Soutenance mémoire
L’informatique médicale et ses différentes déclinaisons
Le domaine médical a fortement évolué ces dernières années en se mariant avec celui des technologies de l’information et de la communication (TIC), donnant naissance à ce qu’on appelle désormais l’informatique médicale. En premier lieu, l’informatique médicale a pour but de traiter et mémoriser les informations de santé relatives à un patient. Elle s’est concrétisée par exemple par la mise en place du dossier médical électronique et des efforts sont en cours pour standardiser ces informations afin qu’elles soient accessible par tous les acteurs concernés par la santé, dans des conditions respectant l’intégrité des données, leur confidentialité et l’éthique liée aux pratiques médicales. Au delà des systèmes d’information médicaux, l’informatique médicale a pris plus récemment des formes différentes liées au développement des moyens de communication. La télé-santé (encore appelée e-santé) concerne la pratique des soins à distance. Elle s’appuie sur des infrastructures de télécommunication ou sur internet pour permettre un échange ou une collecte d’informations médicales de patients vers des centres de soins distants. C’est ce qui permet par exemple l’intervention sur des patients isolés ou ne pouvant pas accéder aisément à des centres de soins. On parle plus précisément de télémédecine lorsqu’un médecin effectue une consultation à distance. La télé-assistance médicale désigne le cas où un médecin se fait aider d’un confrère distant pour un diagnostic. Plus récemment, la télé-chirurgie, ou possibilité de réaliser une intervention chirurgicale à distance, encore à l’état expérimental, a permis des réalisations spectaculaires, d’autant plus difficiles qu’elles supposent des infrastructures complexes.
Les limites de la e-santé, et les technologies nouvelles
Dans les exemples de télé-santé que nous venons de présenter, le contrôle de l’état de santé des patients demeure majoritairement une activité exercée ponctuellement dans des espaces bien identifiés (cabinet médical, clinique, hôpital, bloc opératoire, etc.). Les pathologies nécessitant une surveillance très fréquente, voire quasi-continue de l’état de santé de certains patients imposent que ceux-ci demeurent dans les lieux où cette surveillance peut être assurée. Cependant, l’objectif des applications actuelles de la télé-santé est d’utiliser l’existant des technologies, outils et infrastructures, afin d’élargir le périmètre du contrôle de l’état de santé des patients, qui sont fortement mobiles.
Les progrès conjugués de la micro-électronique et des télécommunications rendent possible d’embarquer aujourd’hui sur des patients des équipements numériques complexes, autonomes du point de vue énergétique et capables de communications sans fil. En outre, ces équipements numériques peuvent être connectés à des plates-formes de capteurs. Ces dernières servent à réaliser l’acquisition des données médicales proprement dites, à effectuer un calcul grâce à un micro-contrôleur embraqué, et enfin à stocker les données grâces à des mémoires. En outre, ces plates-formes sont souvent dotées de moyens de transmission sans fil à courte portée reposant sur des protocoles tels que ANT, ZigBee, Bluetooth, etc.
Les plates-formes de capteurs ne disposent en général que de faibles ressources. Ils ne sont donc pas en mesure d’effectuer des traitements complexes des données, ni de transmettre ces données sur de grandes distances. Pour répondre aux applications médicales exprimant un fort besoin en ressources, il n’est donc pas rare d’associer aux capteurs des équipements mobiles plus performants tels que des téléphones intelligents – smartphones – voire des tablettes tactiles lorsque le contexte de l’application le permet. Ces équipements, de plus en plus utilisés actuellement dans la vie quotidienne des individus, sont dotés de nombreuses ressources matérielles : processeurs ayant une puissance de calcul bien supérieure à celle des micro-contrôleurs, capacité mémoire conséquente, accès à des réseaux de télécommunication de longue portée tels que l’ADSL (Wi-Fi), le GPRS, l’UMTS, LTE, etc.
Une combinaison entre un smartphone et plusieurs capteurs est également possible grâce à une liaison sans fil locale, par exemple, en utilisant le protocole Bluetooth. Cette architecture forme alors un réseau d’envergure corporelle WBAN (Wireless Body Area Network). Les réseaux WBAN permettent de lier plusieurs capteurs de fonctionnalités similaires ou différentes. Dans un WBAN, les données sont généralement transférées vers un nœud central qui peut être constitué du smartphone. Ce dernier peut être relié au centre de suivi distant en exploitant les réseaux d’infrastructure accessibles. Avec l’intégration de ces équipements numériques dans des dispositifs de télé-santé, il devient donc envisageable de mesurer et enregistrer certains paramètres physiologiques d’un patient en mobilité, ou encore, de suivre de façon continue son état de santé à partir des paramètres enregistrés et transmis.
