FR2908623A1 - Dispositif integre adaptatif de surveillance et de stimilation sur base de signaux physiologiques, par exemple sur base de frequence cardiaque, procede et programme d'ordinateur correspondants - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé intelligent de supervision et de stimulation d'un individu, par exemple un nouveau né propice à l'apnée du sommeil, comprenant une étape d'acquisition d'au moins signal physiologique dudit individu et une étape de transmission dudit au moins un paramètre physiologique, par exemple un signal du type fréquence cardiaque.Un tel procédé selon l'invention comprend en outre une étape d'apprentissage et de supervision en continu dudit au moins au moins un paramètre physiologique et une étape de stimulation volontaire dudit individu dès lors qu'une variation ou une modification anormale dudit paramètre physiologique est détectée.

Description

1 Dispositif intégré adaptatif de surveillance et de stimulation sur base

de signaux physiologiques, par exemple sur base de fréquence cardiaque, procédé et programme d'ordinateur correspondants 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui de la surveillance intelligente (ou monitoring intelligent , selon une terminologie plus anglophone mais communément admise dans le domaine technique de l'invention) des signaux physiologiques d'individus. En effet, des enjeux croissants du monitoring intelligent sont aujourd'hui 10 parfaitement identifiés, notamment dans le domaine médical ou biomédical, et concernent plus précisément : l'amélioration de la robustesse d'un traitement ; la détection précoce des pathologies ; et l'assistance à l'interprétation / thérapie. 15 L'invention s'inscrit plus particulièrement encore dans une problématique de surveillance à distance, ou de télé monitoring, de tels signaux physiologiques. 2. Etat de la technique On connaît de l'art antérieur des systèmes de télé monitoring de signaux cardiaques par exemple, permettant à un patient à son domicile, de transmettre les 20 signaux ECG (électrocardiogramme) acquis lui-même sur sa personne au moyen d'un boîtier muni de capteurs, via un réseau de communication, par exemple Internet, à son ou ses médecins. Ainsi et comme illustré sur la figure 1, les données ECG issues du patient, sont communiquées (le plus souvent de façon entièrement sécurisée) par le boîtier 25 équipant le patient, à une ou plusieurs applications clientes ou serveurs distants, exécutées, par exemple, sur le terminal d'ordinateur du personnel médical en charge du suivi du patient. Si ce type de solution technique reste adaptée et techniquement peu difficile à mettre en oeuvre pour des patients atteints de pathologies cardiaques 30 autorisant un suivi à distance, la pathologie du patient l'autorisant à pouvoir rester 2908623 2 à domicile, un premier inconvénient de ce type de système est lié au fait que c'est le patient lui-même qui doit, selon une prescription donnée, mettre en place les capteurs et initier la transmission des données vers le terminal du personnel médical, ce dernier prenant connaissance, le plus souvent, des informations 5 physiologiques transmises par le patient, en temps différé. En conséquence, un tel système est en outre parfaitement inadapté à un contexte de télé monitoring dans lequel d'une part le patient, par exemple un nouveau né, serait dans l'incapacité physique de pouvoir participer activement et, d'autre part, dans lequel un minimum d'intelligence du système le rendrait suffisamment proactif pour gérer une problématique d'urgence, par exemple lors d'une apnée du sommeil, pouvant survenir de manière intempestive chez un nouveau né. Pour palier un tel inconvénient, des solutions de monitoring adaptées à un contexte hospitalier ont été proposées. Elles s' appuient comme illustré sur la figure 2, sur la mise en oeuvre d'un boîtier muni de capteurs aptes à communiquer au moyens d'une connexion filaire, avec une station de monitoring cardiaque permettant au médecin la manipulation, le traitement et l'analyse des signaux physiologiques ECG du patient. Cependant, une telle approche a pour principal inconvénient de nécessiter la mise en oeuvre d'une architecture matérielle lourde et coûteuse, en ce qu'elle impose d'implanter autant de boîtier de capteur que de patient à surveiller, et relier tous ces boîtiers d'acquisition des signaux ECG, par des câbles réseaux à une ou plusieurs stations de monitoring. De plus, une telle approche selon l'art antérieur reste le plus souvent inadaptée à des contextes d'urgence médicale, au moins pour les raisons suivantes : l'acquisition des signaux ECG s'effectue sur une seule voie ; le traitement des signaux acquis en temps réel reste fortement limité, notamment lorsque plusieurs patients sont monitorés simultanément ; aucune connaissance liée au patient ne peut être considérée a priori. Pour palier ces derniers inconvénients, la solution précitée a été étendue sous la forme d'un système de télé monitoring à 12 voies, s'appuyant sur le réseau 2908623 3 Internet, y compris pour ce qui concerne les transmissions/ échanges de données physiologiques du type ECG intra hospitalières. Un tel système a été en outre rendu compatible avec les différentes connectiques d'appareillage permettant l'acquisition et la communication de données 5 physiologiques, de façon à le rendre plus générique et plus rationnel en termes de coûts de fabrication. Un tel système selon l'art antérieur possède cependant encore pour inconvénient d'être limité en termes de traitement en temps réel des données acquises sur un patient et donc de rester inadapté pour une utilisation dans un 10 contexte d'urgence. Pour tenter de palier ces différents inconvénients des solutions techniques connues de l'art antérieur, une autre solution a été proposée. Elle repose, comme illustré sur la figure 4, sur la mise en oeuvre sur le patient, d'un ensemble de capteurs communicants sans fils, directement reliés au moyen d'une connexion 15 temps réels sans fil, à une station ou un terminal exécutant une application logicielle de traitement avancé des signaux physiologiques (ECG par exemple) reçus du patient. Un inconvénient essentiel d'une telle solution technique réside dans le fait que tout le traitement des données s'effectue uniquement au niveau de 20 l'application logicielle et sans connaissance a priori des éventuelles spécificités physiologiques du patient. En conséquence, une telle solution reste difficile à mettre en oeuvre dans des contextes à caractère d'urgence puisque ne permettant pas un comportement proactif du système en temps réel. C'est en effet uniquement après traitement délocalisé par l'application de monitoring que des 25 alertes ou actions peuvent être déclenchées, dans un délai qui peu s'avérer parfois trop long au regard des mesures qu'il peut s'avérer nécessaire de prendre au niveau du patient monitoré. 