence of the doctor, , etc.
  • One or more other devices make it possible to measure the parameters of certain activities, eg. cycling cadence, or rowing machine, in addition to the respiratory rate measuring device. They can also integrate other types of sensors (ECG, SP02 etc.)
  • sensors can be added, in the same device 100 according to the present invention or in a different device, to validate the same measurement, for example of the respiratory rate with a double measurement, of the same type of audio sensor or of two nature sensors. different ex. audio sensor, mini temperature probe (which detects the change in temperature following breathing), or with a mini C02 probe whose consultation varies with breathing, or humidity or other.
  • audio sensor mini temperature probe (which detects the change in temperature following breathing), or with a mini C02 probe whose consultation varies with breathing, or humidity or other.
  • mini C02 probe which detects the change in temperature following breathing
  • the fact that the sensors are of a different nature does not make them sensitive to the same artefacts.
  • a measurement of a predefined difference of the new measurement compared to the previous one makes it possible to retain one measurement rather than the other which would have been subject to an artefact.
  • the audio interaction between the user and the application takes place via the smartphone speaker or the personal headphones, or via their hearing aid, connected to the smartphone application (or the application of the connected watch or of the digital tablet) or directly to the device 100.
  • the guidance of a training session can also be carried out by the device 100 according to the present invention without using the application (e.g. by the audio of the device).
  • a loading of the session in the device 100 according to the present invention is done by the application
  • An OEM implementation of the solution is possible in a headset with an integrated microphone that also captures the respiratory rate and with an inertial platform that measures gait parameters.
  • the device 100 can operate autonomously without going through the smartphone or the cloud. It can thus detect the ventilation threshold in real time and signal it to the user (e.g. via a buzzer).
  • Intrinsic directional microphones such as cardioids
  • cardioids are a good theoretical solution to maximizing a specific sound recording, by eliminating many unwanted external noises by the microphone device itself.
  • multiple omnidirectional microphones placed in an array, with additional signal processing, it is possible to recreate the directional pattern.
  • the main direction can be changed in direction and opening angle and can vary with frequency. This can be a good solution to optimize the recording of a specific sound.
  • FIG. 3 the architecture of the system implementing the device 100 according to the present invention.
  • This figure shows the device 100 according to the present invention, another device 200 of the smartphone, digital tablet or connected watch type and a server 300 in the cloud.
  • respiratory rate filtering and AI or audio rhythm processing and analysis of activity parameters can be integrated into different locations.
  • ⁇ CPU load expressed in MIPS (million instructions per second) or in MHz. It gives information on the complexity of a software. The processor must provide more MIPS or MHz than required by the algorithm to guarantee real-time capabilities.
  • Memory requirements expressed in kB or MB (kilobytes and megabytes).
  • o program memory which stores executable software
  • static memory which stores the parameters and the filter coefficients
  • dynamic memory which is used by the processing as a temporary space.
  • Latency constraints expressed in seconds. It is the reactivity time between the recording of an event (human breathing) and the availability of the value.
  • Cloud processing is one of the options for artificial intelligence processing and data exchange/protection.
  • AI at the Edge embedded artificial intelligence processing
  • FIG. 4 shows the signal flow processing
  • an adaptive LMS noise filter attempts to reject disturbing signals. This filter eliminates all continuous / stationary background noise such as car engine, air conditioner ...
  • Figure 5 illustrates a conceptual view of an audio noise reducer.
  • the algorithm identifies the characteristics of the noise and detects the dynamic activity of the signal to be preserved. Then, a spectral subtraction is applied between the original sound and the estimated noise. You can't remove more than 10 dB of noise without creating significant artifacts. The system should be fine-tuned to achieve the best balance between noise and the presence of artifacts.
  • Figure 6 shows an example of noise reduction.
  • the second stage is an envelope detector. This algorithm smoothes the waveform to recover the average shape of the signal.
  • the low-pass filter-based filter also reduces unwanted residual noise.
  • Figure 7 illustrates envelope detection.
  • the last step by analyzing the shape of the envelope, extracts the timestamps of the local maximums.
  • the breathing rhythm can be extracted easily.
  • audio recording includes both loud noises (movements of human clothing, environment) and the sound of human breathing.
  • a robust rhythm detection algorithm should be used to ensure the best performance.
  • the respiratory rhythm detector can be considered similar to the evaluation of beats in music.
  • a common general strategy for pace tracking works in two steps. First, the audio signal is processed by an onset strength function, which measures the probability that a significant musical change (eg, the onset of a note) has occurred at each point in time. The tracking algorithm then selects beat times from the peaks in the attack strength profile.
  • onset strength function measures the probability that a significant musical change (eg, the onset of a note) has occurred at each point in time.
  • the tracking algorithm selects beat times from the peaks in the attack strength profile.
  • the appearance energy function is first proposed based on the reassigned spectral energy flux.
  • a combination of the discrete Fourier transform and the mapped frequency autocorrelation function is used to estimate the dominant periodicities at each instant.
  • a Viterbi algorithm is then used to detect the most likely subdivision trajectories in terms of tempo and beats over time.
  • Figure 8 shows the rhythm extraction flow.
  • Figure 9 illustrates the machine-learning based signal flow.
  • a set of reference audio data must exist. It can be an actual recording, but it can be a very time-consuming task when many noise levels and environments are needed.
  • An alternative is to use existing noise databases on the one hand and a clean/annotated recording, with the true rhythm, of the breath on the other.
  • the database can then be created artificially by mixing the noise and the clean signal with different weights.
  • the variations can thus be endless.
  • a very small inertial platform can be integrated into the device 100 according to the present invention
  • the device 100 further comprises a body parameter sensor and/or an environment parameter sensor. It may also comprise several body parameter sensors and/or several environment parameter sensors. For example, one or more microphones to analyze the sounds, noises or noise pollution of the streets or places traveled by the user, at a given time, day of the week or month, which would make it possible to inform and share this information.
  • Another example would be pollution sensors in the streets or places traveled by the user, at a given time, on a day of the week or month, which would also make it possible to inform and share this information.
  • the present method makes it possible to accurately detect and measure the ventilatory threshold (SV) by the respiratory rate.
  • SV ventilatory threshold
  • we already have a scientifically validated protocol allowing, thanks to this detection of VS, to develop a highly personalized training protocol based on this threshold.
  • This protocol makes it possible to define precisely, individually, in real time, the effective durations and intensities of the training sessions.
  • the user performs a test, for example walking or running, in the field.
  • the test can be self-administered, requiring no special testing equipment or trained personnel.
  • the present invention proposes two methods for determining a breakpoint in a set of physiological data, one method at the end of the session, for data acquired during exercise, the other method during the session, for data acquired over time. real.
  • Both methods include a preliminary filtering step, in which the physiological data is processed in order to eliminate data corresponding to periods of recovery or stability during the exercise session and to retain only the increasing trends as data. selected.
  • the resulting data therefore represents an incremental effort, and the ventilatory threshold is determined from this data as the critical point at which ventilation begins to increase most rapidly.
  • the first process at the end of the session, analyzes the information obtained, once the user confirms that the test is finished. Said method then comprising, in a possible embodiment, a step of identifying two lines with a different slope which correspond to data selected from the set of physiological data, in which said breakpoint corresponds to the intersection of the said lines.
  • This first method may also include, in an alternative embodiment, calculating the second derivative of the best-fit polynomial function and detecting extrema that denote sudden accelerations and decelerations in the data set.
