analyse et mesure du pouls
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Olympiade de physique Concours 2006
ANALYSE ET
MESURE DU POULS
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A notre professeur, Monsieur Gallin-Martel
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SOMMAIRE
INTRODUCTION page 4
PROBLEMATIQUE page 4 I. DEMARCHES page 5 A. démarche théorique page 5 B. démarche pratique page 6 II. PRINCIPE ET MISE EN OEURVRE page 7 DU CAPTEUR ET DU MONTAGE A. Principe de l’oxymétrie page 7 B. Elaboration de notre capteur page 7 C. Elaboration du montage page 9 Schéma global du circuit page 12 III. UTILISATION DU MONTAGE ET MESURE DU POULS page 12 A. Oscilloscope à mémoire page 12 B. Visualisation sur ordinateur page 13 C. Essais d’interprétation du signal obtenu page 14 D. Expérience en apnée et en hyperventilation page 15 IV. LES APLICATIONS BIOLOGIQUES page 17
CONCLUSION page 18 A. Les limites de notre projet page 18 B. Bilan page 19 REMERCIEMENTS page 20 BIBLIOGRAPHIE page 21 GLOSSAIRE page 22
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Introduction
Nous sommes actuellement quatre élèves de terminale scientifique au lycée Baudelaire
à Cran-Gevrier. C’est à l’issue de l’option M.P.I. en classe de seconde, que notre
professeur, Mr Gallin-Martel, nous a proposé de faire partie de l’atelier scientifique
afin de mener, sur deux ans, un projet d’olympiade. L’idée de suivre un projet en
commun nous a tout de suite intéressés. Le choix de notre sujet ne fut pas simple, car
nous recherchions un thème qui puisse nous offrir un vaste champ de recherche. C’est
ainsi que nous avons abouti sur le sujet de la mesure du pouls. Nous avons néanmoins
rencontré de nombreuses difficultés au cours de son élaboration, notamment la partie
électronique. C’est pour cela que nous avons du revoir notre progression tout au long
de ces deux années, ce qui nous a permis, malgré des échecs, de balayer un grand
champ de résolutions à notre problématique.
Bien que notre projet ne puisse être validé en tant que TPE, et les nombreuses
difficultés rencontrées au cours de notre année, nous n’avons pas hésité, sous la
directive de notre nouveau professeur Mr Bottos, à mener notre projet à terme.
Retraçant le travail effectué sur ces deux années, ce mémoire ne tient pas compte de
certaines modifications en cours de réalisation ; nous nous en excusons et espérons,
néanmoins, qu’il vous donnera satisfaction.
Problématique
Le cœur possède sa propre activité rythmique, c’est à dire qu’il n’a pas besoin de
stimulus pour se contracter. Les cellules qui le composent possèdent leur propre
excitation électrique, qui est indépendante du système nerveux. Ce sont ces cellules
qui engendrent le rythme cardiaque, c’est à dire le pouls.
A partir de ces données, il nous a d’abord fallu mettre au point un capteur, qui, par le
biais d’une interface, offrait une visualisation du pouls sur un ordinateur.
Notre seconde problématique a consisté à traiter ces visualisations afin d’en tirer des
applications simples.
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I. Démarches
A. Théorique La première étape a porté sur le choix de notre projet. Nous souhaitions que notre
sujet soit pluridisciplinaire de manière à concilier la physique mais aussi la biologie
pour que notre travail puisse être validé en tant que T.P.E. De plus, l’une d’entre nous
était très intéressée par la biologie et se trouve d’ailleurs actuellement en spécialité
S.V.T. C’est ainsi que nous avons décidé de travailler sur le pouls. Il fallait que nous
nous fixions un but précis, aussi avons nous élaboré notre propre problématique qui se
compose de trois points :
-La mesure du pouls
-la visualisation
-quelques applications
La problématique nous offrait un large éventail de résolutions, notamment au niveau
de la mesure.
Le point de départ de notre réflexion a été l’expérience qui consiste, à l’aide d’un
laser, à retranscrire un son émis par un haut-parleur.
Un miroir est placé sur la membrane du haut-parleur. Un rayon laser est envoyé sur ce
miroir, qui le réfléchi en direction d’un photocapteur qui rend compte des fluctuations
d’intensité du rayon générées par les vibrations de la membrane. Ainsi, on peut
récupérer le son émis par le haut-parleur initial en branchant un second haut-parleur
sur le circuit du photocapteur.