3. Objectif de l'invention L'invention décrite ici propose notamment de pallier les inconvénients des 30 solutions techniques de l'art antérieur. 2908623 4 Un objectif de l'invention consiste à fournir un procédé et un système de télé surveillance des signaux physiologiques acquis sur un patient, qui soient compatibles avec un contexte d'urgence et donc, proactifs. Un autre objectif de l'invention est de fournir de tels procédé ou système 5 qui puissent tenir compte des spécificités physiologiques d'un individu monitoré ou de l'évolution de ces dernières dans le temps, et qui soient donc autonomes et adaptatifs en fonction du contexte de surveillance. Encore un objectif de l'invention est de fournir de tels procédé ou système qui permettent une meilleur gestion et une meilleure anticipation des actions à 10 entreprendre sur un patient, dans un contexte de surveillance médicale, en fonction du niveau de priorité et/ou de complexité de ces dernières. L'invention a aussi pour objectif de fournir de tels procédé et système de télé monitoring qui soient capables de traiter les données issues d'un patient en temps réel et de déclencher les actions ou alertes découlant de ce traitement, 15 également en temps réel. Un objectif supplémentaire de l'invention consiste à fournir un tel système qui soit simple de mise en oeuvre, tant du point de vue logiciel que matériel, tout en étant de coût faible ou tout le moins raisonnable. Un dernier objectif de l'invention est de fournir un tel système et procédé 20 qui permettent de surveiller activement, en temps réel et simultanément, un grand nombre de patients. 4. Présentation de l'invention Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un procédé intelligent de supervision et de stimulation 25 d'un individu, par exemple un nouveau né propice à l'apnée du sommeil, comprenant une étape d'acquisition d'au moins un signal physiologique dudit individu et une étape de transmission dudit au moins un paramètre physiologique, par exemple un signal du type fréquence cardiaque. Un tel procédé selon l'invention comprend en outre une étape 30 d'apprentissage et de supervision en continu dudit au moins un paramètre 2908623 5 physiologique et une étape de stimulation volontaire dudit individu dès lors qu'une variation ou une modification anormale dudit paramètre physiologique est détectée. 5. Figures et description détaillée 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : la figure 1 présente un système de télé-monitoring ECG via Internet connu 10 de l'art antérieur ; la figure 2 illustre un dispositif de monitoring ECG à une voie connu de l'art antérieur ; la figure 3 présente un système de télé-monitoring ECG à 12 voies, via Internet, également connu de l'art antérieur ; 15 la figure 4 présente un système de monitoring ECG à base de capteurs communicants sans fil, connu de l'art antérieur ; la figure 5 illustre le système de télé monitoring autonome et auto adaptatif selon la présente invention ; la figure 6 présente la justification de l'utilisation d'une méthodologie 20 multi-agents pour aborder le problème posé dans cette invention. la figure 7 illustre le concept de création d'un nouvel environnement multi-agents complet, applicable à un microcontrôleur et intégrable dans le système de télé monitoring autonome et auto adaptatif selon l'invention ; la figure 8 est une représentation générale du système de télé monitoring 25 selon l'invention ; la figure 9 présente les différents modes de fonctionnement du système de télé monitoring selon l'invention ; la figure 10 présente l'architecture matérielle général du système de télé monitoring intelligent selon l'invention ; 2908623 6 la figure 11 donne une illustration plus précise et les principales caractéristiques de l'environnement d'exécution multi-agents pour microcontrôleur proposé selon l'invention; la figure 12 présente un ensemble d'agents intervenant dans l'architecture 5 logicielle du système de télé monitoring selon l'invention ; la figure 13 donne une illustration de l'interface principale d'une console de visualisation et de télé-monitoring multi-patients. La figure 14 présente l'architecture multi-agents d'une station de monitoring selon l'invention; 10 La figure 15 est un exemple de mise en oeuvre du procédé et dispositrif de télé monitoring selon l'invention, appliquée à la détection et au traitement des bradycardies chez le nouveau-né prématuré ; Les figures 16 et 17 présentent les différents composants matériels mis en oeuvre dans le système de télé monitoring selon l'invention ; 15 La figure 18 donne une vue globale de l'interface homme-machine de monitoring équipant les stations de télémonitoring selon l'invention. Les figures 1 à 4 ont été présentées en relation avec l'art antérieur. En relation avec la figure 5, le système selon l'invention vise à faciliter l'intégration de connaissances relatives à un patient sous surveillance, dans un 20 dispositif communicant de monitoring intelligent qui soit autonome et adaptatif en fonction du contexte. Il s'agit notamment de permettre l'application de thérapies adaptatives sur le patient, de mieux gérer les tâches réalisées par le dispositif, de distribuer les tâches en fonction de leur complexité/priorité, de simplifier le développement 25 matériel et logiciel ( firmware (matériel) et software (logiciel)). En relation avec la figure 6, une architecture multi-agents est retenue pour la mise en oeuvre de la solution selon l'invention. Par agent intelligent, on entend un objet informatique (programme) qui accomplit des tâches à la manière d'un automate, en fonction de l'état de son environnement 30 et des comportements qui lui sont associés. 