Les smartphones : Un laboratoire dans votre poche

04/11/2020

Aujourd'hui, un smartphone stocke non seulement nos chansons préférées, mais aussi une partie importante de notre vie : coordonnées, vidéos d'anniversaire, photos de vacances, et c'est aussi un accès à nos e-mails et à nos réseaux sociaux, à des jeux et même à des notes d'école. Aujourd'hui, les scientifiques ont également transformé nos smartphones en outils de recherche ; grâce à des applications spéciales, ils deviennent des instruments de collecte de données précieuses.

Pour les jeunes, c'est arrivé il y a longtemps, pour les plus âgés, ce n'était pas si loin, mais le 23 octobre 2001, Steve Jobs a annoncé le lancement de l'appareil iPod avec la phrase "mille chansons dans votre poche". Au fil du temps, les fonctions de l'iPod ont été transférées à l'iPhone et à tous les téléphones portables.

Chasseurs de maladies

Imaginez que vous contractez une maladie infectieuse. La première chose que vous vous demandez, c'est comment vous l'avez obtenu. La deuxième chose serait de savoir comment se soigner. Entre ces deux questions, il y a d'autres inconnues : comment éviter d'infecter les autres, que faire pour guérir plus vite et ne pas tomber malade à nouveau. Pour répondre à ces questions, vous avez besoin de données, de données et encore de données.

Au milieu du XIXe siècle, la ville de Londres avait commencé à se développer de façon incontrôlée en raison de la révolution industrielle. À cette époque, il y avait de grandes épidémies de choléra qui ont tué des milliers de personnes en très peu de temps. Pour éviter d'autres décès, il était nécessaire de savoir comment la maladie était transmise. Avant 1854, on pensait que le choléra ne pouvait se transmettre que par contact direct avec une personne malade et que la contagion était due aux miasmes (ou vapeurs maléfiques) émanant de cette personne. Mais un jeune médecin du nom de John Snow, qui a vécu de près une de ces épidémies, a développé une hypothèse différente.

Alors que tout le monde pensait que le contact direct avec les malades devait être interdit, John Snow a étudié l'eau que les habitants de Londres buvaient parce qu'il soupçonnait que c'était l'agent responsable de la propagation du choléra. Heureusement pour Snow, les habitants des quartiers londoniens touchés ne buvaient l'eau de la Tamise qu'auprès de deux compagnies. Le jeune médecin, aidé par d'autres collègues, a donc fait du porte-à-porte pour enquêter sur la compagnie qui approvisionnait chaque maison de la zone touchée. Dans un article publié en 1856, il note que ces compagnies fournissent de l'eau de manière égale aux riches et aux pauvres, "il y avait donc une population de 300 000 personnes de conditions et d'occupations diverses, mêlées de manière complexe au sein de la ville, mais divisées en deux groupes par une seule caractéristique : la consommation d'eau".

Parmi les clients d'une compagnie, seuls 313 sont morts alors que ceux de l'autre compagnie sont morts 2 443. Snow a rapidement établi un lien entre cette différence et l'origine de l'eau des deux compagnies, qui la collectaient en différents points de la Tamise. L'eau qui a fait le plus de victimes a été contaminée par les déchets des canalisations de la ville qui ont atteint la rivière. La communauté médicale a mis en doute les conclusions de Snow. Cependant, au fil du temps, ses recherches ont contribué à prévenir l'infection et à sauver des vies, si bien qu'aujourd'hui, Snow est considéré comme l'un des précurseurs de la recherche épidémiologique.

Dites-moi ce que vous faites et je vous dirai ce dont vous souffrez

Les recherches de Snow soulignent l'importance de la collecte de données épidémiologiques. Mais pour découvrir les causes d'autres maladies plus complexes, les scientifiques ont dû affiner leurs stratégies pour obtenir des informations. La recherche épidémiologique actuelle s'intéresse à un grand nombre de personnes, en étudiant leurs habitudes alimentaires et de santé, ainsi que leur activité physique. En demandant des enregistrements quotidiens par le biais d'entretiens, ainsi que des tests de laboratoire tous les quelques mois ou années, les chercheurs peuvent trouver les causes possibles de certaines maladies.

