Comment fonctionnent les montres intelligentes et leurs capteurs ?

Mais très peu de gens se demandent comment fonctionnent les montres intelligentes, ou plutôt comment fonctionnent les capteurs des montres intelligentes. Je ne m'y suis jamais plongé moi-même. Je savais quels capteurs étaient habituellement installés et connaissais une théorie générale de leur fonctionnement, mais je n'ai jamais trouvé la motivation pour aller au fond des choses.

L’idée de cet article m’est venue alors que j’étais dans un avion et que je me demandais pourquoi ma montre d’avion n’indiquait pas la bonne altitude. Un confrère journaliste m'a expliqué qu'il se régule en fonction de la pression. Et comme la pression dans la cabine est adaptée pour vivre à plusieurs milliers de mètres d'altitude, je comprenais parfaitement pourquoi ma montre intelligente m'indiquait que j'étais à la hauteur de Šmarna gora.

À partir de là, j’ai commencé à me demander comment la montre mesure la fréquence cardiaque, comment les pas et la saturation en oxygène du sang, comment le stress et toutes les autres données. Alors que les appareils portables deviennent une industrie multimilliardaire et que leur développement et leur utilisation ne font que s'accélérer, il est logique de comprendre ce qui se passe dans les coulisses de la technologie qui nous accompagne du matin au soir – et souvent jusque tard dans la nuit.

Quels capteurs sont intégrés aux montres intelligentes ?

Les montres intelligentes sont des appareils extrêmement polyvalents, à certains égards encore plus que les smartphones. Nous pouvons les utiliser pour surveiller les notifications, les messages, les appels, surveiller la condition physique et les progrès, et même jouer à des jeux, même si ce n'est pas vraiment une expérience brillante. Nous nous intéressons surtout à l’analyse du corps et aux performances de la montre intelligente pendant l’exercice mais aussi pendant le repos (sommeil). Tout cela est rendu possible grâce aux capteurs.

• Un capteur d'accélération mesure l'accélération ou la force en trois dimensions : x, y et z. Il peut détecter les accélérations statiques (gravitationnelles) et dynamiques (mouvement ou vibration).
• Contrairement à un accéléromètre, un gyroscope mesure exclusivement les accélérations angulaires.
• Le capteur de fréquence cardiaque se charge naturellement de mesurer la fréquence cardiaque pendant l'exercice et au repos.
• Le GPS est un capteur qui utilise les signaux satellite pour déterminer la position de l'utilisateur.
• Un baromètre ou un capteur de pression barométrique mesure la pression atmosphérique, qui peut être utilisée pour déterminer l'altitude.

Il s’agit d’une représentation approximative des capteurs généralement intégrés aux montres intelligentes. Selon la montre, elle peut également contenir un ECG, un capteur de profondeur, un capteur de température, un magnétomètre, etc. Examinons de plus près le fonctionnement de chaque capteur individuel.

Comment les montres intelligentes comptent-elles les pas ? Comment fonctionnent l'accéléromètre et le gyroscope ?

10 000 pas est ce nombre magique indiqué sur presque toutes les montres intelligentes ou appareils de fitness similaires. Il est apparu au Japon en 1964 et est depuis considéré comme le chiffre de facto permettant d’atteindre une santé optimale. Si ce nombre est vraiment une limite magique, nous n’y reviendrons pas cette fois. Certains experts sont d’accord, tandis que d’autres affirment que même un nombre plus petit d’étapes (environ 7 000) entraîne des effets similaires sur la santé.

Quoi qu’il en soit, comment une montre intelligente compte-t-elle les pas ? Le capteur d'accélération et le gyroscope y contribuent.

L'accéléromètre capture diverses données, telles que la vitesse et l'accélération, qui peuvent ensuite être utilisées à diverses fins, telles que le calcul de la distance parcourue (à l'aide du GPS), de l'allure moyenne, de la longueur de foulée, etc. Le capteur accéléromètre peut également être utilisé pour surveiller les habitudes de sommeil, ce qui peut aider à identifier les crises d'épilepsie. Bien que la plupart des montres intelligentes ne disposent pas de cette capacité, ces types de capteurs sont encore utilisés dans certains dispositifs médicaux.

La plus grande limitation des capteurs d’accélération est la limite à laquelle ils peuvent mesurer avec précision l’accélération. La montre peut également avoir du mal à faire la distinction entre certaines activités ou certains gestes, elle peut donc devenir imprécise lors du comptage des pas. Par exemple, si vous agitez vos mains, certains capteurs détecteront cela comme un pas.

Il existe deux types de capteurs :

• Piézoélectrique, qui utilise de petits cristaux pour effectuer des mesures. Lorsque ces cristaux détectent une force, ils changent et créent un signal électrique qui communique la force de la force.
• Les capteurs capacitifs fonctionnent sur le principe des changements de capacité électrique. Ils possèdent deux microstructures qui se rapprochent lors de l'accélération. Cela modifie la capacité électrique entre eux et le capteur détecte ce changement.

