Monitoring cardio apnée du sommeil

Présentation du projet

Zoom sur l'apnée du sommeil

Qu'est-ce que l'apnée du sommeil ?

Le syndrome d'apnées-hypopnées obstructives du sommeil (SAHOS), appelé également apnée du sommeil, est un trouble du sommeil occasionné par des pauses respiratoires.
Ce syndrome se caractérise par la survenue d’épisodes anormalement fréquents d’interruptions (apnées) ou de réductions (hypopnées) de la respiration durant le sommeil. Ces pauses de respiration durent de 10 à 30 secondes, voire plus, se produisent au moins 5 fois par heure de sommeil et peuvent se répéter une centaine de fois par nuit. Elles sont dues à des obstructions répétées complètes ou partielles des conduits respiratoires de l'arrière-gorge (voies aériennes supérieures) survenant au cours du sommeil.
Cette réduction ou interruption de la ventilation pendant le sommeil provoque un manque en oxygène. Le cerveau réagit et la personne se réveille pour reprendre sa respiration. Ces éveils sont de courte durée : on parle de « micro-éveils » dont la personne n'a pas conscience.
En France, l’apnée du sommeil touche 4 % de la population.

Quelles sont ses conséquences ?

Ce syndrome provoque de nombreuses conséquences à court terme et à long terme. La nuit, l'apnée du sommeil provoque un sommeil très perturbé, saccadé et de mauvaise qualité avec des ronflements et des reprises respiratoire bruyante. Cela conduit donc ensuite à une qualité de vie réduite avec notamment des somnolences diurnes, une irritation constante et une baisse des capacités cognitive (concentration, mémorisation, etc...).
Bien que ces conséquences soit déjà très dérangeantes. Des conséquences à long termes s'installe en cas de non traitement de cette apnée nocturne. En effet, celle-ci augmente les risques de troubles cardiovasculaires et métaboliques comme le syndrome métabolique, l'hypertension, les troubles du rythme cardiaque, l'athérosclérose et le diabète de type 2. Cela peut ensuite conduire à des risques d'accident cardiovasculaire pouvant conduire à un décès prématuré.
Heureusement, ces conséquences sont majoritairement réversible en cas de traitement de l'apnée du sommeil. Cependant, pour cela, nous devons tout d'abord détecter l'apnée du sommeil.
Cela nous donne notre problématique : Comment détecter l'apnée du sommeil de façon ambulatoire et économe ?

Moyens de détection de l'apnée du sommeil

Les moyens de détection par les professionnels de santé

Lors de la consultation médicale, le médecin propose au patient de tenir un agenda du sommeil où il écrira ses horaires de sommeil, Par ailleurs, il peut rechercher un ou des obstacles sur les voies aériennes au cours d' un examen ORL. Enfin, en cas de suspection de l'apnée du sommeil le médecin peut demander une polygraphie ventilatoire nocturne. Afin de confirmer le diagnostique, la polygraphie ventilatoire nocturne enregistre sur une durée d’au moins 6 heures l’électrocardiogramme, le débit d'air entrant et sortant par les narines ainsi que la saturation du sang en oxygène.

Cette solution présente de nombreux inconvénients. Premièrement, les machines utilisées lors de la polygraphie ventilatoire nocturne sont très onéreuses (3000€ en moyenne) Deuxièmement, elles obligent le patient à se rendre à l’hôpital ce qui peut représenter un obstacle de taille pour certains. Troisièmement ces machines prennent de la place au sein de l’hôpital à l’heure où les professionnels s’alarment et se plaignent du manque de place et de lits à l’hôpital.

Les moyens de détection ambulatoire

En raison de ces inconvénients, les leaders actuels du marché, la société ResMed, a mis au point l’ApneaLink, un dispositif portable de dépistage de l’apnée du sommeil. Il permet d’enregistrer 4 signaux d’information : le débit respiratoire, la saturation en oxygène du sang, le pouls et la présence de ronflements.
Cependant, l’ApneaLink présente encore des lacunes. En effet, de nombreux patients se plaignent de la gêne occasionnée par les fils de mesure du flux respiratoire.

Par ailleurs, son manque d’ergonomie est également source d’insatisfaction chez les utilisateurs. Ce manque d’ergonomie se manifeste par l’encombrement lié à la ceinture que doit porter le patient durant toute la nuit. Celle-ci est très épaisse car elle supporte tous les capteurs et empêche donc le patient de dormir confortablement dans une position autre que sur le dos. Enfin, son prix exorbitant (2200€) est source d’inégalité sociale puisqu’il n’est pas à la portée de tout le monde de se payer un tel appareil.

Notre solution

Principe général

Nous voulons détecter l'apnée du sommeil en regardant le taux d'oxygène dans le sang du patient. En effet, celui-ci varie de 94 à 100 % chez un humain normal pendant la nuit. Ainsi, une diminution de ce taux en dessous de 94% signifierai que le patient a arrêté de respirer et en mesurant cela pendant toute la nuit et en le comparant avec un humain normal, nous détecterons une probable apnée du sommeil.

Besoins en matériel

• Un oxymètre :

L'oxymètre doit pouvoir transmettre ses données à un ordinateur (ou plus tard un Arduino) par un câble, par une carte SIM ou par Bluetooth.

• Un Arduino :

Pour traiter les données recueilli par l'oxymètre

Avancement du projet

Matériel utilisé

Nous avons tout d'abord décidé d'utiliser un Arduino UNO pour sa petite taille et sa popularité, ce qui nous permet d'avoir certaines références de matériels et de librairies utilisées. Nous connecterons également cet Arduino à un ordinateur afin de stocker les informations de la nuit (cela fait beaucoup trop d'informations pour la faible capacité de stockage de l'Arduino).