  • the 2nd process makes it possible to detect the ventilatory thresholds, during the session, by calculating in real time the acceleration of the respiratory rate or, in another possible embodiment, the change in slope of the FR curve.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (100) portable permettant de mesurer et de caractériser l'état de forme physique d'un utilisateur en activité, comportant : - Au moins un capteur (110) mesurant la fréquence respiratoire et/ou au moins un second capteur (140) mesurant des paramètres de l'activité de l'utilisateur; - Des moyens (120) de calcul avec précision de paramètres synthétiques qui caractérisent la forme dont le VO2max et de calcul en temps réel du seuil ventilatoire; - Des moyens de caractérisation de l'activité de l'utilisateur; - Une interface interactive (130) avec ledit utilisateur; ledit dispositif (100) mettant en œuvre un algorithme permettant une analyse des paramètres de mesure et les calculs.

Description

DESCRIPTION
TITRE: Dispositif portable permettant de caractériser avec précision et d’une façon synthétique l’état de forme physique d’individus en activité ainsi que de calculer et détecter en temps réel et avec précision leurs seuils ventilatoires
Domaine technique
La présente invention se rapporte à un dispositif portable permettant de caractériser avec précision et d’une façon synthétique l’état de forme physique (systèmes circulatoire, respiratoire et locomoteur) d’individus en activité (ex. marche, course, vélo, rameur, elliptique, exercice physique cadencé) ainsi que calculer/ détecter avec précision leurs Seuils Ventilatoires permettant d’adapter l'activité au niveau de forme physique « du moment ».
Le dispositif selon la présente invention se base plus particulièrement sur le calcul du V02max, en améliorant la précision de ce calcul grâce à la Fréquence Respiratoire, mesurée d’une façon adaptée à l’activité, résistante aux artéfacts et également en temps réel. La mesure de la Fréquence Respiratoire permet également de calculer/ détecter avec précision les Seuils Ventilatoires.
Technique antérieure
Avec l'avènement de nombreuses applications mobiles, avec ou sans dispositifs portables (« wearables »), les utilisateurs sont en mesure de surveiller simplement dans une journée leurs données individuelles liées à la santé, telles que le nombre de pas parcourus, les calories consommées, la fréquence cardiaque, etc. ainsi que d'autres mesures de leur activité personnelle, telle que la qualité du sommeil. Il leur manque toutefois une indication synthétique et précise sur leur état de forme et son évolution, qui soit accessible au plus grand nombre.
La présente invention, grâce au dispositif portable, permet de caractériser avec précision l’état de forme de la personne, au moyen notamment du calcul du V02max et de l’intégration de la mesure de la Fréquence Respiratoire dans ce calcul. Le V02max est l’indicateur scientifique, synthétique et le plus précis de la condition physique et englobe les systèmes circulatoire, respiratoire et locomoteur. La méthode a été développée par rapport aux valeurs de V02max mesurées en laboratoire et validée avec différents modes d'exercice. La précision de la méthode lorsqu'elle est appliquée à notre invention est de 95% (erreur moyenne absolue en pourcentage, MAPE ~5%). L’erreur est similaire à celle de la méthode référencée par les professionnels en laboratoire. Il est difficile de faire mieux pour une mesure physiologique. Le V02 Max est un indicateur bien connu des sportifs. C’est une excellente mesure de l’âge physiologique et est étroitement corrélée à l’espérance de vie active. Le V02max a pour unité le litre d’oxygène par minute (L.min-1), cependant, afin de tenir compte des différentes morphologies, sa valeur est rapportée au poids. Il s’exprimera alors en ml.kg-1 .min-1.
Il est admis que plus sa valeur est élevée, plus l’âge physiologique est jeune. Car un V02max élevé signifie que le corps est plus apte à absorber l’oxygène, à l’acheminer vers les muscles, et à être transformé pour créer le carburant énergétique que les muscles consomment pour se contracter et fonctionner. C’est important, car cette source d’énergie est une des plus efficace pour le corps.
Quand on parle d’avancée en âge, on pense à une diminution du V02max et des capacités physiques, accentuée par un mode de vie sédentaire. Toutefois, en adoptant des habitudes de pratique d’activité physique voire sportive, l’état de forme s’améliore et on peut « inverser la courbe du vieillissement ».
Ainsi notre caractérisation de la forme, incluant le V02max, permet de recommander, grâce à un moteur de décision, des exercices personnalisés et évolutifs. Cette personnalisation est renforcée par l'adaptation de ses exercices à la perception de l'effort de l’utilisateur (Facile, Moyen, Intense), privilégiant l’écoute de soi, évitant le risque d’accident ou de sensation d’échec.
La méthode de mesure du V02max, référencée par les professionnels, est d’une grande précision, mais nécessite du matériel professionnel, coûteux, complexe à utiliser, et nécessite également des moyens en matière de temps et de ressources qualifiées pour la calibration des équipements et l’interprétation des résultats.
On connaît dans l’état de la technique l’ergomètre, avec un masque connecté à des équipements fixes, afin de surveiller en continu le contenu et le débit des gaz respiratoires. Cela permet d’évaluer l'absorption maximale d'oxygène (V02max) du sujet et son endurance cardio-respiratoire.
On connaît aussi dans l’état de la technique le dispositif K5 de Cosmed (marque déposée), qui est composé d’un masque relié à un boîtier électronique se portant comme un sac à dos, qui permet d’effectuer le test de laboratoire en mobilité. Ce boîtier est un analyseur d’échanges gazeux portatifs. A ce dispositif sont associés une ceinture pectorale, moniteur de fréquence cardiaque, un capteur (plateforme inertielle) permettant d’évaluer des paramètres de la marche/ course et une montre GPS, tracker d’activité. Lors de la méthode usuelle référencée par les professionnels pour réaliser ce test en laboratoire, le sujet effectue un exercice jusqu’à épuisement. Cet exercice peut être qualifié d’extrême et non recommandé pour les seniors avec des fragilités.
Par ailleurs, des méthodes un peu plus simples et de terrain pour la mesure du V02max peuvent s’apparenter à un test de marche de 6 minutes, une course de Cooper de 12 minutes, ou encore une course à distance fixe, etc. Dans ces conditions, il s’agit d’évaluer la distance parcourue et la vitesse maximale maintenue. Cependant, ces méthodes ne sont pas très précises, notamment parce qu'il est difficile de maintenir une vitesse constante et maximale plus de 8 minutes. En effet, la vitesse maximale aérobie qui permet à ces tests d’estimer V02max ne peut être soutenue que sur une durée de 2 à 8 min. Ces méthodes de tests simples reflètent le niveau d'endurance cardio-respiratoire d'un sujet mais la précision du résultat est moins élevée qu’une méthode de laboratoire.
Lors d’un test dit simple comme décrits ci -dessus (marche de 6 minutes, Cooper 12 minutes) ou encore des évaluations basées (notamment dans les montres connectées) sur la fréquence cardiaque et la vitesse, l’erreur typique est au minimum de 10-15%.
Par ailleurs, une autre méthode simple et de terrain pour la mesure du V02max utilise, via une Application Mobile, la plateforme inertielle du Smartphone ou de la montre connectée sans la fréquence respiratoire (FR). La précision du résultat est moins élevée qu’une méthode de laboratoire.
Le seuil ventilatoire (SV) correspond à un changement physiologique important : la voie de production d'énergie passe d'un mode de consommation d'oxygène (aérobie) à un mode anaérobie. Cette transition est appelée le seuil anaérobie. L'exercice à ou au-dessus de la transition est utile pour les sportifs mais n'est pas possible pendant longtemps et n’est pas recommandée pour les personnes avec fragilités. Dans l’état de la technique, la mesure de la Fréquence Cardiaque (FC) est utilisée dans l'entraînement physique et sportif pour estimer la fréquence respiratoire et le seuil ventilatoire. Les protocoles d'entraînement habituels sont basés sur deux approximations : 1) la FC max (le nombre le plus élevé de battements cardiaques par minute qu'un individu peut raisonnablement atteindre dans un exercice intense, estimée par différentes formules. Or il a été démontré que la prise en compte de l’effet de l’âge sur la FC eu égard à l’équation de détermination de la FC max théorique ne donne pas toujours des résultats fiables) 2) un pourcentage de cette FC max, entre 70 et 90% en fonction de la forme de la personne. La fréquence respiratoire est encore mal enregistrée dans les soins de santé, malgré des preuves substantielles de sa pertinence clinique. La fréquence respiratoire (FR) est un signe vital fondamental qui est sensible à différents états pathologiques (par exemple, événements cardiaques indésirables, pneumonie) et facteurs de stress, notamment le stress émotionnel, la charge cognitive, la chaleur, le froid, l'effort physique et la fatigue induite par l'exercice.
