Mohamed Benslimane (*), Abdelali Ibriz (**), Mustafa Harti (***)

Conception d'un système télémédecine pour le suivi d un malade cardiaque à base de réseaux de capteurs et d'une solution de communication entre médecin et patient à base de JEE Mohamed Benslimane (*), Abdelali Ibriz (**), Mustafa Harti (***) (*) : Laboratoire de Transmission et Traitement d'informatione (LTTI), Ecole supérieure de Technologies de Fès, Université Sidi Mohamed Ben Abdellah, Fès. benslimane_mohamed@live.fr (** ) : Laboratoire de Transmission et Traitement d'informatione (LTTI), Ecole supérieure de Technologies de Fès, Université Sidi Mohamed Ben Abdellah, Fès. a.ibriz@gmail.com (***) : Laboratoire de Transmission et Traitement d'informatione (LTTI), Ecole supérieure de Technologies de Fès, Université Sidi Mohamed Ben Abdellah, Fès. mharti@rocketmail.com RÉSUMÉ La surveillance des fonctions vitales d'un organisme vivant pourrait à l'avenir être facilitée par des micro-capteurs avalés ou implantés sous la peau. Des gélules multicapteurs ou des micro-caméras pouvant être avalées existent déjà, pouvant sans recours à la chirurgie, transmettre des images de l'intérieur d'un corps humain (avec une autonomie de 24 heures). Une communication médecin-malade efficace est le fondement du soin. Elle augmente la satisfaction des patients et des médecins et influence l obtention de meilleurs résultats thérapeutiques. Ce papier identifie les besoins en architecture, en protocoles, en algorithme et en outils pour une application de suivi de l état des malades cardiaques à domicile. Les capteurs peuvent être reliés ensemble pour former un réseau sans fil se basant sur des protocoles pour communiquer tel que ZigBee et proposant des programmes et des réseaux embarqués. Finalement les bases de notre application JEE, qui présentera une interface de communication entre patient et médecin. ABSTRACT Monitoring of vital functions of a living organism could in the future be facilitated by microsensors swallowed or implanted under the skin. Multi-sensors or micro-cameras that 1 CIGIMS 2015, EST de Fès - 21, 22 et 23 mai 2015

2 CIGIMS 2015, EST de Fès - 21, 22 et 23 mai 2015 can be swallowed capsules already exist, which can without the use of surgery, transmitting images of the inside of a human body (with a range of 24 hours). An effective doctor-patient communication is the foundation of care. It increases patient satisfaction and physician and influences obtaining better therapeutic results. This paper identifies the architecture requirements, protocols, algorithm and application of tools for monitoring the status of cardiac patients at home. The sensors can be connected together to form a wireless network based on protocols to communicate as ZigBee and offering programs and embedded systems. Finally the foundations of our JEE application, which will present a communication interface between patient and doctor. MOTS-CLÉS: Réseau de capteurs sans fil, Télémédecine, Electrocardiographe (ECG),ZigBee, TinyOs, NesC, Réseau personnel sans fil. KEYWORDS: Wireless sensor network, Telemedicine, Electrocardiograph ( ECG), ZigBee, TinyOS, NESC, Wireless personal area network. 1. Introduction Les progrès réalisés ces dernières décennies dans les domaines de la microélectronique, de la micromécanique et des technologies de communication sans fil ont permis de produire avec un coût raisonnable des composants de quelques millimètres cubes de volume. De ce fait, les micro-capteurs sont de véritables systèmes embarqués. De nos jours, les informaticiens ont développé des réseaux de capteurs servant dans des domaines variés tels que le militaire, l'observation de l'environnement et la médecine. [1] En effet, l étude d une application des réseaux de capteur en médecine en général et particulièrement la cardiologie va nous conduire à définir des nouveaux besoins de synchronisation et de partage de données pour lesquelles nous devons trouver des nouvelles solutions sous forme d architecture, de protocoles et d algorithmes. Dans nos recherches nous allons nous baser sur des capteurs à fin de surveiller spécialement des malades cardiaques. 2. Apports de réseaux de capteurs en Médecine 2.1. Du point de vue des hôpitaux? 2.1.1. Pourquoi? Dans les hôpitaux, chaque patient voit ses constantes physiologiques surveillées en permanence, jour et nuit, par une infirmière.

