Les récents progrès technologiques ont permis la miniaturisation des capteurs de mouvement permettant ainsi leur intégration dans des micro-systèmes médicaux de manière à ce qu'ils soient aisément portables par les personnes. Dans cette thèse nous proposons des algorithmes de traitement de données permettant d’interpréter les mesures de capteurs accélérométriques et de les associer aux différentes activités. Notre approche est fondée sur l’observation que la séquence d’activités à détecter possède une structure forte de dépendance temporelle. Nous proposons un système de reconnaissance de l’activité reposant sur une modélisation des activités comme une chaîne de Markov. En outre, notre système s’appuie sur des méthodes de classification paramétriques et non paramétriques. La sortie douce des classifieurs permet de construire des mesures de confiance en les activités. Ces mesures sont injectées dans l’algorithme de Viterbi qui fournit la séquence d’activités finale. Nos algorithmes sont validés à partir d’une base de données comportant 48 sujets ayant chacun réalisé environ 90 minutes d’activités physiques variées. Par ailleurs, cette thèse vise à fournir des réponses pratiques aux problèmes posés par l’élaboration d’un système de reconnaissance de l’activité physique. En premier lieu, nous nous posons la question du placement optimal des capteurs sur le corps, et du nombre de capteurs nécessaires pour une estimation fiable de l’activité. Nous abordons le problème de la sélection des caractéristiques pertinentes pour les classifieurs. Enfin, un problème crucial est lié à l’estimation autodidacte et en ligne de l’orientation des capteurs sur le corps du sujet : il s’agit du problème de la calibration des capteurs. Pour terminer, nous fournissons une implémentation “temps-réel” du système proposé, et construisons une base de données en vie libre pour valider notre démonstrateur temps-réel. / Advances in technology have led to the miniaturization of motion sensors, facilitating their use in small comfortable wearable devices. Such devices are of great interest in the biomedical field especially for applications aimed at estimating the daily physical activity of people. In this thesis, we propose signal processing algorithms allowing better interpretation of sensors measures and thus their mapping to different activities. Our approach is based on that activities have strong temporal dependencies. We propose a recognition system that models the activity sequence by a Markov chain. Our system relies on parametric and non-parametric classification methods. The soft output of classifiers permits the construction of confidence measures in the activities. These measures are later used as input to a Viterbi algorithm that gives the final estimation of the activity sequence. We validate our algorithms using a database containing 48 subjects, each of whom having carried out activities for more than 90 minutes. Moreover, this thesis aims at providing practical answers to challenges concerning the development of an activity recognition system. First of all, we wonder about the optimal sensor placement on the body, and about the number of sensors needed for a reliable estimation of activities. We also approach the problem of selecting relevant features for classifiers. Another crucial issue concerns the estimation of the sensor’s orientation on the body : this involves the problem of sensor calibration. Finally, we provide a “real-time” implementation of our system, and collect a database under realistic conditions to validate our implemented real-time demostrator.

Cette recherche a pour objet de matérialiser l’expérience corporelle « in situ », sans recours à la conscience, via l’étude de la direction de jeu dans l’activité badminton. L’originalité de l’approche est d’utiliser l’actimétrie (cet outil mesure les accélérations sur les trois plans de l’espace : vertical, antéro-postérieur et médio latéral) comme indicateur de corps mobilisé afin de mettre en perspective le sens en termes d’étapes conatives (mobiles d’action) avec un sens ergonomique ou « sens du mouvement ». Notre cadre conceptuel repose sur une hypothèse ergo-conative fondée sur une approche à la fois contextuelle (le contexte d’activité n’est pas un « déjà là », il est dynamique et résulte d’une co-détermination acteur-contexte) et incorporée de l’action (le sens de l’action est davantage lié aux mobiles qu’aux motifs). Nous montrons qu’en fonction des étapes conatives du joueur en Badminton, le sens qualitatif ou direction du mouvement change : il y a bien une bifurcation de la mobilisation mécanique (en termes d’intensité et de direction spatio-temporelle) correspondant aux transitions entre étapes conatives.L’ergonomie vient donc attester d’une pédagogie du sens. Ce changement du sens en action, l’expérience corporelle « perçue » n’en rend que partiellement compte. L’objectivation de celui-ci via l’actimétrie nous semble porteuse pour des applications pédagogiques concrètes qui respectent le sens de la mobilisation du sujet. / The purpose of this survey is to concretize the physical experiment ''in situ'', without resorting to conscience, via the study of the game direction in the Badminton activity. The novelty of the approach is to use actimetry. Actually, this tool measures speeding up on the three space planes: vertical, antero-posterior and medio-side as an indicator of a mobilized body in order to put into perspective the sense in terms of conative stages (mobiles of action) with an ergonomic sense or ''sense of the movement''. The concept of this research rests on an 'ergo-conative' hypothesis based upon an approach at the same time contextual (the context of activity does not preexist; it is dynamic and results of a co-determination actor-context) and incorporated of the action (the sense of 'action' is more related to the mobiles than to the motives). We show that, according to the conative stages of the Badminton player, the qualitative sense or direction of the movement changes: there is a bifurcation of the mechanical mobilization (in terms of intensity and spatial and temporal direction) corresponding to transitions between conatives steps. Ergonomics is therefore attest to a sense’s pedagogy.The 'received' physical experiment only partially reports this change of the sense in action. The objectification of this change via actimetry seems to us promising for educational applications that respect the sense of the mobilization of the subject.

