Les capteurs biomédicaux

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1 Les capteurs La gestion des échanges entre les capteurs et les applications médicales Référence : Frédérique Laforest 1

2 Au programme : distante 3. Un exemple : /ZigBee 2

3 1.1 Contexte 1.2 Objectifs 3

4 1.1 Contexte Une demande : Augmentation de la qualité des soins, et réduction des risques de santé. Vieillissement de la population Sécurité civile & militaire Compétition sportive Des progrès technologiques : Progrès de l instrumentation Progrès dans les télécommunications Réduction des coûts de fabrication 4

5 1.2 Objectifs Proposer une solution de surveillance médicale à distance, avec : une connectique et un appareillage transparents pour l utilisateur un prix de revient acceptable 5

6 distante 2.1 Architecture générique 2.2 Les capteurs 2.3 Contraintes sur le transport des données 2.4 Le traitement des données 6

7 2.1 Architectures génériques 1. Récupération d informations à l aide d un ou plusieurs capteurs sur le corps 2. Transmission vers une unité de traitement 1 ou 2 types de transmission selon l architecture 3. Analyse des données 7

8 2.2 Les capteurs (1) 3 types de capteurs : invasifs, non invasifs, exocapteurs Mesures de paramètres vitaux à l aide de capteurs non invasifs : Source : André Dittmar 8

9 2.2 Les capteurs (2) Pile OSI limitée Contraintes temps réel : Diminution des données à envoyer Problématique OS embarqué/application seule Solutions hardware : sonde + processeur + module RF 9

10 2.3 Contraintes sur les transports de données (1) Le Personal Area Network différents média : filaire, sans fil, par la peau consommation d énergie, autonomie des noeuds débits faibles 10

11 2.3 Contraintes sur les transports de données Le réseau de transport Couverture du territoire (GPRS/UMTS) Utiliser la pile TCP/IP pour rejoindre la station de traitement des données 11

12 2.4 Le traitement des données Traitement de signal temps réel Fréquences d échantillonnage faibles de l ordre de la centaine de Hz Détection de seuils, de variations fortes Stockage en base de données Gros volumes de données Données sensibles (sécurité) 12

13 3. Un exemple : /ZigBee 3.1 Normalisation des WPAN 3.2 Les couches basses Les couches hautes - ZigBee 3.4 Scénario d utilisation 13

14 3.1 Normalisation des WPAN (1) Les objectifs WPAN-LR : Wireless Personal Area Network - Low Rate Nœuds : faible consommation, bas prix de production (2 à 3$), scalability Réseau RF : portée de 10 à 75m, débit faible de 10kb/s à 250kb/s Bande d émission libre, pas de restrictions géographiques Intégration de sécurité : cryptage, intégrité, authentification Pile protocolaire légère et flexible pour un grand nombre d applications 14

15 3.1 Normalisation des WPAN (2) les WPAN et les autres WLAN 15

16 3.1 Normalisation des WPAN (3) Le groupe IEEE Et l Alliance Zigbee Consortium d environ 150 sociétés (fabricants, intégrateurs) Définition des couches hautes, afin de faciliter le déploiement d applications Version 1 des spec. : juin

17 3.1 Normalisation des WPAN (4) l organisation protocolaire 17

18 3.2 Les couches basses IEEE , couche physique Des contraintes Complexité des circuits intégrés (coût de fabrication) Consommation électrique Bandes d émission à licence qui influencent des choix techniques : Type de modulation (Narrow Band vs. Spread Spectrum) Choix de fréquence porteuse 18

19 3.2 Les couches basses IEEE , couche physique 3 bandes sans licences retenues : 2.4 GHZ, 16 canaux de 250kbit/s, pour le monde entier 868 MHz, 1 canal de 20kbit/s, pour l Europe 915 MHz, 10 canaux de 40kbit/s, pour l Amérique Modulation et MHz Etalement de spectre par DSSS Packet Error Rate < 1% 19

20 3.2 Les couches basses IEEE , couche MAC Plusieurs topologies prévues (star, point to point) qui peuvent s assembler pour offrir une topologie maillée : RFD : Reduced Function Device (pile réduite) FFD : Full Function Device (pile complète) 20

21 3.2 Les couches basses IEEE , couche MAC 2 modes de fonctionnement : Accès au medium par CSMA/CA : Écoute, puis émission pour éviter une collision, trames de données acquittées. Accès déterministe, dans des slots temporels indiqués par le nœud coordinateur : Demandes d utilisation d un des slots Economies d énergie 21

22 3.3 Les couches hautes Zigbee, Network Layer Pas d utilisation de TCP/IP! Mais la redéfinition d une pile protocolaire adaptée aux besoins 2 adressages possibles : sur 64 bits, ou réduit sur 16 bits (65000 nœuds possibles) Topologie client/serveur : paquets unicast : requêtes/réponses ou broadcast : découverte de routes en topologie p2p 22

23 3.3 Les couches hautes Zigbee, Application Layer Zigbee Device Object Découverte et enregistrement de services Gestion sécurité (cryptage AES 128 bits) Application Framework encadre les applications développées pour ZigBee Application Sub Layer Définit l interface entre les applications et la couche réseau à travers des primitives 23

24 3.4 Scénario d utilisation Smart Home Network Des capteurs formant un BAN Des routeurs Zigbee répartis dans la maison Une liaison VPN vers l extérieur vers le centre de télésurveillance 24

25 Conclusion Demande accrue pour la télésurveillance biomédicale Un standard IEEE associé à la Zigbee Alliance qui répond aux attentes du milieu médical tant pour les caractéristiques techniques qu économiques. 25

26 Merci de votre attention des questions? 26

27 Bibliographie Capteurs : WPAN : ZigBee : André Dittmar, enseignant INSA, lab. CNRS LPM «IEEE : A Developing Standard for Low-Power Low-Cost Wireless Personal Area Networks», J. A. Gutierrez and others, IEEE Network, «A Low Power Medium Access Control Protocol for Wireless Medical Sensor Networks», I. E. Lamprinos and others, IEEE IEEE Specifications «The Impact of ZigBee in a BioMedical Environment», B. M. Thraning, Master Thesis, Agder University College. Zigbee Specifications, Zigbee Alliance. 27

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