En 1948, une équipe de recherche a réuni 5 000 personnes de Framingham, dans le Massachusetts. Les participants ont subi un examen physique et un entretien sur leur mode de vie. Tous les deux ans, les participants reviennent pour compléter leur dossier médical et subir un examen physique et des tests de laboratoire. En 1974, 5 000 autres personnes, les enfants et les épouses des premiers participants, ont rejoint l'étude, ajoutant plusieurs générations jusqu'en 2003. Des décennies de suivi des volontaires de Framingham ont permis de découvrir que les personnes les plus susceptibles de souffrir de maladies cardiovasculaires étaient celles souffrant d'hypertension et de cholestérol, qui fumaient, prenaient du poids, ne faisaient pas d'exercice et étaient diabétiques. Ces caractéristiques étaient des facteurs de risque pour ces conditions, ce que tout le monde sait aujourd'hui, mais qui n'avait pas été scientifiquement prouvé jusqu'alors.

Grâce au grand nombre de volontaires qui ont participé à l'étude, les résultats peuvent être valables pour d'autres populations presque partout dans le monde. En outre, cela compense la perte de données due au fait que pendant tout ce temps, de nombreux patients ont pu mourir, déménager dans une autre ville ou simplement abandonner l'étude. Comme de nombreux bénévoles sont perdus, il est préférable de commencer par un grand nombre de bénévoles. Un autre problème est que vous devez vous fier à leur mémoire et à leur honnêteté lorsqu'ils réagissent à la façon dont ils ont pris soin d'eux-mêmes au cours des derniers mois. J'oublie ce que j'ai mangé hier. Il peut donc y avoir des défauts qui affectent l'exactitude des résultats.

La science au téléphone

C'est là que les smart phones font leur entrée. Les scientifiques exploitent les capacités de ces appareils pour mener leurs recherches. Les volontaires peuvent utiliser leur téléphone portable pour envoyer leurs données à des instituts de recherche au lieu de remplir un journal de bord, ce qui les aide à rester sur la bonne voie.

Les téléphones peuvent recueillir des données très précises grâce à des capteurs tels que les accéléromètres, qui peuvent mesurer l'activité physique, ainsi que les systèmes de positionnement GPS, les cardiofréquencemètres, les microphones et les analyseurs de sons. Les données de millions de volontaires du monde entier peuvent être envoyées par Internet à des centres de recherche en un seul clic. Rien qu'au Mexique, il y a aujourd'hui 77 millions de smartphones, et on estime que d'ici 2025, il y aura plus de 5 milliards de téléphones dans le monde dotés de capteurs avancés pour en mesurer beaucoup plus.

Les applications Dialbetics et Foodlog, qui surveillent la santé et le mode de vie des patients diabétiques, en sont un exemple. L'application calcule les calories et le pourcentage de glucides, de protéines et de graisses en photographiant simplement l'aliment. Les volontaires participant à une étude utilisant ces applications ont reçu un glucomètre numérique pour mesurer leur glucose le matin. Les accéléromètres (qui détectent les pas et les sauts de l'opérateur téléphonique) ont été utilisés pour calculer leur activité physique quotidienne. Toutes ces informations ont été collectées et envoyées aux chercheurs pour analyse. Le patient a reçu des conseils sur son alimentation ou des félicitations pour ses soins. L'étude a montré que les diabétiques qui utilisaient les applications avaient un meilleur contrôle de leur taux de glucose que ceux qui ne les utilisaient pas. De même, de nombreuses autres recherches sur l'homme sont développées dans différents domaines scientifiques.

Mille expériences dans votre poche

Face à cette opportunité, Apple a lancé en 2015 le paquet ResearchKit, une plateforme qui permet à tout scientifique de créer des applications iPhone que les gens peuvent télécharger pour participer à la recherche scientifique depuis le confort de leur maison. Aujourd'hui, la société qui a lancé l'iPod il y a 18 ans avec la promesse de mettre mille chansons dans nos poches fournit aux scientifiques un puissant outil de recherche. Dans quelques années, nous aurons probablement dans nos poches un millier d'études scientifiques en cours.

L'un des défis est la protection de la vie privée et l'utilisation responsable des données. Nous nous sommes tous sentis espionnés lorsque, après avoir discuté d'un sujet sur les réseaux sociaux, nous recevons des publicités pour des produits liés à ce sujet, mais les données sur nos habitudes et nos conditions de santé sont des informations encore plus sensibles, et les chercheurs qui utilisent ces applications sont tenus de protéger la confidentialité des participants. À cet égard, Apple a déclaré que les données recueillies par les applications développées avec ResearchKit seront gardées totalement confidentielles et ne seront accessibles qu'aux chercheurs. Afin de protéger l'identité des volontaires, même Apple n'aura pas accès à ces informations et ne les utilisera pas.