La sensibilité de la fréquence respiratoire à ces conditions est supérieure à celle de la plupart des autres signes vitaux, et la possibilité avec notre dispositif de mesurer la fréquence respiratoire a des implications importantes pour les soins de santé, les milieux professionnels et le sport.
Des valeurs similaires de FR peut être observées lorsque l'utilisateur est soumis à une charge cognitive, un stress émotionnel, une douleur, une dyspnée ou du fait simplement d’un exercice modéré.
Ce problème peut être en partie surmonté par la mesure simultanée d'autres variables physiologiques, mécaniques et celles de l’environnement (ex. température, bruit). Par exemple, il est important de caractériser les postures et les activités de l'utilisateur, telles qu'elles sont réalisées avec l'utilisation des capteurs inertiels du dispositif.
La fréquence respiratoire (valeurs exprimées à la fois en respirations / min et en Hz) peut changer en réponse à différents facteurs.
Une FR au repos élevée s'est avérée être le signe vital le plus précis pour prédire un arrêt cardiaque par rapport à la fréquence cardiaque et à la pression artérielle chez les patients hospitalisés. L'augmentation de la FR au repos est observée quelques heures avant la survenue d'un arrêt cardiaque, suggérant ainsi que la surveillance de la FR peut aider à la détection précoce et à la gestion des événements cardiaques indésirables.
L'importance de ces résultats ne se limite pas aux milieux de soins, mais s'étend à la surveillance à domicile des patients à risque, car l'arrêt cardiaque hors de l'hôpital est une des principales causes de décès cardiaque dans le monde. Ainsi la surveillance respiratoire peut aider à la prédiction ou à la prise en charge précoce d'un tel événement.
Récemment, des modes de test d'aptitude gratuits ont également été introduits dans le EP0709058 (Alessandri), U.S. Pat. No. 6 882 955 (Ohlenbusch & Darley), FR2867055 (Quilliet & Billat), US2007/0082789 (Nissila, Niva, Jaatinen & Kinnunen), et par Weyand et al. (2001)). Ces tests combinent la mesure de la fréquence cardiaque et de la vitesse pendant l'exercice effectué par l'utilisateur, où l'absorption maximale d'oxygène est déterminée, par exemple, à l'aide de calculs mathématiques simples. La vitesse peut être mesurée à l'aide d’un accéléromètre et/ou en utilisant un ou des systèmes de positionnement par satellite (par exemple le GPS).
Les médecins font passer des examens que ce soit à visée sportive ou de rééducation (cardiologique...) sur un ergomètre (tapis roulant, vélo, rameur...) en augmentant progressivement l’intensité de l’effort jusqu’à ce que la personne atteigne une fréquence cardiaque (FC) au moins supérieure à 70% de sa fréquence cardiaque maximale théorique (estimée et non mesurée). De cet examen ils en tirent une relation généralement linéaire entre la vitesse (puissance) et la FC.
Alors que la fréquence cardiaque continue à augmenter de façon linéaire avec la vitesse, la fréquence respiratoire (FR) augmente d’une façon exponentielle qui correspond au Seuil Ventilatoire (SV), moment dans un effort où cela devient « pénible ».
Il est tout à fait aisé de repérer le seuil de cette pénibilité soudaine par le seuil d’hyperventilation (seuil ventilatoire) alors que la FC ne modifie pas son accroissement linéaire et ne permet pas de détecter ce seuil.
Dans l’état de la technique, certains autres dispositifs mesurent le changement de variabilité de la FC à l’effort, puisque ce changement de la variabilité est le signe de l’effet de l’étirement du nœud sinusal par les muscles de la ventilation au moment du seuil ventilatoire. Cette détermination implique une grande précision de la variabilité cardiaque grâce à l’indexation de chaque battement cardiaque ce qui, à l’effort, avec les artefacts, et surtout chez les seniors, est rendu difficile (rapport bruit/signal) sauf peut-être lorsque l’appareil de détection de chaque battement est sophistiqué et par conséquent très coûteux.
Le document US 5 810 722 attribué à la société Polar Electro décrit un dispositif pour évaluer le SV d'une personne sous un stress progressivement croissant. La fréquence et le volume respiratoire sont calculés sur la base des signaux d’électrocardiogrammes (ECG) pour exploiter un graphique fréquence respiratoire en fonction de la fréquence cardiaque, ou un graphique ventilation vs fréquence cardiaque, où le SV apparaît comme un point de rupture. Une difficulté liée à cette méthode est qu'elle est entièrement basée sur des signaux ECG. En effet, la détermination de la réponse respiratoire à partir de l'ECG, bien que théoriquement possible, nécessite un signal de haute qualité, qui n'est pas toujours compatible avec les mesures de terrain.
Dans l’état de la technique, la mesure de la Fréquence Respiratoire est aussi effectuée par différentes autres méthodes à partir de mesure(s) d’autre(s) paramètre(s) physiologiques tel qu’un flux sanguin ou encore un mouvement de la cage thoracique. Toutefois, ces solutions sont soit peu précises, soit intrusives et peu adaptées par exemple pour les exercices intégrés au quotidien de seniors.
On connaît également dans l’état de la technique le brevet européen N° EP 0 809 965 B1 (Seiko Epson Corporation), qui se rapporte à un dispositif de contrôle de l’état de santé et à un dispositif d’assistance d’exercice. On connaît également dans l’état de la technique le brevet européen N° EP 2 059 166 B1 (Fresenius Medical Care Deutschland GmbH), qui porte sur un procédé et un dispositif de détermination de la fréquence respiratoire.
On connaît également dans l’état de la technique le brevet européen N° EP 2 773 263 B1 (LifeLens Technologies), qui se rapporte à un dispositif de surveillance métabolique et cardio-pulmonaire.
Exposé de l’invention
La présente invention propose un dispositif portable permettant de caractériser avec précision l’état de forme physique d’un utilisateur en activité, notamment en prenant en compte le paramètre V02max et en améliorant la précision de ce calcul grâce à la Fréquence Respiratoire, mesurée d’une façon adaptée à l’activité, résistante aux artéfacts et en temps réel. Le dispositif permet, grâce également à la mesure de la Fréquence Respiratoire, le calcul et la détection avec précision du seuil ventilatoire.
La méthode et le système de caractérisation de la forme et de calcul notamment du V02max selon la présente invention compensent les défauts de l'état de l’art antérieur. Les données relatives à la fréquence respiratoire et aux paramètres biomécaniques de l’activité sont acquises par un dispositif portable intelligent. La consommation maximale d'oxygène est calculée en utilisant la méthode fournie par l’invention, et la mesure de l'endurance cardio respiratoire est réalisée de manière pratique et rapide. De plus, la méthode selon la présente invention évite à l’utilisateur la contrainte due au port du masque pour l’analyse des échanges gazeux, les coûts du test en laboratoire, le temps requis pour le calibrage et le port des équipements, l’interprétation des résultats et aussi l’épuisement dû aux méthodes classiques de test.