2908623 7 Les agents sont capables d'une certaine autonomie et, en particulier, peuvent dialoguer avec d'autres agents (ayant des comportements complémentaires) pour accomplir des tâches complexes. Les architectures multi-agents sont particulièrement utiles pour faciliter 5 l'intégration de connaissances dans des applications informatiques. En relation avec la figure 7, l'approche technique retenue autorise la création d'un nouvel environnement multi-agents complet, applicable à un microcontrôleur et permet de proposer une nouvelle architecture facilitant le développement du matériel et du firmware, ainsi que l'intégration de connaissances. 10 Cela se traduit par l'avènement d'un nouveau système de télé monitoring intelligent apte à communiquer sans fil, à la fois autonome et adaptatif pour le monitoring de signaux physiologiques, par exemple ECG acquis sur un patient monitoré. Elle se traduit aussi par la mise en oeuvre d'un nouveau procédé d'adaptation 15 automatique de l'activité du système en fonction du contexte et d'un nouveau système complet (matériel + firmware + logiciel) permettant la surveillance, la détection et l'interruption par stimulation adaptative des bradycardies des nouveaux-nés. En relation avec la figure 8, le système proposé est composé des éléments 20 suivants : un ou plusieurs dispositifs intelligents de surveillance et de stimulation ; une application de visualisation, configuration, traitement et contrôle de l'ensemble de dispositifs, pouvant fonctionner sur un ou plusieurs ordinateurs au même temps, localement ou à distance. 25 En relation avec la figure 9, typiquement, un ou plusieurs dispositifs peuvent être connectés au patient et fonctionner dans l'une de trois modalités suivantes : Une modalité autonome, dans laquelle chaque dispositif acquière les données, réalise le traitement des signaux localement, applique ou non une thérapie de façon adaptative et enregistre certains événements dans sa 30 mémoire locale. 2908623 8 û Une modalité maître-esclave, dans laquelle chaque dispositif (esclave) réalise l'acquisition de données et la transmission vers un ou plusieurs ordinateurs (maîtres). L'application sur l'ordinateur maître permet, entre autres, la visualisation, l'enregistrement, le traitement des signaux et la 5 commande automatique ou manuelle de la thérapie appliquée par le dispositif. Une modalité hybride, où le dispositif est capable de répondre à un certain nombre d'événements pathologiques (et adapte la thérapie en conséquence), mais communique avec une application maître pour des 10 décisions plus difficiles à prendre, nécessitant, par exemple, des moyens de calcul plus importants ou l'accès à des bases de données ou de connaissances. En relation avec la figure 10, chaque dispositif intelligent est constitué de quatre cartes électroniques interconnectées : 15 une carte processeur , disponible sur le marché, qui contient un microcontrôleur ATMegal28, mémoires RAM et Flash, horloge RTC, etc. ; une carte d'acquisition , spécifique au problème traité, qui permet l'acquisition des données physiologiques et leur conversion 20 analogique-numérique ; une carte de communications qui permet la communication entre différents dispositifs et l'application maître ; - une carte mère , développé par nos soins, qui réalise les fonctions suivantes : 25 • Interface entre les différentes cartes au moyen de protocoles série ou parallèle, o Gestion des entrées et sorties analogiques et numériques supplémentaires, o Gestion de l'alimentation du dispositif (batteries, 30 alimentation DC). 2908623 9 En relation avec la figure 1l, un environnement d'exécution multi-agents (framework) et une librairie de fonctions en langage C, adaptés à une utilisation en microcontrôleurs, ont tout d'abord été créés, en utilisant un protocole de communications de messages simplifié, qui permet tout de même la 5 communication avec des standards comme le FIPA-ACL. L'environnement développé gère l'échange de messages entre les différents agents et établi l'ordre d'exécution des différents comportements des agents, en utilisant une approche FIFO. L'exécution des comportements est basée sur le cycle de vie des agents, défini par la FIPA, et comprend les états d'initialisation, d'activation et d'attente. 10 Les comportements d'un agent peuvent être exécutés uniquement pendant l'état d'activation. Au moment du démarrage de l'environnement d'exécution, l'agent principal est créé. Il gère l'alimentation du dispositif, le contrôle de l'horloge temps réel (RTC), la mémoire non-volatile et les entrées/sorties de la carte mère 15 (buttons, leds, actuateurs). De plus, cet agent contient une liste d'applications cliniques possibles avec le hardware disponible dans le dispositif. Par exemple, un dispositif avec 3 voies ECG peut être utile pour le suivi des bradycardies des nouveaux-nés, mais aussi pour détecter certaines arythmies cardiaques sur des patients ayant souffert d'un infarctus du myocarde. Les méthodes de traitement du 20 signal et les éventuelles actions thérapeutiques appliquées sur le patient seront différentes pour ces deux applications. Après initialisation, l'agent principal attend une entrée de l'utilisateur pour définir la modalité d'opération (autonome, maître- esclave ou hybride) et l'application clinique souhaitée (i.e. bradycardies, arythmies, etc...). Cette interaction avec 25 l'utilisateur peut être réalisée soit directement sur le dispositif au moyen des buttons poussoirs, soit au travers de l'interface graphique. L'agent principal crée ensuite un agent acquisition de données correspondant au matériel d'acquisition disponible, un agent d'application clinique, en fonction du choix de l'utilisateur et un agent de communications. Ces agents vont émettre des messages en continu 30 pendant le monitoring des données. 2908623 10 L'agent application clinique contient, entre autres, un comportement associé à l'analyse des données reçues de l'agent d'acquisition et un comportement qui commande, au travers de l'agent principal, le fonctionnement des sorties numériques et analogiques du dispositif. Ce dernier comportement est 5 particulièrement utile pour l'application d'une stimulation thérapeutique ou la génération d'alarmes. Dû au fait que ces deux comportements travaillent de façon concurrente, l'application de la thérapie peut être modifiée en continu et optimisée selon des paramètres prédéfinis ou des connaissances physiologiques incluses dans l'agent d'application clinique (comportement thérapie ). 