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UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL SYSTÈME MÉDICAL INTÉGRÉ DE RADAR POUR LA SURVEILLANCE DE

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL SYSTÈME MÉDICAL INTÉGRÉ DE RADAR POUR LA SURVEILLANCE DE PRÉCISION DES BATTEMENTS CARDIAQUES ET DU STATUT RESPIRATOIRE LYDIA CHIOUKH INSTITUT DE GÉNIE BIOMÉDICAL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÉS SCIENCES APPLIQUÉES (GÉNIE BIOMÉDICAL) OCTOBRE 2009 © Lydia Chioukh, 2009. ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL Ce mémoire intitulé: SYSTÈME MÉDICAL INTÉGRÉ DE RADAR POUR LA SURVEILLANCE DE PRÉCISION DES BATTEMENTS CARDIAQUES ET DU STATUT RESPIRATOIRE présenté par: CHIOUKH Lydia en vue de l'obtention du diplôme de: Maîtrise ès sciences appliquées a été dûment accepté par le jury d'examen constitué de: M. SAVARD Pierre , Ph.D., président M. WU Ke , Ph.D., membre et directeur de recherche M. YAHIA L’Hocine , Ph.D., membre et codirecteur de recherche M. AKYEL Cevdet , D.Sc.A., membre iii À mes parents et mes êtres chers Puissent-ils trouver dans ce travail la concrétisation des espoirs qu’ils ont placés en moi et Fussent-ils assurés de ma plus grande gratitude REMERCIEMENTS A l’issue de ce travail, je tiens à exprimer mes sincères remerciements à mon directeur de recherche, le professeur Ke WU, et à mon codirecteur le professeur L’Hocine YAHIA pour m’avoir donné l’opportunité de travailler sur ce sujet motivant au sein de deux laboratoires dynamiques. Mes remerciements pour tous les efforts fournis à mon égard, tout au long de ce projet; pour le suivi, les conseils et les directives qu’ils m’ont donnés, pour les encouragements et la sollicitude avec lesquels ils m`ont orientée, et qui m’ont permis de mener à bien ce travail, qu’ils trouvent ici l`expression de ma profonde gratitude. Je remercie également les professeurs monsieur Pierre SAVARD et monsieur Cevdet AKYEL d’avoir accepté de faire partie du jury d`examen à ce mémoire. Je tiens aussi à remercier Dr. Halim BOUTAYEB et Dr. Lin Li, pour leur aide dont ils ont fait preuve tout au long de ce travail. Je remercie les techniciens professionnels de recherche du laboratoire Poly-grames ; Jules GAUTHIER, Steve DUBÉ, Traian ANTONESCU sans oublier Jean-Sébastien DÉCARIE pour son assistance en informatique. Je rends grâce aussi à mes chères dames Ginette DESPAROIS, Francine COURNOYER, Nathalie LÉVESQUE et Bernadette HAMMOND pour leur sympathie, leurs précieux conseils, leurs soutien et aide en toutes circonstances. J’adresse ensuite mes remerciements à mes collègues de travail du centre de recherche Poly-grames qui ont su m’offrir un environnement de travail adéquat toujours propice aux coopérations et ceci dans la bonne humeur, sans oublier mes collègues du laboratoire LIAB pour l’excellente atmosphère de travail, et à tous mes ami(e)s extérieurs à l’École Polytechnique de Montréal. Je remercie le Conseil de Recherche en Sciences Naturelles et en Génie du Canada (CRSNG) pour le soutien et le support financier de ce travail, ainsi que l’ambassade d`Algérie à OTTAWA et le Ministère de l’Éducation du Québec (MEQ) pour m’avoir accordée l`exemption des frais de scolarité. Pour terminer, je rends un chaleureux hommage à mes parents, mon papou Boukhmis, ma sœur Narimane, mes frères Messaoud et Slimane, mon petit neveu Karim, Warda, et Kamel, pour lesquels les mots ne peuvent rendre grâce car ils ont été pour moi une source d’amour, de soutien, de courage, de confiance et qu’ils trouvent ici la concrétisation de leurs espoirs. RÉSUMÉ La technologie radar, longtemps réservée au domaine militaire, est maintenant disponible dans le domaine civil pour l’avertissement de collision automobile, ainsi que dans le secteur biomédical pour la mise au point de systèmes de « monitoring » permettant de suivre de manière non invasive les fonctions vitales du patient telles que la respiration ou le rythme cardiaque. Placés au plafond d'une chambre d'hôpital, les systèmes RF biomédicaux peuvent suivre les rythmes cardiaques ou respiratoires de plusieurs patients en même temps. Il est également possible avec ces systèmes de donner l'alarme rapidement dans le cas d'apnée du sommeil ou du syndrome de mort subite chez les nouveaux nés. Une autre application est la surveillance des fonctions vitales du fœtus dans le ventre d’une mère lors de grossesses critiques. Dans un contexte quelque peu différent, ces systèmes RF biomédicaux sont actuellement étudiés pour une surveillance des zones de haute sécurité ou pour la recherche de survivants lors de séismes ou autre catastrophe. Pour cette dernière application, le système RF doit être capable d’assurer deux fonctions: la détection des signaux vitaux et la localisation d’une cible. L’objectif de ce projet de recherche est de concevoir des systèmes radars Doppler permettant de détecter les battements cardiaques et la respiration d’un patient sans