ECG embarqué : du laboratoire au firmware

Contexte & problème résolu

L'électrocardiographie consiste à mesurer, à la surface de la peau, l'activité électrique du cœur. Le défi est fondamentalement un problème de rapport signal/bruit : le signal utile (complexe QRS de 0,5 à 5 mV, bande 0,5 à 100 Hz) est noyé sous des perturbations 100 à 300 fois plus grandes ; composante continue d'interface (jusqu'à 300 mV), potentiel de mode commun (jusqu'à 1,5 V), interférence secteur à 50 Hz, artefacts musculaires, dérive respiratoire et artefacts de mouvement.

Tech Fox a traité ce problème sur toute la chaîne de valeur, sans se limiter à un maillon : fabriquer le capteur, conditionner le signal, le traiter en embarqué et le restituer. Le résultat est une preuve de concept complète et fonctionnelle : un ECG portable bas coût dont chaque composant (du capteur au pixel affiché) a été conçu, fabriqué, caractérisé et validé en interne.

• Le capteur : électrodes sèches flexibles Au/PEDOT:PSS microfabriquées en salle blanche, réutilisables et sans gel.
• Le conditionnement : chaîne d'instrumentation analogique à quatre étages, dimensionnée et simulée.
• Le traitement : firmware STM32 qui filtre, détecte les battements et calcule la fréquence cardiaque en temps réel.
• La restitution : affichage matériel du BPM (7 segments) et visualisation web temps réel du pipeline complet.

Fabrication des électrodes en salle blanche

Une électrode ECG est un transducteur qui convertit le courant ionique de la peau en courant électronique. Tech Fox a fait le choix d'électrodes sèches (sans gel) : indispensables à l'embarqué portable, réutilisables et sans irritation, au prix d'une impédance de contact de base plus élevée ; que le PEDOT:PSS vient précisément compenser. La microfabrication en salle blanche (classe 100) est requise car, aux dimensions micrométriques des motifs, toute poussière crée un défaut.

La compétence démontrée porte sur une chaîne de microfabrication complète, réalisée au niveau du principe et des matériaux : nettoyage et activation plasma O₂ du substrat polyimide, enduction centrifuge d'une résine photosensible positive, photolithographie (alignement sous masque quartz puis insolation UV), développement et inspection au microscope, évaporation thermique sous vide d'une couche d'accroche chrome (5 nm) puis d'or (150 nm), lift-off pour révéler le motif conducteur, dépôt localisé de PEDOT:PSS sur la zone de contact cutané, puis connexion des fils à l'époxy conducteur et caractérisation.

• Substrat : polyimide (Kapton) flexible et biocompatible, 50 µm.
• Empilement conducteur : Cr (5 nm) d'accroche + Au (150 nm) inerte et biocompatible.
• Interface : PEDOT:PSS, conducteur mixte ionique-électronique, qui abaisse l'impédance de contact.
• Caractérisation par spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) de 10 Hz à 100 kHz.

Chaîne de conditionnement analogique

Le signal brut issu des électrodes est conditionné par quatre étages en série avant numérisation. L'ordre n'est pas arbitraire : chaque bloc résout une contrainte que le précédent ne peut pas gérer. La chaîne a été dimensionnée puis validée étage par étage sous Siemens PartQuest Explore (analyse fréquentielle / Bode) avant d'être assemblée par brasage au four et vérifiée au multimètre.

Réponse simulée de la chaîne complète : gain maximal d'environ 51 dB, bande passante [0,5 Hz ; 182 Hz], encoche marquée à 50 Hz. Filtrage analogique et filtrage numérique sont complémentaires : l'analogique protège l'ADC et évite le repliement spectral (irremplaçable avant numérisation), le numérique apporte des pentes raides et des fréquences de coupure exactes à faible coût.

• Étage 1 ; deux passe-haut RC à fc = 1/(2πRC) ≈ 160 mHz (R = 1 MΩ, C = 1 µF) : retirent le DC avant amplification.
• Étage 2 ; amplificateur d'instrumentation à 3 AOP, gain 36,81 dB (≈ ×69), CMRR > 80 dB : rejette le mode commun et le secteur.
• Étage 3 ; passe-bas actif Sallen-Key du 2ᵉ ordre à 181,9 Hz (+14,7 dB) : anti-repliement (critère de Shannon-Nyquist).
• Étage 4 ; réjecteur double-T à fc = 1/(4πRC) = 50 Hz, atténuation ≈ −45 dB : nettoie le résidu secteur.

Acquisition et traitement numérique embarqué (STM32)

La sortie de la chaîne analogique est numérisée par l'ADC 12 bits du STM32L4 (résolution ≈ 0,8 mV/LSB pour Vref = 3,3 V) à une fréquence effective d'environ 1 kHz : soit une marge ×5 sur le critère de Nyquist (fmax = 100 Hz). Le firmware, écrit en C sur la bibliothèque HAL, exécute un pipeline temps réel entièrement en arithmétique entière.

