Infrared and visible wireless optical technology for body sensor connectivity

Technologie optique sans fil infrarouge et visible pour la connectivité de capteurs corporels

• Auteur / Autrice : Thai Bang Hoang
• Direction : Anne Julien-Vergonjanne, Stéphanie Castan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des hautes fréquences, photonique et systèmes
• Date : Soutenance le 11/07/2019
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Azou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Julien-Vergonjanne, Stéphanie Castan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Salah Bourennane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monitorage médical

Systèmes de communication sans fil en médecine

Réseaux corporels sans fils

Rayonnement infrarouge -- Technique

Mots clés libres

Communication optique sans fil

Infrarouge

Visible

Surveillance en santé

Capteur corporel

Optical wireless communication

Infrared

Visible Light communication

Healthcare monitoring

Body sensor

Résumé

Cette thèse est axée sur le domaine de la communication optique sans fil en intérieur pour la surveillance de la santé basée sur des capteurs corporels. L’état de l'art des communications optique sans fil dans les domaines infrarouge, visible et UV ainsi que l'analyse des systèmes liés à la santé utilisant cette technologie ont été fournis. Cela a permis de définir les objectifs et l'orientation de cette thèse. Nous avons étudié l'utilisation de la technologie infrarouge pour la transmission de données entre un capteur porté par un patient et des récepteurs situés aux coins d'un panneau d'éclairage central au plafond de l'environnement. Un lien en visible a été utilisé pour la transmission de données du luminaire vers le patient portant un smartphone équipé d'un décodeur. Les principaux défis étaient la robustesse des liens infrarouge et visible en ce qui concerne la mobilité du patient et l'impact du corps de l'utilisateur en raison de l'emplacement du capteur. Les simulations de canaux réalisées grâce à la technique de Ray-Tracing associée à la méthode de Monte-Carlo ont permis de déterminer le gain de canal qui est le paramètre principal représentant la performance. En raison de la mobilité du patient, l'analyse a été réalisée de manière statistique et en tenant compte de différents emplacements du capteur sur le corps, de la cheville à l'épaule. Les paramètres physiques et géométriques optimaux relatifs aux émetteurs et aux récepteurs afin de garantir les meilleures performances ont été déduites. Il a été démontré qu’il est essentiel de modéliser la présence du corps pour les deux liaisons montante et descendante. Les performances globales du système ont mis en évidence le potentiel des transmissions sans fil entièrement optiques pour la surveillance médicale basée sur des capteurs corporels. Cela a été en partie confirmé par des expérimentations menées à partir de prototypes de capteur communicant en infrarouge et de produits commerciaux pour la liaison en visible.

This thesis is focused on the field of indoor optical wireless communication for health monitoring based on body sensors. The state of the art of optical wireless in the infrared, visible and UV domains as well as the analysis of health related systems using this technology have been provided. This helped to define the objectives and orientations of this thesis. We have studied the use of infrared technology for data transmission between a sensor worn by a patient and receivers located at the corners of a central lighting panel at the ceiling of the environment. A link in visible was used for the transmission of data from the luminaire to the patient carrying a smartphone equipped with a decoder. The main challenges were the robustness of the infrared and visible links with regard to patient mobility and the impact of the user's body due to the location of the sensor. The channel simulations performed using the Ray-Tracing technique associated with the Monte-Carlo method allowed determining the channel gain, which is the main parameter representing the performance. Due to the patient mobility, the analysis was performed statistically and taking into account different locations of the sensor on the body, from the ankle to the shoulder. The optimal physical and geometrical parameters for transmitters and receivers to ensure the best performance have been deduced. It has been shown that it is essential to model the presence of the body for both uplink and downlink. The overall performance of the system has highlighted the potential of fully optical wireless transmissions for medical surveillance based on body sensors. This has been partly confirmed by experiments carried out from infrared communicating sensor prototypes and commercial products for the visible link.