Système de télésurveillance médicale utilisant la technologie de transmission optique sans fil.

Sujets de thèse 2014

Intitulé de la thèse
Système de télésurveillance médicale utilisant la technologie de transmission optique sans fil.
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : non connu à ce jour
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Informatique, électronique
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Université de Limoges – Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Limoges – ENSIL Parc Ester, 16 rue Atlantis, 87068 Limoges cedex
Laboratoire d’accueil : XLIM/C2S2

Présentation de l’équipe de recherche
L’équipe ESTE au sein de C2S2 s’occupe de l’optimisation des chaînes de transmission numérique au niveau principalement des couches PHY/MAC des nouveaux systèmes de transmission hauts-débits. Elle est impliquée principalement dans deux projets scientifiques de C2S2: -1 optimisation de la couche physique des systèmes de transmission numériques et -2 systèmes et réseaux de communication pour la e-santé.

Le sujet de thèse correspond aux enjeux et problématiques traités dans le projet 2 et dans la thématique «santé et autonomie» du Labex SIGMALIM.
Les thématiques et projets de recherche portent sur:
– Télésurveillance médicale par optique sans fils
– Réseaux de capteurs corporels (Body Area Networks)
– Dispositifs embarqués pour le suivi des personnes à activité physique réduite
– Capteurs communicants pour l’état d’hydratation d’une personne âgée
La thèse proposée s’inscrit dans l’axe Télésurveillance par Optique Sans Fils.

Résumé de la thèse en français
La thèse consiste à étudier et déployer un système de télésurveillance médicale sans fil utilisant les communications optiques pour assurer l’échange bidirectionnel entre un système porté par un patient mobile dans la pièce et un point central fixe au plafond. L’optique sans fils permet de s’affranchir de l’utilisation d’ondes radio fréquence et donc des problématiques d’interférence avec les systèmes existants. L’étude portera plus particulièrement sur les communications dans le visible qui permettent de coupler la fonction de communication avec la fonction d’éclairage.

Résumé de la thèse en anglais
This thesis targets the deployment of a health-monitoring system based on wireless optical communications to ensure a bidirectional transmission between a node placed on the patient body and a fixed receiver placed on the ceiling. Wireless optical technique permits developing a radio-free communication system and so avoiding electromagnetic interferences with existing equipment. The study will focus on Visible Light Communications (VLC) which have the advantage to illuminate while transmitting information with a single device.

Description complète du sujet de thèse
Le sujet de la thèse s’inscrit dans le domaine de la télésurveillance médicale et porte sur l’étude et la mise en œuvre de transmissions optiques sans fils bidirectionnelles (optique en espace libre ou Free Space Optics) pour le suivi actif des signes vitaux et des activités d’un patient.

L’optique sans fils est une technologie alternative aux radiofréquences (RF) qui présente de nombreux avantages tels que grande bande passante, confinement de l’information dans la pièce, pas de licence…. Pour les applications indoor, c’est un domaine de recherche très actif vu la congestion croissante du spectre RF, la montée en débit et le besoin de sécurité. De plus, un critère sensible dans les communications sans fil est la question de l’impact des radiofréquences. Par exemple, les transmissions radio peuvent interférer avec les appareils électroniques pour la surveillance médicale dans les hôpitaux. La technologie optique sans fils peut donc être une solution pour réduire les interférences électromagnétiques dans de tels contextes et permet ainsi d’envisager des environnements avec une exposition aux radiofréquences réduite.
Des premières études effectuées dans l’équipe ont établi les performances de cette technologie dans le domaine du proche infrarouge (IR) (950nm) pour une voie «montante» en configuration indoor et environnement contrôlé (hôpital): émetteur porté par un patient mobile dans une pièce, récepteur fixe au plafond et une application de monitoring de la fréquence cardiaque et de la température1 (Projet SAPHIRALE).

