Body Area Network

Le Body Area Network ( BAN ) est une technologie de réseau sans fils basée sur les radio-fréquences qui consiste à interconnecter sur, ou autour du corps humain de minuscules dispositifs pouvant effectuer des mesures ( capteurs ) ou agir de façon active ( actionneurs ). Ces capteurs très miniaturisé, disposant d'une grande autonomie et utilisant des courants de très faible puissance peuvent être capables de dialoguer avec un centre de service distant, pour alerter un service d'urgences hospitalières par exemple. Les principales applications se trouvent dans les domaines de la santé, des premiers secours, du militaire, du divertissement, du sport, de "l'Intelligence ambiante" ou des Interactions homme-machine...

Body Area Network

Fonctionnement

Présentation

Le Body Area Network ( BAN ) est une technologie de réseau sans fils basée sur les radio-fréquences qui consiste à interconnecter sur, ou autour du corps humain de minuscules dispositifs pouvant effectuer des mesures ( capteurs ) ou agir de façon active ( actionneur ). Le BAN est défini par IEEE 802.15.6 comme «une norme de communication optimisée pour les appareils à basse consommation et qui fonctionnent sur, dans ou autour du corps humain ( mais non limitée aux humains ) pour servir une diversité d'applications ( y compris médicales ), l'électronique grand public, le divertissement et autre». Le groupe de travail standard IEEE 802.15.6 est chargé d'élaborer des dispositifs économes en énergie et de développer des applications pour le BAN. En 1996, les laboratoires de recherche d'IBM ont développé une nouvelle technologie de type PAN ( le terme BAN n'est pas encore employé ) utilisant la conductivité du corps humain pour transmettre des données. Cette technologie qui utilise les propriétés conductrices du corps humain s'appuie sur des intensités très faibles, de l'ordre du Nanoampère. Les applications envisagées alors sont :

• L'échange de données entre appareils portatifs en utilisant le corps des utilisateurs comme moyen de transmission  ;
• L'identification automatique de la personne ( remplacement de la carte de paiement, reconnaissance de la personne à des fins médicales ).

On trouve dès 1997 le terme BAN dans «A systems approach to achieving CarerNet-an integrated and intelligent telecare system» et dans la préface du livre de Robert Metcalfe et Peter J. Denning «Beyond Calculation: The Next Fifty Years of Computing». En 2007, l'IEEE crée le «Task Group 6» au sein du groupe de travail IEEE 802.15 avec pour mission de se concentrer sur des technologies sans fil pouvant opérer à proximité ou au sein du corps humain. Aujourd'hui, la miniaturisation toujours plus poussée des composants, les progrès dans les technologies sans fil et leur essor renforcent le développement des réseaux de type « Body Area Network » . .

Le BAN est constitué d'un ensemble de capteurs mobiles et compacts qui surveillent les paramètres vitaux du corps. Ces dispositifs portables ( voir implantés ), communiquent par technologie sans fil les données collectées à une station de base, qui peuvent être alors réexpédiées en temps réel vers un hôpital, une clinique ou ailleurs . Ce type de réseau trouve des applications dans le domaine de la santé mais aussi du sport, de la défense et des loisirs. La demande croissante de capteurs pour l'électronique grand public, en particulier dans les domaines médical et du jeu permet de réduire le coût des éléments constitutifs du BAN

Terminologie

Les termes BAN ( Body Area Network ) et BSN ( Body Sensor Network ) sont souvent utilisés pour décrire la mise en œuvre de dispositifs informatiques portables au voisinage du corps humain. Ces acronymes sont équivalents. Il existe des variantes qui incluent les mots «Wireless» et/ou «Sensor», ainsi les abbréviations WBAN ( Wireless Body Area Network ) et WBASN ( Wireless Body Area Sensor Network ) sont utilisées avec la même acception que le terme BAN. L'abréviation BASN ( Body Area Sensor Network ) est également employée par certains chercheurs. On notera que certaines publications emploient alternativement et indistinctement les termes WBAN et BAN .

Architecture

Architecture BAN Trois-tiers

L'architecture de communication d'un réseau BAN peut se décliner en 3 niveaux ( on utilise parfois l'anglicisme «tier» ).