La pléthysmographie consiste à étudier les variations de volume sanguin dans les
différents organes à l’aide d’un rayon lumineux. En convertissant la lumière réfléchie
en signaux électriques, on obtient les variations du volume sanguin dans les veines,
c’est à dire le pouls.
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Figure 1
B. Pratique
Par analogie avec l’expérience décrite précédemment, nous avons remplacé le haut-
parleur par le poignet et fixé un morceau de papier aluminium au niveau de l’artère,
pour faire office de miroir.
Nous avons alors rencontré plusieurs difficultés, notamment le problème
d’immobilisation du poignet.
Nous avons donc eu l’idée d’élaborer un système reposant toujours sur le principe de
réflexion mais s’appliquant au doigt. Nous avons échangé le laser contre une diode
électroluminescente infrarouge et élaboré un capteur constitué d’une DEL et d’une
photodiode formant un angle au sommet duquel on place le doigt. L’immobilisation du
doigt se faisait à l’aide d’un support pour la main. Nous avons ensuite travaillé sur le
montage qui permettrait d’observer la variation d’intensité du rayon infrarouge sur un
oscilloscope. Il fallait amplifier le signal car la variation n’était pas assez forte. C’est
alors que nous avons constaté que le signal était bruité et que donc la mise en place
d’un filtrage s’imposait. Après plusieurs mois d’essais, nous sommes arrivés à la
conclusion que le capteur permettait de mettre en évidence que les petits mouvements
du doigt et n’était pas assez sensible pour constater les fluctuations du volume
sanguin.
En plaçant le doigt sous une LED, nous avons pu observer à l'œil nu des variations
d’intensité lumineuse qui semblaient correspondrent aux battements du cœur, par
conséquent, un capteur optique serait en mesure de le visualiser, contrairement à
notre essai précédent.
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Figure 2
Nous avons alors orienté nos recherches vers d’autres principes, notamment celui
utilisé dans les hôpitaux sur la base de l’oxymétrie, technique qui repose sur un
principe d’absorption de la lumière.
II / Principe et mise en œuvre du capteur et du montage
A. Principe de l’oxymétrie
L’oxymétrie vise à mesurer la saturation en oxygène du sang. Un émetteur constitué
d’une diode rouge et infrarouge envoie deux rayons à travers le doigt. Le récepteur
capte le rayon dont une partie a été absorbée selon la couleur du sang, qui varie en
fonction de son oxygénation (seules certaines longueurs d'ondes sont absorbées). En
exploitant les variations de couleur du sang, on en déduit son taux d’oxygénation, ce
qui permet de mettre en évidence les différentes contractions du cœur, donc le
rythme cardiaque.
Figure 3
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B. Elaboration de notre capteur
Reposant sur le principe d’absorption, notre capteur, contrairement à l’oxymétrie, ne
tient pas compte de la couleur du sang mais de la variation du volume sanguin. De ce
fait, il ne nécessite qu’une diode et un récepteur.
De plus, nous savions que nos valeurs allaient être très petites, et que nous allions très
certainement rencontrer des problèmes de bruitage. Nous avons donc mis en place un
schéma fonctionnel, qui fut le support de notre réalisation.
Schéma fonctionnel
Figure 4
Le capteur fut le centre de notre projet car il nous a très vite permis de visualiser des
résultats ; cependant, les prototypes que nous avons réalisés n’étaient pas forcément
pratiques et nous avons dû y apporter de nombreuses modifications pour obtenir des
résultats convenables. Le problème principal réside dans le bruitage du signal dû au
50Hz et la lumière ambiante. Nous avons donc placé la main munie du capteur dans
une boîte de manière à ce qu’elle soit dans le noir. De ce fait, nous éliminions les
fluctuations du signal dues à la réception de lumière autre que la diode. Cependant, le
signal nouvellement obtenu n’était toujours pas net. Nous avons donc remplacé le
générateur par des piles afin de supprimer le 50Hz venant du secteur, et placé notre
montage dans de l’aluminium, comme une cage Faraday, pour éliminer le 50Hz émis
par rayonnement. Par le biais d’une interface, nous avons pu traiter nos données
directement sur ordinateurs ce qui nous permettait de pratiquer des mesures beaucoup
plus précises que sur oscilloscope. La prochaine étape de notre mettre nos composants
sur circuit imprimé de manière à limiter les contacts dus aux plaques Leybold que nous
utilisons.