Les travaux de recherche de cette thèse contribuent à l'intégration des nouvelles technologies dans la pratique gérontologique, en vue de répondre aux besoins des personnes âgées. Dans la première partie de ce travail et après une présentation générale du domaine, la thèse s'ouvre sur une enquête exploratoire, auprès de professionnels des soins, concernant les besoins des personnes âgées. Cette enquête est suivie par une présentation des réponses à ces besoins, apportées par la télémédecine et les nouvelles technologies. Dans la deuxième partie, nous procédons à une approche bidimensionnelle pour la mise de nouvelles technologies au service des personnes âgées. La première dimension de cette approche concerne la consultation de gérontechnologie clinique. La deuxième dimension aborde trois modèles cliniques d'utilisation des trois technologies suivantes expérimentées dans ce travail : la géolocalisation, la visioconférence et l'actimetrie. La troisième partie, une discussion reprend les nombreuses dimensions de la recherche telle que la sélection de groupe thématique de la Classification Internationale du Fonctionnement, du Handicap et de la Santé (CIF) pour la gérontechnologie, l'attitude des utilisateurs envers les technologies utilisées, les limites à cette utilisation, les services rendus par ces technologies, ainsi qu'une notion éthique. La discussion s'ouvre également sur des proposition concernant : 1) une classification des technologies pour la gérontologie, 2) un modèle clinique générique d'intégration de dispositifs technologiques à la gérontologie, et 3) un centre d'appel médicalisé mettant en ouvre ces nouvelles technologies.

Le processus de vieillissement expose naturellement à la fragilité et à ces problématiques psycho-sociales et sanitaires qui affectent le bien-être. Couplées à l’accroissement de cette population, la question de l’accompagnement dans le grand âge pose un réel problème de société. Alors que les ressources humaines sont rares et onéreuses, nombreux sont les acteurs cherchant des solutions du côté de la technologie pour soutenir le phénomène. Toutefois souvent stigmatisantes, coûteuses, requérant un effort d’apprentissage et dont l’utilité est souvent contestée, les outils spécialisés dans le vieillissement peinent à pénétrer l’espace de vie des personnes âgées. Dans ce contexte, une technologie abordable, qui s’ancrerait naturellement dans les habitudes de vie et dont l’esthétique n’évoquerait jamais le handicap, dispose de qualités particulièrement intéressantes. Se positionnant dans le champ de l’actimétrie appliquée à la gérontechnologie, ce travail doctoral a donc pour objectif d’étudier les potentialités offertes par les métadonnées téléphoniques pour la déduction de comportements sociaux et la détection d’évènements pouvant affecter le bien-être et la qualité de vie des personnes âgées. L’idée sous-jacente est que le comportement humain, qu’il soit biologique ou social, est quantifiable en rapport à une moyenne individuelle et qu’une déviation significative par rapport à celle-ci est le signe d’un évènement caractéristique. Nous utilisons donc des traces numériques en tant que reflet de l’activité téléphonique dans l’optique de reconstituer des schèmes d'utilisations porteurs de significations sociales en lien avec l’activité sociale et la santé. Les résultats montrent l’existence de corrélations statistiquement significatives entre des variables téléphoniques et l‘activité sociale, l’état de santé psychique et physique. Le travail valide donc les résultats de précédentes recherches qui confèrent au téléphone un rôle prépondérant dans la gestion de la vie sociale et l’apaisement d’affects négatifs liés à des symptomatologies psychiques. Il permet par ailleurs d’approfondir les connaissances actuelles sur les relations entre la santé physique et l’usage du téléphone. / The ageing process exposes the fragility and the psycho-social and health issues that affect well-being. Coupled with the increase of population, the issue of support in old age is a real problem for society. While human resources are scarce and expensive, many players seeking solutions turn to technology to support the phenomenon. However these solutions are often stigmatizing, costly, require a learning effort and whose usefulness is often questioned. Specialized tools in aging struggle to penetrate the living space of the elderly. In this context, an affordable technology, which would anchor naturally in everyday life and whose design never evokes disability, has particularly interesting