Le capteur que nous avons utilisé est le module oxymètre de pouls et capteur de fréquence cardiaque à haute sensibilité MAX30102. Celui-ci permet une connexion simple avec l'Arduino grâce au bus I2C. Nous l'avons alimenté avec du 3,3V directement à partir de la carte Arduino.

Ce capteur comprend une LED rouge, une LED Infrarouge, un photodétecteur et un dispositif optique. Il nous renvoie en sortie la réponse du photorécepteur à ces LED.

Nous avons également essayé le capteur MAX30100 mais la précision des mesures d'oxygène dans le sang était insuffisante.

Nous utilisons un écran Grove-LCD RGB Backlight pour afficher le résultat en SPO2 du capteur.

Pour finir, nous utilisons du matériel électronique de base comme un breadboard et des câbles pour relier ces différents composants.

Principe de fonctionnement

La détection de l'apnée du sommeil repose sur la mesure de la saturation en oxygène du sang. Souvent désignée par Sp02, cette saturation correspond au pourcentage d'hémoglobines qui transportent des molécules de dioxygène(CHbO2) relativement à la quantité totale d'hémoglobines(CHb). Le taux d'oxygène dans le sang (SP02) baisse pendant une apnée du sommeil, pouvant aller jusqu'à 70% lors des épisodes les plus sévères. Ainsi, notre objectif est tout d'abord de parvenir à mesurer la SpO2 du patient et ensuite de détecter une baisse en-dessous d'un seuil 85%.

Pour mesurer la SpO2 du patient, il nous faut connaître la quantité d'hémoglobine totale ainsi que la quantité d'oxyhémoglobine(CHbO2). Or, il se trouve que la couleur du sang varie en fonction de la quantité d’oxygène qu’il contient. C'est pourquoi l’oxymètre émet une lumière rouge et une lumineuse à infrarouge à travers un doigt du patient. Ensuite, la lumière rouge est absorbée par l’hémoglobine contenant de l’oxygène, tandis que la lumière à infrarouge est absorbée par l’hémoglobine contenant du dioxygène. Enfin, le photodétecteur génère deux tensions proportionnelles à l’intensité des lumière rouge et infrarouge réfléchies par le doigt. Finalement, d'après la loi de Beer-Lambert, nous savons que la concentration d'une entité chimique au sein d'une solution(ici, le sang) est proportionnelle à son absorbance et donc aux tensions générées par le photodétecteur. En divisant la concentration en oxyhémoglobine par la concentration en hémoglobine, nous parviendrons à aboutir au pourcentage souhaité. Nous récupérons donc la valeur de ces deux tensions sur la carte Arduino.

Dans un deuxième temps, il nous faut procéder au traitement du signal reçu du capteur pour rendre notre mesure de la SpO2 plus précise. Nous utilisons donc un filtrage passe-haut puis passe-bas afin de limiter l'impact des valeurs extrêmes de nos échantillons.

Problèmes rencontrés

Étant donné que notre projet a été réalisé de manière largement indépendante, nous avons rencontré un certain nombre de difficultés. Ce fut tout d'abord la première fois que nous utilisions un Arduino, nous avons donc eu un temps d'adaptation non négligeable pendant lequel nous avons appris les fonctionnement de ce microcontrôleur.

Nous avons ensuite eu de grandes difficultés sur des détails de branchements et d'électroniques. Les deux premières séances ont été réalisées avec un breadboard non fonctionnel. Le capteur a donc été dysfonctionnel pendant ces séances ce qui nous a amener à penser que celui-ci été cassé.

Une fois le capteur fonctionnel, nous avons constaté de sa grande imprécision qui est du à plusieurs facteurs :

• Le photorécepteur qui est du même coté que le doigts.
• L'impossibilité pour un humain d'exercer une pression constante sur le capteur (malgré des tentatives d'accrochage du capteur - voir photo).
• Les interférences lumineuses extérieures.

De plus, le manque de documentation sur internet a été problématique car nous avions les informations des capteurs infrarouge et rouge mais nous ne savions pas exactement comment les traiter pour en extraire le taux d'oxygène dans le sang. Nous avons finalement trouvé le traitement adéquat 2 séances avant la fin.

Pour finir, nous avons trouvé cela très compliqué de retenir notre souffle suffisamment pour simuler une apnée du sommeil (une trentaine de secondes sans prendre d'inspiration au préalable) et avons donc eu du mal à tester notre système.

Résultats finaux

Nous sommes parvenus à connecter l'écran et le capteur à la carte Arduino et également programmer la carte pour calculer et afficher le bpm et le taux de SpO2 sur l'écran.

De plus, en connectant l'Arduino à l'ordinateur grâce à PuTTY, nous pouvons sauvegarder nos données dans un fichier log. Cela nous permet ensuite de faire une analyse du taux de SpO2.

Nous pouvons voir une apnée (presque totale) commençant à environs 80 secondes qui dure une centaine de secondes.

Améliorations possibles

L'objectif initial initial de la détection en-dessous d'un certain seuil a été atteint. Cependant, nous n'avons pas eu le temps d'automatiser la détection d'apnées du sommeil avec un programme indiquant si des épisodes d'apnées de minimum 30 secondes se produisent au moins 5 fois par heures(diagnostic plus précis).

Utiliser le phénomène de transmission de la lumière(au lieu du phénomène de réflexion) grâce à un capteur qui se positionne des deux côtés du doigt.

Enfin, nous aimerions collaborer avec nos collègues afin d'utiliser leur imprimante 3D pour imprimer un boîtier aux dimensions adaptées à notre solution afin de mettre au point la version portable du détecteur.