Un capteur à faible coût aide à estimer la charge polluante inhalée par les cyclistes – Jornal da USP

Par Ivan Conterno

Faire du vélo dans les grandes villes en inhalant les émanations des voitures semble être une bonne idée ? En général, on peut dire que les avantages de l’exercice physique l’emportent sur les risques associés aux polluants, mais chaque personne a une limite à partir de laquelle les avantages de l’activité cessent de l’emporter sur les dommages. Pour savoir précisément quelle est cette ligne de démarcation, une étude a présenté un prototype pour calculer la quantité de particules inhalées pendant le trajet. Avec cela, il sera possible d’évaluer si l’itinéraire est payant ou non et, ainsi, d’opter pour des chemins moins risqués.

C’est ce que propose Erick Frederico Kill Aguiar dans sa recherche doctorale développée au Département de pathologie de la Faculté de médecine de l’USP (FMUSP). Il a adapté des capteurs à faible coût pour suivre les cyclistes et calculer le pour et le contre en cours de route. L’appareil peut informer quels sont les meilleurs itinéraires, horaires et délais pour faire de l’exercice en fonction des besoins et du profil de chaque personne.

La piste du chercheur

Le chercheur a adapté des capteurs qui existent déjà sur le marché et qu’il a fallu programmer et changer de matériel pour qu’ils fonctionnent comme des microstations de surveillance de l’air. Erick a créé un prototype qui était attaché au guidon des vélos.

Le chercheur a laissé son invention exposée au même environnement qu’une station de surveillance de l’air à Compagnie environnementale de l’État de São Paulo (Cetesb) dans la zone Centre-Sud de São Paulo pendant 17 jours. Pendant ce temps, il a pu calibrer l’équipement pour qu’il atteigne un taux de précision de 80% par rapport à la station de l’agence environnementale.

Avec une imprimante 3D, il a été produit un boîtier pour protéger les capteurs des chocs. Ces imprimantes reproduisent des structures tridimensionnelles conçues sur ordinateur en injectant plusieurs couches de matière. La boîte produite avait des trous à travers lesquels elle recevait le passage de l’air et abritait le capteur. En plus de cet équipement, les cyclistes portaient une ceinture pectorale qui mesurait leur fréquence cardiaque.

Avant les tests, les volontaires ont subi des tests d’ergospirométrie pour analyser le système cardiorespiratoire dans un environnement contrôlé. A partir de ces données, il est possible de connaître la quantité d’air que les poumons sont capables de respirer et de créer une équation individuelle pour mesurer la charge de polluants inhalés en fonction du rythme cardiaque.

Dans ce premier test, 15 cyclistes ont été recrutés qui se rendaient du travail ou des loisirs à leur domicile dans la région métropolitaine de São Paulo, dont l’un travaillait avec des livraisons d’applications. En moyenne, chacun a pédalé environ 19 kilomètres (Km) par jour. Seuls les hommes ont été sélectionnés, car il existe une très grande variation hormonale dans le corps féminin, ce qui tend à altérer les tests lors des menstruations. De plus, les personnes atteintes de maladies cardiorespiratoires n’ont pas participé à l’échantillon, évitant ainsi que les résultats ne soient biaisés. Ces groupes et d’autres devraient être testés à l’avenir.

Les résultats des tests étaient positifs pour les 15 hommes du groupe de référence. Cela permettra d’utiliser l’apprentissage automatique pour surveiller les autres groupes en fonction de leurs particularités. Dans le modèle utilisé, trois facteurs ont été évalués : la durée de l’effort physique, la qualité de l’air selon les données Cetesb et la concentration de polluants dans le microenvironnement, qui est mesurée en rapportant la respiration du cycliste au capteur installé sur le vélo. Pour chaque participant, il y avait une équation spécifique dans le code créé.

Les risques liés à la pollution vont du développement de maladies respiratoires au cancer. Cependant, les résultats indiquent que la pratique du sport est bénéfique dans la plupart des cas, même avec de la fumée inhalée. Cette observation tend à être vraie même pour les personnes ayant des problèmes respiratoires : il suffit que l’équation soit adaptée individuellement pour renseigner les limites dans chaque environnement d’exposition. La mauvaise chose est d’être sédentaire. « Ce qui ne marche pas, c’est que l’individu reste dans cette pollution et ne fasse aucune activité physique, car il n’aurait qu’une charge de polluants et le corps ne compenserait pas », commente Erick au Revue USP.

Il a été démontré que dans certains environnements, comme les autoroutes, il existe une limite de temps pendant laquelle le pédalage est encore bénéfique. Après quelques heures, l’exercice peut ne pas être recommandé. Cette limite est calculée par un algorithme, qui peut également recommander un itinéraire exposant moins le cycliste à la pollution via une application.

Grâce à la technologie, les risques liés aux maladies cardiaques et respiratoires peuvent être surveillés afin de minimiser les chances d’une éventuelle insuffisance, afin d’encourager la pratique sportive. Même s’il était bon marché, l’appareil a montré un haut degré de précision.