• Le premier niveau représente les communications Intra-BAN. Les communications Intra-BAN font référence aux échanges radio qui ont lieu à proximité immédiate du corps humain. On distinguera les communications entre les capteurs et les communications des capteurs vers un assistant personnel ( PDA ).
• Le deuxième niveau représente les communications Inter-BAN. Un réseau BAN fonctionne rarement de manière autonome. L'Intra-BAN recouvre les communication entre l'Assistant Personnel et un point d'accès au réseau.
• Le troisième niveau représente les communications hors BAN. C'est à ce niveau que le service est fourni. Dans le domaine de la santé, ce niveau représentera le service de télémédecine d'un hôpital.

Capteurs et Actionneurs

Le BAN peut être subdivisé en trois sous-niveaux fonctionnels. Les capteurs ( et actionneurs ) sont au coeur du premier niveau qui correspond à la communication intra-BAN. Le rôle des capteurs corporels consiste à recueillir des signaux analogiques qui correspondent à des activités physiologiques de l'homme ou à des actions du corps. Ce signal analogique est ensuite numérisé. Enfin, le signal numérique est transmis par un émetteur-récepteur radio. L' actionneur a quant à lui un rôle actif vis à vis de son porteur, il pourra par exemple délivrer sur commande une médication.
Le tableau qui suit recense les capteurs couramment utilisés dans les BAN:

Capteur	Usage
Accéléromètre	Ce dispositif est utilisé pour reconnaître et surveiller la posture du corps (debout, assis, à genoux, marche, course...). Cette information est essentielle pour de nombreuses applications touchant à la réalité virtuelle, la santé, les sports et les jeux électroniques. Sont utilisation peut être couplée avec celle d'un gyroscope.
Glycémie	Traditionnellement, les mesures de glycémie sont effectuées en piquant un doigt pour extraire d'une goutte de sang qui est appliquée à sur une bande de test composée de substance sensibles au glucose. Un glucomètre est ensuite utilisée pour analyser l’échantillon de sang. Dans le cadre du BAN, on utilise un système de surveillance de la glycémie non invasif grâce à la technologie infrarouge et la détection optique.
Pression artérielle	Le capteur de pression sanguine est un capteur non invasif conçu pour mesurer la pression diastolique et systolique en utilisant la technique oscillométrique .
Détection de CO2	Mesure les niveaux de dioxyde de carbone gazeux pour surveiller les variations de niveau de CO2 mais aussi contrôler la concentration en oxygène durant la respiration humaine.
Électrocardiogramme	L'Électrocardiogramme ( ECG ) est un enregistrement de l'activité électrique du cœur. Des électrodes sont fixées sur la peau à des endroits spécifiques ( bras et poitrine en particulier), et les différences de potentiel entre ces électrodes sont mesurées. Il peuvent être utilisés pour diagnostiquer une maladie cardiaque où l'influence d'un médicament sur l'activité du cœur.
Électroencéphalogramme	L'Électroencéphalogramme ( EEG ) mesure l'activité électrique dans le cerveau par la fixation de petites électrodes à divers emplacement du cuir chevelu. Les informations recueillies par les électrodes sont transmises à un amplificateur afin d'obtenir un tracé.
Électromyogramme	L'Électromyogramme ( EMG ) mesure les signaux électriques produits par les muscles pendant les contractions et au repos. Des études de conduction nerveuse sont souvent faites conjointement dans la mesure où les nerfs contrôlent les muscles par des impulsions électriques. Des troubles musculaires et nerveux peuvent entraîner les muscles à réagir de façon anormale. L'EMG permet de diagnostiquer des anomalies du Contrôle Postural ( PCS ).
Oxymètre	Mesure la saturation en oxygène à l'aide d'une sonde non invasive. Un petit clip avec un capteur est fixé au doigt de la personne, au lobe de l'oreille, ou à l'orteil. Le capteur émet un signal lumineux qui passe à travers la peau et mesure la lumière absorbée par l'hémoglobine oxygénée ( oxyhémoglobine ) .
Capteurs d'humidité et de température	Utilisés pour mesurer la température du corps humain et / ou l'humidité de l'environnement immédiat d'une personne. Un signal d'alarme peut être émis si un certain nombre de variations sont mesurées.

La nature et le nombre de capteurs dépendra de l'usage attendu.[RB758 p203,204][+].