Conception d'un système télémédecine pour le suivi d'un malade cardiaque à base des réseaux de capteurs et d'une solution de communication entre médecin et patient à base de JEE 3 Par conséquent, il est préférable d avoir des outils et des appareils sans fil pour la prise des données vitales sur une personne hospitalisée, permettant une diminution des erreurs et des oublis de notification dans le dossier médical. 2.1.2. Manque de personnel hospitalier La baisse du nombre de personnels hospitaliers et d'infirmières hospitalières nous conduit aussi à penser à des solutions pour pallier ce problème, d'où l'utilisation des nouvelles technologies qui peuvent être une alternative au soin et au suivi. Certes, ces capteurs ne remplacent pas l équipe soignante, mais ils permettent un allègement du travail. Ainsi, les infirmières peuvent être plus présentes pour les patients qui d habitude les voient juste pour les soins. 2.1.3. Surveillance La télésurveillance s effectue grâce à un capteur sans fil implantable qui, relié avec un moniteur, enregistre des données, puis les transmet à un serveur central aux fins d évaluation continue de l état de santé et de l'évolution de la maladie. Un certain nombre de pathologies spécifiques peut être détecté grâce à des capteurs sur les patients. 2.2. Du point de vue des patients 2.2.1. Pourquoi? Chaque citoyen devient de plus en plus acteur de sa santé. Par exemple, un patient peut consulter le nom et le dosage d un médicament spécifique à prendre en suivant les conseils et les messages des médecins figurant sur son compte depuis son ordinateur personnel. 2.2.2. Demande accrue de surveillance et soin à domicile Grâce aux capteurs, la société peut permettre aux malades cardiaques de mener une vie indépendante et à domicile tant qu'elles en sont capables. Il est avéré que la guérison la plus rapide a lieu au domicile même du patient ; c'est pourquoi les médecins souhaitent le développement de capteurs ou moniteurs à technologies sans fil pour suivre l'évolution d'une thérapie ou d'un

4 CIGIMS 2015, EST de Fès - 21, 22 et 23 mai 2015 traitement à distance. Celle-ci deviendra donc propre à chaque personne et adaptable selon les besoins. 3. Spécifications 3.1. Vue globale Figure.1: Vue globale de la solution Partant de la partie domicile, c'est à dire chez le patient. La mise en œuvre d un réseau de capteur qui se chargera de collecter l information physique et de l envoyer à la station de base. Pour que cette dernière à son tour l envoie à un serveur à fin qu elle soit exploitable et consultable, par le médecin responsable qui va prendre des décisions et par le patient qui pourra suivre son état en consultant son profil et en voyant aussi les conseils et les médicaments à prendre (bien sur qui seront publiés sur son profil par son médecin). Pour la partie serveur, à chaque réception d informations il fait la comparaison des valeurs envoyées par les capteurs avec des valeurs enregistrées comme étant critiques : 1. Si les valeurs envoyées par les capteurs sont dans les normes alors elles seront stockées sur le serveur à fin qu elles soient exploitables par le médecin et le patient. 2. Sinon, si les valeurs sont critiques et que ca demande une intervention. Un SMS contenant «les valeurs mesurées, l heure de la prise des valeurs et les

Conception d'un système télémédecine pour le suivi d'un malade cardiaque à base des réseaux de capteurs et d'une solution de communication entre médecin et patient à base de JEE 5 coordonnées du patient» sera envoyé par le serveur pour le médecin responsable et l ambulance. Tout cela pour intervenir dans les plus brefs délais. 3.2. Partie 1: réseau de capteurs 3.2.1 Architecture d un capteur Figure.2: Architecture interne d un capteur Un capteur se présente en général sous forme d une mémoire, une CPU, une sonde et une interface de communication (figure 2) [2]. 3.2.2 Architecture de notre réseau de capteurs Figure3: Zone de transmission d un capteur standard, équipé d une antenne omnidirectionnelle. Figure4: Probabilité de réussite d'une transmission en fonction de la distance séparant 2 capts.