qualities. Positioned in the actimetry applied to gerontechnology, this doctoral work therefore aims to explore the potential of telephone metadata for social behavior deduction and the detection of events that may affect the well-being and the quality of life of the elderly. The underlying idea is that human behavior, whether biological or social, is quantifiable in relation to an individual average and a significant deviation is the sign of a characteristic event. We use digital traces as a reflection of the telephone activity to reconstruct some social patterns related to social activity and health. The results show statistically significant correlations between variables of telephone and social activity, the state of mental and physical health. This work validates previous research that gives the phone a key role in the management of social life and appeased negative emotions related to psychological symptomatology. It also enables to deepen the current knowledge about the relationship between physical health and use of the phone.

Les maladies chroniques impliquant le système respiratoire nécessitent un suivi sur la durée. L’activité physique et les paramètres cardiovasculaires sont essentiels pour ces pathologies. Nous nous sommes intéressés en particulier à la BPCO et à l’apnée obstructive du sommeil. La BPCO est caractérisée par un cercle vicieux d’inactivité : une gêne respiratoire entraîne une diminution de l’activité, qui elle-même augmente la gêne respiratoire par désentraînement. Le monitoring de l’activité, en lien avec la SpO2 est donc essentiel pour cette pathologie. Les désaturations nocturnes sont un paramètre cardinal de l’apnée du sommeil. Un actimètre permet d’évaluer la qualité du sommeil, complétant ainsi le suivi de cette pathologie. De plus, l’activité diurne est un indicateur de l’asthénie provoquée par le syndrome. Le but de ce travail a donc été la mise au point d’un actimètre communicant, capable de mesurer l’activité diurne, d’évaluer le temps de sommeil et de s’interfacer avec un oxymètre de pouls pour synchroniser la collecte de données. À partir des données récoltées durant 26 jours d’enRégistrements, nous avons mis au point et évalué un algorithme permettant de mesurer le temps passé assis, debout et allongé. Cet algorithme a été conçu pour être embarqué dans un microcontrôleur, ayant des ressources de calcul limitées. Nous avons également proposé un algorithme de détection des pas, dont le fonctionnement a été validé sur plus de 5 heures de marche, sur 22 patients différents, contre un comptage manuel. Nous avons enfin proposé une méthode de détection des transitions assis-debout pour l’instrumentation du test de levers de chaise de 3 minutes. Lors de l’analyse nocturne, nous avons mis au point un algorithme de détection du temps de sommeil, testé sur 25 nuits. Nous avons également proposé une méthode d’analyse de l’onde de pouls permettant d’extraire le rapport LF/HF de la variabilité cardiaque, permettant de détecter le sommeil paradoxal. Nous avons montré le résultat de l’agrégation des différentes données acquises par le système formé de l’actimètre et de l’oxymètre lors d’une nuit d’examen, comme outils à disposition du praticien. L’actimètre mis au point dans le cadre de ces travaux et les méthodes d’analyse du signal associées sont adaptés au suivi non invasif de pathologies respiratoires. Ils peuvent également être intégrés à un système de télémédecine via une passerelle informatique pour un suivi de long terme. / Chronic diseases affecting the respiratory system require a long-term monitoring. Physical activity and cardiovascular parameters are essential in those pathologies. We focused on two of those diseases : COPD and obstructive sleep apnea. COPD is characterized by a downward cycle of inactivity : a respiratory impairment leads to a reduction of activity, whose in turn worsen the respiratory impairment by a conditioning loss. As a consequence, activity monitoring and SpO2 are essential for the monitoring of this pathology. Nocturnal oxygen desaturation are a main feature of sleep apnea. An actimeter allows for sleep quality evaluation, and is a logical choice for a complementary measure of this disease. Moreover, diurnal activity is an indicator of the degree of physical weakness that can occur as a consequence of sleep apnea. The main goal of the work has been the developement of a connected actimeter, able to monitor diurnal activity, estimate the duration of sleep and collect data from a pulse oximeter to synchronise the data. From 