En raison de ces caractéristiques et de leur petite taille, les capteurs sont aujourd’hui presque toujours présents dans les montres intelligentes et même dans les téléphones. Bref, ils aident les montres intelligentes et autres appareils à comprendre comment l'utilisateur bouge (courir, marcher, se reposer, sauter...).

Comment les montres intelligentes mesurent-elles la fréquence cardiaque ? Comment fonctionne le capteur optique de fréquence cardiaque ?

Enfin, vous obtiendrez une explication pour laquelle le voyant vert sous l'horloge clignote toujours. Les montres intelligentes ont généralement un capteur optique sur la face inférieure, qui tente de mesurer la fréquence cardiaque de l'utilisateur à l'aide d'une lumière verte. Pourquoi le feu vert ? La spectroscopie est une discipline qui traite de l'analyse de l'émission de lumière et d'autres rayonnements résultant du contact avec une certaine substance. Au-delà des explications sèches, la chose importante est que la spectroscopie nous dit que le sang absorbe plus facilement la lumière verte car les couleurs rouge et verte se situent du côté opposé du spectre des couleurs.

Un capteur optique situé au dos de la montre intelligente détecte la lumière réfléchie, ce qui ressemble beaucoup à un spectromètre. La principale différence est que dans les horloges, la source lumineuse et le détecteur sont placés du même côté, tandis que dans les spectromètres, ils sont opposés. L’inconvénient de cette disposition est que la mesure de la fréquence cardiaque peut être moins précise avec les montres.

La mesure de la fréquence cardiaque à l’aide de la lumière s’appelle photopléthysmographie. L'appareil mesure le changement de concentration de globules rouges lorsque les vaisseaux sanguins se dilatent et se contractent : les vaisseaux sanguins dilatés absorbent plus de lumière verte et les vaisseaux sanguins contractés absorbent moins de lumière verte. Le détecteur mesure la lumière réfléchie et l'algorithme logiciel convertit les changements d'intensité lumineuse en votre fréquence de clignement.

En plus des capteurs, les dernières montres intelligentes disposent également d'un logiciel avancé, qui leur permet de détecter les problèmes potentiels, tels que la fibrillation auriculaire (battement cardiaque irrégulier), de manière assez précise et précoce. Bien entendu, il existe des écarts, car les mesures peuvent être influencées par plusieurs facteurs. Même des pigmentations cutanées différentes peuvent entraîner des écarts mineurs.

Comment les montres intelligentes mesurent la saturation en oxygène du sang (SpO₂)?

SpO₂ ou la saturation en oxygène est le pourcentage d'hémoglobine dans le sang qui est liée à l'oxygène. En d’autres termes, il s’agit d’une mesure qui indique la quantité d’oxygène transportée dans le sang. Il s’agit de l’une des mesures les plus récentes trouvées sur les montres intelligentes et autres appareils portables. Il est également très économe en énergie et n’affecte pas de manière significative l’autonomie des batteries de tels appareils.

Il a vraiment pris vie pendant la pandémie de coronavirus lorsqu’il a pu révéler si les niveaux d’oxygène étaient tombés en dessous des niveaux recommandés (95-100 % est optimal ; en dessous de 70 % met la vie en danger). La mesure la plus précise de la SpO₂ se fait par prélèvement de sang, mais les professionnels de la santé utilisent le plus souvent l'oxymétrie de pouls. Un dispositif optique est placé sur le doigt ou le lobe de l'oreille et, comme pour la mesure de la fréquence cardiaque, dirige la lumière à travers la peau vers le détecteur.

Un feu vert est utilisé pour mesurer le pouls, tandis que la SpO₂ et rouge et infrarouge. L'hémoglobine oxygénée (saturée en oxygène) absorbe la lumière IR et transmet la lumière rouge, tandis que l'hémoglobine désoxygénée transmet la lumière IR et absorbe la lumière rouge. Les montres intelligentes mesurent la SpO₂ par oxymétrie de pouls en calculant la différence entre l'absorption IR et la lumière rouge. De cette façon, vous pourrez par exemple savoir si vous souffrez d’apnée du sommeil.

Comment fonctionne l'ECG sur une montre intelligente ?

Une montre connectée dotée d'une fonction ECG (Apple Watch Ultra, Huawei Watch GT 4...) utilise un capteur à électrode unique pour mesurer l'activité électrique du cœur, situé sous la montre. Ce type d'ECG permet de détecter un rythme cardiaque irrégulier, mais ne peut pas détecter, par exemple, une hypertrophie ventriculaire gauche, que seul un ECG à 12 dérivations peut détecter. Bien que l’ECG sur une montre intelligente ne puisse pas être aussi précis et informatif qu’un ECG à 12 dérivations, il reste pratique pour accéder instantanément aux données de santé cardiaque.

Comment fonctionne un magnétomètre ?

