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PRECISION DU CAPTEUR D’ACTIVITE CARDIAQUE 27.03.2015

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Introduction Epson a contacté Progressive Sports Technologies Ltd. (un cabinet-conseil indépendant en recherche

et design) pour mener une étude portant sur la précision des capteurs optiques d’activité cardiaque,

notamment par rapport à un électrocardiogramme (ECG) et à une ceinture d’activité cardiaque

(HRM).

Introduction Un électrocardiogramme (ECG) enregistre l’activité électrique du cœur, en utilisant des électrodes

placées sur la surface de la peau. Ce procédé est considéré comme l’un des plus précis et des plus

pratiques pour mesurer l’activité du cœur. Une ceinture d’activité cardiaque (HRM) utilise

également un système d’électrodes, positionnées juste en-dessous des muscles grand pectoral de la

personne portant la ceinture. La précision de ces ceintures peut être variable, mais c’est la méthode

la plus utilisée pour mesurer la fréquence cardiaque pendant une activité sportive. Aujourd’hui, de

plus en plus de montres de sport intègrent des capteurs optiques de fréquence cardiaque. Ces

capteurs mesurent l’activité cardiaque grâce à un système de LED et une cellule électro-optique,

pour détecter sous la peau la variation du volume de flux sanguin. L’objectif de cette étude était de

comparer la précision du capteur optique d’une Epson SF-810 par rapport à un

électrocardiogramme, une ceinture d’activité cardiaque et un capteur optique d’une marque

concurrente.

Méthodologie La précision des capteurs d’activité cardiaque a été mesurée grâce à un protocole d’exercice de 30

minutes sur tapis de course, comprenant 5 intensités physiques distinctes (allongé, debout, marche

à faible intensité, intensité moyenne et forte intensité), comme décrit dans le tableau 1 ;

correspondant à la Phase 1 du test. La durée du test en position allongée a été plus longue que pour

les autres exercices afin d’obtenir une représentation réelle de la fréquence cardiaque basale de

l’individu. Après ce protocole d’exercices, 8 participants ont effectué un protocole supplémentaire

de 10 minutes, composé de deux exercices (course à faible intensité et course à forte intensité),

comme décrit dans le tableau 2 ; correspondant à la Phase 2. A cause de la nature instable des

données de l’électrocardiogramme au cours de cette Phase 2, seuls la SF-810, l’appareil concurrent

et la ceinture cardiaque ont recueilli des données sur ce second protocole.

La précision a été déterminée après une première durée de 30 minutes (Phase 1 pour tous les

participants), puis une deuxième durée de 10 minutes (Phase 2) avec les transitions. Pour

appréhender la précision pendant les différents types d’exercice ; les données des 3 dernières

minutes de chaque test ont été extraites de l’enregistrement et analysées séparément.

Tableau 1 : Profil du protocole d’exercice Phase 1, avec la durée totale et la période analysée pour chaque condition

physique. Nb La mesure de tous les tests de marche a été effectuée à une vitesse constante de 6km/h, les différents niveaux

d’intensité ayant été effectués en modifiant l’inclinaison du tapis de course (0%, 7,5% et 15% pour respectivement intensité

faible, moyenne et forte).

Condition d’intensité physique Durée du test (minutes) Durée de la période analysée (minutes)

Allongé 10 7 – 10 Debout 5 2 - 5 Marche à faible intensité 5 2 - 5 Marche à intensité moyenne 5 2 - 5 Marche à forte intensité 5 2 - 5

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Tableau 2 : Profil du protocole d’exercice Phase 2 (effectué par 8 participants), avec la durée totale et la période analysée

pour chaque condition physique

Condition d’intensité physique

Durée du test (minutes) Durée de la période analysée (minutes)

Course à faible intensité 4 1 – 4 Course à forte intensité 4 1 – 4

15 participants, 11 hommes (age 25 ans ± 3 ; poids 83 kg ± 3) et 4 femmes (age 26 ans ± 2 ; poids 64

kg ± 8), ont participé à l’étude. La peau de chaque participant a d’abord été préparée pour

l’application des électrodes de l’électrocardiogramme, en la rasant si nécessaire, puis l’exfoliant et

en la nettoyant à l’aide d’un tampon imbibé d’alcool. 10 électrodes ont ensuite été placées sur le

torse du participant, aux endroits indiqués dans l’illustration 1.

Figure 1: Exercise ECG electrode locations diagram (left) and (right) application of the electrodes on the test subject.