Notre premier capteur était constitué de deux plaques d’époxy percées. On avait fixé
sur la première la diode et le phototransistor sur la seconde. On plaçait ensuite le doigt
entre les deux plaques (DEL sur la pulpe du doigt et phototransistor sur l’ongle) que
l’on maintenait à l’aide d’élastiques. Mais ce système très précaire nécessitait une
Capteur optique
Amplification +filtre
visualisation
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amélioration. Nous avons donc pensé fixer les composants sur un tuyau mais le
problème venait de l’adaptation à la taille du doigt puisque l’émetteur et le capteur
doivent être en contact avec le doigt.
Notre second capteur était fait d’un pince sur laquelle on fixait les composants et que
l’on maintenait entrouverte à l’aide de bandes adhésives de manière à ce que le doigt
ne soit pas trop comprimé, ce qui fausserait les mesures. C’est avec ce capteur que
nous avons participé à l’expo science à l’occasion de la fête de la science ce qui nous a
fait prendre conscience des limites de notre système. En effet nous nous sommes
aperçus que le vernis à ongle empêchait l’obtention de résultats cohérents : la courbe
obtenue était complètement irrégulière. Il nous a effectivement été impossible de
déterminer le pouls d’une personne de couleur noire. Ces expériences mettaient bien
en évidence le caractère inachevé de notre montage qu’il nous fallait améliorer, afin
d’obtenir un meilleur signal.
C. Élaboration du montage
Notre montage n'était constitué au départ que d'une diode électroluminescente haute
luminescence accompagnée d'une résistance de 470Ω, alimentées par du 9V, et d'un
phototransistor accompagné d'une résistance de 100Ω également alimentés par du 9V.
Le phototransistor a été choisi car après de multiples essais avec la photodiode. Nous
avons remarqué que ça ne fonctionnait pas avec cette photodiode probablement parce
que celle à notre disposition n’était pas assez sensible aux variations lumineuses ou
qu’elle ne correspondait pas à la longueur d’onde du rayon lumineux utilisé.
Avec ce choix nous avons compliqué notre montage, en effet nous connaissions
correctement le fonctionnement de la photodiode, mais pas celui du phototransistor.
Nous nous sommes inspirés d’un montage d’un livre.
Le montage de base est le suivant :
Figure 5
+15 V
R
VCE
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Après de multiples essais nous nous sommes aperçus que les variations de lumière
faisaient varier la tension VCE, nous avions donc notre convertisseur.
Pour trouver la résitance R nous en avons essayé plusieurs et le meilleur choix c’est
avéré être 100 kΩ parmi les résistance à notre disposition.
On observe que plus la lumière est forte moins la tension est élevée et
réciproquement.
La tension obtenue à l’oscilloscope était très bruitée (50 Hz différentes origine)
En branchant l'oscilloscope aux bornes du phototransistor, on pouvait observer les
variations caractéristiques du pouls. Le phototransistor donne une tension
proportionnelle aux variations d’éclairement, mais cette variation n’est pas centrée sur
0 mais sur 5V et elle n'est que de l'ordre de quelques millivolts. Il nous fallait donc
enlever la constante de 5V et amplifier les quelques millivolts de variation, qui, eux,
sont proportionnels à l'éclairement.
Schéma fonctionnel après choix du phototransistor
Figure 6
Capteur optique : phototransistor
Filtrage de la composante continue
Tension (mV)
t
Tension (mV)
Amplification de la tension
Quelques Volt
t
Tension (V)
t
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Nous avons essayé plusieurs valeurs de condensateur pour arriver à la conclusion que
celui de 100nF était le plus adapté pour supprimer la composante continue de 5V. Le
signal se trouvait à présent centré sur 0 mais il nous restait à régler le problème du
filtrage. Nous avons estimé que le nombre de pulsations par minutes devait se situer
entre 30 et 200 pulsations par minutes par conséquent, les fréquences qui étaient
susceptibles de nous intéresser étaient situées entre 0,5 et 3,5 Hz. Aidés par notre
professeur, nous avons donc mis en place un filtre gardant un signal inférieur à 3,5Hz
mais qui permettait également un gain d’amplification de 10.
