Design of a disruption-tolerant communication system for biometric mobile sensors - Application to the medical monitoring of marathon runners' cardiac activity

The technology of mobile communicating objects (sensors, smartphones, PDAs, netbooks, etc) is booming. We can consider the use of these objects in several areas, particularly in health field, in order to collect medical information. Most of current medical solutions rely their data collection on two approaches. The first approach is based on the assumption of constant connectivity. In such strong requirements, physiological data collection towards remote monitoring center is performed in real-time, and for an instant medical analysis by physicians. In the second approach, data are collected in stand-alone wearable storage devices, and for a postponed medical analysis. Given the mobility of subjects wearing these objects and the shortrange radio transmissions, connectivity within, and between these objects and the collection stations is not continuously ensured. This involves the use of an opportunistic communication approach to overcome the shortage issues of connectivity. Indeed, the use of Disruption-Tolerant Network protocols (or opportunistic communication) has a significant contribution to applications where access to network infrastructures is costly, difficult or impossible. In this thesis, we discuss the possibility of not having a permanent transmission means to monitor mobile persons in e-health field, but on the contrary, an opportunistic approach is possible and interesting: it can provide good results at low cost. As an application for this communication scheme, we proposed several medical scenarios ranging from easy to challenging ones. We first dealt with the medical supervision of cardiac activity of marathon runners as the reference scenario. In this scenario we collect electrocardiogram data of runners relaying on wireless technologies between their wearable sensors and many deployed base stations. The first version propose a lighter solution in terms of costs and energy consumption. It relies on ZigBee communication protocol. The second version relies on Wi-Fi and cellular networks, which the deployment is nowadays very wide. A collect system was developed, deployed, and tested in sporting events coping with outdoor conditions and harsh environments. Experiments results confirm the advantage of this new opportunistic approach in biomedical monitoring of mobile subjects, by relying on offthe- shelf devices and technologies. From the first studied scenario, many variants could be declined as general-purpose and less constrained medical scenarios. Thus, we secondly dealt with daily medical supervision of mobile subjects by relying on public Wi-Fi hotspots and cellular networks. In conclusion, different explored medical scenarios present a good introduction to the new opportunistic communications for biomedical monitoring applications.
La technologie des objets mobiles communicants (capteurs, smartphones, PDA, netbooks, etc.) est en plein essor. On peut exploiter l'utilisation de ces objets mobiles communicants dans plusieurs domaines, en particulier dans le domaine médical, pour collecter des informations de santé. Actuellement, la plupart des applications médicales basent leur collecte d'information sur deux approches. La première approche s'appuie sur l'hypothèse d'une connectivité permanente. La collecte de données physiologiques au niveau du centre d'analyse s'effectue en continu et elle permet un traitement en temps réel des informations. Dans la deuxième approche, les données sont stockées sur un dispositif porté par le patient et le traitement des données est donc différé. Dans le cas où les patients sont mobiles, l'hypothèse de connectivité permanente est difficile à réaliser, compte tenu de la portée des dispositifs radio et de leur consommation en énergie. Pour faire face à d'éventuelles ruptures de connectivité, on peut utiliser un mécanisme de communications opportunistes avec des réseaux tolérants les ruptures (DTN). Nous défendons dans cette thèse l'idée qu'il n'est pas indispensable de disposer de moyens de transmission en continu pour assurer le suivi médical d'individus mobiles dans le domaine de la télé-santé, mais qu'au contraire, une approche opportuniste est possible et intéressante : elle peut offrir de bons résultats à faible coût. À l'appui de cette idée, nous avons choisi un scénario de référence, la supervision médicale de l'activité cardiaque de marathoniens, comportant des contraintes de réalisation difficiles. Il s'agissait de réaliser le suivi des électrocardiogrammes des coureurs à partir de capteurs ECG et en faisant appel à plusieurs stations de collecte par transmission sans fil déployées sur le chemin de la course. La première variante de ce système proposait une solution à moindres coûts basée sur le protocole de communication ZigBee. Une deuxième variante, faisait appel à la technologie Wi-Fi ou à des réseaux cellulaires très répandus de nos jours. Un système de collecte et de supervision a été développé, déployé et testé lors d'épreuves sportives. Les résultats de ces expérimentations confirment l'intérêt que peut apporter ce schéma de communication dans la supervision médicale d'individus mobiles, en s'appuyant sur les technologies disponibles. À partir du premier scénario réalisé, plusieurs variantes peuvent être déclinées pour réaliser des applications médicales moins contraignants et plus générales. Ainsi, nous avons pu montrer qu'en exploitant des infrastructures Wi-Fi communautaires il est possible d'effectuer une supervision quotidienne des paramètres cardiaques de patients mobiles. Les différents scénarios explorés ont permis de mieux cerner l'intérêt des communications opportunistes pour des applications liées au suivi médical.