6 CIGIMS 2015, EST de Fès - 21, 22 et 23 mai 2015 Les nœuds peuvent communiquer uniquement de proche en proche, par diffusion locale, limitée au rayon de transmission du capteur. Considérons un nœud S représenté au centre de la figure 3. Nous spécifions r et R, deux rayons de longueurs différentes, avec les propriétés suivantes : (1) 0 r R et (2) SS(r) SS. r représente le rayon de la sphère pour laquelle le taux de transmission est uniforme, et à l intérieur de laquelle, tout nœud situé à une distance inférieure à r reçoit de façon certaine les messages envoyés par S (e.g. le nœud A sur la figure 3). Le second rayon R représente la distance pour laquelle la transmission peut ne pas être uniforme. Aucun nœud séparé d un autre par une distance d au moins R ne peut recevoir les transmissions issues de ce dernier (e.g. le nœud B sur la même figure). Par conséquent, les nœuds séparés par une distance comprise entre r et R pourront, ou ne pourront pas, recevoir les messages émis de l un ou de l autre (les nœuds C et D par rapport à S en figure3). Plus formellement, nous proposons une modélisation du comportement réel des transmissions : la probabilité de réception d un message émis par un nœud à une distance d est donnée en équation suivante : Dans cette équation, Pmin représente la borne inférieure de probabilité de recevoir un message à une distance égale à R. Une représentation graphique de l évolution de la probabilité en fonction de la distance séparant l émetteur considéré d un récepteur potentiel est donnée en figure 3, avec les paramètres suivants : r = 3,R = 5 et Pmin = 0,3. Pour cela on va essayer d adapter une topologie qui diminuera la distance entre capteur émetteur-récepteur, qui limitera les domaines de collisions de paquets et qui diminuera la charge sur le capteur Sink. Ainsi notre topologie sera composée de deux sous topologies, la première en bus et la deuxième en étoile. L emplacement des capteurs sera comme l emplacement des électrodes de l ECG à fin d avoir des données exactes.

Conception d'un système télémédecine pour le suivi d'un malade cardiaque à base des réseaux de capteurs et d'une solution de communication entre médecin et patient à base de JEE 7 Figure 5 : L emplacement des électrodes de l ECG [3]. En ce qui concerne la topologie en bus, le capteur V6 va envoyer la valeur capturée au capteur V5 qui à son tour enverra la valeur reçue depuis le V6 et la valeur capturée par lui-même au capteur V4, ainsi de suite jusqu à arriver au capteur V1 qui aura les valeurs capturées par les 6 capteurs. Pour la topologie en étoile, le capteur V1, les capteurs de la main gauche et la main droite et les capteurs du pied gauche et du pied droit enverront les valeurs capturées au capteur central Sink qui va envoyer tous les résultats à la station du travail. Sink : c est un nœud particulier du réseau. Il est chargé de la collecte des données issues des différents nœuds du réseau. Il doit être toujours actif puisque l arrivée des informations est aléatoire. C est pourquoi son énergie doit être illimitée. Dans un réseau de capteur sans fils plus ou moins large et à charge un peu élevée, on peut trouver deux Sink ou plus pour alléger la charge [2]. Station de base ou Centre de traitement des données : c est le centre vers lequel les données collectées par le Sink sont envoyées. Ce centre a le rôle de regrouper les données issues des nœuds et les traiter de façon à en extraire de l information utile exploitable. Le centre de traitement peut être éloigné du Sink, alors les données doivent être transférées à travers un autre réseau «Wi-Fi»[2]. 4. Les outils En ce qui concerne la partie réseau de capteurs, on aura besoin de système d exploitation des capteurs, ca sera TinyOS : C est le système d exploitation open source pour les réseaux de capteurs sans-fil. Sa conception a été