De manière à observer les meilleurs résultats possibles sur l'oscilloscope mais aussi par
l'interface, nous avons placé un second étage d'amplification non inverseur avec un
gain de 10. Les mesures se font à la sortie du condensateur de 100nF, après le second
étage d'amplification.
Cependant, le montage n’était pas stable. En effet, certains réglages étaient
nécessaires à chaque fois que le capteur bougeait. Les amplificateurs opérationnels
saturaient par moments car les condensateurs n’étaient pas stabilisés par de grandes
résistances. Il était indispensable de fiabiliser le montage puisque nous voulions le
mettre sur circuit imprimé. Nous avons donc ajouté un condensateur de 100nF avant le
second étage d’amplification de manière à améliorer le filtrage de la composante
continue qui faisait saturer l’amplificateur. Nous avons aussi ajouté de grandes
résistances pour accompagner les trois condensateurs de 100nF qui filtrent la
composante continue. Le montage nous permettait ainsi de prendre le pouls de
plusieurs personnes à la suite sans avoir à faire de réglages.
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Schéma global du circuit
Schéma réalisé sur crocodile physique figure 7
III -Utilisation du montage et mesure de pouls
A. Oscilloscope à mémoire La première étape a été de visualiser le pouls sur un oscilloscope. Mais, la fréquence
du signal étant très faible, il nous était impossible de la calculer. Nous avons donc opté
pour un oscilloscope à mémoire qui permet une visualisation du signal dans son
ensemble (on garde une trace de la tension mesurée quelques secondes avant) mais
aussi un calcul de la fréquence en temps réel et une mise au point du montage plus
aisé. Une photo d’un oscillogramme obtenu est donnée ci-dessous.
figure 8
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B. visualisation sur l’ordinateur
L’utilisation de l’interface Labpro et du logiciel qui l’accompagne, Loggerpro, nous a
permis de mémoriser nos mesures et de travailler directement sur le graphique obtenu.
Résultats obtenus avec l’interface labpro et le logiciel loggerpro.
Figure 9
On a ici une grande précision dans la mesure de pouls en utilisant les fonctionnalités
graphiques du logiciel. Exemple : 3,3 s pour 5 pulsations, soit un pouls de
!
5 " 60
3,3# 91
pulsations par minute.
Mais au-delà de ce pouls, nous avons réalisé que l’on avait un véritable signal donnant
une information d’ordre biologique.
3,3 secondes pour 5 pulsations
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C. Essais d’interprétation du signal obtenu
Durant notre recherche sur l’interprétation d’un tel signal nous nous sommes heurtés à
la difficulté et au manque de connaissances médicales. Néanmoins il est apparu clair
que ce signal n’avait rien à voir avec un électrocardiogramme classique, mais était
sensiblement proche d’un signal Doppler.
Il faut donc se replacer dans le cadre de ce que voit notre capteur optique :
Lors de la contraction du cœur, le volume sanguin augmente, et sous l’effet de la
pression sanguine, les artères se dilatent et entrainent le gonflement du doigt. De ce
fait, l’espace que le rayon doit traverser et plus grand donc l’absorbance et elle aussi
plus importante. Ainsi la lumière est moins importante et la tension Vce du
phototransistoraugmente.
Et réciproquement.
Figure 10
Le volume sanguin augmente dans les artérioles lors de la systole
ventriculaire.
Le volume sanguin diminue
dans les artérioles
Augmentation temporaire du volume
du à la réflexion de l’onde artérielle sur les
embranchements artériels.
Le volume sanguin est au minimum dans les
artérioles dans l’attente d’une nouvelle
pulsation.
Pic systolique.
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Nous nous sommes aperçus que le signal obtenu nous donnait des informations précises
sur la variation de volume et donc de pression dans les artérioles. Lors de la
contraction du cœur, la pression sanguine augmente car un certain volume de sang est
éjecté. Pour compenser cette augmentation de pression, les artères se dilatent. En
effet, si elles étaient rigides, l’augmentation de pression les ferait éclater et la vitesse
serait trop importante. Quand le cœur se contracte, une onde de pression se propage
dans les artères, provocant la déformation locale des tissus artériels et une
augmentation du volume ; cette onde transversale est appelée le pouls.