26 days of accelerometric measures, we designed and validated an algorithm that compute the time spend sitting, standing and lying. This algorithm has been designed to be embedded in a microcontroler with limited computing power. We also proposed a step detection algorithm validated on 5 hours of walking, on 22 different patients, against a visual count. Finally, we designed a method to detect the sitting-standing change of posture to monitor the 3-minutes chair stand test. On the nocturnal aspect, we designed an algorithm used to estimate the sleep duration during a night. It as been tested on 25 nights. We also proposed a pulse wave analysis method to extract the LF/HF ratio of cardiac variability, to detect REM sleep. We showed the result of the aggregation of the different parameters collected by the system composed of the actimeter and the oximeter during a monitored night, as a tool to the healthcare professional. The actimeter design in the context of this work and the associated signal processing methods are appropriate to the monitoring of respiratory pathologies with a light equipment. They also can be integrated into a telemedecine system through a gateway computer, allowing for a long-term monitoring.

L'objectif de cette thèse était de faire un bilan des méthodes et outils validés chez les patients DT2 et de développer une méthode d'estimation de la DE précise et adaptée à ces patients. Après avoir défini les activités quotidiennes les plus couramment réalisées dans une population de patients DT2 (Étude 1), nous nous sommes intéressés aux activités statiques et à la marche. Notre seconde étude a montré que le coût énergétique brut et net lors de la marche est respectivement 8,7 et 14,3 % plus élevé chez les patients DT2 en comparaison à un groupe témoin. Ce résultat mettait en avant la nécessité de valider une méthode d'estimation de la DE adaptée aux spécificités de la population diabétique. Les résultats de notre troisième étude ont démontré la validité de la DE estimée à partir d'un capteur intelligent et d'un algorithme existant pour différentes positions statiques et vitesses de marche chez des sujets DT2 et témoins. Enfin, dans une quatrième étude, trois équations d'estimation de la DE totale ont été développées à partir des données d'accélérations issues de trois capteurs intelligents (bas du dos, hanche et cheville) pour une population de sujets DT2 et témoins. Ces trois équations permettent d'estimer une DE totale lors d'activités statiques et de marches avec une différence moyenne respectivement de 0,009, -0,007 et -0,008 kcal/min pour le bas du dos, la hanche et la cheville en comparaison à celle de référence. Ainsi, ce travail de thèse a permis de valider trois équations d’estimation de la DE totale adaptés à une population de patients DT2, normo-pondérés ou en surpoids et âgés de 35 à 80 ans, basés sur les données d'un capteur intelligent. / The aim of this thesis is to review the methods and tools validated in T2D patients and to developed precise and adapted EE estimation method for these patients. After defining the most common daily activity in T2D patients (Study 1), we are interested, in particular, on static activities and walking. The results of our second study showed that the gross and net metabolic rate were 8.7 % and 14.3 % higher in T2D patients than in control subjects, respectively. These results highlight the need to validate an EE estimation method, adapted to diabetic’s specificities. The results of our third study demonstrated the validity of the activity-related EE estimated with a smart sensor and a validated algorithm during static activities and walking in T2D patients and healthy subjects. However, our results showed a lower accuracy of the estimated EE during walking in T2D patients in comparison with healthy subjects. Finally, in a fourth study, three equations estimating the total EE have been developed with acceleration data from three smart sensors (lower back, hip and ankle) and personal data (body mass index, sex, diabetes) from T2D and healthy subjects. These three equations allow to estimate the total EE during static activities and walking with a mean bias of 0.009, -0.007 et -0.008 kcal/min for the lower back, hip and ankle equation, respectively, in comparison with the reference value. Thus, this thesis enables to validate three suitable equations for the estimation of total EE in population including healthy and T2D patients, normal-weighted and overweighed and aged between 35 and 80 years, based on data from a smart sensor.