Une première approche (moyenne glissante + filtre de Kalman) a été abandonnée : elle amplifiait l'onde T jusqu'à la hauteur du QRS, faussant la détection et rendant le signal physiologiquement irréaliste. Tech Fox a retenu les techniques standard du traitement ECG médical : un lissage de Savitzky-Golay qui réduit le bruit tout en préservant la forme et l'amplitude du complexe QRS ; une porte de bruit adaptative à double vitesse qui écrase le bruit de repos et laisse passer les pics ; et une détection des pics R par seuillage sur dérivée au carré (inspirée de Pan-Tompkins), qui accentue les fronts raides du QRS.

• Fenêtre réfractaire de 400 ms après chaque détection : supprime le double comptage QRS/onde T.
• Bornage physiologique du rythme dans [40 ; 150] bpm puis lissage par moyenne glissante.
• BPM affiché en temps réel sur un afficheur 7 segments piloté en SPI3 (1 MHz, MSB first).
• Télémétrie UART à 115 200 Bd, 8N1 : cinq canaux CSV (brut, lissé, porte de bruit, détection, BPM).

Calculs & fondements publics

Le dimensionnement s'appuie sur des relations classiques et vérifiables. L'interface électrode-peau se modélise par un circuit RC de comportement passe-bas ; sur le diagramme de Nyquist, le rayon de l'arc caractéristique est proportionnel à la résistance de polarisation R_p, que le PEDOT:PSS réduit sans modifier la constante de temps.

Les fréquences de coupure découlent directement des réseaux RC : passe-haut fc = 1/(2πRC) ≈ 160 mHz, réjecteur double-T fc = 1/(4πRC) = 50 Hz, passe-bas du 2ᵉ ordre à 181,9 Hz. Le gain différentiel de l'amplificateur d'instrumentation suit Vs = (Ve1 − Ve2)·(1 + 2R1/RG)·(R3/R2), soit 36,81 dB. Le rapport signal/bruit est évalué par SNR = 20·log10(V_QRS / 2σ_n), où σ_n est l'écart-type du bruit sur les segments isoélectriques.

Résultats & validation

La caractérisation EIS montre un arc de Nyquist environ deux fois plus compact pour l'électrode Au/PEDOT:PSS que pour l'électrode Ag/AgCl commerciale : l'impédance de contact est plus faible. La résistance DC de l'électrode décroît au fil du procédé (18,1 Ω après Cr/Au → 15,2 Ω après PEDOT:PSS → 13,2 Ω après connexion), confirmant l'apport de chaque couche.

Sur signal acquis, les deux électrodes produisent une qualité comparable : SNR de 15,9 dB (fabriquée) contre 16,6 dB (commerciale), un écart non significatif (−0,7 dB). Le bruit de fond est identique (≈ 26 mV) ; la chaîne analogique est la source de bruit dominante, pas l'interface électrode-peau. Surtout, la stabilité du rythme est deux fois meilleure avec les électrodes fabriquées (écart-type R-R de 17 ms contre 35 ms), cohérent avec leur plus faible impédance de contact. Conclusion validée : des électrodes sèches microfabriquées en salle blanche rivalisent avec des électrodes commerciales gel.

• Système fonctionnel de bout en bout, validé simultanément à l'oscilloscope et sur le serial plot.
• Analyse critique assumée : onde P encore noyée dans le bruit et pics résiduels post-onde T (limites d'un prototype de preuve de concept).

Difficultés & solutions

Le projet a exigé un débogage matériel et algorithmique rigoureux. Au premier test, le signal ECG apparaissait entièrement sous la masse : inexploitable par l'ADC unipolaire. Le diagnostic a identifié un condensateur du premier passe-haut qui bloquait la référence de tension ; son retrait a relevé la ligne de base dans la plage [0 ; 3,3 V] et recentré un signal exploitable et moins bruité.

Côté traitement, chaque battement produisait deux détections (QRS puis onde T) qui doublaient le BPM : la fenêtre réfractaire de 400 ms a résolu le problème. Un incident matériel récurrent (destruction répétée de l'amplificateur opérationnel) a été circonscrit par remplacement du composant et d'une carte défectueuse, permettant un fonctionnement stable, la cause exacte de la surtension restant documentée comme non confirmée.

• Point de travail corrigé pour compatibilité avec l'ADC unipolaire.
• Pipeline repensé (Savitzky-Golay + porte de bruit) pour une morphologie physiologiquement réaliste.
• Traceur série maison développé faute d'outil satisfaisant : puis réutilisé comme base du moniteur ECG.

Outils logiciels livrés

Faute d'outil de visualisation série satisfaisant, Tech Fox a développé HomeMade Serial Plot : un traceur série générique qui tourne entièrement dans le navigateur via l'API Web Serial, sans installation. Il détecte automatiquement le nombre de canaux depuis le flux CSV (jusqu'à 6+), trace en temps réel à ~60 fps, offre pause globale et par canal, export CSV horodaté, fenêtre temporelle et axes configurables, zoom/pan. Interopérable macOS/Windows/Linux, il a été publié en open source sous licence MIT.

La même approche a donné naissance au Moniteur ECG, une interface dédiée qui affiche trois voies (brut, filtré, détection) en fenêtre glissante, le BPM et des bips hospitaliers (Web Audio), avec un système d'alarmes visuelles et sonores signalant ligne isoélectrique (aucun battement depuis 3 s), tachycardie (BPM > 150) et bradycardie (BPM < 40).