10 En relation avec la figure 12, une fois l'environnement d'exécution développé, quatre types d'agents adaptés pour les principales tâches du dispositif ont été définis et implémentés : - Un agent principal, responsable de la gestion globale du dispositif et, en particulier, des fonctionnalités de la carte mère ; 15 - Un agent de communication, qui établi un protocole de transmission entre le dispositif et l'ordinateur. Ce protocole permet une vérification d'erreurs et une taille de données variable, indépendamment du moyen de transmission utilisé (USB, bluetooth, etc...) ; 20 un agent d'acquisition de données, qui dispose de comportements de type cyclique capable de lire les données acquises des différentes cartes d'acquisition intégrées dans le dispositif ; - un agent d'application clinique, qui réalise le traitement des 25 données acquises, la détection d'événements ou encore l'adaptation de la thérapie, en fonction de l'application clinique pour laquelle il a été conçu. Il est important de souligner qu'un dispositif donné peut avoir plusieurs agents d'applications cliniques différentes. 2908623 11 Au moment du démarrage de l'environnement d'exécution, l'agent principal est créé. Il gère l'alimentation du dispositif, le contrôle de l'horloge temps réel (RTC), la mémoire non-volatile et les entrées/sorties de la carte mère (buttons, leds, actuateurs). De plus, cet agent contient une liste d'applications 5 cliniques possibles avec le hardware disponible dans le dispositif. Par exemple, un dispositif avec 3 voies ECG peut être utile pour le suivi des bradycardies des nouveaux-nés, mais aussi pour détecter certaines arythmies cardiaques sur des patients ayant souffert d'un infarctus du myocarde. Les méthodes de traitement du signal et les éventuelles actions thérapeutiques appliquées sur le patient seront 10 différentes pour ces deux applications. Après initialisation, l'agent principal attend une entrée de l'utilisateur pour définir la modalité d'opération (autonome, maître- esclave ou hybride) et l'application clinique souhaitée (i.e. bradycardies, arythmies, etc...). Cette interaction avec l'utilisateur peut être réalisée soit directement sur le dispositif au 15 moyen des buttons poussoirs, soit au travers de l'interface graphique. L'agent principal crée ensuite un agent acquisition de données correspondant au matériel d'acquisition disponible, un agent d'application clinique, en fonction du choix de l'utilisateur et un agent de communications. Ces agents vont émettre des messages en continu pendant le monitoring des données. 20 L'agent application clinique contient, entre autres, un comportement associé à l'analyse des données reçues de l'agent d'acquisition et un comportement qui commande, au travers de l'agent principal, le fonctionnement des sorties numériques et analogiques du dispositif. Ce dernier comportement est particulièrement utile pour l'application d'une stimulation thérapeutique ou la 25 génération d'alarmes. Dû au fait que ces deux comportements travaillent de façon concurrente, l'application de la thérapie peut être modifiée en continu et optimisée selon des paramètres prédéfinis ou des connaissances physiologiques incluses dans l'agent d'application clinique (comportement thérapie ). En relation avec la figure 14, ont présente l'architecture multi-agents de la 30 station. Les principaux agents définis sont : 2908623 12 L'agent principal, qui gère la globalité de l'application et la console de visualisation multi-patients. Il permet également la création des interfaces graphiques en fonction du contexte. L'agent central, qui permet d'exporter les informations les plus pertinentes 5 de chaque patient vers la console centrale de visualisation multi-patient, de suivre les principaux paramètres surveillés, les alarmes et les détections des événements à risque de l'ensemble des patients suivis. L'agent moniteur, responsable de la création de l'interface d'utilisateur spécifique à un problème clinique donnée, de l'enregistrement des données 10 et de la répartition des tâches d'analyse et de communication avec les autres agents. L'interface graphique créée par le moniteur fonctionne en temps réel et présente les signaux acquis, les paramètres détectés et leur évolution temporelle, les paramètres de configuration du dispositif associé, etc... 15 L'agent acquisition est un agent intermédiaire , qui réalise le transfert d'information avec l'agent communication du dispositif intelligent, en traduisant les messages FIPA-ACL (utilisés dans l'application) dans le format du protocole que nous avons développé pour le microcontrôleur. Cet agent dispose d'une interface graphique qui facilite l'accès aux 20 paramètres du dispositif associé. L'agent de traitement est responsable de l'analyse des données provenant de l'agent acquisition (dans le mode de fonctionnement maître-esclave). Dans les comportements de cet agent, il est possible d'implémenter de façon aisée les différentes méthodes de traitement de l'information 25 proposées au laboratoire, au moyen de l'utilisation d'une librairie C++ couplée à l'application par une interface JNI ( Java Native Interface en anglais ou Interface native Java en fraçais û avec Java , marque déposée). 2908623 13 La figure 15, qui présente un exemple d'application du procédé et système selon l'invention, à la détection et au traitement des bradycardies chez le nouveau-né prématuré. On rappelle en effet que malheureusement, les apnées-bradycardies sont 5 dangereuses pour le nouveau-né prématuré, ce qui impose parfois des manoeuvres de réanimations invasives, lesquelles induisent une prolongation des durées d'hospitalisation. De telles apnées sont en outre impliquées dans la morbidité neurologique à long terme (réveils fréquents). 