Les altérations du sommeil et du cycle veille/sommeil au cours du vieillissement constituent des facteurs de risque de l’apparition d’un déclin cognitif et de l’évolution vers une démence. Pour autant, le lien entre ces altérations et les modifications cérébrales liées à l’âge reste encore peu connu. L’objectif de cette thèse a été de déterminer si les modifications du sommeil et du cycle veille/sommeil constituaient un marqueur de fragilité cérébrale pouvant être associé à l'apparition de troubles cognitifs chez des personnes âgées de la population AMImage. Nous avons d’abord montré que le désaccord existant entre les questionnaires de sommeil et les mesures objectives en actimétrie est dépendant de l’état émotionnel, renforçant ainsi l’intérêt d’utiliser une méthode de mesure objective du sommeil (Baillet et al., 2016). Puis, grâce à l’imagerie cérébrale, nous avons observé qu’une faible amplitude du cycle veille/sommeil est associée à une altération de la microstructure de la substance blanche, suggérant ainsi une origine vasculaire (Baillet et al., 2017). Nous avons également observé qu'une faible qualité de sommeil est associée à une charge amyloïde plus importante au sein des régions frontales, suggérant un déficit de clairance du peptide β-amyloïde lors du sommeil. Ainsi, les perturbations du sommeil et du cycle veille sommeil chez les personnes âgées seraient associées à deux processus physiopathologiques distincts aboutissant à une fragilité cérébrale. Considérés comme des facteurs de risque modifiables, des interventions visant à améliorer leur qualité offriraient une stratégie prometteuse afin de réduire le déclin cognitif au cours du vieillissement. / Sleep and activity/rest cycle disturbances represent risk factors for the development of cognitive decline and dementia in aging. However, the association between these disturbances and cerebral modifications during aging remains to be explored. The aim of this thesis was to determine if sleep and activity/rest cycle disturbances could constitute a cerebral frailty factor for the development of cognitive decline and dementia in older adults (AMImage cohort). First, we have shown that the discrepancy measured between self-reported sleep questionnaires and actigraphy - used as an objective technique - is influenced by the subject’s mood (Baillet et al., 2016). These results strengthen the use of an objective technique to measure sleep. Thanks to brain imaging, we observed that a reduced 24-h amplitude of the activity/rest cycle is associated with disruption of white matter structural integrity. Our results suggest that cerebral frailty associated with age-related activity/rest cycle dysfunction has a vascular origin (Baillet et al., 2017). Then, we observed that a poor sleep quality is associated with high cerebral amyloid burden, mainly circumscribed to frontal regions. This may be due to a deficit of amyloid-β peptide clearance from the brain during sleep. To conclude, sleep and activity/rest cycle disturbances in older adults may be associated with two separate physiopathological processes leading to cerebral frailty. As sleep and activity/rest cycle are modifiable risk factors, interventions to improve their quality could offer a potential useful strategy for reducing the burden of cognitive impairment and dementia in old age.

Le vieillissement est un enjeu pour la société et notamment en termes de santé publique dans les pays industrialisés. La prise en charge ne peut se limiter à un personnel jugé insuffisant pour s'occuper des personnes âges qui vieillissent à domicile et les nouvelles technologies offrent des solutions complémentaires possibles. Une analyse sur les contraintes existantes pour développer les nouvelles technologies et les mécanismes impliqués dans ce processus sont proposés. Plusieurs expérimentas sont montrés dont un qui détecte le niveau d'autonomie des personnes seules à domicile par l'analyse des signaux électriques venant des appareils électroménagers donnant la probabilité d'avoir réalisé une activité de la vie quotidienne. Le système détecte des anomalies dans les habitudes et génère une alarme. Aussi on explique les résultats de l'utilisation de l'actimétrie par capteurs infrarouges dans un usage hospitalier. Ce système permet d'avoir un registre de l'activité au lit, dans la chambre et dans les toilettes en continu, et peut faire la différence entre l'activité du malade et celle d'autres personnes dans la chambre. Ce travail est ciblé sur l'activité nocturne, paramètre de référence pour évaluer les différences d'activités en présence des troubles cognitifs, dépression ou différents niveaux d'autonomie. Les résultats montrent l'importance de la présence des symptômes dépressifs sur l'activité nocturne chez les sujets contrôles et l'effet paradoxal chez les déments, qui voient cette symptomatologie diminuer leur taux d'activité nocturne. Connaître le taux d'activité nocturne peut aussi être utile pour suivre les effets des thérapeutiques, comme cela est présenté par l'analyse en détail d'un patient dément suivi pendant 79 nuits dans la chambre altimétrique. L'actimétrie a servi aussi à valider une échelle semi qualitative d'évaluation du comportement nocturne utilisant l'actimétrie comme gold standard. Finalement l'ensemble des travaux montre la réalité du concept d'actimétrie environnementale et ses applications actuelles et futures.