Des applications telles que EpiWatch ont déjà été développées à l'aide de ResearchKit, qui utilise des accéléromètres pour enregistrer les crises d'épilepsie afin d'obtenir des données permettant de trouver de meilleurs traitements. Comme si cela ne suffisait pas, la demande envoie une alerte aux proches du transporteur lorsqu'une crise d'épilepsie commence.

Une application appelée Neurons permet de surveiller les symptômes des patients atteints de sclérose en plaques. Sleep Health vous permet d'enregistrer vos habitudes de sommeil pour étudier les troubles qui vous affectent et mPower est conçu pour comprendre la progression de la maladie de Parkinson grâce à des tests de dextérité, d'équilibre et de mémoire. Cette maladie entrave le contrôle des mouvements des patients en détruisant les neurones dopaminergiques. L'application mPower mesure la capacité d'un patient à contrôler ses mouvements de la même manière qu'au bureau : avec le téléphone dans la poche, le patient est invité à marcher en ligne droite.

Les accéléromètres mesurent les déviations et les oscillations du patient (équilibre). Dans un autre test, deux cercles rouges apparaissent sur l'écran du téléphone, que le patient doit toucher alternativement avec l'index et le majeur pour mesurer son temps de réaction. Enfin, l'application demandera au patient de déplacer sa bouche vers le microphone et de dire "ah" pendant 10 secondes. Les variations des propriétés sonores sont une mesure indirecte de la capacité du patient à contrôler les muscles qui produisent la voix. Toutes ces données sont analysées pour suivre l'état de santé du patient atteint de la maladie de Parkinson, et le patient peut décider de les partager ou non avec les chercheurs.

Ces avantages permettront d'augmenter considérablement le nombre de participants aux études scientifiques, en fournissant une multitude de données sans sacrifier la précision. En outre, les expériences seront menées dans des conditions plus normales pour le participant, par exemple à la maison plutôt qu'en laboratoire. Les données proviendront de différentes régions, ce qui permettra de mesurer l'effet de variables telles que le climat, l'altitude et les produits alimentaires du pays, et donc d'identifier les effets géographiques, alimentaires et d'activité physique. Des informations complémentaires, telles que l'âge, le sexe, la profession, les heures de travail et de sommeil, permettront d'analyser des sous-groupes et de distinguer les effets des maladies ou des traitements sur les hommes et les femmes, les enfants et les adultes, et autres.

Une recherche utilisant des applications pour téléphones mobiles a analysé 4 000 participants en seulement quatre mois. L'obtention de cette quantité de données par les méthodes de recherche traditionnelles aurait pris plus de trois ans (huit fois plus). Des centaines d'expériences ont déjà été publiées dans des revues scientifiques, et leurs auteurs affirment que les résultats sont étonnamment similaires à ceux des études menées dans des conditions contrôlées au sein d'instituts de recherche.

Les smartphones deviennent un outil puissant pour la recherche sur tous les phénomènes liés au comportement humain et à la santé. Ils permettent d'étudier simultanément des millions de personnes dans le monde entier, ce qui génère de grandes avancées dans les connaissances scientifiques. Donc, si jamais vous recevez une invitation à participer à une recherche par le biais de votre smartphone, vérifiez que les aspects éthiques sont en ordre et encouragez-vous à collaborer avec la communauté scientifique pour générer plus de connaissances. Cela ne prendra pas longtemps, et vous pourriez faire une grande différence pour la science en retour.

Données importantes

Une expérience de science citoyenne avec des téléphones intelligents peut générer plus de données qu'une équipe de chercheurs ne pourrait en traiter en plusieurs années avec des ordinateurs traditionnels dans un laboratoire. Les données sont non seulement volumineuses, mais aussi diverses : aujourd'hui, de nombreuses variables peuvent être mesurées en même temps, ce qui complique encore l'analyse.

Les smartphones sont des outils essentiels en cette ère de données massives, ou de grosses données. Les entreprises Google, Amazon et Microsoft offrent des services de stockage et d'analyse de ces données massives dans le nuage. C'est une bonne nouvelle pour les scientifiques : aujourd'hui, ils n'ont plus besoin de longues campagnes de collecte de données s'étendant sur plusieurs années ni de leurs propres superordinateurs qui peuvent coûter des millions de dollars.