contact direct avec la peau. Une analyse de ces systèmes tenant compte des ondes électromagnétiques des tissus humains est proposée. De plus, plusieurs prototypes sont fabriqués et testés. La conception et les résultats de simulations et de mesures sont présentés dans ce mémoire. Trois systèmes opérants à des fréquences différentes ont été réalisés : 5.8 GHz, 24 GHz et 35 GHz. Le choix de la fréquence est justifié par la tendance de miniaturisation du système et l’appartenance à la bande ISM (Industriel, Scientifique, et Médical). Outre les fréquences d’opérations, ces systèmes diffèrent également dans leur architecture et les technologies utilisées. Leurs performances obtenues expérimentalement sont comparées et discutées. De plus, des méthodes de traitement du signal sont appliquées pour séparer le signal du battement de cœur et celui de la respiration. ABSTRACT Radar technology, long limited to military applications, is now available to the civilian sectors such as automotive collision warning in traffic controls and safe navigations, and in the biomedical sector for the development of systems of non- invasive monitoring of patient's vital signs such as breathing and/or heartbeats. Positioned over the ceiling of a hospital care room, such RF systems can monitor the cardiological activities or respiratory status of several patients simultaneously. With these systems it is also possible to give a fast emergency alarm in the case of a sleep apnea syndrome or sudden death in neonates. Another application is the monitoring of vital functions of the foetus inside the womb of a mother during abnormal pregnancy. In a somewhat different context, these RF biomedical systems are currently designed for surveillance of high security areas or for searching and rescuing of survivors after earthquakes or other disasters. For this last application, the RF system must be able to do two functions: the vital signal detection and the local positioning. The objective of this research project is to design a Doppler radar system to detect the heartbeat and respiration status of a patient without direct skin (invasive) contact. An analysis of the proposed system taking into account the electromagnetic wave propagation in human tissue is proposed. In addition, several prototypes are fabricated and tested. The design, simulation results and measurements are presented in this thesis. Three systems operating at different frequencies were built up: 5.8 GHz, 24 GHz, and 35 GHz. The choice of frequency is justified by the trend of miniaturization and to fulfill the ISM band (Industrial, Scientific and Medical) specifications. Besides the frequency of operation, these systems also differ in their architectures and technologies. Their experimental performances are compared and discussed. In addition, different signal processing methods are used to separate the heartbeat signal from its respiration counterpart, and the experimental results are compared while some important conclusions are reached. TABLE DES MATIÈRES REMERCIEMENTS...................................................................................................iv RÉSUMÉ.....................................................................................................................vi ABSTRACT..............................................................................................................viii TABLE DES MATIÈRES...........................................................................................x LISTE DES TABLEAUX.........................................................................................xvi LISTE DES FIGURES.............................................................................................xvii LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONS...........................................................xxii INTRODUCTION........................................................................................................1 CHAPITRE 1 : GÉNÉRALITÉS ET DÉFINITION DU CONTEXTE DE RECHERCHE....................................................................................................................4 1.1. Introduction........................................................................................................4 1.2. Physiologie et mesure du signal vital avec radar...............................................5 1.2.1. Les signaux vitaux......................................................................................5 1.2.2. Système cardiaque......................................................................................6 1.2.2.1 Physiologie......................................................................................................7 1.2.2.2 Technique de mesure du battement cardiaque.................................................9 1.2.2.3 Clinique.........................................................................................................10 