Conception de dispositifs électroniques portés pour le suivi de l’état de santé des personnes âgées

Le vieillissement et ses conséquences

     Le vieillissement de la population dans la majorité des pays développés s’accroît depuis quelques décennies : la part des personnes âgées (60 ans et plus) augmente et celle des enfants (15 ans et moins) diminue [8]. Ce phénomène est plus ou moins avancé selon les pays mais continuera à s’accentuer dans les prochaines années. D’après la dernière révision du rapport des Nations Unies sur les projections de la population mondiale [8], le nombre des personnes âgées devrait plus que doubler d’ici à 2050, passant de 841 millions en 2013 à 2 milliards en 2050. Ce rapport souligne également le vieillissement global avec l’augmentation progressive de l’âge moyen1 de la population mondiale qui devrait passer de 29 à 36 ans entre 2013 et 2050. La population européenne aura une forte influence sur la progression de ce vieillissement, à mesure que la génération du « baby-boom » née après la Seconde Guerre Mondiale atteindra l’âge de la retraite (papy-boom). Le vieillissement en France sera également fortement impacté par l’effet « papy-boom », comme l’indique les prévisions sur l’augmentation de l’âge moyen qui devrait passer de 40 à 43 ans entre 2013 et 2050 [8]. En conséquence, la proportion de personnes en âge de travailler se réduit, tandis que le nombre relatif de personnes retraitées augmente. Le taux de dépendance démographique peut être utilisé pour étudier le niveau de prise en charge des personnes âgées par la population active. Ce taux est exprimé en termes de taille relative de la population âgée par rapport à la population en âge de travailler. D’après les projections démographiques de l’INSEE 2010 (Figure 1), ce taux augmente rapidement depuis 2006 (début du « papy-boom ») et cette augmentation se poursuivra jusqu’en 2035 (fin du « papy-boom »), passant ainsi de 39 % (environ une personne âgée pour 3 personnes actives) à 66 % (2 personnes âgées pour 3 personnes actives). Au-delà de 2035, le taux augmentera moins rapidement, et il se stabilisera à 70 % entre 2050 et 2060 [9]. Cette augmentation du ratio de dépendance démographique engendre une remise en cause du financement actuel des retraites.

Les attentes des personnes âgées

    Vieillir est un processus long, évolutif, complexe et irréversible qui s’accompagne d’une diminution des capacités fonctionnelles de l’organisme, sources d’incapacités qui engendrent une perte d’autonomie progressive, comme le précise la lettre numéro 3 sur « Le vieillissement de l’appareil locomoteur » de l’observatoire du mouvement [12]. Du fait de l’allongement de la durée de vie et de la dispersion familiale, de nombreuses personnes âgées vivent seules, ou en couple, de manière relativement isolée [13]. Ainsi, les personnes âgées en situation de perte d’autonomie et/ou d’isolement ont besoin d’accompagnement, d’assistance et de soins adaptés à leur situation et à leur environnement pour rester actives physiquement et socialement. Faute d’assistance humaine et/ou technique à domicile, de nombreuses personnes vieillissantes sont placées de manière prématurée en maison de retraite. En effet, la grande majorité des personnes âgées déclarent vouloir vieillir à domicile même lorsqu’elles sont affectées par des problèmes de santé [13]. De plus, les proches souhaitent en général garder le contact dans un lieu familier. Le maintien à domicile est également le souhait de la plupart des professionnels de santé, notamment pour diminuer la charge de travail des institutions [14]. Le maintien à domicile est donc une solution qui convient à la plupart des personnes concernées. Cela suppose alors d’adapter le lieu de vie, de développer l’aide à domicile, et passe par la connaissance des principaux besoins exprimés par les personnes âgées ou leurs proches [15, 16] :
• vivre à domicile et garder des liens sociaux avec les proches ;
• accès à des moyens de communications, d’informations et de cultures ;
• assistance pour effectuer les tâches du quotidien ;
• adaptabilité, accessibilité et confort du lieu de vie ;
• sécurisation des biens et des personnes (prévention des risques domestiques) ;
• facilitation de l’accès à un avis médical ;
• soutien psychologique et animation à domicile.
Par manque de moyens financiers et humains, de nombreuses structures d’aide à domicile sont aujourd’hui saturées dans certaines régions françaises [10]. Cela se traduit, par une réduction de la fréquence des visites et du temps passé avec la personne fragilisée. La gérontechnologie est une discipline nouvelle consacrée à l’usage des nouvelles technologies dans le champ du vieillissement [17]. Ces technologies peuvent apporter un soutien à la majorité des besoins exprimés par les personnes âgées, et ont la capacité de compléter et de rendre le travail des aidants plus efficace.

