Un ensemble de données en libre accès révèle à quel point la précision de la fréquence cardiaque des montres intelligentes peut diminuer sous l’eau, fournissant ainsi aux chercheurs une nouvelle base pour améliorer la surveillance portable de la natation et de la santé aquatique.
Étude : Surveillance portable de la fréquence cardiaque pendant la natation. Crédit d’image : Doyen Drobot/Shutterstock
Dans une étude récente publiée dans la revue Données scientifiquesdes chercheurs italiens ont décrit le développement et la caractérisation métrologique d’un ensemble de données en libre accès conçu pour évaluer les performances des moniteurs de fréquence cardiaque portables commerciaux dans les environnements aquatiques.
L’étude a évalué systématiquement trois capteurs commerciaux (une ceinture pectorale Polar et des montres intelligentes Polar et Garmin) chez des nageurs de compétition dans des conditions sèches (contrôle métrologique) et humides.
Les résultats de l’étude ont révélé que les capteurs portés au poignet fonctionnaient nettement mieux sur terre, tandis que leurs performances métrologiques se dégradaient sous l’eau. Les auteurs ont noté que l’eau peut atténuer la photopléthysmographie (PPG) des signaux optiques et introduisent du bruit hydrodynamique, fournissant des mécanismes potentiels pour cette baisse de performances.
Cet ensemble de données fournit une référence en libre accès qui permet aux chercheurs d’étudier l’apprentissage automatique (ML), la fusion de capteurs, l’évaluation de la qualité du signal et la surveillance améliorée des appareils portables dans les environnements aquatiques.
Sommaire
Arrière-plan
Des décennies de recherche en sciences cardiovasculaires et sportives ont établi une fréquence cardiaque continue (HEURE) la surveillance en tant qu’outil essentiel pour évaluer les valeurs de base des athlètes et suivre les changements dans plusieurs mesures physiologiques clés, notamment l’effort physique, l’activité du système nerveux et le stress psychophysique.
L’approche standard de la mesure de la FC est l’électrocardiographie (ECG). Cependant, la surveillance ECG conventionnelle est souvent limitée à de courtes périodes de mesure, et une surveillance prolongée nécessite des systèmes portables spécialisés tels que les moniteurs Holter, limitant ainsi son utilisation de routine lors de nombreuses activités sportives.
La récente prolifération rapide des appareils portables grand public, en particulier les montres intelligentes et les ceintures pectorales de surveillance de la fréquence cardiaque, a considérablement atténué cette limitation, permettant une surveillance prolongée de la fréquence cardiaque au cours des routines quotidiennes et des entraînements sportifs.
Cependant, les environnements aquatiques créent des défis particuliers pour la surveillance PPG au poignet, car l’eau agit comme un milieu dense qui atténue les signaux optiques de photopléthysmographie (PPG) et introduit un bruit hydrodynamique distinct qui diffère considérablement des artefacts de mouvement de la terre ferme.
Ces défis mettent en évidence la nécessité de disposer d’ensembles de données aquatiques bien caractérisés permettant aux chercheurs de distinguer les effets de l’eau des artefacts de mouvement et d’étudier des approches de traitement des données spécifiquement dans des conditions aquatiques.
À propos de l’étude
La présente étude visait à remédier à cette limitation et à éclairer la conception future de capteurs portables et le développement de logiciels en développant un ensemble de données multi-capteurs synchronisés dans des conditions expérimentales sèches et aquatiques.
L’échantillon de l’étude comprenait 10 nageuses de compétition en bonne santé (âgées de 17 ± 3 ans ; types de peau Fitzpatrick I et II) qui devaient porter simultanément trois appareils commerciaux résistants à l’eau : 1. une ceinture pectorale Polar H10 (appareil de référence basé sur l’ECG), 2. une montre intelligente Polar Vantage V2 (portée au poignet gauche ; basée sur PPG) et 3. une montre intelligente Garmin Venu Sq (portée sur le poignet droit ; basée sur PPG).
La collecte de données a été divisée en une « condition sèche », qui servait de contrôle métrologique, et une « condition humide » représentant l’environnement aquatique d’essai. Dans des conditions sèches, les chercheurs ont mesuré la ligne de base (état de repos), suivi de trois essais de marche sur tapis roulant (4 km/h) et de trois essais de course (6 km/h) pour aider à distinguer les effets liés au mouvement de ceux introduits par l’eau.
Dans des conditions humides, les chercheurs ont mesuré l’état de repos dans l’eau suivi de quatre activités de natation (style libre, nage papillon, dos et brasse ; 4 tours chacune dans une piscine de 25 mètres) effectuées à des rythmes normaux et rapides.
L’ensemble de données final a compilé 18 622 horodatages synchronisés à 1 Hz, représentant 97,61 % des 19 078 échantillons attendus, qui ont été utilisés pour évaluer statistiquement l’exactitude et la précision des dispositifs portables au poignet par rapport à celles de la ceinture pectorale de référence à l’aide de tracés d’accord de Bland-Altman, d’erreur de pourcentage absolu moyen (MAPE), et les coefficients de corrélation de Pearson (r).
Résultats de l’étude
Les analyses statistiques ont révélé que dans des conditions sèches, les deux montres intelligentes présentaient un accord nettement meilleur avec la ceinture pectorale de référence. Le Garmin Venu Sq a enregistré un résidu moyen de 1 battement par minute (bpm; MAPE = 4,05 %, r = 0,95), tandis que le Polar Vantage V2 présentait un résidu moyen de -5 bpm (MAPE = 8,00 %, r = 0,85).
À l’opposé, dans des conditions humides, le Garmin Venu Sq a présenté une sous-estimation substantielle de la fréquence cardiaque, avec un résidu moyen de -44 bpm (MAPE = 29,95 %, r = 0,26). Bien que le Polar Vantage V2 ait démontré une précision nettement supérieure (résiduel moyen = -14 bpm ; MAPE = 17,17 % ; r = 0,59), ses performances étaient néanmoins nettement inférieures à celles dans des conditions sèches.
En outre, les tracés de Bland-Altman ont révélé des modèles d’erreur de « bouclage » distincts dans les analyses des appareils basés sur PPG dans des conditions sèches et humides, que les auteurs ont attribués au retard physiologique et algorithmique des capteurs optiques PPG lors de transitions rapides d’effort physique.
Conclusions
Les auteurs décrivent l’ensemble de données comme une ressource distinctive pour caractériser la manière dont les environnements aquatiques affectent les performances métrologiques des moniteurs optiques HR grand public portés au poignet et notent qu’à leur connaissance, aucun ensemble de données comparable présentant ces caractéristiques n’est actuellement disponible.
L’étude était limitée par un échantillon démographiquement homogène de 10 jeunes athlètes féminines à la peau claire. La référence Polar H10 n’était pas de qualité médicale et l’ensemble de données comprend des séries de fréquence cardiaque générées par le fabricant plutôt que des formes d’onde ECG ou PPG brutes, ce qui limite l’évaluation de la qualité du signal et le développement d’algorithmes personnalisés. Malgré cela, l’ensemble de données en libre accès constitue une ressource utile pour les études préliminaires d’apprentissage automatique, le développement d’algorithmes de fusion de capteurs et le perfectionnement de la technologie portable pour la performance sportive et potentiellement la réadaptation aquatique.