Illustration 1 : schéma du placement des électrodes (à gauche) et application des électrodes sur le participant (à droite)

Suite à l’application des électrodes, les participants ont récupéré les ceintures de fréquence

cardiaque ainsi que les montres de sport intégrant des capteurs cardiaques optiques au poignet. Les

participants ont porté une montre sur chaque poignet (SF-810 sur le poignet gauche, produit

concurrent sur le poignet droit), au-dessus de l’os du cubitus et positionnée de manière à assurer un

bon contact entre le capteur optique et la surface de la peau (illustration 2). Une fois que tous les

produits étaient prêts à enregistrer des données, le protocole d’exercice a pu démarrer. Tous les

exercices de marche et de course ont été réalisés sur un tapis de course programmé au préalable.

L’allure des tests de marche a été notée et il a été demandé aux participants de maintenir cette

allure tout au long de la Phase 1 du test, à l’aide d’un métronome.

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Illustration 2 : positionnement des montres intégrant des capteurs optiques de fréquence cardiaque au poignet, au-dessus

de l’os du cubitus du bras gauche (SF-810) et droit (concurrent) du participant.

Analyse statistique Les appareils avec capteur optique de fréquence cardiaque ont été comparés à

l’électrocardiogramme en Phase 1 et à la ceinture de fréquence cardiaque en Phase 2. Un Index de

Précision de Fréquence Cardiaque (adopté par le groupe SEC), basé sur la formule décrite ci-dessous,

calcule le taux de concordance par rapport à la fréquence cardiaque réelle des appareils

mentionnés.

Pour la Phase 1, l’index de précision pour chaque appareil est calculé toutes les 15 secondes, ce qui

correspond à la fréquence des données reçues par l’électrocardiogramme – cette valeur est basée

sur la moyenne de 15 secondes précédentes, et de cette manière le processus a été reflété pour

chaque appareil testé. Pour la Phase 2, l’index de précision de chaque appareil est calculé toutes les

secondes, ce qui correspond à la fréquence d’enregistrement de données sur la ceinture thoracique.

(𝑰𝒏𝒅𝒆𝒙) = ∑ {1

𝑁

𝑖=𝟎

− abs(𝐴𝑖 − 𝐵𝑖)

𝐴𝑖}

𝑁: Num de la fréquence cardiaque mesurée

𝐵𝑖: Fréquence cardiaque mesurée

𝐴𝑖: Fréquence cardiaque réelle

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Résultats

Index de Précision de Fréquence Cardiaque L’index de précision de fréquence cardiaque fait la somme des erreurs dans le nombre de

battements par minute enregistrés par chaque appareil. L’erreur moyenne est ensuite retiré de

100%, 100% étant la fréquence cardiaque enregistrée par l’électrocardiogramme en Phase 1 et par

la ceinture thoracique en Phase 2.

Tableau 3 : Index de précision de fréquence cardiaque moyen (± un écart standard) pendant les Phases 1 et 2 (périodes

de transition inclues), où l’électrocardiogramme est considéré comme précis à 100%.

Electrocardiogramme Ceinture thoracique

SF-810 Montre Concurrente

Phase 1 (exercice 30-min) 100.0% (0) 95.3% (3.8) 95.0% (2.3) 93.3% (3.2)

Phase 2 (course 10-min) - 100.0% 99.3% (0.5) 98.3% (2.6)

Conclusion Au cours de l’étude ci-dessus, 15 participants ont marché et couru en portant une montre Epson SF-

810 et une montre concurrente, et en étant également équipés d’électrodes (pour

l’électrocardiogramme) et d’une ceinture de fréquence cardiaque. L’objectif de cette étude était de

comparer les résultats enregistrés par tous ces appareils pendant une série d’activités. Un index de

précision de fréquence cardiaque a été formulé comme décrit plus haut. Cet index de précision de

fréquence cardiaque a montré que les résultats de tous les appareils étaient au moins 90%

comparables aux résultats enregistrés par l’électrocardiogramme.

Phase 1 : l’Epson SF-810 a enregistré une précision du suivi de fréquence cardiaque de 95%, lors de

la phase les deux produits portés au poignet étaient comparés à un électrocardiogramme, ayant une

précision évaluée à 100%.

Phase 2 : l’Epson SF-810 a enregistré une précision du suivi de fréquence cardiaque de 99,3%, lors de

la phase les deux produits portés au poignet étaient comparés à une ceinture thoracique, qui était le

meilleur moyen de suivre l’activité cardiaque à ce niveau d’activité.

Pendant cette étude, lors des deux phases, l’Epson SF-810 a obtenu en moyenne une meilleure

précision du suivi de fréquence cardiaque que le produit concurrent.

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Annexe A Fréquence cardiaque en battements par minute (bpm) et à travers le temps pour chaque participant, comme enregistrée par chaque appareil utilisé

pendant la totalité de la période de test.