Un magnétomètre est un appareil qui mesure les forces magnétiques. Il est utilisé avec des accéléromètres et des gyroscopes dans un dispositif appelé unité de mesure inertielle (IMU). Cette combinaison de capteurs aide l’appareil à comprendre comment il se déplace et comment il s’oriente dans l’espace.

Un magnétomètre mesure la manière dont le champ magnétique terrestre affecte l'appareil. C'est similaire à ce que fait une boussole. Celui-ci utilise le principe de l'effet Hall, selon lequel, si un conducteur porteur de courant est placé dans un champ magnétique, une tension est créée sur le conducteur perpendiculairement au courant et au champ magnétique. Les électrodes du conducteur s'effondrent (leur densité change) à cause du champ magnétique, ce qui entraîne une lecture de tension. Si les forces appliquées changent, la lecture de tension change proportionnellement, indiquant la valeur et la direction du champ magnétique.

En utilisant les trois capteurs, les montres intelligentes peuvent mieux suivre et interpréter les mouvements de leur porteur. Le magnétomètre ajoute une couche supplémentaire d'informations directionnelles utiles pour un suivi de mouvement plus précis.

Comment les montres intelligentes utilisent-elles le GPS ?

Le GPS est l'un des éléments les plus importants d'une montre intelligente (et d'un téléphone). Il est logiquement utilisé pour la navigation. Les données sont envoyées à un satellite où l'emplacement et l'heure exacts sont mesurés. Celui-ci agit ensuite comme un émetteur et un récepteur, renvoyant les données au capteur de la montre intelligente et enregistrant l'emplacement. Ainsi, les montres intelligentes mesurent par exemple la distance parcourue (à l’aide d’un capteur d’accélération et d’un gyroscope). Dans le football, vous avez également déjà remarqué qu'une carte indiquant l'endroit où un certain joueur a passé le plus de temps est souvent utilisée dans les analyses. C'est grâce au GPS, qui peut mettre beaucoup de pression sur la batterie de l'appareil portable.

Comment fonctionnent les capteurs de pression ?

Les capteurs de pression mesurent la force avec laquelle des forces agissent sur quelque chose, comme un appareil ou un équipement sportif. Il existe plusieurs capteurs de pression différents, qui fonctionnent généralement sur la base de jauges de contrainte ou de jauges de contrainte.

Dans les montres intelligentes, on retrouve des capteurs de pression barométrique (baromètres) qui mesurent l'air atmosphérique de l'environnement, ce qui leur permet de déterminer l'altitude. Ils peuvent également aider à prédire les changements météorologiques, mais ce n'est pas leur fonction dans les montres intelligentes.

Il existe également des capteurs de pression qui utilisent ces ponts de Wheatstone, qui constituent un type spécial de circuit électrique pour détecter les changements de résistance. Ils sont utilisés dans les équipements sportifs pour mesurer la force de contact sur le ballon ou pour surveiller le mouvement des joueurs. Ils peuvent également être utilisés pour analyser la démarche, par exemple pour mesurer la force exercée sur différentes parties du pied, ce qui peut contribuer à améliorer l'agilité ou à réduire le risque de blessure.

Comment les montres intelligentes mesurent-elles le stress ?

Aujourd'hui, la plupart des montres intelligentes, comme la série Samsung Galaxy Watch, utilisent la technologie de variabilité de la fréquence cardiaque (VRC) pour évaluer le stress. Ce dernier mesure l’intervalle entre les battements cardiaques et est aussi important que le nombre de battements par minute pour évaluer le stress physiologique. Le VRC est contrôlé par notre système nerveux autonome, la partie de notre système nerveux qui ajuste automatiquement la fréquence cardiaque, la tension artérielle et la fréquence respiratoire en réponse aux facteurs de stress externes. Si le niveau de VRC est faible (s'il existe des différences entre les battements cardiaques), cela peut indiquer que notre système nerveux est dans un état de stress plus important. Si la VRC est élevée (intervalles entre les battements plus variés), nous avons plus de chances d'être détendus.

Certaines montres intelligentes (Fitbit Sense, Pixel Watch 2, etc.) n'utilisent pas la méthode HRV, mais un capteur EDA dédié, c'est-à-dire un capteur d'activité électrodermique, qui analyse les schémas de modifications de la conductivité électrique de la peau provoqués par la transpiration. Il prend également en compte le VRC, la fréquence cardiaque et la température cutanée. À l'aide d'algorithmes et du capteur EDA, les montres intelligentes recherchent les changements soudains de ces indicateurs, calculent les niveaux de stress et vous en avertissent.

Ce sont les principaux capteurs que vous rencontrerez sur une montre intelligente ou un autre appareil portable. Vous savez désormais comment ils fonctionnent et vous pourrez mieux comprendre quand les données sont exactes et pourquoi il y a des écarts. Si vous souhaitez approfondir le fonctionnement des différents capteurs, j'ai répertorié ci-dessous quelques liens vers des recherches et des articles qui explorent le fonctionnement des capteurs et des appareils portables.