Cependant, ce système ne permet que de faire remonter les informations et les alertes associées auprès des personnels dédiés à la surveillance. Il ne permet pas de transmettre des informations en retour vers le patient ou les capteurs et systèmes électroniques associés, ce qui peut être d’autant plus problématique dans des scénarios de télésurveillance en environnement non contrôlé (à domicile, par exemple). Pour développer une voie de retour, une solution prometteuse est l’utilisation des communications optiques dans une gamme de longueurs d’ondes différente de l’infrarouge: le domaine du visible. C’est une technologie très intéressante pour la voie «descendante» car elle permet de coupler la fonction de communication avec l’éclairage en garantissant à la fois le confinement donc la sécurité des données, ainsi que l’immunité face aux interférences avec la voie montante et les autres systèmes radiofréquences présents dans l’environnement.
Les communications dans le visible (VLC) initialement étudiées au Japon2 sont maintenant intensivement explorées en Europe et font l’objet d’études de standardisation au niveau international4. De plus, XLIM/C2S2/ESTE participe activement à une action Européenne3 portant sur les communications optiques sans fils.

Dans la thèse, on se focalise dans un premier temps sur la transmission vers le patient en supposant que ses données vitales ont été préalablement reçues. Une fois l’analyse et l’interprétation des données réalisées, une information est transmise en retour vers le patient en utilisant l’optique visible. En fonction de l’application, la transmission peut être de bas débit (alerte et/ou diagnostic) ou de très haut-débit (une vidéo par exemple).
Une étude bibliographique devra être menée afin de déterminer les caractéristiques du canal de transmission optique, notamment les particularités liées au domaine du visible: longueur d’onde, réflectivité des matériaux, caractéristiques des composants, bruit ….
Après cette phase bibliographique, l’objectif est de réaliser un simulateur des performances de la transmission sur canal optique visible. On se placera dans un cas simple avec une seule source lumineuse puis dans un cas avec diversité où plusieurs sources contribuent à la transmission des informations.
De plus, on s’intéresse à des transmissions en mobilité pour garantir l’autonomie des patients. En se basant sur des modèles de trajectoires réalistes dans la pièce considérée, l’étude devra donc aussi prendre en compte les variations du canal dans le temps (type de mobilité, rapidité des variations, gamme de variation de l’amplitude) pour le caractériser complètement.
Des solutions de codage correcteur d’erreur classiques avec entrelacement, déjà initiées au sein de l’équipe, pourront être appliquées pour fiabiliser la transmission.
Dans une deuxième phase, l’ensemble de la chaîne de communication bidirectionnelle sera étudiée (voie montante en IR et voie descendante en visible). L’objectif sera de déterminer les performances en termes de qualité de service par rapport à un scénario de télésurveillance, en particulier en termes de latence dans un contexte où un seul patient est surveillé, puis dans le cas de plusieurs patients.
D’autre part, lors du projet SAPHIRALE, un système expérimental a été développé pour assurer la preuve de concept de la télésurveillance par optique sans fils en infrarouge. Ce prototype sera utilisé et amélioré pour intégrer une communication bidirectionnelle dans le but de réaliser des expérimentations en environnements réels afin de valider les concepts et résultats théoriques.

Les travaux menés dans l’équipe sur l’utilisation des communications optiques sans fils pour la télésurveillance médicale sont originaux et innovants. Ils ont permis d’établir des collaborations internes à XLIM avec le département SIC sur le développement du logiciel de lancer de rayons RapSor pour les communications optiques. Ils ont également conduit à collaborations Nationales (dépôt d’un pré-projet ANR 2013 intitulé LITEMOTIW sur la localisation et l’interconnexion d’objets mobiles indoor par optique sans fils) et Européennes (participation à un consortium pour H2020 sur Visible Light Communications in Medical ICT Scenarios).

La thèse proposée s’appuie sur les travaux développés dans les Thèses de Sina TORKESTANI et Nicolas BARBOT:

TORKESTANI Seyed Sina. Contribution à l’étude d’un réseau de communications optiques sans fils indoor: Application à la télésurveillance en milieu hospitalier Dernière modification le 28 janvier 2014

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