Ce dispositif portable permet de surveiller en continu la pression artérielle sans les brassards encombrants.
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La tension artérielle est un indicateur clé de la santé cardiovasculaire, mais les méthodes standard de mesure reposent sur des relevés ponctuels effectués à l'aide de brassards gonflables, généralement en milieu hospitalier. Les tensiomètres actuels sont encombrants, inconfortables et ne prennent des mesures que lorsque l'utilisateur est immobile.
Une équipe interdisciplinaire de mathématiciens et d'ingénieurs des universités de l'Utah et de l'Illinois à Chicago s'attaque à ce défi en combinant physique et intelligence artificielle afin de pallier certaines limitations des dispositifs existants. Leur étude, bientôt publiée dans Nature Communications , décrit une nouvelle montre connectée portable capable de mesurer en continu la pression artérielle et le débit sanguin sans brassard.
« L’hypertension artérielle est considérée comme un tueur silencieux car elle entraîne des infarctus, des anévrismes et des AVC. Elle représente un fardeau pour les systèmes de santé mondiaux et constitue un enjeu majeur de la recherche », explique Benjamin Sanchez Terrones , qui a conçu ce projet il y a quelques années lorsqu’il était professeur adjoint de génie électrique et informatique à l’université. Le dispositif fonctionne en mesurant les propriétés électriques du sang lorsqu’il circule dans l’artère du poignet, propriétés qui fluctuent en fonction des variations de la pression artérielle.
L'université détient la propriété intellectuelle associée à cette technologie, basée sur l'apprentissage automatique informé par la physique, et son bureau de licences technologiques explore actuellement les possibilités de licences pour commercialiser cette invention.
Lumière contre électricité
Le fonctionnement des dispositifs portables commerciaux utilisant la lumière pour estimer la pression artérielle reste mal compris. Ces dispositifs s'appuient souvent sur l'apprentissage automatique, une sorte de « boîte noire », pour déterminer la pression artérielle, ce qui rend leurs résultats difficiles à interpréter et peu fiables en pratique clinique . Ce dernier point constitue un frein majeur à leur adoption clinique. Contrairement à ces dispositifs qui mesurent la lumière pour évaluer la pression artérielle, celui de Sanchez Terrones utilise un courant électrique indolore et imperceptible.
Cette technologie enregistre les infimes variations électriques au niveau du poignet grâce à la bioimpédance, qui mesure la facilité avec laquelle l'électricité circule dans le sang et les tissus. Le débit sanguin variant à chaque battement de cœur, ces signaux électriques contiennent des informations sur la pression sous-jacente.
« Ces travaux montrent comment l'association de l'apprentissage automatique et de la physique peut transformer radicalement le champ des possibles », explique Christel Hohenegger , professeure agrégée de mathématiques à l'université et co-auteure de l'étude. « En intégrant directement les principes physiques au modèle, nous pouvons dépasser les prédictions opaques et accéder à des systèmes plus précis, plus interprétables et plus largement applicables dans le domaine de la santé. »
Les rôles de la dynamique des fluides et de l'électromagnétisme
Ce système exploite la dynamique des fluides (la circulation sanguine) et l'électromagnétisme, ce qui lui confère une base scientifique solide et améliore sa fiabilité. Le modèle intègre la physique des pulsations sanguines et l'électromagnétisme de la mesure de bioimpédance, évitant ainsi que le réseau ne prédise des phénomènes physiquement impossibles.
Il en résulte un dispositif portable capable de suivre en continu la santé cardiovasculaire, au repos comme en activité, sans nécessiter de calibrage pour chaque utilisateur.
Les étudiants diplômés de l'Utah, Henry Crandall, Tyler Schuessler et Filip Bělík, ont joué un rôle essentiel dans les essais du dispositif sur 150 personnes, dont des patients en soins intensifs et en consultation externe. « Nous avons fait un effort supplémentaire en effectuant des mesures sur des patients en soins intensifs ainsi qu'au Madsen Health Center [une clinique située à proximité du campus, à Salt Lake City], car nous souhaitions tester la technologie sur la population cible », a déclaré Sanchez Terrones, qui a transféré son laboratoire l'an dernier à l'Université de l'Illinois à Chicago, où il est professeur associé de génie électrique et informatique et de génie biomédical.
En quoi le sang et les films se ressemblent-ils ?
« Notre tension artérielle évolue tout au long de la journée comme un film, mais lorsqu'on utilise un tensiomètre, on n'en a qu'un instantané », explique Sanchez Terrones. « Le tensiomètre est très utile, mais aussi limité : il ne fournit que le minimum d'informations utiles en raison de son fonctionnement : la pression systolique est rapportée à la pression diastolique, ce qui correspond aux valeurs de pression maximale et minimale enregistrées. Au final, il nous manque 99 % du film qui explique comment la tension artérielle d'un patient varie au cours de la journée lorsqu'il marche, court ou monte des escaliers. »
La technologie de Sanchez Terrones permet de capturer le reste du film en enregistrant la vitesse et le pouls du sang sous forme d'onde continue, et non seulement les valeurs systoliques et diastoliques habituelles fournies par les mesures standard au brassard, comme 120/80. (La pression systolique est le chiffre du haut, mesurant la pression contre les parois artérielles lorsque le cœur se contracte, tandis que la pression diastolique est la pression lorsque le cœur se repose entre deux battements.)
« La pression artérielle ne se résume pas à deux chiffres ; elle varie en fonction du temps. Le défi mathématique consistait à reconstituer la forme d’onde complète à partir de mesures électriques indirectes effectuées au poignet – un problème inverse classique », explique Braxton Osting , professeur de mathématiques à l’université et co-auteur de l’étude. « Intégrer directement la physique du flux sanguin dans le modèle rend la prédiction plus fiable. »