Le nombre de Seniors de plus de 65 ans atteindra à l'horizon 2050, près de 22% de la population mondiale. Vieillir est une chance, mais cela entraîne chez de nombreuses personnes âgées une perte d'autonomie. Cette dépendance nécessite une aide, parfois permanente, de la famille, de personnels de santé voire dans certains cas une admission en institution. Malheureusement, celle-ci n'est et ne sera pas suffisante pour permettre à nos Seniors de finir leur vie dans le respect de la dignité humaine. Une aide technologique peut-être apportée par l'utilisation de systèmes de détections automatiques de situations critiques. Bien sûr, ils n'auront pas vocation de remplacer les aidants, mais au contraire de soulager leur intervention. Cette thèse a pour but de développer un dispositif intégré répondant à cette demande. Après une recherche approfondie des situations critiques des personnes âgées à leur domicile, un état de l'art des systèmes existants est réalisé. Ceci donne lieu à la conception d'un système multi capteurs de diagnostic et de classification de situations complexes. Ce dernier s'appuie sur différents capteurs non invasifs placés dans l'habitat et sur la personne. Les données collectées permettent par l'intermédiaire d'un algorithme de fusion, de classifier l'activité de la personne. Dans le cas de situations critiques, le système informe automatiquement les secours. Le dispositif développé a fait l'objet d'une validation par l'intermédiare de tests fonctionnels et d'expérimentations en laboratoire. / In 2050, the elderly population over 65-years-old, will represent about 20% of the world's population. Getting older is an opportunity, but unfortunately it also makes people dependent. This dependence requires help, sometimes permanent, from relatives, health professionals and in the worst case may cause a placement of the elderly in a nursing home. Unfortunately, this kind of help is not, and will not be, sufficient to allow every elderly person to live the rest of their life in the respect of human dignity. A potential technological support can be found with automatic detection systems which help detect critical situations. Of course, this kind of system will not replace human help, but only support them. The goal of this thesis is to develop an integrated systemwhich can meet these expectations. After a review of the critical situations of the elderly living independently at home, a bibliography of the existing systems of detection is done. This analysis will help to design a multi sensor analysis and classification system of critical situations detection. The latter is based on different kinds of non invasive sensors located in the homes of the elderly. Experimental data allows to classifying the activity of the elderly thanks to a data fusion algorithm. In case of a critical situation, the alarmsystem will automatically alert the emergency platform. This system was also tested thanks to functional and laboratory experiments.

Après un tour du monde des Habitats Intelligents pour la Santé (HIS), nous décrivons la mise en place du système grenoblois développé au laboratoire TIMC : le Système d'Information Domotique-Santé Intégré à Domicile (SID²). Nous faisons l'hypothèse que les rythmes biologiques et sociaux sont liés au comportement, et donc à l'activité physique, que nous mesurons par le déplacement du sujet d'observation au sein de l'habitat. Nous créons le terme " Rythmes Circadiens d'Activité " (RCA) pour faire référence à la mesure comportementale de l'activité des patients dans l'habitat. Le système SID² est composé d'un HIS externe relié à Internet, et d'un HIS local, objet de ce document. L'HIS local effectue la surveillance multi-paramétrique et auto-apprend les habitudes de vie d'un patient à domicile à travers le calcul des RCA, de façon à détecter une évolution anormale de son comportement sur le long terme. Un simulateur a été développé pour valider le système.