La démarche de conception des gérontechnologies

    De manière générale, les gérontechnologies doivent être pensées pour les personnes âgées. Ainsi, un certain nombre d’experts ont émis des recommandations dans la démarche de conception [18, 20, 42] :
• adapter la technologie aux besoins : c’est à dire réfléchir, dès le début du projet, à la pertinence des fonctionnalités proposées par rapport aux besoins, notamment par le recueil de l’avis des futurs usagers avec une enquête d’opinion ;
• rédiger le cahier des charges : ce travail doit se faire en lien étroit avec des spécialistes du domaine (gérontologues, gériatres) ;
• répondre aux problématiques éthiques et législatives : les questions de la mise à disposition et de la sécurité des données, notamment dans le cas de système de télésurveillance doivent être abordés dès le début du projet. D’autant plus que ces questions impliquent une architecture réseau plus ou moins complexe en fonction du type de sécurisation choisie. Dans le cas d’un système d’assistance à domicile qui utilise une caméra ou un microphone, la question de l’atteinte à la vie privée doit être posée. Enfin, la question du litige en cas de défaillance du système doit être abordée.
• Evaluation du prototype en « Living-lab » (laboratoire vivant) : le « living-lab » permet de tester les usages d’un prototype avec les utilisateurs visés en environnement contrôlé. C’est une première étape d’évaluation du prototype qui s’insère dans le cycle de conception du produit.
• Travailler l’ergonomie : au niveau des interfaces utilisateurs qui doivent être intuitives et simples mais également au niveau de l’objet technique qui doit s’associer, avec l’environnement domestique existant, ou avec d’autres dispositifs, voire avec les vêtements ou accessoires portés habituellement par la personne. Cela permet de donner une image positive et « naturelle » à l’objet technique qui sera plus facilement accepté. Dans le cas d’un système d’assistance porté au poignet, il est fort probable qu’il sera plus facilement accepté s’il est présenté comme une montre plutôt que sous la forme d’un bracelet électronique. En effet, un bracelet électronique aura tendance à rappeler à la personne qu’elle a besoin d’une assistance et augmente le sentiment de stigmatisation[43].
• Proposer un outil de diffusion commune : les personnes âgées ont une préférence pour des produits de diffusion commune, sans spécificité, qui évitent la stigmatisation, si possible des technologies qui sont déjà connues et recommandées par leur entourage [18].
• Envisager la filière de diffusion : cela dépend de l’application et du public visé. Ce peut être une filière commerciale ou artisanale, un service d’aide à domicile, une mutuelle.
• Réaliser une validation par les usages : cette étape consiste à évaluer, avant la mise sur le marché, le dispositif en situation réelle avec les utilisateurs ciblés. Dans le cas de mesure médical, le dispositif peut être amené à passer une certification « Dispositif Médical (DM) », qui suppose de suivre plusieurs étapes pour garantir que l’objet est conforme aux exigences juridiques des directives de l’Union Européenne en matière de santé, et de sécurité. Ces recommandations nous ont guidés dans la conception des outils présentés dans ce travail, l’étape de validation par les usages est prévue dans la suite de ces travaux. Les projets en lien avec les objectifs de cette thèse s’appuient sur la collaboration de quatre pôles de compétences majeurs :
• le domaine médical avec deux organismes qui définissent les besoins médicaux, le gérontopôle du CHU de Toulouse et l’EHPAD « le jardin d’Emilie » située à Caussade (82) ;
• la recherche avec le laboratoire LAAS-CNRS qui définit les spécifications techniques à partir des besoins médicaux et développe les prototypes ;
• l’industrie avec plusieurs entreprises de la région (Intesens, Medicapteurs, ATOS, ACTIA) qui participent aux spécifications techniques avec une vision d’industrialisation des prototypes ;
• le domaine éthique pour l’évaluation des usages avec l’Institut Européen de Télémédecine du CHU de Toulouse.
Concrètement, cette collaboration prend forme lors de réunions et d’échanges de courriels, qui permettent d’exprimer les besoins au niveau médical, puis de les confronter avec les possibilités techniques et d’aborder les questions éthiques, législatives et la filière de diffusion dès le début du projet. La rédaction des spécifications prend en compte tous ces échanges et permet de définir un programme de travail. Les étapes de « living-lab » et la validation par les usages sont insérées dans le programme de travail qui vise donc la mise sur le marché des prototypes développés dans cette thèse. Nous avons mis en évidence les recommandations à suivre dans la démarche de conception d’outils gérontechnologiques. Dans la suite de ce document, nous proposons un état de l’art des systèmes portés par l’homme. Cet état de l’art est axé sur les systèmes et capteurs portés pour mesurer l’activité humaine, et plus particulièrement pour la mesure de la vitesse de marche. Il permettra de dégager et retenir les solutions techniques intéressantes pour concevoir une solution technologique de base destinée aux personnes fragiles ou dépendantes.

