Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / L'expansion rapide de l'Internet des Objets Médicaux (IoMT) englobe une variété de technologies connectées dans le domaine de la santé. Toutefois, les dispositifs de mesure actuels, notamment les bracelets connectés, présentent des limitations qui entravent l'adoption généralisée de l'IoMT et leur utilisation pour la mesure précise et fiable de l'état de santé. Ces limitations se manifestent dans la nécessité d'une transmission continue des données vers des services distants, souvent dépendante de l'utilisation d'un smartphone ou d'une connexion Internet. De plus, l'utilisation prédominante de montres commerciales dans l'IoMT soulève des défis majeurs, tels que la dépendance énergétique liée à une connectivité Internet intensive, la nécessité fréquente de recharges, et le risque de surcharge d'informations due à un affichage continu des données. Une autre contrainte significative dans le contexte de l'IoMT est la dépendance à des serveurs locaux (edge servers) pour la réalisation d'opérations cruciales. De nombreuses applications nécessitent ces serveurs périphériques pour effectuer des traitements locaux, améliorant ainsi la réactivité du système et réduisant la dépendance aux ressources cloud. Cependant, cette dépendance introduit de nouveaux défis en termes de gestion des données, de sécurité et de latence. Cette recherche s'inscrit dans un contexte complexe où l'IoMT, malgré ses avantages potentiels, doit surmonter des obstacles liés à la transmission de données, à la dépendance énergétique des dispositifs, et à la nécessité d'une infrastructure robuste, telle que les serveurs locaux, pour réaliser des opérations cruciales. Ces défis sont particulièrement prégnants dans le cadre de l'extraction des signes vitaux et l'étude de l'activité physique humaine. Pour répondre à ces défis, ce projet de recherche vise à concevoir un bracelet intelligent intégrant des circuits analogiques-numériques pour l'acquisition brute de signaux physiologiques. L'objectif est d'extraire plusieurs signes vitaux, d'optimiser l'utilisation des capteurs en fonction de l'activité et des signes vitaux, d'effectuer des opérations complexes à grande vitesse avec une faible latence et une consommation d'énergie limitée. Le bracelet sera configurable et adaptable, utilisant une transmission sans fil efficace tout en conservant la trace de l'évolution des signes vitaux. Il en résulte trois grands axes de recherches. Un premier axe de recherche a permis de démontrer un système novateur d'analyse en temps réel de douze mouvements de l'activité physique humaine grâce à l'intégration d'apprentissage machine dans le capteur. Ce système, en utilisant les données brutes des capteurs inertiel, a permis de réduire considérablement les coûts computationnels tout en améliorant la précision de la machine à vecteur de support à noyau gaussien par l'utilisation d'une Normalisation Sphérique Multi-Mapping (NSMM) visant à améliorer la dispersion des données. Les résultats montrent une rétroaction de prédiction rapide avec une latence inférieure à 20 ms et une consommation d'énergie modérée tout en offrant une précision de 98.28%. De manière similaire, le deuxième axe de recherche s'est concentré sur le développement d'un bracelet intelligent intégrant plusieurs algorithmes d'IA permettant d'extraire en temps réel des signes vitaux, même lors d'artefacts de mouvement. Ces algorithmes, spécifiquement optimisés pour minimiser l'utilisation de la RAM et des ressources matérielles, permettent une mesure précise du rythme cardiaque, de la fréquence respiratoire et de la saturation en oxygène. L'introduction d'un algorithme intelligent de fusion de domaines maintien des performances élevées pour l'extraction des signes vitaux tout en réduisant l'utilisation de la RAM, même en présence d'artefacts de mouvement. Par ailleurs, le troisième axe de recherche a innové en déployant un modèle d'apprentissage automatique, une machine à vecteur support à noyau linéaire, embarqué dans un dispositif portable pour détecter en temps réel les chutes. L'optimisation du modèle a considérablement réduit l'utilisation de la RAM de 97.9%, tout en maintenant une précision élevée de 96.4% dans la détection des chutes. Bien que cette optimisation entraîne une légère augmentation de la latence, celle-ci reste inférieure à 132 ms, garantissant une détection efficace des chutes. En conclusion, ces recherches contribuent au développement de dispositifs portables intelligents intégrant l'apprentissage automatique pour la surveillance médicale en temps réel. Les méthodes innovantes, les