10 Or, force est de constater aujourd'hui que la détection de telles apnées par scope et par stimulation manuelle impose des délais trop longs d'intervention. De plus, la détection et la stimulation asservie par PC (amplitude fixe) proposées par certains systèmes de l'art antérieur imposent de toujours réveiller le nouveau-né. 15 Ainsi, l'utilisation du système de télé monitoring selon l'invention permet avantageusement la détection précoce et la caractérisation (autonome ou hybride) des bradycardies, puis l'application d'une thérapie adaptative (battement à battement) par stimulation qui permet : ù L'optimisation de la thérapie (si possible subliminale) 20 ù L'augmentation de l'intensité de stimulation pour des bradycardies importantes ù La diminution de l'intensité de stimulation pour des bradycardies plus faibles. En relation avec la figure 16, pour l'exemple de la détection des bradycardies chez 25 le nouveau-né, nous avons choisi une carte d'acquisition de 3 voies d'électrocardiographie (ECG), labellisée EC et FDA et disponible sur le marché (MCC ECGBoard). Les communications avec les autres dispositifs ou avec l'application maître est basée sur la technologie BlueTooth (marque déposée), en utilisant une carte 30 OEM. Ces deux cartes sont connectées par liaison série à la carte mère et, ensuite, 2908623 14 à la carte processeur. Un stimulateur kinesthésique (vibreur tactile), par exemple de la marque Audiological Engineering (marque déposée) est appliqué sur la peau du nouveau-né et connecté à la sortie analogique de la carte mère. La carte mère permet également l'application d'une stimulation auditive, avec un haut- 5 parleur intégré. En termes d'application, l'invention trouve toute sa justification et son intérêt d'une part dans le contexte de la santé : la stimulation cardiaque, musculaire, ... télémonitoring, détection et traitement des apnées du sommeil (qui concerne environ 4% de la population aux USA). 10 L'invention s'applique encore avantageusement à d'autres contextes applicatifs tels que la surveillance de procédés industriels, la détection de pannes, la mise en oeuvre de capteurs délocalisés ayant besoin d'intelligence, dans le domaine de l'automobile... En termes de clientèle visée, il n'existe actuellement aucun système 15 automatique fonctionnel en unité de soins intensifs en néonatalité. Les retombées économiques et industrielles attendues sont donc potentiellement importantes dans le cadre des centres hospitaliers ou des clinique privées. En termes de santé publique et sur le plan clinique, l'inhibition rapide des bradycardies par la stimulation devrait permettre de diminuer le recours à des 20 manoeuvres de réanimation et à l'intubation pour ventilation assistée, de réduire la durée des hospitalisations et la fréquence des besoins de monitoring à domicile et donc d'améliorer la qualité de vie des bébés. 6. Description détaillée Le système proposé rentre dans le cadre général du monitoring intelligent 25 distribué et répond au besoin croissant de réaliser une (télé)surveillance continue des données physiologiques des sujets sains ou pathologiques et de provoquer une action adaptative optimale (éventuellement thérapeutique), en fonction de l'état de santé du patient, localement ou à distance. L'aspect intelligent du système est associé au fait qu'il est capable de s'adapter au contexte de surveillance et à la 2908623 15 problématique clinique étudiée, tout en permettant d'optimiser, de façon dynamique, unestimulation sur le patient. L'une des principales difficultés rencontrées actuellement pour le développement de ce type de dispositif est associée à l'intégration des 5 connaissances spécifiques au problème, pour détecter les événements à risque ou définir et/ou appliquer la thérapie optimale. Cette problématique est particulièrement importante lors de l'implémentation de ces procédés dans un microcontrôleur embarqué dans le dispositif. L'une des principales originalités de ce système est associé à la proposition d'une 10 architecture multi-agents, embarquée dans le microcontrôleur, pour faciliter l'introduction des connaissances, la communication avec d'autres dispositifs ou des applications de traitement de l'information et le développement d'applications sur cette architecture. Dans ce document, une application particulière de ce système pour la détection 15 précoce des grandes bradycardies du nouveau-né prématuré est présentée. En effet, l'ensemble du système a été déjà développé au stade de prototype pour cette application. Cependant, il est important de souligner que le système proposé a été conçu de façon modulaire et facilement généralisable à d'autres applications de monitoring et de stimulation adaptative. D'autres exemples d'application seront 20 soulignés à la fin de ce document. L'exemple d'application présenté dans ce document est basé sur la surveillance des bradycardies du nouveau-né prématuré. Ces bradycardies sont définies par une chute de la fréquence cardiaque d'au moins 33% par rapport au rythme de base. Si les bradycardies sont des événements fréquents, qui peuvent 25 survenir isolément ou plus souvent (80% des cas) associées à une apnée et/ou une désaturation, elles mettent le nouveau-né en danger vital immédiat en l'absence d'une intervention adaptée. L'expérience montre que les délais d'intervention restent longs pour les bébés en détresse, même s'ils sont effectués avec beaucoup d'efficacité. 2908623 16 L'application du système proposé dans ce contexte permet : i) l'enregistrement temps réel à distance et sans fils de l'ECG du prématuré, ii) l'extraction de sa courbe de variabilité cardiaque, iii) la détection précoce des bradycardies et iv) l'activation adaptative d'un stimulateur kinesthésique. Les résultats attendus sont 5 particulièrement importants sur le plan clinique puisqu'on estime que la détection et la stimulation automatiques des nouveau-nés doivent permettre de réduire au minimum le risque d'apnée-bradycardie prolongée et/ou profonde, de diminuer le recours à des manoeuvres de réanimation ou d'intubation et de raccourcir la durée des hospitalisations. 10 Le système proposé est composé des éléments suivants : un ou plusieurs dispositifs intelligents de surveillance et de stimulation ; une application de visualisation, configuration, traitement et contrôle de l'ensemble de dispositifs, pouvant fonctionner sur un ou plusieurs ordinateurs au même temps, localement ou à distance. 