1.2.3. Système respiratoire..........................................................................................11 1.2.3.1 Physiologie....................................................................................................11 1.2.3.2 Méthode pour la mesure de la respiration......................................................12 1.2.3.3 Clinique.........................................................................................................12 1.3. Les appareils médicaux de prise de mesures....................................................13 1.3.1 Capteurs implantables.......................................................................................13 1.3.1.1 Les contraintes des capteurs implantables.....................................................15 1.3.1.1.1 Nature de l’énergie utilisée...........................................................................16 1.3.1.1.2 Partie du corps concernée..............................................................................18 1.3.1.1.3 Mobilité du capteur, attachement, fixation....................................................19 1.3.1.1.4 Spécificité pour la communication sans fil....................................................19 1.3.1.1.5 Stérilisation...................................................................................................20 1.3.1.1.6 Stabilité des capteurs.....................................................................................22 1.3.1.1.7 Biocompatibilité............................................................................................24 1.3.2 Techniques non invasives..................................................................................26 1.4. Motivations, avantages et applications des systèmes sans contact..................29 1.5. Conclusion........................................................................................................31 CHAPITRE 2 : PRINCIPES ET DISCUSSIONS SUR L’UTILISATION DU RADAR DOPPLER POUR LA DÉTECTION DES SIGNAUX VITAUX....................33 2.1 Introduction......................................................................................................33 2.2 Notions de base sur les radars..........................................................................34 2.2.1 Principe de fonctionnement du radar.......................................................34 2.2.2 Classement des radars..............................................................................36 2.2.2.1 Le radar à onde continue (CW radar)............................................................37 2.2.2.2 Le radar à onde continue modulée en fréquence (FM-CW radar).................38 2.3 Radar doppler pour la surveillance des signaux vitaux....................................41 2.3.1 État de l’art...............................................................................................42 2.3.2 Principe de fonctionnement......................................................................46 2.4 Conclusion........................................................................................................49 CHAPITRE 3 : ÉTUDE DE L’INTERACTION DES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES AVEC LES TISSUS HUMAINS.....................................51 3.1 Introduction......................................................................................................51 3.2 Propagation de l’onde électromagnétique........................................................53 3.3 Les propriétés électromagnétiques des tissus humains....................................57 3.3.1 Permittivité électrique (ε en F/m)......................................................................58 3.3.2 Perméabilité magnétique (μ en H/m)...............................................................61 3.3.3 Conductivité (σ en S/m).....................................................................................62 3.4 La dispersion et l’atténuation...........................................................................62 3.5 Mécanisme d’interaction des ondes radiofréquences avec les organismes biologiques.......................................................................................................................62 3.6 Effets des radiofréquences/ microondes sur les organes biologiques..............66 3.6.1 Contamination externe.............................................................................69 3.6.2 Contamination interne..............................................................................69 3.6.2.1 Effets thermiques, non thermiques, isothermes et micro thermiques........70 3.6.2.2 Système cardiaque....................................................................................71 3.6.2.3 Système visuel humain.............................................................................72 3.6.2.4 Système uploads/Science et Technologie/ 213616439.pdf