Simulation d'un Système de Surveillance Cardiaque avec Détection d'Anomalies par EdgeAI
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UNIVERSITÉ AMAR THELIDJI DE LAGHOUAT FACULTE DU TECHNOLOGIE DEPARTEMENT ELECTROUNIQUE
Abstract
Ce mémoire a été consacré à la conception et à la simulation d’un système intelligent de
surveillance cardiaque basé sur l’Edge AI, capable de détecter des anomalies à partir de
signaux électrocardiogrammes (ECG) en temps réel sur des microcontrôleurs à ressources
limitées. L’objectif principal était de développer un modèle léger, précis et économe en
énergie, tout en maintenant des performances de diagnostic élevées.
Le premier chapitre a présenté les fondements théoriques essentiels pour saisir le système
suggéré. Le projet repose sur des bases scientifiques solides telles que la surveillance
cardiaque et l’analyse du signal ECG. L’incorporation de l’Edge AI dans un système de
monitoring cardiaque facilite une identification rapide, exacte et indépendante des
irrégularités cardiaques, préparant ainsi le terrain pour des appareils médicaux intelligents de
nouvelle génération.
Le deuxième chapitre a exploré le rôle central de l’intelligence artificielle dans le monitoring
cardiaque, plus précisément pour l’identification automatisée des arythmies à partir des
signaux ECG. L’apprentissage automatique permet d’entraîner des modèles sur des données
ECG afin de distinguer les rythmes normaux des irrégularités cardiaques. Trois familles de
techniques sont couramment mises en œuvre : les machines à vecteurs de support (SVM), les
k-plus proches voisins (KNN), ainsi que les réseaux de neurones profonds (CNN, LSTM).
Ces approches garantissent une détection rapide et fiable, condition essentielle pour les
systèmes de surveillance en temps réel.
Le troisième chapitre a évalué cinq modèles de deep learning pour la détection d’anomalies
ECG sur le dataset public CODE-15% : CLTC (ConvLSTM2D+LTC), CCfC
(ConvLSTM2D+CFC), DeepECG-Net (CNN+Transformer) et Random Forest. Les résultats
démontrent clairement la supériorité des modèles à base de NCP (CLTC et CCfC) pour les
applications Edge AI, avec une mémoire extrêmement faible (240 KB RAM, 96 KB Flash) et
une consommation énergétique réduite (137,4 mW). Le modèle CCfC surpasse légèrement
CLTC avec une précision de 98,0 % contre 97,5 %, tout en offrant une convergence plus rapide.
DeepECG-Net, malgré son architecture avancée, atteint 96,5 % de précision avec
l’inconvénient majeur d’une consommation mémoire 125 fois plus élevée (30 MB). Le
Random Forest obtiennent des résultats modestes (89,2 % et 83,0 %) avec une empreinte
mémoire importante (~500 MB). La comparaison avec l’article de Huang et al. (2024) montre
que les résultats sont presque proches d’un point de vue architectural pour CLTC et CCfC,
avec des performances supérieures (98,0 % contre 85,7 %) attribuables à un dataset mieux
équilibré et à une normalisation Z-score.
Les résultats de cette étude permettent de tirer plusieurs conclusions importantes.
Premièrement, les modèles à base de NCP (CLTC et CCfC) sont les plus adaptés aux
contraintes des dispositifs Edge AI, offrant le meilleur compromis entre précision, mémoire et
consommation énergétique. Deuxièmement, CCfC représente le meilleur choix pour ce projet,
avec une précision de 98,0 %, une mémoire de 240 KB et une puissance de 137,4 mW.
Ce travail ouvre plusieurs perspectives pour des recherches futures. Il serait intéressant de
déployer physiquement le modèle CCfC sur un microcontrôleur réel (STM32F746G) pour
valider les performances en conditions réelles. L’utilisation de techniques d’optimisation
comme la quantification des poids ou l’élagage (pruning) pourrait réduire encore davantage
l’empreinte mémoire. Enfin, l’extension à un plus grand nombre de classes d’anomalies et la
validation sur d’autres bases de données (CPSC, PTB-XL, MIT-BIH) permettraient d’évaluer
la généralisation du modèle.
En conclusion, ce mémoire a démontré qu’il est possible de concevoir un système de
surveillance cardiaque intelligent, précis et économique, fonctionnant en temps réel sur des
microcontrôleurs à ressources limitées. Le modèle CCfC (ConvLSTM2D + Closed-Form
Continuous-Time) représente la solution optimale, avec 98,0 % de précision, 240 KB de
RAM et 137,4 mW de consommation. Ce travail contribue ainsi à l’avancement de l’Edge AI
pour les applications de santé connectée, ouvrant la voie à des dispositifs médicaux portables
accessibles, fiables et respectueux de la vie privée des patients.