15 Typiquement, un ou plusieurs dispositifs peuvent être connectés au patient et fonctionner dans l'une de trois modalités suivantes : Une modalité autonome, dans laquelle chaque dispositif acquière les données, réalise le traitement des signaux localement, applique ou non une thérapie de façon adaptative et enregistre certains événements dans sa 20 mémoire locale. Une modalité maître-esclave, dans laquelle chaque dispositif (esclave) réalise l'acquisition de données et la transmission vers un ou plusieurs ordinateurs (maîtres). L'application sur l'ordinateur maître permet, entre autres, la visualisation, l'enregistrement, le traitement des signaux et la 25 commande automatique ou manuelle de la thérapie appliquée par le dispositif. Une modalité hybride, où le dispositif est capable de répondre à un certain nombre d'événements pathologiques (et adapte la thérapie en conséquence), mais communique avec une application maître pour des 30 décisions plus difficiles à prendre, nécessitant, par exemple, des moyens 2908623 17 de calcul plus importants ou l'accès à des bases de données ou de connaissances. La figure 9 montre deux possibilités de surveillance de nouveaux-nés avec le système proposé : la modalité autonome et la modalité maître-esclave. 5 Deux modes de fonctionnement du système proposé : à gauche une application autonome dans laquelle les dispositifs intelligents réalisent l'acquisition, le traitement et la stimulation sans interaction avec l'extérieur ; à droite une application maître-esclave dans laquelle le traitement et les prises de décisions sont effectuées dans l'ordinateur (application maître). 10 On présente ci-après plus en détails les différents composants du système selon l'invention. Chaque dispositif intelligent est constitué de quatre cartes électroniques interconnectées (figure 10) : ù une carte processeur , disponible sur le marché, qui contient un 15 microcontrôleur ATMegal28, mémoires RAM et Flash, horloge RTC, etc. une carte d'acquisition , spécifique au problème traité, qui permet l'acquisition des données physiologiques et leur conversion analogique-numérique ; 20 une carte de communications qui permet la communication entre différents dispositifs et l'application maître ; une carte mère , développé par nos soins, qui réalise les fonctions suivantes : - Interface entre les différentes cartes au moyen de protocoles série 25 ou parallèle, - Gestion des entrées et sorties analogiques et numériques supplémentaires, - Gestion de l'alimentation du dispositif (batteries, alimentation DC). 2908623 18 Cette architecture hardware modulaire facilite la généralisation du dispositif à plusieurs applications différentes, par un simple changement des cartes. La carte mère permet la connexion d'un ensemble de cartes spécifiques au 5 problème traité. Pour l'exemple de la détection des bradycardies chez le nouveau-né, nous avons choisi une carte d'acquisition de 3 voies d'électrocardiographie (ECG), labellisée EC et FDA et disponible sur le marché (MCC ECGBoard). Les communications avec les autres dispositifs ou avec l'application maître est 10 basée sur la technologie B1ueTooth, en utilisant une carte OEM. Ces deux cartes sont connectées par liaison série à la carte mère et, ensuite, à la carte processeur. Un stimulateur kinesthésique (vibreur tactile) de la marque Audiological Engineering est appliqué sur la peau du nouveau-né et connecté à la sortie analogique de la carte mère. La carte mère permet également l'application d'une 15 stimulation auditive, avec un haut-parleur intégré. Une photographie du prototype actuel est présentée figure 17, prototype actuel du dispositif intelligent pour la détection des bradycardies du nouveau-né. Au centre, les trois cartes principales interconnectées et superposées (carte mère, carte processeur et carte ECG). 20 Les différentes fonctions du dispositif (acquisition, communication, stimulation, etc...) sont implémentées dans le microcontrôleur (carte processeur) au moyen d'un programme embarqué (firmware). Le développement de ce type de firmware est souvent fastidieux et difficile à généraliser. L'une des originalités de l'approche présentée ici réside dans la proposition d'une architecture multi-agents, 25 implémentée sur le microcontrôleur. L'application d'architectures multi-agents pour le monitoring intelligent en temps réel de processus continus a été un sujet de recherche actif pendant cette dernière décennie. Un agent intelligent est un objet informatique (programme) qui accomplit des tâches à la manière d'un automate, en fonction de l'état de son 30 environnement et des comportements qui lui sont associés. Ils sont capables 2908623 19 d'une certaine autonomie et, en particulier, peuvent dialoguer avec d'autres agents (ayant des comportements complémentaires) pour accomplir des tâches complexes. Les architectures multi-agents sont particulièrement utiles pour faciliter l'intégration de connaissances dans des applications informatiques. 5 Plusieurs langages d'échange de messages ont été proposées et des nouveaux standards ont récemment émergé, comme le Knowledge Query and Manipulation Language (KQML), et plus récemment, le standard FIPA-ACL (ACL pour Agent Communication Language). Cependant, à notre connaissance, aucune de ces architectures n'est adaptée aux contraintes associées à la 10 programmation en microcontrôleur. Nous avons donc développé un environnement d'exécution multi-agents (framework) et une librairie de fonctions C adaptés à une utilisation en microcontrôleurs, en utilisant un protocole de communications de messages simplifié, qui permet tout de même la communication avec des standards comme le FIPA-ACL. 15 L'environnement développé gère l'échange de messages entre les différents agents et établi l'ordre d'exécution des différents comportements des agents, en utilisant une approche FIFO. L'exécution des comportements est basée sur le cycle de vie des agents, défini par la FIPA, et comprend les états d'initialisation, d'activation et d'attente. Les comportements d'un agent peuvent être exécutés 20 uniquement pendant l'état d'activation. Une fois l'environnement d'exécution développé, nous avons défini et implémenté quatre types d'agents adaptés pour les principales tâches du dispositif (figure 12) : û l'agent principal, responsable de la gestion globale du dispositif et, en particulier, des fonctionnalités de la carte mère ; 25 û l'agent de communication, qui établi un protocole de transmission entre le dispositif et l'ordinateur. Ce protocole permet une vérification d'erreurs et une taille de données variable, indépendamment du moyen de transmission utilisé (USB, bluetooth, etc...) ; 2908623 20 l'agent d'acquisition de données, qui dispose de comportements de type cyclique capable de lire les données acquises des