La télé-santé en mobilité
On appelle télé-santé en mobilité, ou M-santé (de l’anglais M-health) le fait de suivre en permanence des informations de santé d’un patient mobile. La M-santé ouvre des perspectives nouvelles : suivi de patients ayant des pathologies à risque (diabète, risques cardiaques par exemple), suivi de l’activité des personnes âgées, par exemple. On peut aussi envisager le contrôle du suivi d’un traitement médical en mobilité. Plus largement, ce type d’application peut aussi être utilisé pour le suivi de l’activité physique, soit pour des moyens d’entraînement sportif, soit encore pour améliorer la connaissance sur la biologie, la physiologie et la santé. Dans le domaine de la M-santé, la vision traditionnelle consiste à s’appuyer sur des équipements mobiles portés par les patients (smartphones ou tablettes tactiles typiquement), ces équipements étant éventuellement accompagnés par des capteurs destinés à enregistrer certains paramètres relatifs à l’état de santé du patient (cardio-fréquencemètre ou balance électronique, par exemple). La communication s’effectue via les réseaux de télécommunication (UMTS/3G), voire par Bluetooth ou Wi-Fi si le patient se trouve à son domicile ou à proximité de tels réseaux. Ce type de configuration peut alors être utilisé pour réaliser des scénarios de suivi de santé de nature très variée. Dans la télé-surveillance médicale (health monitoring) par exemple, les objets portés par les patients sont souvent en liaison directe avec le centre de suivi distant. Parmi les scénarios applicables à cette déclinaison, on peut citer la détection des chutes de personnes âgées, ou la détection d’accidents de travail. Cette détection est généralement suivie d’une levée d’alerte vers des centres de secours distants, par envoi de SMS par exemple. Plus récemment, les réseaux WBAN offrent une possibilité d’intégration de différents capteurs pour réaliser les mêmes types de scénarios médicaux. Certaines déclinaisons de la M-santé offrent aux patients une mobilité totale et sans liaison directe au centre de suivi. Parmi les scénarios applicables à ces déclinaisons on peut citer la rééducation musculaire d’individus mobiles. Ces applications exploitent souvent les accéléromètres des smartphones, ou encore des plates-formes de capteurs portables (Wearable Sensors).
Les limites essentielles : le suivi en continu
Le suivi en continu de l’état de santé de patients mobiles constitue encore un défi sérieux. Dès qu’un patient quitte son domicile, le seul mode de communication envisageable consiste à s’appuyer sur les réseaux cellulaires (UMTS/3G). Or ceux-ci n’offrent qu’une couverture imparfaite du territoire. En outre ils sont conçus pour privilégier le trafic descendant (du réseau vers l’abonné), alors que la supervision de l’état de santé de patients mobiles implique que des flux de données transitent plutôt de chaque patient vers le réseau afin d’être traités à distance. Enfin, les réseaux cellulaires n’étant pas spécifiquement dédiés à la supervision de l’état de santé des individus, leur disponibilité pour transporter des données relatives à cet état de santé ne peut être garantie. Une solution complémentaire consiste à s’appuyer sur d’autres technologies radio (Wi-Fi, Bluetooth, etc.). Ces dernières offrent des débits de transfert montants plus importants que les infrastructures cellulaires. Cependant la contrainte majeure de ces technologies dans un contexte de mobilité réside dans leur faible portée radio, de l’ordre d’une centaine de mètres. En s’appuyant sur les équipements mobiles communicants lors du suivi en continu de patients, d’autres contraintes en ressources matérielles s’ajoutent aux contraintes précédentes. En effet, les plates-formes de capteurs ne disposent en général que de faibles ressources matérielles en calcul et en transmission. Cela est également le cas des terminaux mobiles (PDA, smatphones, tablettes-tactiles) en ce qui concerne l’énergie. Lorsque les patients sont fortement mobiles, les contraintes d’environnement peuvent entraver la communication radio. On peut citer les obstacles, le bruit par exemple, qui empêchent une collecte synchronisée de signes vitaux vers des centres médicaux distants. Ces contraintes soulèvent par conséquent un risque majeur de perte de données médicales lors de la collecte. A cause des différentes contraintes en ressources matérielles, en transmission, et en énergie, les scenarii médicaux évoqués dans la télé-santé en mobilité doivent implémenter des applications médicales mobiles d’urgence secondaire. En guise d’exemple on peut citer des scenarii de type prévention contre des pathologies et épidémies, rééducation musculaire, stockage permanent de signes vitaux pour des patients mobiles, etc. En d’autres termes, il devient très difficile, voire impossible, de traiter des scenarii très critiques tels que le suivi en continu d’individus fortement mobiles en s’appuyant sur ce genre de technologies. Cette difficulté est une conséquence directe de la rupture de connectivité lors de la collecte de données vers des centres médicaux distants.