La présente invention, grâce au dispositif portable, permet aussi de mesurer et de détecter (et non d’estimer) le Seuil Ventilatoire (SV). C’est un paramètre physiologique important pour l’entrainement des sportifs mais aussi des séniors. Le SV permet d’adapter l'activité au niveau de forme physique « du jour » de l'athlète, du sportif, du jeune ou du grand sénior, pour surmonter le risque de surentraînement et de fatigue récurrente si l'athlète n'est pas à son niveau physique habituel (maladie, déshydratation, stress ...), ou pour éviter un accident de santé à la personne sénior.
Les utilisateurs peuvent surveiller leur SV au quotidien, sans se rendre à un laboratoire. Ceci est d'un grand intérêt pour l'élaboration de leurs programmes d’entraînement. En effet, la détermination du SV pendant et / ou directement après l'effort physique permet une meilleure amélioration de l'endurance et donc du V02max. La présente invention vise à fournir une solution accessible au plus grand nombre, en démocratisant une méthode de laboratoire qui nécessite des équipements coûteux, du temps et des ressources qualifiées. La solution est basée sur 30 ans d’expérience scientifique et de terrain, 140+ publications scientifiques internationales, validée sur des athlètes, des jeunes et grands seniors dont Robert Marchand, cycliste amateur, recordman du monde à 105 ans, qui avait un V02max d’un quinquagénaire. Cette accessibilité est accentuée par l’intégration au quotidien d’exercices personnalisés et évolutifs (par ex. 3 fois 30 minutes par semaine de marche ou de course, des montées d’escaliers) et par le coût de la solution. Cette personnalisation est renforcée par l'adaptation de ces exercices à la perception de l'effort de l’utilisateur (Facile, Moyen, Intense), privilégiant l’écoute de soi, évitant le risque d’accident ou de sensation d’échec.
A cet effet, l’invention concerne un dispositif portable permettant de mesurer et de caractériser l’état de forme physique d’un utilisateur en activité, comportant :
■ Au moins un capteur mesurant la fréquence respiratoire et/ou au moins un second capteur mesurant des paramètres de l’activité de l’utilisateur ;
■ Des moyens de calcul avec précision de paramètres synthétiques qui caractérisent la forme dont le V02max et de calcul en temps réel du seuil ventilatoire ;
■ Des moyens de caractérisation de l’activité de l’utilisateur ;
■ Une interface interactive avec ledit utilisateur ; ledit dispositif mettant en oeuvre un algorithme permettant une analyse des paramètres de mesure et les calculs.
La présente invention permet d’inciter les personnes sédentaires qui ne savent pas comment se remettre à l’activité sans craindre de retomber dans l’inconfort des activités physiques qui ne tiendraient pas compte du niveau actuel de leur forme physique et mentale.
Les athlètes, les sportifs ainsi que les jeunes et grands séniors peuvent aussi être motivés d’atteindre un objectif, d’initier une action préventive et/ ou corrective pour améliorer sa forme physique ou d'autres critères de bien-être et réduire les facteurs de risque de maladie chronique ou de chute. L'inactivité physique et la mauvaise condition physique sont associées à plusieurs problèmes de santé, tels que les maladies cardiovasculaires, les troubles métaboliques (par exemple, la surcharge pondérale, l'obésité, le diabète), les troubles musculosquelettiques, les maladies pulmonaires, etc. Il a été démontré que l'amélioration de l’endurance cardio-respiratoire soit l’état de forme physique, réduit la mortalité toutes causes confondues. Concrètement, pour une personne en mauvaise condition physique, une augmentation de 10 % du V02max peut réduire le risque de mortalité de 15 % et lui donner 10 années supplémentaires de vie de bonne qualité, comme l’illustre la Figure 1.
Grâce au dispositif selon la présente invention, les utilisateurs peuvent surveiller leur seuil ventilatoire au quotidien, sans aucun effort de laboratoire. Ceci présente un grand intérêt dans le cadre de l’élaboration de leurs programmes d’entraînement. En effet, la détermination du seuil ventilatoire pendant et/ou directement après l’effort physique permet un meilleur entraînement, une amélioration de l’endurance et donc du V02max.
Une autre spécificité du dispositif selon la présente invention est de donner des consignes d’entraînement à l’utilisateur basées sur la perception de l’effort. Cela permet d’être à l’écoute de soi et de ne pas suivre des entraînements basés sur des critères de performance, non personnalisés (ex. suivre une consigne de vitesse, de rythme cardiaque) avec des risques de blessures ou d’épuisement.
L’utilisateur est ainsi capable d’associer une consigne de perception d’effort à des ressources cardio-respiratoires adaptées sans que cela ne le mène à la contrainte, lui permettant d’adapter encore mieux l’entrainement à sa condition physique ; cet entrainement ayant été déjà personnalisé suite au bilan effectué et la caractérisation de sa forme.
Usuellement, une évaluation cardio-respiratoire se fait en laboratoire ou sur le terrain avec pour consignes des vitesses fixes, qui augmentent à des temps donnés, jusqu’à ce que la personne atteigne l’épuisement.
De fait, replacer la perception de l’effort de l’utilisateur comme facteur d’influence majeur de son évolution permet de faire progresser les performances sans aborder les limites.
Ce procédé basé sur la perception de l’effort permettra à l’utilisateur de comprendre que l’amélioration de sa condition physique n’est pas une lutte permanente contre la barrière des limites cardio-respiratoires mais une compréhension et une adaptation de la gouvernance de son état de forme.
La présente invention tire profit d’autres mesures précises du dispositif portable. Grâce à la plateforme inertielle intégrée (accéléromètre 3D, Gyroscope 3D, magnétomètre...), des mesures des paramètres de la démarche/ marche, permettent d’évaluer le risque de chute et de déficience cognitive en se basant sur les résultats éprouvés cliniquement de différentes publications scientifiques. La précision des mesures est grandement améliorée grâce à la possibilité de positionner le dispositif portable en bas du dos, proche du centre de gravité du corps. Concernant par exemple les chutes, chaque année en France, 20 à 30% des plus de 65 ans, et 50% des plus de 85 ans sont victimes d’une chute au moins. 15% des chutes sont responsables de traumatismes osseux (fracture du col fémoral dans 30% des cas).
L’incapacité pour la personne âgée de se relever est de mauvais pronostic. Un séjour par terre d’une heure est un facteur de gravité avec risque de décès de 50% dans les 12 mois suivants.
Dans ce contexte et avec l’arrivée en masse des baby-boomers, la prévention des chutes peut apporter une réponse à un enjeu humain et de santé publique :
■ Réduire le nombre de chutes et diminuer leur coût évalué à plus de 2 Mds € en France, $50 Mds aux Etats-Unis
■ Augmenter l’espérance de vie sans incapacité, et réduire le nombre de décès (plus de 12000 par an en France, 27000 aux US)
Concernant les pathologies neurodégénératives, l’enjeu est de dépister au plus tôt les Déficits Cognitifs Légers exposant au risque de démence.
Les mesures précises des paramètres de la marche/ démarche permettent aussi de pratiquer du Feedback Training en entraînant et en surveillant en temps réel plus particulièrement un paramètre qui décroche.
Selon un mode de réalisation, ledit dispositif est autonome.
Selon un autre mode de réalisation, ledit dispositif est connecté à un autre dispositif de type smartphone, montre connectée, tablette numérique qui sont connectés au Cloud ou ledit dispositif est connecté directement au Cloud.
Selon un mode de mise en oeuvre, ladite interface interactive est une interface graphique.
Selon un autre mode de mise en oeuvre, ladite interface interactive est une interface audio.
Avantageusement, ledit dispositif est associé à un accessoire, permettant de le clipser, ou de le fixer ou de l’intégrer dans un équipement ou de l’insérer dans un équipement
Selon un mode de réalisation, l’algorithme est mis en oeuvre en temps réel.
Selon un mode de réalisation, l’algorithme est embarqué dans le dispositif.