Architecture d'un capteur ( CAN=«Convertisseur Analogique-Numérique»)

• Le capteur est un dispositif qui recueille les données sur la traite des stimuli traite si nécessaire les données et transmet les informations par liaison sans fil. Il se compose de plusieurs éléments: la partie capteur proprement dite, un convertisseur Analogique-Numérique,une unité d'alimentation, un processeur, une mémoire et un émetteur ( ou émetteur-récepteur ).
• En sus de dispositifs de détection (les senseurs ), le patient peut disposer d'actionneurs qui permettent par exemple de délivrer une substance médicamenteuse. Cette action peut avoir lieu à un moment prédéterminé, ou sous l'influence d'une source externe (par exemple un médecin qui analyse les données). Elle peut être même réalisée en temps réel si le capteur décèle un problème. Un actionneur est constitué d'un récepteur ( ou émetteur-récepteur ), d'une unité d'alimentation, de mémoire mais le composant principal en est le matériel de commande (un réservoir destiné à contenir le médicament et le matériel pour gérer le médicament).

Les capteurs d'un réseau corporel sont des composants extrêmement compacts et complexes. Leur discrétion doit permettre à l'utilisateur d'oublier leur présence.

Réseaux

A COMPLETER Wireless Personal Device

Usages

Domaine médical.
Les réseaux de type BAN trouvent des applications dans divers domaines tels que le sport ou le jeu, mais leur utilisation dans le domaine médical est majeure, à tel point que certains auteurs présentent ce type de réseau comme étant dédiés à la santé. En effet, l'augmentation des coûts de santé et l'augmentation de l'espérance de vie dans les pays développés conduit à innover dans le domaine de la santé, et une de ces innovations consiste à surveiller en temps réel les patients au moyen de capteurs connectés en WBAN. On peut ainsi surveiller les paramètres vitaux d'une personne et alerter le cas échéant les services d'urgence. Il est même possible d'injecter un médicament au moyen d'un actionneur disposé près du corps. Voici un récapitulatif des usages du BAN dans le domaine médical .

Champ d'application	Type de capteur/actionneur	Rôle, apports du WBAN
Maladies cardio-vasculaires.	Oxymètre,mesure du rythme cardiaque, électrocardiogramme.	Surveillance de l'état de santé, anticipation dans la préparation des traitements.
Paraplégie;	Accéléromètre, gyroscope, senseurs pour la position des jambes, senseurs couplés aux nerfs, actionneurs capable de stimuler les muscles.	Restaurer la mobilité.
Cancer.	Capteur sensible à l'acide Nitrique;	Le capteur peut être placé sur les zones suspectes, le médecin peut initier un traitement dés qu'un cellule suspecte est détectée.
Alzheimer, dépression, hypertension.		Alerter en cas de détection d'une situation anormale touchant une personne isolé, agée, déprimée.
Diabète.	Biocapteur, gyroscope, pompe à insuline.	Sur détection d'une chute de glucose, un signal peut être envoyé pour injecter de l'insuline. Les nuisances engendrées par la maladie sont ainsi réduites.
Asthme.	Capteur d’allergènes.	Alerter le médecin ou le patient sur la détection d'un allergène.
Epilepsie.	«Mobi»	L'unité portable «Mobi» est conçue pour détecter les signes précurseurs d'une crise ( une activité cérébrale anormale ).
Traitement de la douleur.	Stimulateur.	L'actionneur est un stimulateur agissant sur la moelle épinière et permettant de réduire les douleurs chroniques.
Déficience visuelle.	Rétine artificielle( matrice de micro-capteurs ), caméra externe.	Une rétine artificielle, constituée d'une matrice de micro-capteurs, peut être implantée dans l’œil sous la surface de la rétine. La rétine artificielle traduit les impulsions électriques en signaux nerveux. L'entrée peut aussi être obtenue à partir d'une caméra montée sur une paire de lunette.
Hypertension.	Capteur de pression artérielle, pompe à médicament.	Un médicament peut être injecté par une pompe en cas de dépassement d'une valeur de seuil.
Maladie de Parkinson	Détecteurs de mouvements, accéléromètres	Estimer la gravité des tremblements, la bradykinésie et la dyskinésie grâce aux données de l'accéléromètre et effectuer une évaluation approfondie de la maladie.
Surveillance post-opératoire.	Capteur de température, capteur de pression sanguine, capteur de fréquence cardiaque, ECG	Évite d'immobiliser le patient au lit.