algorithmes optimisés et les déploiements embarqués ouvrent des perspectives pratiques, notamment dans la prévention des blessures, les soins aux personnes âgées et la surveillance continue de la santé. Ces résultats enrichissent l'évolution de l'IoMT, en fournissant des solutions adaptées et efficaces aux contraintes des dispositifs portables. / The rapid expansion of the Internet of Medical Things (IoMT) encompasses a variety of connected technologies in the healthcare sector. However, current measurement devices, notably wearable devices like smartwatches, have limitations that hinder the widespread adoption of IoMT and their use for precise and reliable health monitoring. These limitations include the need for continuous data transmission to remote services, often reliant on a smartphone or Internet connection. Additionally, the prevalent use of commercial watches in IoMT poses major challenges, such as energy dependence due to intensive Internet connectivity, frequent recharging needs, and the risk of information overload from continuous data display. Another significant constraint in the IoMT context is the reliance on edge servers for crucial operations. Many applications require these peripheral servers for local processing, improving system responsiveness and reducing dependence on cloud resources. However, this dependence introduces new challenges in terms of data management, security, and latency. This research addresses a complex context where IoMT, despite its potential benefits, must overcome obstacles related to data transmission, device energy dependence, and the need for a robust infrastructure, such as edge servers, to perform critical operations. These challenges are particularly prevalent in vital signs extraction and human physical activity studies. To address these challenges, this research project aims to design a smart bracelet integrating analog-todigital circuits for raw physiological signal acquisition. The goal is to extract multiple vital signs, optimize sensor use based on activity and vital signs, perform complex operations at high speed with low latency and limited energy consumption. The bracelet will be configurable and adaptable, using efficient wireless transmission while keeping track of vital signs evolution. As a result, three main research axes emerge. The first axis demonstrates an innovative realtime analysis system for twelve human physical activity movements through machine learning integration into the sensor. Using raw inertial sensor data, this system significantly reduces computational costs while improving the accuracy of the Gaussian kernel support vector machine through the use of Multi-Mapping Spherical Normalization (MMSN) to improve data dispersion. The results show rapid prediction feedback with latency below 20 ms and moderate energy consumption while offering 98.28% accuracy. Similarly, the second research axis focused on developing a smart bracelet integrating multiple AI algorithms for real-time ex traction of vital signs, even during motion artifacts. These algorithms, specifically optimized to minimize RAM and hardware resource usage, allow for precise measurement of heart rate, respiratory rate, and oxygen saturation. The introduction of an intelligent domain fusion algorithm maintains high performance for vital signs extraction while reducing RAM usage, even in the presence of motion artifacts. Furthermore, the third research axis innovated by deploying a machine learning model, a linear kernel support vector machine, embedded in a wearable device for real-time fall detection. Model optimization significantly reduced RAM usage by 97.9%, while maintaining high detection accuracy of 96.4% for falls. Although this optimization leads to a slight increase in latency, it remains below 132 ms, ensuring effective fall detection. In conclusion, this research contributes to the development of smart wearable devices integrating machine learning for real-time medical monitoring. The innovative methods, optimized algorithms, and embedded deployments offer practical prospects, particularly in injury prevention, elderly care, and continuous health monitoring. These results enrich the evolution of IoMT by providing tailored and effective solutions to the constraints of wearable devices.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/137343 |
| Date | 19 July 2024 |
| Creators | Mascret, Quentin |
| Contributors | Gosselin, Benoit, Bouyer, Laurent |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xx, 163 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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