8 CIGIMS 2015, EST de Fès - 21, 22 et 23 mai 2015 entièrement réalisée en NesC, langage orienté composant qui se rapproche syntaxiquement du langage le plus connu : le C. Pour la programmation sur les capteurs on aura besoin de NesC : Le langage NesC (network embedded system C) est un dialecte de C basé sur des composants. NesC est orienté pour satisfaire les exigences des systèmes embarqués. De plus, il supporte un modèle de programmation qui agrège l administration des communications, les concurrences provoquant les tâches et les évènements ainsi que la capacité de réagir par rapport à ces évènements[4]. Pour le routage d information entre les capteurs, on aura besoin du protocole ZigBee : Est un protocole de haut niveau permettant la communication de petites radios, à consommation réduite, basée sur le standard IEEE 802.15.4 pour les réseaux à dimension personnelle (Wireless Personal Area Networks : WPANs). Cette technologie a pour but la communication de courte distance telle que le propose déjà la technologie Bluetooth, tout en étant moins chère et plus simple [5]. Pour la partie serveur, on aura besoin du SGBD MySQL, du JEE(Framework Struts 2, Hibernate 3, JavaMail, DisplayTag et MVC2...etc) pour la programmation de nos pages web. 5. Plateforme JEE 5.1. Evocation du besoin Une communication médecin-malade efficace est le fondement du soin. Elle augmente la satisfaction des patients et des médecins et influence l obtention de meilleurs résultats thérapeutiques [6]. Au Maroc, la relation médecin malade est le plus souvent de type paternaliste, le médecin imposant au malade, parfois sans explication, la conduite diagnostique et thérapeutique qu il considère la meilleure. Les mots prescription et ordonnance traduisent parfaitement ce pouvoir du médecin tout puissant [6]. Cette relation, profondément inégale, hiérarchique se transforme, essentiellement dans le secteur privé, pour être remplacée par un modèle plus égalitaire. En effet, dans ce secteur où les soins sont payants, les malades exigent, de plus en plus, une meilleure prise en charge médicale avec davantage d informations, d explications et de communication.

Conception d'un système télémédecine pour le suivi d'un malade cardiaque à base des réseaux de capteurs et d'une solution de communication entre médecin et patient à base de JEE 9 D autre part, le développement de l information médicale, via internet, la multiplicité des émissions médicales télévisées captées par satellite, les émissions santé sur les différentes chaînes de radio et les magazines santé de presse écrite contribuent au déclin du modèle paternaliste. Les malades étant de plus en plus informés, les médecins sont contraints de mieux communiquer pour fidéliser leur clientèle [6]. Si, dans d autres pays, la loi reconnaît aux patients le droit d être clairement et totalement informés et celui d accepter ou de refuser les examens ou les traitements qui leur sont proposés, au Maroc les textes de loi n ont pas été modifiés et l article 31 du code de déontologie (B.O N 19 juin 1953, p. 828) stipule qu un pronostic grave peut légitimement être dissimulé au malade et qu un pronostic fatal ne doit lui être révélé qu'avec la plus grande circonspection, mais qu il doit l'être généralement à la famille. L approche médicale est encore le plus souvent centrée sur la maladie, aux dépends de la relation humaine [7]. Des raisons multifactorielles sont invoquées par les médecins de santé publique : salles d attentes bondées, surcharge de travail, manque de personnel infirmier,...etc chose qui nous a mené à penser à réaliser une plateforme web qui permettra de résoudre un ensemble de problèmes qui ont un rapport avec la relation Médecin/Patient. Bien sur avant de commencer à travailler avec des vrais capteurs pour nos recherches, on va utiliser un simulateur de réseau de capteurs pour étudier l efficacité de notre réseau en terme d'énergie et configuration. Pour cela on va utiliser TinyViz qui nous fournit en temps réel les informations nécessaires suivant notre topologie du réseau des capteurs reprogrammables. Alors, le fruit de notre réseau sera les mesures captées, qui seront à leurs tours envoyées à la station de base afin d'avoir le signal ECG de notre patient et qui sera stocké dans notre serveur web, et exactement dans le dossier approprié au patient. 5.2. Objectifs de la plateforme

10 CIGIMS 2015, EST de Fès - 21, 22 et 23 mai 2015 Médecin offre L application web Services médicaux Patient consomme Figure 5 : Rôle de notre application [8] La plateforme doit offrir un espace propre aux médecins pour gérer leurs patients, ces derniers eux aussi doivent avoir un espace de consultation et bien sur un autre espace de haut niveau permettant la gestion administrative de l application. L espace d authentification pour les médecins, et les patients doivent aussi être pris en charge par l application en donnant la possibilité d inscription aux nouveaux médecins[8]. Figure6: Diagramme de cas d'utilisation de la gestion globale de l'application