Technique d’optimisation pour le traitement du signal embarqué

    Le traitement du signal permet d’extraire le signal utile à partir de données capteurs. Le contexte de l’application joue un rôle dominant dans le traitement du signal. Dans le cadre d’une application médicale, la pertinence et la fiabilité de la mesure doivent être respectées. Plusieurs méthodes au niveau du traitement du signal permettent d’abaisser la consommation énergétique globale du système sans dégrader la mesure [57] :
• Choix de la fréquence d’échantillonnage (signal issu du capteur) : le théorème de Shannon permet de fixer la fréquence d’échantillonnage par rapport au signal observé. La fréquence d’échantillonnage Fe doit être au moins deux fois supérieure à la fréquence du signal observé Fo.
• Privilégier le traitement embarqué : le traitement embarqué du signal consomme moins d’énergie à une fréquence donnée, que la transmission en sans-fil du signal à cette même fréquence. Ainsi, réaliser le traitement en embarqué afin de ne transmettre que la donnée utile permet d’abaisser la consommation globale du système. En fonction du volume de données utiles à sauvegarder, l’ajout d’une mémoire est parfois nécessaire.
• Utiliser des méthodes d’ajustement dynamique : lorsque l’application visée et les circuits utilisés le permettent, ajuster la fréquence d’horloge et/ou la tension d’alimentation des circuits de manière dynamique permet de faire des économies d’énergie. La mise en place d’algorithmes auto-adaptatifs et de modèles de prédictions permet d’utiliser ces méthodes avec un système qui s’adapte à la situation constatée ou prédite. Ces algorithmes permettent également d’utiliser la technique de mise en veille qui consiste à désactiver certains périphériques lorsque le système n’en a pas besoin.

