Photopléthysmographie : principe, mesures et limites

La photopléthysmographie, ou PPG, est une technique optique qui détecte les variations de volume sanguin dans les petits vaisseaux de la peau. [1] [6] Elle peut notamment contribuer à mesurer la fréquence du pouls, la saturation périphérique en oxygène ou certains indices liés à la circulation et à la fonction vasculaire. [5] La PPG désigne une méthode de mesure et non une maladie, et la signification de ses résultats dépend du dispositif, du paramètre calculé et des conditions d’enregistrement. [5] [6]

Comment fonctionne la photopléthysmographie ?

La PPG repose sur l’absorption et la réflexion de la lumière par les tissus et le sang. [2] À chaque battement cardiaque, le volume de sang présent dans les vaisseaux périphériques augmente puis diminue, ce qui modifie la quantité de lumière détectée. [2] Ces variations forment une onde de pouls dont les intervalles, l’amplitude et la forme peuvent être analysés. [2] Certaines caractéristiques temporelles de cette onde permettent par exemple d’estimer la fréquence cardiaque, tandis que d’autres sont étudiées pour leurs relations avec la pression artérielle, la perfusion ou la rigidité des artères. [2] [5]

Mesure avec un capteur ou à distance

La PPG est couramment réalisée avec un capteur optique en contact avec la peau. [1] La technique est notamment intégrée dans des montres, bracelets, bagues, patchs et autres dispositifs portables destinés à une surveillance répétée ou continue. [5] [6] [7] La photopléthysmographie par image, aussi appelée iPPG ou PPG à distance, analyse pour sa part les faibles variations de lumière réfléchie par la peau filmée par une caméra. [1] [2] Dans les travaux consacrés au visage, le traitement sélectionne une zone de peau, suit ses variations de couleur au fil des images puis filtre le signal obtenu afin de réduire le bruit et certains artefacts. [1] [2] [3] Cette forme à distance est étudiée pour mesurer des paramètres physiologiques sans contact, mais sa robustesse en situation courante reste un enjeu de recherche. [3]

Quels paramètres peut-on obtenir ?

Un signal PPG peut être utilisé pour déterminer la fréquence du pouls à partir de l’intervalle entre les ondes successives. [2] Avec des capteurs et des méthodes de calcul adaptés, la PPG peut aussi soutenir l’estimation de la saturation en oxygène, de la fréquence respiratoire ou de paramètres liés à la circulation. [5] [6] La variabilité du pouls calculée par PPG n’est toutefois pas physiologiquement identique à la variabilité de la fréquence cardiaque mesurée par électrocardiogramme. [7] L’électrocardiogramme mesure les intervalles entre les signaux électriques du cœur, alors que la PPG mesure les intervalles entre des ondes de pouls périphériques également influencées par le temps de propagation du pouls, le tonus vasculaire et la circulation locale. [7] L’estimation de la pression artérielle par caméra fait encore l’objet de recherches visant à obtenir une méthode suffisamment viable et robuste pour un usage courant. [3]

Pourquoi la qualité du signal peut-elle varier ?

La qualité d’un signal PPG dépend notamment de la lumière ambiante, des mouvements, du site de mesure, de la géométrie du capteur et de son contact avec la peau. [5] [6] Un contact trop faible peut favoriser les mouvements relatifs du capteur, l’entrée de lumière ambiante et le bruit. [5] Une pression excessive peut comprimer les petits vaisseaux, modifier la circulation locale et déformer l’onde enregistrée. [5] La pression de contact optimale n’est pas universelle, car les résultats varient selon les personnes, le site anatomique, le dispositif et la tâche mesurée. [5] Pour une mesure par caméra, le mouvement constitue également une limite majeure, et l’éclairage ou les réglages de la caméra peuvent introduire des artefacts. [2] [3]

Caractéristiques de la personne et fiabilité des dispositifs

Les propriétés optiques de la peau et certaines caractéristiques de l’utilisateur, dont la teinte de peau, l’âge, le sexe et l’indice de masse corporelle, peuvent influencer le signal ou la validité de mesures issues de dispositifs grand public. [6] La mélanine absorbe et diffuse la lumière, ce qui peut agir sur la qualité du signal optique. [6] Une revue des études de validation de dispositifs grand public a relevé une sous-représentation des personnes âgées, des personnes en situation d’insuffisance pondérale ou d’obésité et des personnes ayant les teintes de peau les plus foncées. [6] Cette sous-représentation limite les connaissances disponibles sur la validité des mesures dans ces populations et doit être prise en compte lors de l’interprétation des performances annoncées. [6]

Comment comprendre un résultat de photopléthysmographie ?

Il n’existe pas une interprétation unique commune à tous les résultats de PPG, car un appareil peut fournir une fréquence du pouls, une saturation en oxygène, une mesure de variabilité ou un autre indice calculé. [5] [6] [7] Une corrélation entre un indice PPG et une mesure de référence ne signifie pas nécessairement que les deux méthodes sont interchangeables pour une décision individuelle. [7] L’évaluation d’une mesure doit tenir compte de l’ampleur et du sens des erreurs, et pas seulement d’un coefficient de corrélation. [7] Les performances observées au repos ne peuvent pas être automatiquement transposées à l’exercice, au sommeil, aux mouvements ou à une population clinique différente. [6] [7] Une revue publiée en 2012 a par exemple conclu que les variations respiratoires du signal PPG n’étaient pas alors suffisamment validées et fiables pour évaluer en pratique clinique la réponse au remplissage vasculaire chez des patients sous ventilation mécanique. [4] Cet exemple ne juge pas toutes les utilisations de la PPG, mais montre qu’une performance doit être établie séparément pour chaque indication et chaque contexte de mesure. [4] [5] [6]