Participant 1

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

01:30 03:30 05:30 07:30 09:30 11:30 13:30 15:30 17:30 19:30 21:30 23:30 25:30 27:30 29:30 31:30 33:30

Fré

qu

en

ce c

ard

iaq

ue

(b

pm

)

Temps (min:sec)

ECG

Chest strap

SF-810

Competitor

7

Participant 2

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

01:00 03:00 05:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 25:00 27:00 29:00 31:00 33:00 35:00 37:00 39:00 41:00 43:00

Fré

qu

en

ce c

ard

iaq

ue

(b

pm

)

Temps (min:sec)

ECG

Chest strap

SF-810

Competitor

8

Participant 3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

01:0003:0005:0007:0009:0011:0013:0015:0017:0019:0021:0023:0025:0027:0029:0031:0033:0035:0037:0039:0041:0043:0045:00

Fré

qu

en

ce c

ard

iaq

ue

(b

pm

)

Temps (min:sec)

ECG

Chest strap

SF-810

Competitor

9

Participant 4

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

01:00 03:00 05:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 25:00 27:00 29:00 31:00 33:00 35:00 37:00 39:00 41:00 43:00

Fré

qu

en

ce c

ard

iaq

ue

(b

pm

)

Temps (min:sec)

ECG

Chest strap

SF-810

Competitor

10

Participant 5

0

20

40

60

80

100

120

140

160

02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00 26:00 28:00 30:00 32:00 34:00

Fré

qu

en

ce c

ard

iaq

ue

(b

pm

)

Temps (min:sec)

ECG

Chest strap

SF-810

Competitor

11

Participant 6

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00 26:00 28:00 30:00 32:00 34:00 36:00

Fré

qu

en

ce c

ard

iaq

ue

(b

pm

)

Temps (min:sec)

ECG

Chest strap

SF-810

Competitor

12

Participant 7

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

03:00 05:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 25:00 27:00 29:00 31:00 33:00 35:00

Fré

qu

en

ce c

ard

iaq

ue

(b

pm

)

Temps (min:sec)

ECG

Chest strap

SF-810

Competitor

13

Participant 8

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

01:20 03:20 05:20 07:20 09:20 11:20 13:20 15:20 17:20 19:20 21:20 23:20 25:20 27:20 29:20 31:20 33:20

Fré

qu

en

ce c

ard

iaq

ue

(b

pm

)

Temps (min:sec)

ECG

Chest strap

SF-810

Competitor

14

Participant 9

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

00:40 02:40 04:40 06:40 08:40 10:40 12:40 14:40 16:40 18:40 20:40 22:40 24:40 26:40 28:40 30:40 32:40 34:40 36:40 38:40 40:40 42:40

Fré

qu

en

ce c

ard

iaq

ue

(b

pm

)

Temps (min:sec)

ECG

Chest strap

SF-810

Competitor

15

Participant 10

0

20

40

60

80

100

120

140

160

02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00 26:00 28:00 30:00 32:00 34:00 36:00 38:00 40:00 42:00 44:00

Fré

qu

en

ce c

ard

iaq

ue

(b

pm

)

Temps (min:sec)

ECG

Chest strap

SF-810

Competitor

16

Participant 11

0

20

40

60

80

100

120

140

160

03:00 05:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 25:00 27:00 29:00 31:00 33:00 35:00 37:00 39:00 41:00 43:00 45:00

Fré

qu

en

ce c

ard

iaq

ue

(b

pm

)

Temps (min:sec)

ECG

Chest strap

SF-810

Competitor

17

Participant 12

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

02:00 05:00 08:00 11:00 14:00 17:00 20:00 23:00 26:00 29:00 32:00 35:00 38:00 41:00 44:00 47:00

Fré

qu

en

ce c

ard

iaq

ue

(b

pm

)

Temps (min:sec)

ECG

Chest strap

SF-810

TomTom

18

Participant 13

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

02:30 04:30 06:30 08:30 10:30 12:30 14:30 16:30 18:30 20:30 22:30 24:30 26:30 28:30 30:30 32:30 34:30 36:30 38:30 40:30 42:30 44:30

Fré

qu

en

ce c

ard

iaq

ue

(b

pm

)

Temps (min:sec)

ECG

Chest strap

SF-810

Competitor

19

Participant 14

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

01:20 03:20 05:20 07:20 09:20 11:20 13:20 15:20 17:20 19:20 21:20 23:20 25:20 27:20 29:20 31:20

Fré

qu

en

ce c

ard

iaq

ue

(b

pm

)

Temps (min:sec)

ECG

Chest strap

SF-810

Competitor

20

Participant 15

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00 26:00 28:00 30:00 32:00

Fré

qu

en

ce c

ard

iaq

ue

(b

pm

)

Temps (min:sec)

ECG

Chest strap

SF-810

Competitor