Selon un autre mode de réalisation, l’algorithme est exécuté partiellement ou totalement hors du dispositif.
Selon un mode de réalisation, ledit dispositif comporte au moins un microphone. Avantageusement, l’au moins un microphone est unidirectionnel. Avantageusement, ledit dispositif comporte plusieurs microphones omnidirectionnels, placés en réseau (beamforming), avec un traitement du signal pour créer un microphone directionnel, ce qui permet de placer le dispositif loin de la bouche/ du nez.
Avantageusement, ledit dispositif met en oeuvre un algorithme de détection des rythmes audio ou d’intelligence Artificielle (ex. Deep Learning) du/ des microphones afin d’en extraire la Fréquence Respiratoire d’une façon adaptée à l’activité, résistante aux artéfacts, dans un environnement bruité.
Avantageusement, ledit dispositif comporte des capteurs redondants (ex. microphone(s) redondant(s), ou microphone(s) et sonde de détection du changement de température dû à la respiration) pour fiabiliser les mesures.
Avantageusement, ledit dispositif comporte une plateforme inertielle qui comporte un capteur accéléromètre 3D, un gyroscope 3D, un magnétomètre un baromètre et ou un système de positionnement par satellite.
Avantageusement, ledit dispositif comporte en outre un microcontrôleur ou un processeur d’intelligence artificielle pour les dispositifs loT, une mémoire, un module BLE ou autre mode de transmission, une batterie, une/des LED, un bouton multifonctions (par ex. activation, enregistrement, transmission et suppression des enregistrements, reset) ou une pluralité de boutons, un haut-parleur, un buzzer et/ou un vibreur, ainsi que d’autres composants d’un système loT.
Ces composant d’un système loT peuvent être par exemple une batterie avec ou sans condensateur, un écran et/ou une interface tactile, une prise filaire, un système de chargement de la batterie par induction, une prise audio et ou un système de commande vocale.
Selon un mode de réalisation, ledit dispositif comporte en outre un capteur de paramètres du corps et/et/ou un capteur de paramètres de l’environnement.
Selon un mode de réalisation, ledit dispositif comporte en outre des moyens de détection d’une alerte.
Selon un mode de réalisation, comporte en outre des moyens d”analyse et de caractérisation du souffle et/ou de la toux via un module d’intelligence artificielle.
Avantageusement, ledit dispositif produit des consignes d’entraînement basées sur la perception de l’effort et/ou le seuil ventilatoire. Avantageusement, ledit dispositif comporte des moyens de prévention du risque de chute et de réaliser du Feedback Training en entraînant et en surveillant un paramètre défaillant.
Selon un mode de réalisation, le capteur mesure en outre l’actimétrie de l’utilisateur
La présente invention se rapporte également à un système comportant le dispositif évoqué ci-dessus mesurant notamment la fréquence respiratoire, ainsi qu’au moins un 2ème dispositif, avec une plateforme inertielle permettant de mesurer la cadence d’un cycliste, rameur... et/ou des paramètres de l’activité, le premier dispositif clipsé au niveau de la chemise ou du T-shirt, ne pouvant pas mesurer par exemple la cadence d’un cycliste ou d’un rameur.
Grâce à cette approche modulaire, au moins un dispositif supplémentaire comportant des capteurs complémentaires permettrait d’effectuer d’autres mesures.
La présente invention se rapporte également à un système comportant le dispositif évoqué ci-dessus, un dispositif de type smartphone, montre connectée ou tablette numérique, et un serveur dans le cloud.
Avantageusement, ledit système comporte en outre au moins un second dispositif de mesure pour mesurer la cadence pour des activités cadencées ou pour effectuer d’autres mesures.
Selon un mode de réalisation, ledit système comporte en outre un autre dispositif couplé avec le premier dispositif. En effet, lorsqu’on court ou on marche, le même dispositif peut mesurer la fréquence respiratoire et la cadence/ vitesse. Pour mesurer une cadence en plus de la fréquence respiratoire à vélo, sur l’elliptique ou le rameur, il est nécessaire d’avoir ce second dispositif qu’on peut mettre au poignet ou sur le manche de la machine rameur, sur le pied ou sur la machine elliptique/ la pédale du vélo. Ce second dispositif peut être aussi positionné à un autre endroit du corps, par exemple le bas du dos, pour mesurer notamment la synchronisation avec le haut du corps lors de l’exercice ou la marche.
Brève description des dessins
[Fig. 1] représente la forme physique en fonction de l’âge
[Fig. 2] représente un dispositif selon la présente invention, dans un mode de réalisation. [Fig. 3] illustre l’architecture du système mettant en œuvre le dispositif selon la présente invention.
[Fig. 4] représente le traitement de flux de signaux.
[Fig. 5] illustre une vue conceptuelle d’un réducteur de bruit audio.
[Fig. 6] représente un exemple de réduction du bruit. [Fig. 7] illustre la détection de l’enveloppe.
[Fig. 8] représente le flux d’extraction du rythme.
[Fig. 9] illustre le flux de signaux basé sur le machine-learning.
Description détaillée
La présente invention se rapporte à un dispositif 100 portable permettant de mesurer et de caractériser l’état de forme physique d’un utilisateur en activité, comportant :
- Au moins un capteur 110 mesurant la fréquence respiratoire et/ou au moins un capteur 140 mesurant des paramètres de l’activité de l’utilisateur ;
Des moyens 120 de calcul avec précision de paramètres synthétiques qui caractérisent la forme dont le V02max et de calcul en temps réel du seuil ventilatoire ;
Des moyens de caractérisation de l’activité de l’utilisateur ;
Une interface interactive 130 avec ledit utilisateur.
Le dispositif 100 met en outre en œuvre un algorithme permettant une analyse des paramètres de mesure et les calculs.
La mesure de la fréquence respiratoire (et non une estimation à partir du rythme cardiaque pratiquée couramment), en complément des capteurs d’activité de la plateforme inertielle, apporte une précision importante au calcul du V02max (nous arrivons dans les 5% des erreurs des mesures physiologiques).
La mesure en temps réel et avec précision de la fréquence respiratoire permet aussi de détecter avec précision le seuil ventilatoire (SV). Ce seuil est important pour l’entrainement des sportifs (seniors ou pas) mais il est aujourd’hui estimé avec beaucoup d’imprécision. Le seuil ventilatoire détecté avec précision, grâce à la mesure de la fréquence respiratoire, est aussi utile pour les seniors afin de ne pas provoquer des accidents durant les séances d’exercices.
Le dispositif 100, comportant notamment les capteurs 110 et 140, est non intrusif, et est positionné par exemple au niveau du col de la chemise/ T-Shirt, ou dans un bandeau, serre- tête ou encore intégré à des écouteurs, qui grâce :
- au beamforming créé par des microphones MEMS omnidirectionnels peu coûteux, peut créer un microphone directionnel pour capter à distance la fréquence respiratoire au niveau du nez/ de la bouche (sans avoir à positionner un microphone directionnel devant la bouche).
- à des logiciels de traitement du rythme audio ou des logiciels de IA (Deep Learning) peut mesurer la fréquence respiratoire, dans le signal audio fourni par le beamforming, cela dans un environnement bruité ;
- à une plateforme inertielle et aux logiciels associés, d’analyser les paramètres l’activité, par exemple marche, course et démarche.
Le capteur 140 mesure des paramètres de l’activité de l’utilisateur.
De plus, avec un simple microphone, le dispositif, positionné devant la bouche, permet la mesure avec précision de la fréquence respiratoire, des paramètres de la marche, apporte une précision importante au calcul du V02max et permet aussi de détecter avec précision le seuil ventilatoire.
