Etude de l'activité cardio-pulmonaire par télédétection : mesure, traitement et modélisation

par Dany El-Obeid

Thèse de doctorat en Électronique et télécommunications

Sous la direction de Ghaïs El Zein et de Sawsan Sadek-Hage Chehade.

Soutenue en 2010

à Rennes, INSA , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes) , en partenariat avec Laboratoire IETR (laboratoire) .

mots clés

• Simulateurs -- Télédétection -- Télédétection -- Appareils et matériel -- Télécommunications -- Communications

Résumé

La détection sans contact du mouvement cardio-pulmonaire est indispensable dans de nombreuses applications où l’utilisation des électrodes de cardiographie est perturbante ou non applicable. Ces situations comprennent les victimes de brûlures, les nouveaux nés, ou la détection de signes de vie pour les personnes sous les décombres. L’utilisation du radar Doppler est un outil important pour de telles applications. Dans cette thèse, un système micro-ondes pour la détection du rythme cardiaque est proposé. Pour une distance de 1 m, le signal de battement cardiaque est détecté en utilisant plusieurs fréquences de fonctionnement : 2,4, 5,8, 10, 16 et 60 GHz. En outre, pour une fréquence constante de 2,4 GHz, le signal de battement cardiaque est détecté pour différentes puissances d’émission, comprises entre -2 et -27 dBm. Pour toutes les mesures effectuées, le rythme cardiaque et sa variabilité (HRV) sont extraits. Sur la base de mesures réalisées, des modèles représentant les activités cardio-pulmonaires sont proposés. Plusieurs techniques de traitement sont testées pour la séparation du signal cardiaque et du signal respiratoire pour un rapport signal sur bruit (SNR) entre 0 et -20 dB. Les résultats obtenus ont montré la possibilité de détecter le signal de battement de coeur à une distance de 1 m avec une puissance transmise très faible. En particulier, l'application de la transformée en ondelettes du signal modélisé montre la possibilité d'extraire à la fois le rythme cardiaque et sa variabilité, même à faible rapport signal sur bruit

Titre traduit

Touchless cardiopulmonary monitoring : measurements, processing, and modeling

Résumé

Touchless cardiopulmonary detection is essential in many applications where affixed electrodes of traditional electrocardiogram are perturbing or not applicable. Such situations include burn victims, newly born infant, and life signs detection for people under rubble. Microwave Doppler radar provides a prominent tool for such applications. In this PhD thesis, a new microwave system for the heartbeat detection is proposed. For a distance of 1 m, the heartbeat signal is detected using several operational frequencies: 2. 4, 5. 8, 10, 16, and 60 GHz. Besides, for a constant operational frequency of 2. 4 GHz, the heartbeat signal is detected at different power levels between -2 and -27 dBm. For all the performed measurements, both the heartbeat rate and the heart rate variability (HRV) are xtracted. Based on obtained measurements, models representing the cardiopulmonary activities are proposed. Several processing techniques are tested for the separation of the heartbeat and the respiration signals for SNR between 0 and -20 dB. Obtained results showed the possibility of detecting the heartbeat signal at distance of 1 m and at very low transmitted power. In addition, the application of wavelets transform to the modeling signal provides the possibility of extracting both the heartbeat rate and the HRV even at low SNR.