Tremblements

À l'université de Californie, campus de Berkeley, une application a été développée pour détecter et mesurer les tremblements avec le téléphone portable. Il est appelé MyShake et peut distinguer les secousses dues à un tremblement de terre de celles dues aux mouvements normaux de l'utilisateur. Une application de sismologie largement diffusée peut aider à cartographier la magnitude d'un tremblement de terre et les dégâts qu'il provoque, le tout en très peu de temps.

Tout en un

Un capteur est un dispositif qui mesure une certaine forme d'énergie (par exemple la température) et la convertit en un signal qui peut ensuite être lu par un instrument électronique. Les téléphones intelligents d'aujourd'hui sont équipés de capteurs de plus en plus précis.

Accéléromètre

C'est le capteur qui mesure le mouvement, la position, les vibrations et l'accélération. Dans les téléphones, il est couramment utilisé pour détecter les mouvements, l'inclinaison et la vitesse ; il est responsable de la rotation de l'image de l'écran si vous bougez le téléphone, de la détermination de votre vitesse et de l'enregistrement de votre activité physique, par exemple, vos pas. Il est étudié pour être utilisé dans la surveillance de la posture ou la détection des chutes de l'utilisateur.

Gyroscope

Il permet de déterminer la vitesse de rotation du téléphone par rapport à trois axes. Il détecte les légers virages de l'appareil ainsi que son orientation (il aide l'accéléromètre à savoir comment le téléphone est orienté). L'appareil photo du téléphone portable repose sur ce capteur pour corriger les mouvements indésirables et empêcher que vos photos ne soient floues. Avec une seule application, vous pouvez surveiller les personnes atteintes de la maladie de Parkinson ou de crises d'épilepsie.

Capteur de proximité

Détermine la proximité ou la position d'un objet par rapport à l'écran. C'est grâce à ce capteur que le clavier est désactivé et que l'énergie du téléphone est économisée, par exemple, lors d'un appel téléphonique, lorsque le visage est proche de l'écran.

Capteur de lumière ambiante

Ce capteur détecte la présence ou l'absence de lumière au moyen de cellules photoélectriques ; il ajuste la luminosité de l'écran et réduit ainsi la consommation d'énergie.

Magnétomètre

Il s'agit de la boussole du téléphone et détermine l'angle du téléphone portable par rapport au pôle magnétique terrestre. Grâce à ce capteur, nos téléphones déterminent la direction dans laquelle nous nous déplaçons. Grâce aux données de l'accéléromètre et du GPS, il peut nous localiser sur la carte et nos téléphones deviennent ainsi des instruments de navigation.

GPS

Soutenu par des satellites, il calcule et indique notre position géographique. Un GPS moderne peut également s'appuyer sur des données telles que la puissance du signal de la cellule (distance à l'antenne de la cellule) pour nous fournir une localisation plus précise.

Appareil photo

Il existe des applications pour des tests ophtalmologiques simples mais ils ne sont pas encore très fiables.

Microphones et analyseurs de son

Ils fournissent des informations essentielles sur l'environnement dans lequel l'individu se déplace. En utilisant le microphone du téléphone portable, certains chercheurs ont mis au point un spiromètre (un instrument qui mesure le débit et le volume de l'air inhalé et exhalé par les poumons).

Rayons cosmiques

Une équipe de physiciens des particules de l'université de Californie, campus d'Irvine, a développé une application appelée CRAYFIS qui détecte le passage d'une particule chargée électriquement et qui interagit avec les circuits téléphoniques. Ce phénomène se produit tout le temps et n'a pas de conséquences, mais en intégrant les informations de nombreux utilisateurs grâce à l'application, il est possible de détecter les cascades de particules élémentaires qui se forment lorsqu'un rayon cosmique frappe une particule atmosphérique. L'énergie du rayon cosmique d'origine peut être déduite de la distribution des signaux.

Les auteurs :

Jonathan Cueto Escobedo est titulaire d'un doctorat en psychologie de l'Université nationale autonome du Mexique. Il est actuellement chercheur à l'Institut des sciences de la santé de l'Université Veracruzana.

María Gabriela Nachón García est chercheuse et directrice de l'Institut des sciences de la santé de l'Universidad Veracruzana. Ses recherches portent sur le rôle des émotions et du stress dans l'anxiété et les dépendances, et sur l'impact de certaines maladies sur d'autres affections.

Source : Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), ¿Cómo ves ?