Study and implementation of a wireless and radio-free system for the measurement of physiological parameters in newborns
Etude et mise en œuvre d’un système communicant sans fil et sans radio pour la mesure de paramètres physiologiques des nouveau-nés
Résumé
The weak immune systems in the elderly, newborns and preterm infants increase their susceptibility to cardiovascular disease and heart failure. Indeed, symptoms of cardiac pathology can be quite unusual and sporadic in this population. This requires continuous monitoring of cardiac activity by electrocardiogram (ECG), which enables early detection of abnormalities. Conventionally, ECG systems are wired, limiting continuous monitoring and patient comfort. Thanks to technology, portable and wireless ECG systems have also been developed, based mainly on efficient radio frequency (RF) technologies, which enable these users to be monitored regularly. However, security and privacy requirements, interference generation, potential harmful effects on patient health, spectrum congestion and energy efficiency are challenges for the massive deployment of RF technologies in healthcare scenarios. Instead of relying on the limitations of RF systems, this thesis focuses on an alternative solution based on optical wireless technologies that enable safe and environmentally-friendly communications. This solution consists of a monitoring system using an infrared link between a transmitter embedded in an ECG sensor placed on the user's body and receivers placed on the ceiling of the environment. In order to study the three monitoring contexts, the corresponding optical channel was simulated using a ray-tracing technique combined with the numerical Monte-Carlo method. Considering the specificities of the monitoring scenario, the population (age and mobility) and the modeled environment (transparent material of premature baby incubators), the static gain characterizing the channel was obtained. This gain was used in a chain developed to simulate ECG transmission in each context. The reliability of the proposed remote monitoring system is thus conditioned by the quality of the transmitted ECG signal. This has been assessed at application level using the Signal Quality Index (SQI) method, which consists in extracting spectral and statistical characteristics from the ECG. In addition, given its usefulness in monitoring the development of premature infants, heart rate variability (HRV) has also been analyzed by computing the temporal parameters that characterize RR intervals in an ECG. The main objective is to assess the impact of time-varying optical transmission performance on the quality of the received ECG signal, in order to design a less intrusive, reliable and cost-effective system for remote ECG signal monitoring. SQIs consist in extracting spectral and statistical characteristics from the ECG. In addition, given its usefulness in monitoring the development of premature infants, heart rate variability (HRV) was also analyzed by computing the temporal parameters that characterize RR intervals. The main objective is to assess the impact of optical transmission performance on ECG quality metrics. For this purpose, a general analysis approach was implemented to jointly study the evolution of (SQIs) and VFC temporal parameters at the application level as a function of classical metrics at the physical level, namely (SNR) and (BER). The results of this research showed the potential of using wireless optics in such medical contexts to provide a reliable and energy-efficient solution. Indeed, in all three cases investigated, ECG signals of sufficient quality for reliable diagnoses were obtained at moderate levels of transmitted optical power, which is important for a portable medical remote monitoring system.
La fragilité du système immunitaire chez les personnes âgées, les nouveau-nés et les prématurés augmente leur susceptibilité aux maladies cardiovasculaires et à l’insuffisance cardiaque. En effet, les symptômes des pathologies cardiaques peuvent être très inhabituels et sporadiques chez cette population. Cela nécessite donc un suivi continu de l’activité cardiaque par l’électrocardiogramme (ECG) qui permet une détection précoce des anomalies. Classiquement, les systèmes ECG sont filaires limitant le suivi continu et le confort des patients. Grace à la technologie, des systèmes ECG portables et sans fil ont été également développés en se basant principalement sur des technologies radio fréquences (RF) efficaces, ce qui permet à ces utilisateurs d’être suivis régulièrement. Cependant, les exigences de sécurité et de confidentialité, la génération d'interférences, les effets néfastes potentiels sur la santé des patients, la congestion du spectre ainsi que l'efficacité énergétique sont des défis pour le déploiement massif des technologies RF dans les scénarios de la santé. Plutôt que se plier aux limitations des systèmes RF, cette thèse se penche sur une solution alternative basée sur les technologies de l’optique sans fil qui permettent des communications sécurisées et écoresponsables. Cette solution consiste en un système de surveillance utilisant une liaison infrarouge entre un émetteur intégrée dans un capteur ECG placé sur le corps de l’utilisateur et des récepteurs placés au plafond de l’environnement. Afin d’étudier les trois contextes de surveillance, le canal optique correspondant a été simulé à l’aide d’une technique de lancer des rayons, associée à la méthode numérique de Monte-Carlo. En tenant compte des spécificités liées au scénario de surveillance, à la population (âge et mobilité) et à l’environnement modélisé (matériau transparent des incubateurs des prématurés), le gain statique caractérisant le canal est ainsi obtenu. Ce gain a été utilisé dans une chaine développée pour simuler la transmission de l’ECG dans chaque contexte. La fiabilité du système de télésurveillance proposé est ainsi conditionnée par la qualité de l’ECG transmis qui a été évaluée au niveau applicatif à l’aide de la méthode des indices de qualité du signal (SQIs). Les SQIs consistent à extraire les caractéristiques spectrales et statistiques de l'ECG. De plus, vu son utilité dans le suivi du développement des prématurés, la variabilité de la fréquence cardiaque (VFC) a été également analysée par le calcul des paramètres temporels qui caractérisent les intervalles RR. L’objectif principal consiste à évaluer l'impact des performances de transmission optique sur les indices de qualité SQIs. À cette fin, une approche d’analyse générale a été mise en œuvre pour étudier conjointement l’évolution des (SQIs) et des paramètres temporels de la (VFC) au niveau applicatif en fonction des métriques classiques au niveau physique, à savoir (SNR) et (TEB). Les résultats de cette recherche ont montré le potentiel de l’utilisation de l’optique sans fil dans de tels contextes médicaux pour proposer une solution fiable et économe en énergie. En effet, dans les trois cas d’étude, des signaux ECG de qualité suffisante pour des diagnostics fiables ont été obtenus à des niveaux de puissance optique émise modérés, ce qui est important pour un système de télésurveillance médicale portable.
Domaines
Optique / photonique
Origine : Version validée par le jury (STAR)