Dans un mode de réalisation, le dispositif 100 comporte plusieurs microphones omnidirectionnels, placés en réseau (beamforming), avec un traitement du signal pour créer un microphone directionnel, ce qui permet de placer le dispositif loin de la bouche/ du nez.
Dans un mode de réalisation, le dispositif 100 met en oeuvre un algorithme de traitement de l’audio du/ des microphones afin d’en extraire la fréquence respiratoire d’une façon adaptée à l’activité, résistante aux artéfacts, dans un environnement bruité.
Dans un mode de réalisation, le dispositif 100 comporte des capteurs redondants pour fiabiliser les mesures.
On observe sur la Figure 2 un dispositif 100 selon la présente invention, dans un mode de réalisation.
Le dispositif 100 selon la présente invention est portable, miniaturisé, non-intrusif, non- stigmatisant et d’une grande autonomie.
Il permet de mesurer et de monitorer de façon précise l’état de forme physique d’un individu en activité (par exemple : marche, course, exercice physique cadencé), son seuil ventilatoire et de guider son entraînement. Un second dispositif permet la mesure de la cadence d’exercice tel que rameur, vélo, vélo elliptique etc.
Dans un mode de réalisation, le dispositif 100 selon la présente invention est autonome. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif 100 selon la présente invention est connecté à un autre dispositif 200 de type smartphone, montre connectée ou tablette numérique, qui sont connectés à un « Cloud ». Le dispositif 100 peut être également directement connecté à un « Cloud ».
Le dispositif 200 de type smartphone, montre connectée ou tablette numérique peut prendre l’initiative de l’activation du dispositif (par exemple pour les Bilans, séances d’exercices ou le test d’évaluation du risque de chute). Le dispositif 200 peut être en veille le reste du temps. Le dispositif 100 peut aussi prendre l’initiative de l’activation quand l’utilisateur l’active par exemple par un bouton placé dessus ou en le bougeant.
Le dispositif 100 selon la présente invention met en œuvre un algorithme permettant une analyse des paramètres de mesure, en temps réel ou non, embarqué dans le dispositif ou non et une application interactive 130.
Cet algorithme est embarqué dans le dispositif, ou bien est exécuté partiellement ou totalement hors du dispositif.
Dans un mode de réalisation, l’interface interactive 130 est une interface graphique.
Dans un autre mode de réalisation, l’interface interactive 130 est une interface audio.
L’application interactive 130 dispense des consignes et conseils quant à la façon d’adapter son activité physique pour atteindre les objectifs de maintien ou de remise en forme personnalisés.
Dans un mode de réalisation, le capteur mesure en outre l’actimétrie de l’utilisateur.
Dans un mode de réalisation, le dispositif 100 selon la présente invention est associé à un accessoire, permettant de le clipser ou le fixer de l’intégrer dans un équipement ou de l’insérer dans un équipement. Il peut par exemple être clipsé avec un accessoire de type pince à linge sur le col d’une chemise ou bien sur un T-Shirt pour mesurer la fréquence respiratoire et les paramètres de la marche. Il peut également être clipsé en base du dos proche du centre de gravité, sur short, ceinture, pantalon, jupe ou survêtement de sport, afin de mesurer avec précision les paramètres de la marche. Le dispositif 100 selon la présente invention peut également être inséré dans une pochette d’un slip, pour l’actimétrie. Il peut également être apposé sur un masque, de type anti-virus ou anti-pollution,. Ceci permet de mesurer la fréquence respiratoire, même lors du port du masque. Le dispositif 100 selon la présente invention peut également être par exemple clipsé sur des lacets d’une chaussure, fixé sur le pantalon ou le pédalier pour mesurer la cadence à vélo ou être intégré dans un bracelet anti-sueur ou fixé sur la poignée de l’équipement du type rameur pour mesurer la cadence. Enfin, le dispositif 100 selon la présente invention peut également être intégré dans un bandeau ou bien dans des oreillettes ou encore dans des appareils de type « earpods ».
L’originalité est aussi dans la possibilité d’utiliser le dispositif 100 selon la présente invention pour l’analyse précise des paramètres de la marche, tels que vitesse, cadence, régularité, puissance cranio-caudal, lorsqu’il est positionné en bas du dos, proche du centre de gravité et permettre ainsi l’évaluation du risque de chute. Un protocole simple de test a été retenu, à la suite de publications scientifiques et d’études de terrain. Il est possible aussi d’utiliser le dispositif 100 selon la présente invention, pas nécessairement positionné en bas du dos, pour analyser l’actimétrie de l’utilisateur.
L’analyse des paramètres de marche en temps réel, par exemple sur un tapis de marche chez le kinésithérapeute et/ou dans un club de sport et/ou lors d’une marche ou d’une course en extérieur, permet de suivre un paramètre et son amélioration en temps réel, grâce aux conseils du kinésithérapeute. Cela permet une interaction stimulante et gamifiée pour la thérapie des troubles de la marche. Les paramètres peuvent être : vitesse, longueur de foulée, cadence, instabilité, régularité, symétrie, chocs pathogènes, puissance totale.
Le dispositif 100 selon la présente invention permet également de détecter une alerte, par exemple si l’utilisateur demande de l’aide ou bien si le dispositif détecte une urgence (événement détecté par exemple par les microphones), ou s’il chute (événement détecté par exemple par la plateforme inertielle).
L’analyse du souffle et/ou de la toux via IΊA permet également de suivre à distance révolution d’une pathologie suite à l’administration d’un traitement, ou de détecter une alerte suite à la dégradation de l’état de santé, par exemple pour des patients atteints de BPCO (bronchopneumopathie chronique obstructive), détecter des troubles cardiaques, l’apnée du sommeil, la pneumonie, la dyspnée, le stress, la charge intellectuelle...
En effet, la mesure objective de la fréquence, son intensité ainsi que cette analyse par IΊA de la signature sonore et de la durée des bruits associés tels que les ronchi, sibilances, crépitants, le frottement pleural, la toux, les éternuements, etc. contiennent des informations importantes pour les médecins lors de la télésurveillance par exemple de l’efficacité médicamenteuse, lors aussi des explorations fonctionnelles respiratoires, et des exercices de réhabilitation, notamment quand ces exercices et explorations sont réalisés par des techniciens en l’absence du médecin, , etc.
Ces mesures permettent également d'identifier les moments et les contextes des déclenchements ainsi que les facteurs de déclenchement. L'identification et l'analyse des déclenchements liés, par exemple, à des maladies professionnelles sur le lieu de travail, ou à une maladie infectieuse ou encore à un problème de pollution dans une zone géographique, permettent d’alerter notamment les parties prenantes de la santé. Ces mesures peuvent aussi être exploitées à des fins cliniques, de recherche, de statistiques, etc.L’IA permet également l’enseignement clinique.
La solution est modulaire :
Un ou plusieurs autres dispositifs permettent de mesurer les paramètres de certaines activités ex. cadence à vélo, ou rameur, en plus du dispositif de mesure de la fréquence respiratoire. Ils peuvent également intégrer d’autres types de capteurs (ECG, SP02 etc.)
Plusieurs capteurs peuvent être ajoutés, dans le même dispositif 100 selon la présente invention ou dans un dispositif différent, pour valider une même mesure, par exemple de la fréquence respiratoire avec une double mesure, du même type de capteur audio ou de deux capteurs de nature différente ex. capteur audio, mini sonde de température (qui détecte le changement de température à la suite de la respiration), ou avec une mini sonde de C02 dont la concertation varie avec la respiration, ou d’humidité ou autre. Le fait que les capteurs soient de nature différente ne les rend pas sensibles aux mêmes artefacts. Une mesure d’un écart prédéfini de la nouvelle mesure par rapport à la précédente permet de retenir une mesure plutôt que l’autre qui aurait été sujette à un artefact.