Figure 11
Nous avons remarqué à travers toutes nos mesures que la zone de
stagnation temporaire du volume sanguin était plus prononcée chez
certain individu, pouvant même créer une augmentation du volume du
sang.
Un exemple est donné ci-contre figure 12, zone indiqué en pointillé.
Figure 12
D. Expérience en apnée et en hyperventilation : Nous avons effectué quelques expériences en mesurant avec notre capteur les
pulsations dans le cas d’une apnée de 20s et une hyperventilation de même durée.
Cas de l’apnée :
Le flux sanguin
Dilatation des artères due à l’augmentation de pression ; élasticité des artères
Zone de réflexion de l’onde : résistance circulatoire
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L’apnée engendre une augmentation du taux
de CO2 dans le sang donc une diminution de
son pH.
Ce qui provoque un réflexe de dilatation des
artères et artérioles, ainsi que
l’augmentation des volumes sanguins
transportés.
Figure 13
Ce phénomène est mis en évidence dans l‘enregistrement, ci-dessus figure 13 où
l’apnée a été commencée à l’origine.
On observe que l’amplitude augmente très progressivement jusqu’à stabilisation du
volume sanguin.
Cas de l’hyperventilation :
Figure 14
Contrairement à l’apnée, l’hyperventilation engendre une diminution du taux de CO2
dissous dans le sang donc une augmentation du pH sanguin.
Ce qui provoque un réflexe de contraction des artères et artérioles.
Les amplitudes obtenues sont plus faibles, mais surtout le phénomène réflexion
disparaît ou s’atténue très fortement (figure 14). La phase où le volume sanguin stagne
dans les artérioles dans l’attente d’une nouvelle pulsation est plus longue.Comme le
montre l’enregistrement figure 14.
La zone d’augmentation temporaire de
volume est fortement atténuée
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IV. Application biologique Pour assurer le bon fonctionnement de notre organisme, nous nous devons de fabriquer
notre propre énergie à travers notamment la respiration.
Lors de la respiration, les molécules de glucose sont oxydées dans les Mitochondries des
cellules musculaires, pour former des molécules énergétiques, l’A.T.P. Cette oxydation
est complète et permet la formation pour une molécule de glucose de 36 A.T.P.
Lors d’un effort, lorsque le taux d’oxygène dans les mitochondries n’est plus assez
élevé pour permettre à cette oxydation d’avoir lieu, la formation d’A.T.P. par le biais
de la respiration est substituée par la fermentation lactique. Cette fermentation ne
permet pas l’oxydation complète du glucose, seulement 2 A.T.P. sont formées pour 1
molécule. De ce fait, il y a également formation de déchets, les acides lactiques, qui
provoquent des douleurs et engendrent les courbatures après l’effort.
Si la respiration permet à l’individu d’effectuer un effort sur une longue période, la
fermentation lactique, quant à elle, ne permet qu’un effort intense mais court.
BUT DE NOTRE EXPERIENCE
Le but de notre expérience est de définir à quel moment un individu passe de la
création d’énergie par respiration, à la création d’énergie par fermentation.
Grâce à un dispositif d’expérimentation assisté par ordinateur (Ex.A.O) on peut
visualiser ce passage en relevant la valeur maximum de dioxygène prélevée par
l’organisme lors de l’effort : c’est la VO2max. En prenant en parallèle, les variations du
rythme cardiaque, on peut savoir, pour quel nombre de pulsations par minute, ce seuil
est atteint, ce qui permettra de gérer son effort, et de déterminer une sorte de
« compte tour » : Jusqu’à ce seuil de VO2max, l’effort peut être tenu, tandis qu’après, il
ne pourra être que bref.
Nous avons alors réalisé l’expérience suivante :
A l’aide de l’Ex.A., une interface qui était ici accompagnée d’un embout dans lequel
on respirait, et d’un cardiofréquencemètre nous avons mesuré la quantité d’oxygène
absorbé au cours le l’effort ainsi que la fréquence cardiaque. A des intervalles de
temps de plus en plus cours, allant de 10 secondes jusqu’au maximum possible, l’un de
nous montait sur une chaise puis redescendait, de sorte qu’il puisse atteindre ce
passage de la respiration à la fermentation lactique.