différentes cartes d'acquisition intégrées dans le dispositif ; l'agent d'application clinique, qui réalise le traitement des données 5 acquises, la détection d'événements ou encore l'adaptation de la thérapie, en fonction de l'application clinique pour laquelle il a été conçu. Il est important de souligner qu'un dispositif donné peut avoir plusieurs agents d'applications cliniques différentes. Au moment du démarrage de l'environnement d'exécution, l'agent 10 principal est créé. Il gère l'alimentation du dispositif, le contrôle de l'horloge temps-reel (RTC), la mémoire non-volatile et les entrées/sorties de la carte mère (buttons, leds, actuateurs). De plus, cet agent contient une liste d'applications cliniques possibles avec le hardware disponible dans le dispositif. Par exemple, un dispositif avec 3 voies ECG peut être utile pour le suivi des bradycardies des 15 nouveaux-nés, mais aussi pour détecter certaines arythmies cardiaques sur des patients ayant souffert d'un infarctus du myocarde. Les méthodes de traitement du signal et les éventuelles actions thérapeutiques appliquées sur le patient seront différentes pour ces deux applications. Après initialisation, l'agent principal attend une entrée de l'utilisateur pour définir 20 la modalité d'opération (autonome, maître- esclave ou hybride) et l'application clinique souhaitée (i.e. bradycardies, arythmies, etc...). Cette interaction avec l'utilisateur peut être réalisée soit directement sur le dispositif au moyen des buttons poussoirs, soit au travers de l'interface graphique. L'agent principal crée ensuite un agent acquisition de données correspondant au 25 matériel d'acquisition disponible, un agent d'application clinique, en fonction du choix de l'utilisateur et un agent de communications. Ces agents vont émettre des messages en continu pendant le monitoring des données. L'agent application clinique contient, entre autres, un comportement associé à l'analyse des données reçues de l'agent d'acquisition et un comportement qui 30 commande, au travers de l'agent principal, le fonctionnement des sorties 2908623 21 numériques et analogiques du dispositif. Ce dernier comportement est particulièrement utile pour l'application d'une stimulation thérapeutique ou la génération d'alarmes. Dû au fait que ces deux comportements travaillent de façon concurrente, l'application de la thérapie peut être modifiée en continu

et

optimisée 5 selon des paramètres prédéfinis ou des connaissances physiologiques incluses dans l'agent d'application clinique (comportement thérapie ). Pour l'exemple de bradycardie présenté auparavant, l'agent d'acquisition de données reçoit les signaux ECG de la carte et transmet ces informations à un agent spécifique d'application clinique (agent bradycardie).

10 Ce dernier contient des comportements permettant : i) de détecter des bradycardies (en se basant sur des algorithmes présentés dans la littérature ou proposés au laboratoire) et ii) de stimuler le nouveau-né de façon adaptative, en fonction de la réponse observée. Plus particulièrement, une stimulation kinesthésique est réalisée à différentes amplitudes et fréquences, en fonction de 15 l'évolution de l'état du nouveau-né et de sa réponse à la thérapie appliquée. La définition adaptative de cette thérapie peut être obtenue par une fonction de transfert, une base de règles, un modèle type boîte noire ou un modèle physiologique, reliant la fréquence cardiaque mesurée aux paramètres optimaux de stimulation.

20 A titre d'exemple illustratif de mise en oeuvre de l'invention, une application de monitoring intelligent multi-plateforme de monitoring intelligent a été développé, en utilisant également une approche multi-agent. Cette application est codée en Java et utilise les librairies du projet JADE (Java Agent Developement), qui est un environnement de développement de systèmes 25 multi-agents, à code ouvert (open-source). JADE offre en particulier un support avancé de la norme FIPA-ACL, ainsi que des outils de validation syntaxique des messages entre agents. Les méthodes de traitement de l'information incluses dans la plateforme sont développées en C++ et associées à la station au moyen d'interfaces JNI. L'application peut fonctionner 2908623 22 sur un ou plusieurs ordinateurs au même temps, localement ou à distance et permet : l'adaptation automatique de l'interface graphique en fonction du contexte d'application clinique et des dispositifs disponibles et détectés ; 5 - la visualisation, l'enregistrement et le traitement de données reçues des dispositifs ; - la configuration initiale et le contrôle de l'ensemble de dispositifs ; - la gestion des basses de données patient et des basses de connaissances ; la détection d'événements en utilisant des méthodes plus complexes que 10 celles implémentées dans le dispositif. l'estimation d'une thérapie optimale et adaptative et la commande à distance des dispositifs. L'architecture multi-agent de la station est présentée figure 14. Les principaux agents définis sont : 15 - l'agent principal, qui gère la globalité de l'application et la console de visualisation multi-patients. Il permet également la création des interfaces graphiques en fonction du contexte. L'agent central, qui permet d'exporter les informations les plus pertinentes de chaque patient vers la console centrale de visualisation multi-patient, de 20 suivre les principaux paramètres surveillés, les alarmes et les détections des événements à risque de l'ensemble des patients suivis. L'agent moniteur, responsable de la création de l'interface d'utilisateur spécifique à un problème clinique donnée, de l'enregistrement des données et de la répartition des tâches d'analyse et de communication avec les 25 autres agents. L'interface graphique créée par le moniteur fonctionne en temps réel et présente les signaux acquis, les paramètres détectés et leur évolution temporelle, les paramètres de configuration du dispositif associé, etc... L'agent acquisition est un agent intermédiaire , qui réalise le transfert 30 d'information avec l'agent communication du dispositif intelligent, en 2908623 23 traduisant les messages FIPA-ACL (utilisés dans l'application) dans le format du protocole que nous avons développé pour le microcontrôleur. Cet agent dispose d'une interface graphique qui facilite l'accès aux paramètres du dispositif associé.