L’interaction audio entre l’utilisateur et l’application se fait via le haut-parleur du smartphone ou les écouteurs personnels, ou via sa prothèse auditive, connectés à l’application du smartphone (ou à l’application de la montre connectée ou de la tablette numérique) ou bien directement au dispositif 100.
Le guidage d’une séance d’entrainement peut être aussi réalisé par le dispositif 100 selon la présente invention sans utiliser l’application (par ex. par l’audio du dispositif). Un chargement de la séance dans le dispositif 100 selon la présente invention se fait par l’application
Une implémentation de la solution est envisageable en OEM dans une oreillette avec microphone intégré qui capte aussi la fréquence respiratoire et avec une plate-forme inertielle qui mesure les paramètres de la marche.
Le dispositif 100 selon la présente invention peut fonctionner d’une manière autonome sans passer par le smartphone ou le cloud. Il peut ainsi détecter en temps réel le seuil ventilatoire et le signaler à l’utilisateur (par ex. via un buzzer).
Différents modes de réalisation de la présente invention sont décrits ci-dessous :
Les microphones directionnels intrinsèques, comme les cardioïdes, constituent une bonne solution théorique pour maximiser un enregistrement sonore spécifique, en éliminant de nombreux bruits externes indésirables par le dispositif de microphone lui-même. Avec plusieurs microphones omnidirectionnels placés dans un réseau, avec un traitement supplémentaire du signal, il est possible de recréer le schéma directionnel. Selon le nombre et la taille du réseau, la direction principale peut être modifiée en direction et en angle d'ouverture et peut varier avec la fréquence. Cela peut être une bonne solution pour optimiser l'enregistrement d'un son spécifique.
Avec seulement deux microphones omnidirectionnels, il est possible de créer un certain schéma de directivité sur l'axe principal créé par les 2 membranes en utilisant un système de traitement audio à formation de faisceau (beamforming). Ce système est utilisé par exemple sur de nombreux écouteurs aujourd'hui pour accentuer le son provenant de la bouche pour les appels téléphoniques.
Différentes options sont disponibles pour appliquer un traitement audio numérique à un enregistrement sonore. Nous considérons trois modules :
• Les appareils d'enregistrement (intégré dans le dispositif 100 selon la présente invention)
• Le smartphone, montre connectée ou tablette 200
• Le serveur 300 dans le Cloud
On observe sur la Figure 3 l’architecture du système mettant en œuvre le dispositif 100 selon la présente invention. On observe sur cette Figure le dispositif 100 selon la présente invention, un autre dispositif 200 de type smartphone, tablette numérique ou montre connectée et un serveur 300 dans le cloud.
En fonction des contraintes globales du système, le filtre de la fréquence respiratoire et le traitement de l’intelligence artificielle ou du rythme audio et l’analyse des paramètres de l’activité, par exemple la marche ou la course, peuvent être intégrés à différents endroits.
Le choix dépend de :
■ La charge du CPU : exprimée en MIPS (million d'instructions par seconde) ou en MHz. Elle donne des informations sur la complexité d'un logiciel. Le processeur doit fournir plus de MIPS ou de MHz que ce qui est requis par l'algorithme pour garantir des capacités en temps réel.
■ La charge du composant d’IA (« Al at the edge ».)
• Les besoins en mémoire : exprimés en kB ou en MB (kilo-octets et méga-octets). Il existe trois types de mémoire différents : o la mémoire de programme, qui stocke le logiciel exécutable, o une mémoire statique, qui stocke les paramètres et les coefficients de filtrage, o la mémoire dynamique, qui est utilisée par le traitement comme un espace temporaire.
■ Les contraintes de latence : exprimées en secondes. C'est le temps de réactivité entre l'enregistrement d'un événement (la respiration humaine) et la disponibilité de la valeur.
Traditionnellement, des fonctions à fortes contraintes en temps réel, telles que la réduction du bruit et l'annulation de l'écho pour la voix de communication, sont intégrées au dispositif d'enregistrement (dans les écouteurs Bluetooth par exemple).
Lorsqu’une mémoire de stockage est importante (rapports, diagnostics) et que des capacités de traitement plus importantes sont nécessaires, le smartphone est préféré. Le traitement dans le Cloud est l'une des options pour le traitement de l'intelligence artificielle et l'échange/protection des données.
Toutefois, des traitements d’intelligence artificielle embarqués (IA at the Edge) sont aujourd’hui disponibles avec des performances élevées et une consommation faible.
Dans la suite, nous présenterons le flux de traitement audio, tout d’abord dans une approche simple, puis dans une approche avancée.
La Figure 4 représente le traitement de flux de signaux.
Tout d'abord, un filtre de bruit LMS adaptatif tente de rejeter les signaux perturbants. Ce filtre permet d'éliminer tous les bruits de fond continus / stationnaires tels que le moteur de la voiture, le climatiseur ...
La Figure 5 illustre une vue conceptuelle d’un réducteur de bruit audio.
Dans le domaine des fréquences, l'algorithme identifie les caractéristiques du bruit et détecte l'activité dynamique du signal à conserver. Ensuite, une soustraction spectrale est appliquée entre le son original et le bruit estimé. On ne peut pas supprimer plus de 10 dB de bruit sans créer d'artefacts importants. Le système doit être réglé avec précision pour obtenir le meilleur équilibre entre le bruit et la présence d'artefacts.
La Figure 6 représente un exemple de réduction du bruit.
La deuxième étape est un détecteur d'enveloppe. Cet algorithme lisse la forme d'onde pour récupérer la forme moyenne du signal. Le filtre basé sur un filtre passe-bas réduit également le bruit résiduel indésirable. La Figure 7 illustre la détection de l’enveloppe.
La dernière étape, par l'analyse de la forme de l'enveloppe, extrait les horodatages des maximums locaux. Ainsi, le rythme respiratoire peut être extrait facilement.
Cette approche permet de comprendre les différents modules qu’on étudie pour détecter la respiration à partir des enregistrements microphoniques.
Des procédés avancés sont présentés ci-après pour détecter le rythme respiratoire à partir d'un enregistrement audio qui améliorent la qualité du résultat, en particulier dans les environnements bruyants.
Dans le contexte actuel, l'enregistrement audio comprend à la fois des bruits forts (mouvements des vêtements humains, environnement) et le son de la respiration humaine. Un algorithme robuste de détection du rythme doit être utilisé pour garantir les meilleures performances.
Un grand nombre de publications se sont développées au cours des deux dernières décennies, et chaque année, de nombreuses demandes sont soumises au Music Information Retrieval Evaluation eXchange (MIREX). On peut considérer que le détecteur de rythme respiratoire est similaire à l'évaluation des battements en musique.
Une stratégie générale commune pour le suivi du rythme fonctionne en deux étapes. Premièrement, le signal audio est traité par une fonction de force d'apparition, qui mesure la probabilité qu'un changement musical important (par exemple, l'apparition d'une note) se soit produit à chaque point dans le temps. L'algorithme de suivi sélectionne ensuite les temps de battement parmi les pics du profil de la force d'attaque.
La fonction d'énergie d'apparition est d'abord proposée sur la base du flux d'énergie spectrale réaffecté. Une combinaison de la transformée de Fourier discrète et de la fonction d'autocorrélation de fréquence cartographiée est utilisée pour estimer les périodicités dominantes à chaque instant. Un algorithme de Viterbi est ensuite utilisé afin de détecter les trajectoires de subdivision les plus probables en termes de tempo et de battements dans le temps.
La Figure 8 représente le flux d’extraction du rythme.
Dans le domaine audio, le modèle d'intelligence artificielle donne de meilleurs résultats que le filtre traditionnel basé sur un algorithme. L'approche suivante rassemble la réduction du bruit et l'extraction du rythme dans un seul système d'intelligence artificielle. La Figure 9 illustre le flux de signaux basé sur le machine-learning.