Architecture Virtual Doctor Server

L'utilisation du WBAN dans le domaine médical permet d'envisager le concept de «Médecin Virtuel». Un serveur, que nous désignerons sous l'acronyme de VDS ( Virtual Doctor Server ) intègre un ensemble d'applications permettant de fournir des services de santé et de premiers secours. Un VDS pourrait avoir les usages suivants  :

• Conserver l'historique du patient.
• Conseiller le patient ou le personnel de santé sur la base des signes vitaux recueillis par les capteurs.
• Appeler les urgences si nécessaire, le patient pouvant être conseillé pour pratiquer lui même les premiers gestes.
• Guider un secouriste, en cas de perte de connaissance, dans l'administration des premiers secours.

L'utilisation du BAN et de ses micro-capteurs ouvre également la voie à de nouvelles techniques d'endoscopie : l'«endoscopie par capsule» consiste en une micro-caméra de la taille d'une pilule, conçue à l'origine pour enregistrer des images du tube digestif en vue d'un diagnostic ultérieur. L'utilisation de techniques de transmission basées sur l'Ultra WideBand ( UWB) permettent désormais de disposer d'images en temps réèl. Dans le futur, des micro-robots pourraient explorer d'autre parties du corps humain en utilisant tes technologies similaires.

Domaine du sport

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Enjeux

Le vieillissement de la population et la hausse des coûts des soins de santé dans les pays développés incite ceux-ci à adopter des solutions nouvelles, au nombre desquelles on trouve les réseaux de type WBAN, pour le suivi des patients.

Un rapport de 2008 de la «Direction de l'Hospitalisation et de l'Organisation des Soins» ( rattachée au «Ministère de la Santé et des Sports» ) s'intéresse à la place de la télémédecine dans l'organisation des soins. Les auteurs rappellent le constat suivant : la durée de vie s'allonge de trois mois par an depuis plusieurs décennies, et cet allongement s'accompagne d'une augmentation des maladies chroniques ( diabète, hypertension, insuffisances cardiaque et rénale, cancers ) . Parallèlement, des projets de recherche dans le domaine des vêtements intelligents sont conduits au niveau européen. Ces vêtements, en intégrant des accéléromètres et des magnétomètres, pourraient être utilisés dans le cadre de la télésurveillance des patients âgés au domicile, permettant de prévenir les chutes, cause importante de mortalité dans cette population. Le projet européen «IST MyHeart» s'attache à développer des «vêtements biomédicaux intelligents» intégrant des capteurs enfouis dans le tissus et capables de les transmettre sans fil vers un ordinateur ou un centre spécialisé. En France le projet VTAMN ( Vêtement de Téléassistance Médicale Nomade ) a été retenu par le ministère de la recherche. Ces vêtements permettent la surveillance en continu des signaux vitaux des patients. Ces outils permettront d'améliorer la qualité de vie des personnes âgées, malades ou fragiles. Le rapport indique ainsi que «ces personnes pourront disposer en permanence d’une surveillance médicale personnalisée et transparente grâce aux vêtements intelligents truffés de capteurs qu’elles porteront en permanence et qui communiqueront en temps réel, via un réseau BAN (Body Area Network), l’ensemble des données médicales à leur médecin traitant ou à leur hôpital de référence ou à une maison de santé». Il prévoit sur le plan économique que le marché mondial des vêtements intelligents pourrait dépasser sept milliards de dollars en 2014, ces dispositifs, compte tenu du vieillissement de la population devenant aussi indispensables que peut l'être aujourd'hui un mobile.