Lors des tests, la salive et les larmes des cyclistes ont été recueillies. Ce matériel biologique servira à étudier d’éventuels processus inflammatoires résultant du contact avec la pollution. Le matériel sera traité cette année dans une nouvelle enquête. Cette analyse, associée aux données recueillies lors des déplacements des cyclistes, peut indiquer d’autres impacts sur le système cardiorespiratoire, pour chaque individu, résultant d’une longue exposition à la pollution.

Politiques publiques de santé et de mobilité

L’étape suivante consiste à miniaturiser l’équipement afin qu’il devienne un appareil portable (portable), tel qu’un montre intelligente, et l’intégrer dans un réseau autonome. Erick Aguiar compte également développer prochainement un réseau à bas coût pour élargir la gamme de surveillance estimée de l’air respiré par la population, en plaçant des capteurs à des points stratégiques dans les régions périphériques et les voies rapides. Le scientifique recherche des partenariats, car le dispositif pourrait être intégré aux réseaux de prêt de vélos existants.

Pour le chercheur, il serait intéressant de structurer une nouvelle ingénierie du trafic dans les villes. « Toute l’infrastructure pour le cyclisme devrait être éloignée des grands axes de circulation », plaide le Revue USP. Pour encourager l’usage du vélo, il faudrait aussi accroître la sécurité routière et faciliter l’intégration avec les autobus et le métro. Dans sa thèse, il suggère l’adoption de trajets pendulaires, c’est-à-dire de pistes cyclables qui échappent au flux intense.

Le plan le plus immédiat du chercheur, qui sera proposé également à la FMUSP, implique un projet de recherche pour étudier l’impact de l’inhalation de particules en suspension dans l’air (mélange de composés à l’état solide ou liquide) chez les enfants atteints de lupus, une maladie auto-immune non contagieuse. .

La pollution que nous respirons

L’Organisation mondiale de la santé (OMS) a mis en garde en avril 2022 que 99% de la population vit dans des endroits où la pollution de l’air dépasse les niveaux acceptables. Avec l’amélioration de la motorisation, des convertisseurs catalytiques et de la technologie des carburants, il y a une tendance à diminuer les matières polluantes provenant des voitures, mais l’utilisation de combustibles fossiles, les combustions et autres pratiques restent un problème qui n’a pas été résolu.

Actuellement, la qualité de l’air dans l’État de São Paulo est mesurée à travers les 63 stations Cetesb. Ils disposent de la technologie nécessaire pour mesurer et classer toutes les particules polluantes, comme l’exigent les normes internationales de l’OMS, et sont accompagnés d’une série historique. Les stations de mesure sont des tours stratégiquement installées qui collectent en permanence des données sur les conditions de l’air et sont reliées à un centre informatique de l’agence environnementale.

Cette surveillance a commencé dans les années 1970. Depuis lors, la pollution de l’air a diminué, même si le parc automobile a augmenté au cours de la période, en grande partie grâce au Programme de lutte contre la pollution de l’air des véhicules à moteur (Proconve). « Dans les années 1970, nous avions une concentration de 93 microgrammes par mètre cube [µg/m³] de particules dans la moyenne annuelle. En 2021, cette moyenne est tombée à 27 [µg/m³]», informe Maria Lucia Guardani, responsable de la division Qualité de l’air du Cetesb.

Pour Erick, des capteurs à bas coût pourraient constituer un réseau alternatif. « Il ne s’agit pas de jeter ce que nous avons déjà en termes de stations, mais d’utiliser leurs ressources d’étalonnage et d’étendre un réseau alternatif », justifie le chercheur quand Revue USP. L’idée est née d’une invitation faite par le professeur Paulo Hilário Nascimento Saldiva, de la FMUSP, lors de la maîtrise d’Erick en géosciences appliquées à l’Université de Brasilia (UnB).

À son arrivée à São Paulo et sous la direction de Saldiva, Erick, qui a travaillé sur la modélisation de la pollution de l’air, a commencé à analyser les effets pathologiques de ces données. L’équipement adapté dispose d’un capteur de monoxyde de carbone (CO) et de particules en suspension dans l’air. Il associe cette collection à des tests en laboratoire et aux battements de cœur des cyclistes. « Comme je suis cycliste, j’ai senti qu’il était de mon devoir de développer le matériel. L’idée était de calibrer cette station low-cost au niveau de la station Cetesb.

La thèse souligne que, dans un avenir très proche, les connexions 5G seront utilisées pour connecter plusieurs appareils comme celui-ci en temps réel. La microstation qui mesure les polluants peut être miniaturisée pour tenir dans un casque par exemple. Avec cela, davantage de cyclistes partageraient les données, ce qui entraînerait l’évaluation des informations locales dans un vaste réseau de surveillance de la qualité de l’air.

Plus d’informations : emails erickkill@usp.br et erickfkill@gmail.com, avec Erick Frederico Kill Aguiar