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Table des matières
Introduction
I Informatique médicale : vue d’ensemble et déclinaisons
I.1 Définitions
I.2 Efforts de standardisation en informatique médicale
I.3 Vers la collecte de données biométriques sur des sujets mobiles
I.4 Discussion
II Équipements et technologies pour la télé-santé en mobilité
II.1 Dispositifs de capture de données biométriques
II.1.1 Capteurs pour l’acquisition de paramètres physiologiques
II.1.2 Composants pour plates-formes de capteurs
II.1.3 Moyens de transmission pour plates-formes de capteurs
II.2 Dispositifs mobiles pour la télé-santé
II.2.1 Composants pour terminaux mobiles
II.2.2 Moyens de transmission pour terminaux mobiles
II.3 Synthèse des moyens disponibles pour la collecte de données biométriques en mobilité
II.4 Projets récents dans le domaine de la télé-santé en mobilité
II.4.1 Collecte de données en vue d’une analyse différée
II.4.2 Collecte de données en vue d’une analyse en temps réel
II.5 Collecte de données sur des individus mobiles : problématique et solutions envisageables
II.5.1 Tolérance aux ruptures de connectivité : l’approche DTN (Disruption-Tolerant Networking)
II.5.2 Apport de l’approche DTN pour la collecte de données biométriques en mobilité
II.6 Discussion
III Vers une surveillance de l’activité cardiaque de marathoniens
III.1 Motivations
III.2 Observation de l’activité cardiaque
III.2.1 Caractéristiques de l’électrocardiogramme (ECG)
III.2.2 Interprétation et traitement du signal ECG
III.3 Caractérisation des besoins pour la surveillance de marathoniens
III.3.1 Contraintes relatives à la production et transmission de données
III.3.2 Contraintes relatives au déploiement des stations de collecte
III.4 Architectures et possibilités de déploiement
III.4.1 Moyens de transmission envisageables
III.4.2 Déploiement des stations de collecte
III.4.3 Architectures et protocoles envisageables
IV Expérimentation avec une architecture exploitant des transmissions ZigBee
IV.1 Architecture générale
IV.2 Protocole de collecte de données
IV.2.1 Production et stockage de données
IV.2.2 Transmission de données
IV.3 Expérimentation et évaluation
IV.3.1 Conditions expérimentales
IV.3.2 Interprétation des résultats
IV.4 Discussion
V Expérimentation avec une architecture exploitant des transmissions Wi-Fi
V.1 Architecture générale
V.2 Protocole de collecte de données
V.2.1 Production et stockage de données
V.2.2 Transmission de données
V.3 Expérimentation et évaluation
V.3.1 Conditions expérimentales
V.3.2 Interprétation des résultats
V.4 Discussion
VI Bilan et perspectives
VI.1 Comparaison des deux solutions considérées
VI.1.1 Consommation en ressources et autonomie
VI.1.2 Coût de déploiement sur une épreuve de marathon
VI.2 Améliorations possibles
VI.2.1 Améliorations envisageables pour l’architecture basée sur ZigBee
VI.2.2 Améliorations envisageables pour l’architecture basée sur Wi-Fi
VI.2.3 Améliorations envisageables pour les deux architectures
VI.3 Vers une collecte de données biométriques dans la vie quotidienne
VI.3.1 Motivation
VI.3.2 Exemple : utilisation de hotspots Wi-Fi communautaires pour la collecte de données biométriques
VI.4 Discussion
Conclusion générale
Bibliographie