Tout d'abord, un ensemble de données audio de référence doit exister. Il peut s'agir d'un enregistrement réel, mais cela peut être une tâche très longue lorsque de nombreux niveaux de bruit et environnements sont nécessaires. Une alternative consiste à utiliser les bases de données de bruit existantes d'une part et un enregistrement propre/annoté, avec le vrai rythme, de la respiration d'autre part.
La base de données peut alors être créée artificiellement en mélangeant le bruit et le signal propre avec des poids différents. Les variations peuvent ainsi être infinies.
Différentes bases de données sur le bruit sont disponibles.
Une plateforme inertielle à très faible encombrement peut être intégrée au dispositif 100 selon la présente invention
Dans un mode de réalisation, le dispositif 100 comporte en outre un capteur de paramètres du corps et/et/ou un capteur de paramètres de l’environnement. Il peut également comporter plusieurs capteurs de paramètres du corps et/ou plusieurs capteurs de paramètres de l’environnement. Par exemple, un ou plusieurs microphones pour analyser les sons, bruits ou nuisances sonores des rues ou des lieux parcourus par l’utilisateur, à une heure donnée, un jour de la semaine ou du mois, ce qui permettrait de renseigner et de partager cette information.
Cela pourrait être la mesure de la température extérieure ou celle du corps, la fréquence cardiaque, le taux de saturation en Oxygène (Sp02). Ces mesures des paramètres du corps peuvent être réalisées grâce au dispositif intégré à des oreillettes.
Un autre exemple, serait des capteurs de la pollution dans les rues ou lieux parcourus par l’utilisateur, à une heure donnée, un jour de la semaine ou du mois, ce qui permettrait aussi de renseigner et de partager cette information.
Le présent procédé permet de détecter et de mesurer avec précision le seuil ventilatoire (SV) par la fréquence respiratoire. Or, avec ce verrou technologique que nous avons levé, nous disposons déjà d’un protocole validé scientifiquement permettant grâce à cette détection du SV d’élaborer un protocole d’entraînements hautement personnalisé s’articulant autour de ce seuil. Ce protocole permet de définir précisément, individuellement, en temps réel, les durées et intensités efficaces des entraînements.
Afin de déterminer les seuils ventilatoires, l’utilisateur réalise un test, par exemple de marche ou de course, sur le terrain. Le test peut être auto-administré, ne nécessitant pas d'équipement de test spécial ou de personnel formé. La présente invention propose deux procédés pour déterminer un point de rupture dans un ensemble de données physiologiques, un procédé en fin de séance, pour des données acquises pendant l'exercice, l’autre procédé en cours de séance, pour des données acquises en temps réel.
Les deux procédés comprennent une étape de filtrage préliminaire, dans laquelle les données physiologiques sont traitées afin d'éliminer les données correspondant à des périodes de récupération ou de stabilité pendant la séance d'exercice et de ne conserver que les tendances croissantes en tant que données sélectionnées. Les données résultantes représentent donc un effort incrémental, et le seuil ventilatoire est déterminé à partir de ces données comme le point critique auquel la ventilation commence à augmenter plus rapidement.
Le premier procédé, en fin de séance, analyse les informations obtenues, une fois que l'utilisateur confirme que le test est terminé. Ledit procédé comprenant ensuite, dans une réalisation possible, une étape d'identification de deux lignes avec une pente différente qui correspondent à des données sélectionnées à partir de l'ensemble de données physiologiques, dans lequel le dit point de rupture correspond à l'intersection des dites lignes.
Ce premier procédé pouvant aussi comprendre, dans une autre réalisation possible, le calcul de la dérivée seconde de la fonction polynomiale la mieux ajustée et la détection des extrema qui dénotent les accélérations et décélérations brusques dans l'ensemble des données.
D’autres réalisations techniques sont possibles de détection des points de rupture peuvent être implémentées.
Le 2ème procédé permet de détecter les seuils ventilatoires, en cours de séance, en calculant en temps réel l’accélération de la fréquence respiratoire ou, dans une autre réalisation possible, le changement de pente de la courbe de la FR.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (100) portable permettant de mesurer et de caractériser l’état de forme physique d’un utilisateur en activité, caractérisé en ce qu’il comporte :
- Au moins un capteur (110) mesurant la fréquence respiratoire et au moins un second capteur (140) mesurant des paramètres de l’activité de l’utilisateur ;
Des moyens (120) de calcul, avec une précision équivalente à celle des équipements de laboratoire, de paramètres synthétiques qui caractérisent la forme dont le V02max et de détection en temps réel et avec précision des seuils ventilatoires SV1 , SV2, au moyen de la mesure de la fréquence respiratoire ;
Des moyens de caractérisation de l’activité de l’utilisateur ;
Une interface interactive (130) avec ledit utilisateur ; en ce qu’il comporte plusieurs microphones omnidirectionnels, placés en réseau selon la technique de la formation de faisceaux, avec un traitement du signal pour créer un microphone directionnel, ce qui permet de placer le dispositif loin de la bouche/ du nez ; et en ce qu’il comporte des capteurs redondants pour fiabiliser les mesures.
2. Dispositif (100) selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu’il est autonome.
3. Dispositif (100) selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu’il comporte des moyens pour se connecter à un autre dispositif (200) de type smartphone, montre connectée ou tablette numérique, qui sont connectés à un « Cloud ».
4. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu’il comporte des moyens pour se connecter directement à un « Cloud ».
5. Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte des moyens pour être associé à un accessoire, permettant de le clipser ou de le fixer ou de l’intégrer dans un équipement, par exemple du type oreillette, casque ou bandeau, ou de l’insérer dans un équipement.
6. Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un microphone.
7. Dispositif (100) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l’au moins un microphone est unidirectionnel.
8. Dispositif (100) selon l’une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il met en oeuvre un algorithme de détection des rythmes audio ou d’intelligence Artificielle, par exemple un algorithme d’apprentissage profond, du/ des microphones afin d’en extraire la fréquence respiratoire et son intensité d’une façon adaptée à l’activité, résistante aux artéfacts, dans un environnement bruité.
9. Dispositif (100) selon l’une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte une plateforme inertielle, qui comporte un capteur accéléromètre 3D, etun gyroscope 3Det/ou un magnétomètre et/ou un baromètre et ou un système de positionnement par satellite.
10. Dispositif (100) selon l’une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte un microcontrôleur et/ou un processeur d’intelligence artificielle pour les dispositifs loT, une mémoire, un module BLE ou autre mode de transmission, une batterie, une/des LED, un bouton multifonctions, pour l’activation, enregistrement, transmission et suppression des enregistrements, reset, ou une pluralité de boutons, un haut-parleur, un buzzer et ou un vibreur, ainsi que d’autres composants d’un système loT.
11 . Dispositif (100) selon l’une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un capteur de paramètres du corps et/et/ou un capteur de paramètres de l’environnement.
12. Dispositif (100) selon l’une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il produit des consignes d’entraînement améliorées et adaptées et basées sur la perception de l’effort et ou le seuil ventilatoire.
13. Dispositif (100) selon l’une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte en outre des moyens de détection d’une alerte.
14. Dispositif (100) selon l’une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte en outre des moyens d”analyse et de caractérisation du souffle et ou de la toux via un module d’intelligence artificielle.
15. Dispositif (100) selon l’une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte des moyens de prévention du risque de chute et de réaliser des exercices basés sur la rétroaction en entraînant et en surveillant un marqueur défaillant.
16. Système (400) comportant un dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 15, un dispositif (200) de type smartphone, montre connectée ou tablette numérique, et un serveur (300) dans le cloud.
17. Système (400) selon la revendication 16, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un autre dispositif couplé avec le dispositif (100).
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FR (1) FR3122983A1 (fr)
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