Synthèse et choix technologique pour le système de mesure de l’activité

    Pour la première version du système porté, nous proposons un accéléromètre 3 axes MEMS. L’accéléromètre est le capteur de base pour mesurer l’activité humaine, il est utilisé dans de nombreuses applications. De plus, la consommation moyenne d’un accéléromètre est largement inférieure à la consommation d’un gyromètre, d’un facteur 10 en général, voire d’un facteur 100 pour les accéléromètres « ultra low power », comme le montre les annexes 1 et 2. La conception du système de suivi actimétrique sera réalisée de manière évolutive et modulaire afin de pouvoir ajouter d’autres capteurs à ce capteur de base, notamment un gyromètre ou un baromètre si le suivi actimétrique devait être plus poussé (analyse du mouvement). En résumé, le système porté sera un nœud capteur miniature basé sur une architecture électronique standard. Cette architecture sera évolutive pour s’adapter aux besoins spécifiques des personnes fragiles ou dépendantes. Suite à l’état de l’art sur les systèmes portés, décrits dans ce chapitre, nous proposons une solution technologique sans-fil, dont les composants électroniques principaux sont :
• un accéléromètre 3 axes en technologie MEMS pour mesurer l’activité ;
• un microcontrôleur pour le prétraitement des données ;
• une électronique de stockage des données prétraitées (mémoire flash) associée à une horloge temps réel permettant d’horodater les périodes d’enregistrement ;
• un modem radio basse consommation, basé sur le standard 802.15.4, pour communiquer ; vers un dispositif central de collecte et de traitement, les données prétraitées et horodatées,
• une pile bouton lithium offrant une grande capacité (mAh) pour un volume réduit. Nous rappelons que les options technologiques à privilégier sont celles de la miniaturisation, et de la réduction des coûts et de la consommation énergétique. Ces exigences cumulées invitent au choix d’une puce en technologie SiP ou SoC.

