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Sujet de Thèse : Transfert fiable et sécurisé de signaux cardiaques sur internet
Dates : 2017/10/01 - 2020/09/30
Directeur(s) CRAN : Thierry BASTOGNE , Jean-Philippe GEORGES
Description : CONTEXTE

Ce sujet de thèse émane d'un double contexte: celui des analyses à hauts débits dans les études pharmaceutiques et l'utilisation croissante d'objets connectés pour la surveillance de l'état de santé des patients. Dans les deux cas, l'objectif est de pouvoir
transmettre des signaux cardiaques pour un traitement à distance.

Ces dernières années, l'évolution technologique des systèmes de mesure dans les laboratoires pharmaceutiques a permis d'augmenter considérablement la précision et la quantité des données produites lors des analyses précliniques. L'impédance-métrie cellulaire temps-réel, les puces à électrodes de mesure de potentiel de champs ainsi que la vidéo-microscopie de fluorescence à haute résolution sont autant de moyens de mesure qui génèrent à chaque expérience des fichiers de quelques Go à quelques centaines de Go. Cette inflation de la taille des données a deux conséquences directes: le problème de leur stockage et celui de leur partage. A cela s'ajoute une contrainte car certaines de ces données peuvent comporter des informations sensibles dont il faut préserver la confidentialité.

En parallèle du développement des nouvelles technologies de mesure dans les laboratoires, de plus en plus d'objets portables de grande consommation sont disponibles et permettent de surveiller au quotidien les activités cardio-respiratoires sur de longues périodes, beaucoup plus longues qu'un simple ECG (10s) ou qu'un essai Hölter (24h). La taille de ces traces longues pose également des problèmes de transfert auxquels s'ajoutent des contraintes de connectivité au réseau.

En résumé, dans les deux cas la taille des fichiers peut rapidement engendrer des délais de transfert trop longs et une insatisfaction de la qualité d'expérience vis à vis des utilisateurs.

SUJET

Cette thèse s'inscrit dans le contexte général présenté précédemment. Plus précisément, nous souhaitons développer de nouvelles applications en monitoring de l'activité cardiaque à domicile. Quelle que soit la nouvelle technologie utilisée et l'application finale visée, le recueil de signaux de mesure de l'activité cardiaque nécessite une période d'échantillonnage entre 200Hz et 1kHz ce qui conduit rapidement à la production de fichiers de mesure de grande taille dont le traitement final est centralisé. Un transfert fiable, sûr et de qualité (au sens QdS et QdE) nécessite au préalable d'estimer les effets de tous les paramètres techniques impliqués dans le transfert. Une fois identifiés, la seconde question à traiter consiste à concevoir l'architecture et le réglage des paramètres accessibles pour optimiser les trois réponses d'intérêt: qualité de services, fiabilité et sécurité.

Pour y répondre, nous souhaitons mettre en place une approche combinant modélisation et simulation des solutions réseaux sous l'environnement OMNeT et planification d'expériences numériques pour les analyses de robustesse et l'optimisation multicritére. Ce sujet s'inscrit dans la suite logique du sujet de master de recherche actuellement réalisé par Y. Kolasa.

Dans le domaine de l’IoT, plusieurs solutions architecturales et protocolaires sont actuellement définies voire en cours de normalisation par différents organismes (IEEE Internet of Things, Open Group, W3C, etc.). Ces solutions s’attachent à toute ou partie du modèle OSI. On peut citer les protocoles de type Machine-to-Machine M2M (MQTT, AMQP, CoAP, LoRa, 802.15.4, 6LoWPAN, TRILL etc.), ceux adressant le modèle de communication “Back-End Data-Sharing Model” via des API standardisées et ouvertes (O-MI/O-DF, Big- IoT/WoT, SensorThings API, etc.), ou encore ceux relatifs au Web sémantique. Généralement basées sur des solutions de types Web services, ces solutions, par nature adaptées à la publication instantanée de mesures
(de volumes limités) sur une architecture de stockage centrale, sont relativement différentes des protocoles de transport conçus pour le transport de fichiers de plusieurs Go. Le contrôle de congestion y est ainsi limité aux solutions de base de l’Internet (à savoir TCP/UDP) sans tenir compte des spécificités d’une boucle locale sans fil. Un transport non adapté peut ici se traduire par un échec de la transmission (du au non recouvrement de pertes de paquets) ou une augmentation du temps de transfert (de plusieurs dizaines de minutes) nécessitant le maintien de la connexion.

Il importe donc de benchmarker ici toutes les solutions (protocoles et paramètres) actuellement proposées qui pourraient s’adapter au cadre de signaux cardiaques. La performance sera établie selon des critères de QdE comme le temps de transfert de bout en bout ou la fiabilité. Et puisque les capteurs peuvent disposer de ressources de calcul et de stockage, cette étude doit permettre l’identification d’un compromis entre un transfert immédiat des données (nécessitant une connectivité continue) et un stockage temporaire local avant transmission d’un gros fichier. Si des travaux existent dans le cadre du transfert de gros fichier pour la santé sur Internet, la qualité du transport de données telles les signaux cardiaques sur une architecture IoT n’a pas encore été prise en compte (si ce n’est au niveau sémantique comme le vocabulaire HL7 pour la santé). Le but est de proposer, en fonction du contexte, l’architecture de transport de référence à implémenter et d’en spécifier la QdE pour les utilisateurs (patients, laboratoires, médecins).
Mots clés : transfert des données, signaux cardiaques, internet des objets, simulation, plan d'expériences
Conditions : Durée: 3 ans
Employeur : CYBERNANO
Lieu: Telecom Nancy / CRAN Sciences et Médecine
Rémunération: 2000€ brut mensuel
Profil: Ingénieur ou master 2 en informatique et réseaux avec une première expérience dans le secteur du transfert de données biologiques ou biomédicales
Département(s) :
Ingénierie des Systèmes Eco-Techniques
Santé - Biologie - Signal
Financement : CDD Ingénieur de Recherche