Développement d’une méthode de mesure des biosignaux acoustiques dans l’oreille occluse

Martin, Alexis (2016). Développement d’une méthode de mesure des biosignaux acoustiques dans l’oreille occluse. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans les industries lourdes et les milieux confinés, les travailleurs sont susceptibles de développer des pertes de l’audition et d’être victimes d’accidents du travail et de malaises. Dans le but de prévenir des pertes de l’audition, les travailleurs sont équipés de protecteurs auditifs, mais ces protecteurs n’effectuent pas une surveillance médicale afin de prévenir ou de détecter un accident ou un malaise. La surveillance médicale continue est une fonctionnalité essentielle pour détecter un changement anormal des rythmes cardiaque ou respiratoire. Beaucoup d’appareils électroniques appelés « wearables » ont été développés pour le grand public pour effectuer la surveillance des rythmes cardiaque ou respiratoire : montres, chandails, bracelets ou ceintures. Cependant, ces « wearables » ne sont pas adaptés pour effectuer la surveillance médicale des travailleurs dans l’industrie, car ils sont déjà équipés de plusieurs équipements de protection personnelle.

Ce projet a pour objectif d’intégrer une fonctionnalité non invasive de surveillance médicale dans le protecteur auditif des travailleurs. La méthode proposée tire parti du matériel audio déjà intégré au protecteur auditif sans ajout d’électronique supplémentaire, ce qui permet d’économiser des coûts dans un contexte industriel. Les sons émis par les battements cardiaques et la respiration sont mesurés avec un microphone positionné dans le conduit auditif qui capture aussi des sons pour la communication, la protection intelligente contre le bruit et la dosimétrie intra-auriculaire.

Pour développer des algorithmes d’extraction des rythmes cardiaque et respiratoire, une base de données a été créée à partir de sons enregistrés dans le conduit auditif occlus de 25 personnes. Les sujets devaient respirer à plusieurs intensités et rythmes par leur bouche ou leur nez, dans le but d’obtenir des signaux représentatifs de la vie réelle. Les caractéristiques des sons mesurés dans le conduit auditif occlus émis par le coeur et la respiration ont été investiguées pour développer des algorithmes d’extraction des rythmes cardiaque et respiratoire. Les résultats des algorithmes ont été comparés aux valeurs des rythmes cardiaque et respiratoire obtenues par un appareil de référence utilisé pendant la prise de mesure. Afin de vérifier la performance des algorithmes d’extraction dans des environnements bruyants, du bruit a été ajouté aux signaux enregistrés et un algorithme de débruitage a été appliqué.

Au total, 20 sujets et 12 heures d’enregistrements audio ont été analysées par les algorithmes. Les écarts absolus moyens pour l’extraction des rythmes cardiaque et respiratoire sont respectivement 4,3 battements par minute et 3,0 cycles par minute. Les résultats des simulations indiquent que l’extraction du rythme cardiaque fonctionne très bien jusqu’à un niveau de bruit de 110 dB SPL, alors que l’extraction du rythme respiratoire avec du bruit manque de précision. Cette preuve de concept ouvre une perspective de développement d’une grande variété d’applications de surveillance médicale non-invasive, allant de la surveillance médicale des travailleurs dans l’industrie au moyen de leurs protecteurs auditifs à la surveillance médicale des personnes âgées au moyen de leurs prothèses auditives.

Titre traduit

DEVELOPMENT OF A METHOD FOR MEASURING ACOUSTIC BIOSIGNALS IN THE OCCLUDED EAR

Résumé traduit

In heavy industries and confined spaces, workers are prone to develop noise induced hearing loss (NIHL) and to have work-related accidents and injuries. Workers already wear hearing protection devices (HPD) in order to prevent NIHL, but HPDs do not monitor workers’ health in order to prevent or detect a sudden illness or injury. Continuous health monitoring is an essential feature to detect a sudden change in vital signs such as heart rate or breathing rate. So far, many wearable devices have been developed in order to monitor heart rate or breathing rate : watches, shirts, wrist bands or belts. However, those wearables are not appropriate for workers health monitoring because they already wear many personal protection equipments.

This project aims to integrate a non-invasive health monitoring feature into the workers’ HPDs. The proposed method takes advantage of audio hardware already integrated in their HPDs without adding hardware, which leads to a significant cost saving. Heartbeat and respiration sounds were measured with a microphone positioned within the ear canal, which already picks up sounds for communication, smart noise protection and in-ear dosimetry.

To develop heart and breathing rates extraction algorithms, a unique 25-person database was created from sounds measured in the occluded ear canal. Subjects were asked to breathe at various rhythms and intensities through their mouth or nose and these real-life sounds were recorded. Heart and respiration sound features were investigated when recorded at this specific location. Subsequent algorithms were developed in order to assess the user’s heart and breathing rates. Results from the algorithms were then compared to the numerical values obtained by a reference device used during the measurement. Then, noise was added to the recorded signal and a denoising algorithm was applied to test the robustness of the extraction algorithms in noisy environments.

Developed algorithms analyzed 20 subjects and 12 hours of recordings. The overall averaged Least Absolute Deviation (aLAD) for the heart rate and breathing rate extraction were respectively, 4.3 beats per minute and 3.0 cycles per minute. Simulation results indicated that the maximum environmental noise for the heart rate extraction was 110 dB, whereas the extraction of breathing rate with noise lacked of accuracy.

This proof of concept enables the development of in-ear technologies for a wide range of non-invasive health and safety monitoring, ranging from industrial workers monitoring through their hearing protection devices to the watching of vital signs of elderly people through their hearing aids.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Mots-clés libres:	biosignaux, rythmes cardiaque et respiratoire, surveillance médicale, traitement de signaux acoustiques, « wearables » intra-auriculaires
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Voix, Jérémie
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	21 févr. 2019 15:14
Dernière modification:	21 févr. 2019 15:14
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1757

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