Ce dispositif nous a permis de voir les résultats en temps réel sur l’ordinateur.
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On obtient ainsi le graphique suivant :
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250 300 350
puissance de l'effort (Watts)
fré
qu
en
ce
ca
rdia
qu
e (
ba
tte
me
nts
pa
r m
inu
te)
0
10
20
30
40
50
60
70
VO
2 a
bso
rbé
e (
mL
.min
-1.k
g-1
)
Figure 15
Chaque personne possède sa propre VO2max, c’est pour cela qu’une mesure préalable de
celle-ci est indispensable ; elle est le support par la suite de la connaissance des ses
propres capacités physiques et permet ainsi à chaque personne de pouvoir gérer son
effort.
CONCLUSION A. Limites techniques du montage Bien que notre système ait évolué au cours de ces deux années, il demande encore à
être amélioré, car nous rencontrons des limites dans notre progression.
Tout d’abord, notre système de filtrage est globalement peu performant.
Effectivement, nos connaissances dans ce domaine étaient assez limitées, et nous
avons dû travailler avec le matériel mis à notre disposition. Cependant, le résultat
obtenu est assez satisfaisant, puisqu’il nous a permis de traiter les données obtenues
et d’en dégager des applications.
Nous voulions un capteur qui s’adapte à n’importe quelle taille de doigt et qui donc
était ajustable. Nous avons étudié plusieurs possibilités mais il s’est avéré qu’aucune
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d’entre elles ne permettait de placer le doigt dans l’obscurité. Il nous a donc fallu
créer l’obscurité d’une autre manière mais nous n’avons pas réussi à l’obtenir
totalement ; de plus le système mis en place était encombrant et ne permettait pas le
mouvement ce qui rendait plus difficile la prise de mesure. Ainsi, après plusieurs
modèles de pinces que nous avons confectionnés, le dernier, plutôt satisfaisant car
moins encombrant et de loin plus pratique que les précédents, ne nous permet toujours
pas d’effectuer des mesures en nous déplaçant.
Enfin, notre projet pour l’avenir serait d’intégrer à notre montage un compteur de
pulsations, afin d’orienter nos recherches de développement vers d’autres axes de
visualisations.
B. Bilan Malgré les nombreuses difficultés que nous avons rencontrées au cours de ces deux
années, ce fut véritablement une expérience très enrichissante pour chacun d’entre
nous. Nous avons réussi à mener notre projet à termes, et bien que notre système soit
loin d’être parfait, il nous a permis de répondre à notre problématique.
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Remerciements
Sincères remerciements
A Monsieur Gallin Martel qui nous a choisi, fait confiance et nous a donné l’envie, la
volonté de mener à bien ce projet.
A Messieurs Enselme et Bottos , nos professeurs de physique, qui ont accepté d’assurer
le maintien de l’atelier.
A Monsieur Baudry, professeur de S.V.T. au lycée Charles Baudelaire, qui nous a
encadrés pour les applications.
Au C.C.S.T.I. (centre culturel scientifique et technique de l’industrie) qui nous a
permis de participer à l’expo science.
Et aux infirmières des H.U.G. (hôpitaux universitaires de Genève) qui nous ont aidés
dans nos recherches.
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Bibliographie
Physique Appliquée génie électronique, génie électrotechnique 1ère S.T.I Robert le Goff Nathan Technique Guide du technicien en électronique
C.Cimelli R.Bourgeron Hachette Technique Traité de l’électronique analogique et numérique
Volume 1 : Techniques Analogiques Paul Howitz et Winfield Hill Elektor mémotech électronique
G. et B. Chevalier J-C.Chauveau Edition Casteilla
Sites Internet Wikipédia
encyclopédie libre www.adrenaline112.org www.chu.rouen.fr www.snv.jussieu.fr www.medecine-et-sante.com http://perso.wanadoo.fr/xcotton/electron
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Glossaire CARDIOLOGIE : Spécialité médical qui traite du cœur et des vaisseaux sanguins.
POULS : Battement rythmique (pulsations) des artères lors du passage du sang propulsé à chaque contraction cardiaque. La palpation du pouls artériel permet de mesurer la fréquence cardiaque.
TENSION ARTERIELLE : Pression artérielle, c’est à dire la pression exercée sur les vaisseaux pendant la contraction et la relaxation du cœur.