5 L'agent de traitement est responsable de l'analyse des données provenant de l'agent acquisition (dans le mode de fonctionnement maître-esclave). Dans les comportements de cet agent, il est possible d'implémenter de façon aisée les différentes méthodes de traitement de l'information proposées au laboratoire, au moyen de l'utilisation d'une librairie C++ 10 couplée à l'application par une interface JNI. La figure 18 donne un exemple d'utilisation de l'application de monitoring intelligent. Une présentation succincte de l'utilisation de l'application est proposée dans la suite ci-dessous : 15 (A). Au démarrage de l'application, l'agent principal est créé. Il détecte les différentes applications cliniques possibles par interrogation des dispositifs intelligents disponibles et d'une base de connaissances (associée à cet agent), qui relie les différents types de dispositifs aux différents problèmes cliniques (figure 18.A). 20 (B). Cet agent présente une interface graphique avec une palette sensible au contexte, qui liste les applications cliniques possibles en fonction de l'ensemble de dispositifs (figure 18.B). (C). L'utilisateur choisi dans cette palette l'application souhaitée et une boîte de dialogue lui permet d'intégrer les données du patient, ou de sélectionner 25 un patient déjà disponible dans la basse de données patient (figure ). Les basses de données et de connaissances sont implementées sur un gestionnaire MySQL. (D). Les différents agents sont crées pour chaque application clinique et pour chaque patient : un agent central (qui assure la communication avec la console centrale de visualisation multi-patient) et les agents d'acquisition, de 30 traitement et moniteur (figure 18.D).

2908623 24 Une fois l'application de monitoring initiée, l'utilisateur peut visualiser les signaux acquis et les paramètres détectés du patient, activer et modifier les paramètres des différentes méthodes de traitement de signaux et configurer ou piloter manuellement le dispositif.

5 A la connaissance des inventeurs, il n'existe pas actuellement chez les industriels d'autre technologie permettant d'inclure dans le microcontrôleur d'un dispositif médical les connaissances spécifiques au problème traité et présentant les caractéristiques de généricité et de facilité d'utilisation décrites dans ce document.

10 Par rapport à l'application spécifique en bradycardie, plusieurs applications embarquées de stimulation du nouveau-né ont été proposées. A la connaissance des inventeurs, aucune de ces applications ne propose une stimulation adaptative capable, par exemple d'augmenter l'amplitude de stimulation pour des bradycardies plus importantes et de diminuer cette 15 stimulation pour des bradycardies plus faibles. Ainsi, d'un point de vue technologique, le principal avantage de cette invention est associé à l'utilisation d'un environnement multi-agent, implémenté dans le firmware d'un microcontrôleur, permettant une communication aisée avec un système multi-agent standard, défini au niveau logiciel (ordinateur). Cette 20 approche facilite l'intégration des connaissances spécifiques au problème dans le dispositif et la communication entre les différents dispositifs et une application maître. De plus, elle réduit de façon importante les temps de développement du firmware et du logiciel. Un autre avantage est associé à la généricité de la conception du hardware, qui facilite l'extension à d'autres applications par un 25 simple changement de carte. Cet aspect permet de réduire également le temps et les coûts de développement matériel. Concernant l'application en bradycardie des nouveaux-nés, la stimulation adaptative proposée présente plusieurs avantages sur une stimulation fixe classique . Une telle stimulation adaptative réalise un compromis intéressant 30 entre l'amplitude minimale nécessaire pour obtenir une réponse (favorisant ainsi 2908623 25 les périodes de repos, fortement perturbées par les méthodes actuelles) et une amplitude plus importante (permettant d'obtenir une réponse plus rapide et une diminution de la durée de la bradycardie). De plus, il n'existe actuellement aucun système automatique fonctionnel en unité 5 de soins intensifs en néonatalité. Les retombées économiques et industrielles attendues pour cette invention sont donc potentiellement importantes.

Claims (1)

REVENDICATIONS

1. Procédé intelligent de supervision et de stimulation d'un individu, par exemple un nouveau né propice à l'apnée du sommeil, comprenant une étape d'acquisition d'au moins signal physiologique dudit individu et une étape de transmission dudit au moins un paramètre physiologique, par exemple un signal du type fréquence cardiaque, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape d'apprentissage et de supervision en continu dudit au moins un paramètre physiologique et une étape de stimulation volontaire dudit individu dès lors qu'une variation ou une modification anormale dudit paramètre physiologique est détectée.