Contribution à l'amélioration des performances des services médicaux urgents appliquant l'IoT et l'intelligence artificielle

Improving the performance of Emergency Medical Services Devices Applying IoT and Artificial Intelligence contribution

• Auteur / Autrice : Kaouter Karboub
• Direction : Abbas Dandache, Fouad Moutaouakkil, Sofiène Dellagi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes électroniques
• Date : Soutenance le 30/06/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université Hassan II (Casablanca, Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Génie Informatique, de Production et de Maintenance (Metz)
• Jury : Président / Présidente : Badreddine Benameur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abbas Dandache, Fouad Moutaouakkil, Sofiène Dellagi, Emmanuel Simeu, Mahmoud Nassar, Hanaa Hachimi, Mohamed Tabaa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Simeu, Mahmoud Nassar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intelligence artificielle en médecine

Internet des objets

Optimisation mathématique

Analyse des systèmes

Régulation médicale

Services d'urgence médicale

Mots clés libres

Optimisation des ressources

Services médicaux urgents

Intelligence Artificielle

Maladies cardiovasculaires

Internet des objets

Diagnostique automatique

Resources optimization

Internet of things

Artificial Intelligence

Emergency Medical Services

Cardiovascular diseases

Automative diagnosis

Résumé

L'internet des objets (IoT) et l'intelligence artificielle (IA) sont deux domaines technologiques en progression utilisant les capacités d'exécution de tâches mains libres et d'analyse intelligente des données. Ces technologies présentent un potentiel prometteur pour améliorer les interactions homme-machine dans le flux de travail, créer une meilleure prise de décision et améliorer l'accessibilité aux données. Les progrès rapides et les nouvelles possibilités d'application de l'IoT et de l'IA en sont aux phases initiales. Par conséquent, les travaux de recherche de cette thèse ont pour objectifs d'identifier et d'étudier le potentiel, les défis et les possibilités d'utiliser l'IoT et l'IA pour évaluer les paramètres cliniques. Plusieurs organisations affirment qu'une attention accrue devrait être accordée à l'utilisation efficace des ressources de santé. L'augmentation de l'espérance de vie et de la taille de la population au niveau international s'accompagne d'une augmentation du nombre d'hospitalisations de courte durée, et donc de la capacité limitée des lits. Le rapport international sur la santé mondiale publié par l'Organisation Mondiale de la Santé « OMS » montre que 20 à 40 % de l'ensemble des ressources de soins de santé ne sont pas suffisamment utilisées. Ainsi, les outils qui favorisent un système de soins de santé efficace sont d'une grande importance pour la société actuelle. L'objectif de cette thèse est d'étendre les méthodes dans le domaine de l'IoT et de l'IA ainsi que la modélisation et l'optimisation au flux de patients dans les hôpitaux pour fournir à la direction et aux planificateurs une gamme d'outils de décision afin d'améliorer l'utilisation des ressources hospitalières. Nous élaborons plusieurs problèmes d'optimisation hospitalière pertinents qui concernent la prise de décision au niveau stratégique, tactique et opérationnel. En outre, nous nous concentrons sur différents types de flux de patients, des admissions de patients hospitalisés aux admissions de patients externes, ce qui a donné lieu à de nombreuses études de recherche différentes. Sur le plan méthodologique, nous nous concentrons principalement sur l'évaluation des différentes instances du flux de patients, mais plus particulièrement sur les patients atteints de maladies cardiovasculaires, dont nous appuyant sur la modélisation de la chaîne de Markov. L'accent a été mis plus particulièrement sur la séparation du séjour du patient à l'hôpital en trois phases principales. Chaque phase est interdépendante, variable dans le temps et dépend de l'autre phase. Le cœur de la contribution est d'évaluer et de donner à chaque étape du processus d'admission, de traitement et de sortie des patients des solutions qui peuvent aider les médecins à prendre des décisions temps minimum, mais aussi à les prendre efficacement. Dans notre cas, l'IoT a été de grande utilité afin de collecter les signaux d'électrocardiogrammes (ECG) de patients atteints de différentes pathologies cardiovasculaires, et de transférer ces données dans une plateforme pour le traitement et le stockage. L'IA est utilisée pour classer automatiquement ces signaux avec trois ensembles de données du MIT, afin de décider automatiquement des patients sont atteints de maladies cardiovasculaires. L'IA a ensuite été utilisée pour prédire efficacement quels patients doivent sortir de l'hôpital en fonction de leurs signaux et caractéristiques épidémiologiques et physiologiques, mais aussi en fonction de leur durée de séjour et de leur historique d'admission et de transfert. Enfin, vient le rôle de l'utilisation de l'optimisation métaheuristique. Ce dernier tient compte de l'admission, de la trajectoire de traitement et de la première analyse de survie de ces patients pour décider quels patients seront affectés à un lit dans quel service, principalement dans l'unité de soins intensifs.

Internet of Things (IoT) and Artificial Intelligence (AI)are two advancing technological areas utilizing the capabilities of performing hands free tasks and intelligent data analysis. These technologies are showing promising potentials of improving the Human-to-Machine interactions in clinical workflow, create a better foundation of clinical decision-making, and improve the accessibility of clinical data. The novel aspect, rapid advancement, and new application possibilities of IoT and AI are in the initial phases. Hence, the thesis research has the objectives of identifying and investigating the potential, challenges, and possibilities of using IoT and AI to assess clinical settings.From the other hand, Various organizations claim that increasing attention should be put on an efficient use of healthcare resources. The internationally rising life expectancy and population size is accompanied by hospitals that are relying more on short admissions, and thus on limited bed capacity. The international World Health Report published by the World Health Organization shows that 20-40% of all healthcare resources are not being sufficiently utilized. Thus, tools that benefit an efficient healthcare system is greatly relevant to the present society. The goal of this thesis is to expand methods in the field of IoT and AI and modeling and optimization to hospital patient flow with a view to provide management and planners with a range of decision tools for improving the utilization of hospital resources. We elaborate on several relevant hospital optimization problems which relate to decision making on both the strategic, tactical and operational level. In addition, we focus on various types of patient flow, from inpatient to outpatient admissions, which has led to many different research studies. Methodologically we mainly focus on evaluating the different instances of patient flow but specifically on patients with cardiovascular diseases (CVD) based on Markov chain modeling.Mainly, the focus was on separating the patient stay in the hospital into three main phases. Each phase in an interdependent, time varying and function of the other phase. The core of the contribution is to assess and give every step of the process of admitting, treating, and discharging patients with solutions that can help physicians take decisions in short time but also take them efficiently. These techniques used IoT in order to collect electrocardiogram signals (ECG) from patients with different CVD pathologies and to transfer these data into a platform that can preprocess it and store it. AI that is used to automatically classify these signals along with three MIT dataset and decide which patients have cardiovascular diseases with no physician intervention. Then AI was used to efficiently predict which patients need to be discharged based on their epidemiological, physiological signals and characteristics and also based on their Length of Stay (LOS) and on their admission and transfer history. Finally, comes the role of using metaheuristic optimization. This last one, into account the admission, treatment trajectory and first survival analysis of these patients to decide which patients will be allocated to a bed in which ward mainly in the Intensive Care Unit (ICU).The proposed system for studying and optimizing the patients flow in a health care facility show high performance based on the different performance metrics we are using in this research project.