Conception d'un système télémédecine pour le suivi d'un malade cardiaque à base des réseaux de capteurs et d'une solution de communication entre médecin et patient à base de JEE 11 Le diagramme ci-dessus montre la totalité des tâches principales qu on doit accomplir : Le patient a le droit d'envoyer un message, afficher ses ordonnances et consulter son dossier médical.le médecin a aussi ses droits, donc il hérite toutes les fonctions du patient, de plus il a le droit de modifier le dossier médical et de délivrer des ordonnances. Il existe des tâches qui s exécutent en arrière plan, comme l'envoie d email(en cas d'inscription) qui est en relation «include» avec «ajouter un patient»; Et enfin les tâches de l'administrateur. 6. Conclusions et perspectives Figure7: l'interface de l'application Dans ce document nous avons travaillé sur l application des réseaux de capteurs en télémédecine (surveillance des malades cardiaques), en partant de la spécification des besoins jusqu'à la définition des différents outils et technologies à utiliser, en passant par un schéma et une vue globale de la problématique, un schéma et une vue détaillée d un capteur, et la topologie adaptée à notre réseau de capteurs en citant les différents acteurs. La future extension de ce travail consiste à définir la partie réseau de capteurs-, tout en détaillant la synchronisation et le partage de ressources dans notre réseau.

12 CIGIMS 2015, EST de Fès - 21, 22 et 23 mai 2015 Bibliographie : [1] C.Castelluccia and A.Francillon, Protéger les réseaux de capteurs sans fil, INRIA Grenoble-Rhône-Alpes, France, Oct. 2009.P.1-11. [2] Holger Karl and Andreas Willig, Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, John Wiley & Sons 2005. [3] Dr Michel NAHON, Positionnement des électrodes, UOL Université Paris V, Novembre 2005. <http://urgences-serveur.fr/ecg-facile-positionnementdes,1063.html> [4] H. Alatrista, S. Aliaga, K. Goua ıch and J. Mathieu, Implémentation de protocole sur une plateforme de réseaux de capteurs sans-fils, Université Montpellier II, Avril 2008.P.18-49. [5] L.Daumas and O.Uberti, Implémentation d un protocole de routage dans un réseau de capteurs sans-fils, Université d Avignon, Juin 2008.P.8-38. [6] Dr Meryem Nciri, "La communication dans la relation médecin-malade", Médecin-Coach certifiée HEC Paris, Décembre 2009.P.582 http://pharmacies.ma/mail1/communication-medecin-malade.pdf. [7] MOHAMED BENSLIMANE, ABDELALI IBRIZ, ANAS BOUAYAD, MOSTAFA HARTI, NOUR EL HOUDA CHAOUI, " PLATEFORME MULTISERVICE INNOVANTE MEDECIN/PATIENT A BASE DE RESEAU DE CAPTEURS", REVUE MEDITERRANEENNE DES TELECOMMUNICATIONS, Vol 3 No 2 JULY 2013. [8] BENSLIMANE MOHAMED, ANAS BOUAYAD, ABDELALI IBRIZ, HARTI MOSTAFA, " ARCHITECTURE OF A TELEMEDICINE SYSTEM FOR MONITORING SICK HEART REMOTELY ", JOURNAL OF THEORETICAL AND APPLIED INFORMATION TECHNOLOGY, Vol 54 No 1 AUGUST 2013. [9] Héni JMEL and Maxime CAUDRON and Aurélien BRISSET and Pierre Marc GUITARD, PROJET AVANCE SE :RESEAU DE CAPTEURS SANS FILS, ENSEIRB, Bordeaux, Oct 2010.P.3-20. [10] D. J. Malan, M. Welsh, and M. D. Smith, "A Public-Key Infrastructure for Key Distribution in TinyOS based on Elliptic Curve Cryptography", Proc. 1st IEEE Int'l.Conf. Sensor and Ad Hoc Communications and Networks, Santa Clara, CA, Oct. 2004. [11] Yannick GOTTWALLES, «ECG pour les nuls». [12] Tinos official website: <http://www.tinyos.net/>