Bibliographie

• (en) IEEE Computer Society, « IEEE Standard for Local and metropolitan area networks - Part 15.6: Wireless Body Area Network », IEEE Standards,‎ février 2012 (ISBN 978-0-7381-7206-4, DOI 10.1109/IEEESTD.2012.6161600)
• (en) Thomas Zimmerman, « Personal Area Networks (PAN): A Technology Demonstration by IBM Research », sur IBM Research - Almaden, 18 novembre 1996
• (en) Thomas Zimmerman, « Personal area networks: near-field intrabody communication », IBM systems Journal, vol. 35, n^o 3,‎ avril 1996, p. 609-617 (ISSN 0018-8670, DOI 10.1147/sj.353.0609)
• (en) Robert Metcalfe et Peter Denning, Beyond Calculation: The Next Fifty Years of Computing, Springer, 1997 (ISBN 9780387985886, lire en ligne)
• (en) Min Chen et Sergio Gonzalez-Valenzuela, « Body area networks ( BAN ) », , Springer Berlin Heidelberg,‎ 2012, p. 1-19 (ISSN 1612-7617, DOI 10.1007/5346_2012_26, lire en ligne)
• (en) Min Chen et Sergio Gonzalez-Valenzuela, « Mobility Support for Health Monitoring at Home Using Wearable Sensors », IEEE Transactions in Information Technology in biomedecine, vol. 15, n^o 4,‎ juillet 2011, p. 539-549 (ISSN 1089-7771, DOI 10.1109/TITB.2010.2104326, lire en ligne)
• (en) Min Chen, « Body Area Networks: A Survey », Mobile Networks and Applications, vol. 16, n^o 2,‎ avril 2010, p. 171-193 (ISSN 1572-8153, DOI 10.1007/s11036-010-0260-8)

• (en) Changhong Wang, Qiang Wang et Shunzhong Shi, « A Distributed Wireless Body Area Network for Medical Supervision », Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2012 IEEE International,‎ mai 2012, p. 2612 - 2616 (ISBN 978-1-4577-1773-4, ISSN 1091-5281, DOI 10.1109/I2MTC.2012.6229260)
• (en) Ragesh et Baskaran, « An Overview of Applications, Standards and Challenges in Futuristic Wireless Body Area Networks », , Springer, vol. 9, n^o 2,‎ 2012 (ISSN 1694-0814, lire en ligne)
• (en) KS. Prabh, F. Royo, S. Tennina et T. Olivares, « BANMAC: An Opportunistic MAC Protocol for Reliable Communications in Body Area Networks », Distributed Computing in Sensor Systems (DCOSS), 2012 IEEE 8th International Conference,‎ octobre-décembre 2012, p. 166-175 (DOI 10.1109/DCOSS.2012.37)
• (en) B. Latré, B. Braem, I. Moerman, C. Blondia et P. Demeester, « A survey on wireless body area networks », Wireless Networks, vol. 17, n^o 1,‎ octobre-décembre 2011, p. 1-18 (ISSN 1022-0038, DOI 10.1007/s11276-010-0252-4)
• (en) David Chartier, « IEEE launches new working group for Body Area Network tech. », sur ArsTechnica, 6 décembre 2007
• (en) G. Williams, K. Doughty et D.A. Bradley, « A systems approach to achieving CarerNet-an integrated and intelligent telecare system », IEEE Transactions in Information Technology in biomedecine, vol. 2, n^o 1,‎ mars 1998, p. 1-9 (ISSN 1089-7771, DOI 10.1109/4233.678527)
• (en) Sana Ullah et Benoît Latré, « A Comprehensive Survey of Wireless Body Area Networks », Journal of Medical Systems, vol. 36, n^o 3,‎ juin 2012, p. 1065-1094 (ISSN 0148-5598, DOI 10.1007/s10916-010-9571-3)
• (en) D.M Barakah, « A Survey of Challenges and Applications of Wireless Body Area Network (WBAN) and Role of a Virtual Doctor Server in Existing Architecture », Third International Conference on Intelligent Systems, Modelling and Simulation (ISMS),,‎ février 2012, p. 214-219 (ISBN 978-1-4673-0886-1, DOI 10.1109/ISMS.2012.108)
• (en) Chris Otto et Aleksandar Milenkovic,, « System Architecture of a Wireless Body Area Sensor Network for ubiquitous health monitoring », Journal of Mobile Multimedia, Rinton Press, vol. 1, n^o 4,‎ 2006, p. 307-326 (lire en ligne)
• (en) C.A. Chin, « Advances and challenges of wireless body area networks for healthcare applications », International Conference on Computing, Networking and Communications (ICNC),‎ février 2012, p. 99-103 (ISBN 978-1-4673-0008-7, DOI 10.1109/ICCNC.2012.6167576)

• Pierre Simon et Dominique Acker, « Mission thématique : La place de la télémédecine dans l’organisation des soins », Ministère de la Santé et des Sports, Direction de l'Hospitalisation et de l'Organisation des Soins, 2008, p. 1-160