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE 1. ÉTAT DE L’ART ET CHOIX TECHNOLOGIQUES : SYSTÈMES EMBARQUÉS POUR LE SUIVI DE L’ÉTAT DE SANTÉ DES PERSONNES AGÉES
1. Introduction
2. Contexte, problématique et enjeux
2.1. Le vieillissement et ses conséquences
2.2. Les initiatives en cours pour un vieillissement en bonne santé
2.3. Les attentes des personnes âgées
2.4. Les gérontechnologies : un soutien aux personnes âgées
3. Définition des applications cliniques envisagées
3.1. Le syndrome de la fragilité : définition et intérêts
3.2. La dépendance : définition et intérêts
3.3. Synthèse des besoins et solutions proposées
3.4. La démarche de conception des gérontechnologies
4. Etat de l’art sur les systèmes portés pour la mesure de l’activité et du mouvement humain
4.1. Les systèmes portés par l’homme : généralités
4.2. Exigences de conception d’un dispositif porté
4.3. Les technologies basse consommation pour les systèmes embarqués
4.4. Impact et choix de la technologie sans fil
4.5. Méthodes de réduction de la consommation des systèmes embarqués
4.6. La récupération d’énergie : vers l’autonomie des systèmes portés
4.7. Les capteurs MEMS pour caractériser le mouvement et l’activité
4.8. Le concept de chaussure ou semelle « intelligente »
4.9. Synthèse et choix technologique pour le système de mesure de l’activité
5. Conclusion
CHAPITRE 2 : CONCEPTION D’UN DISPOSITIF PORTÉ DE MESURES ACTIMÉTRIQUES ET MISE EN PLACE D’UN SUIVI DE PERSONNES DEPENDANTES
1. Introduction
2. Systèmes actimétriques et choix technologiques
3. Conception du système de suivi actimétrique
3.1. Choix technologique d’une puce SiP et du protocole de communication
3.2. Choix d’un accéléromètre 3 axes basse consommation
3.3. Conception du système de suivi actimétrique
4. La surveillance des personnes dépendantes
4.1. Principaux résultats et acquis du LAAS : le projet PROSAFE
4.2. Présentation du cahier des charges HOMECARE
5. Mise en œuvre de la détection de chutes dans HOMECARE
5.1. Méthode pour la détection de chutes
5.2. Traitement des données d’accélération
5.3. Les paramètres de mesure de la chute
5.4. Mise en œuvre des seuils de détection de chute en laboratoire
5.5. Algorithme de chute
5.6. Evaluation des performances de l’algorithme de chute en laboratoire
6. Méthodes de localisation en intérieur et choix pour Homecare
6.1. Les contraintes de déploiement en milieu hospitalier
6.2. Navigation inertielle
6.3. Triangulation
6.4. Multilatération
6.5. Atténuation du signal
7. Mise en œuvre d’une fonction de localisation pour le suivi en institution 
7.1. Expérimentation
7.2. Programme embarqué dans le système TAG
7.3. Algorithme de localisation « Cell ID »
8. Exploration d’une fonction de localisation pour le suivi à domicile
8.1. Historique et participation du LAAS-CNRS au projet FIL
8.2. Conception des Télémètres pour la localisation en intérieur
8.3. Estimation de la distance par TDoA
8.4. Performances et principaux résultats
8.5. Localisation par Trilatération
8.6. Architecture système et principe de fonctionnement
8.7. Calcul des paramètres de mobilité
8.8. Caractérisation de la localisation
9. Conclusion
CHAPITRE 3 : MISE EN ŒUVRE D’UN OUTIL DE SUIVI AMBULATOIRE DESTINÉ AUX PERSONNES FRAGILES
1. Introduction
2. Spécifications FOOT-TEST/RESPECT
2.1. Définition des besoins médicaux et proposition technique
2.2. Définition des spécifications techniques
2.3. Verrous technologiques
3. Concepts de base et terminologies de la marche
3.1. Les cycles de marche
3.2. Les paramètres spatiaux et temporels de la marche
4. Prototypage de la semelle V1 centrée sur l’analyse de la marche
4.1. Méthodes et techniques pour la mesure de la longueur de la foulée
4.2. Prototypes de semelles V1 centrés sur l’analyse dynamique de la marche
4.3. Mise en œuvre d’une méthode de mesure de la vitesse de marche moyenne
5. Prototypage et caractérisation de la semelle V2 avec système de pesée 
5.1. La mise en charge des membres inférieurs
5.2. Critères de choix pour le système de pesée
5.3. Les semelles d’analyse de la mise en charge
5.4. Comparaison des systèmes de pesée sur banc de test
5.5. Mise en œuvre de la semelle V2 équipée du système de pesée
5.6. Caractérisation du système de pesée sur tapis de marche
5.7. Caractérisation de la semelle V2 en ambulatoire
5.8. Implémentation du programme embarqué et mesure de consommation
5.9. Conclusion
6. Exploration et conception d’un récupérateur d’énergie
6.1. Analyse des besoins énergétiques de la semelle instrumentée
6.2. Etat de l’art et choix technologique
6.3. Prototypage d’un récupérateur d’énergie
6.4. Mise en œuvre de la semelle V3
7. Conclusion
CHAPITRE 4 : ÉVALUATION DES SOLUTIONS TECHNIQUES DEVELOPPÉES POUR LE SUIVI DES PERSONNES FRAGILES ET LA SURVEILLANCE DES PERSONNES DEPENDANTES
1. Introduction
2. Pré-évaluation du système FOOT-TEST
2.1. Présentation du système de collecte local
2.2. Méthode et matériel
2.3. Positionnement du projet RESPECT
3. Évaluation du système HOMECARE en « living-lab »
3.1. L’expérimentation HOMECARE en unité de soins Alzheimer
3.2. Architectures HOMECARE
3.3. Présentation des interfaces utilisateurs
3.4. Déploiement du système sur site
3.5. Mise en œuvre du suivi actimétrique
3.6. Modélisation des habitudes de vie pour détecter l’agitation nocturne et la déviation du comportement
3.7. Performances des fonctionnalités de la plateforme HOMECARE
3.8. Evaluation de la plateforme HOMECARE par l’équipe médicale
3.9. Modèle économique de HOMECARE
4. Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE

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