Capteurs BiomédicauxLouis-Marin Carlier, Hoa Dung Ha Duong

E. Gressier - Master SAR M2 - GRETR

Partie 1Les capteurs biomédicaux

Présentation, exemples

Plan

• Capteurs• Besoins médicaux• Capteurs biomédicaux• Exemples

Capteur

• Une grandeur physique• Un ou plusieurs transducteur(s)• Eventuellement un indicateur• Une grandeur utilisable

Analyte

Transducteur

Indicateur

Transducteur

CapteurClassification

• Apport énergétique / Alimentation• Actifs ou passifs

• Sortie• Analogique ou numérique

• Energie mesurée• thermique (thermomètre), électrique

(électrocardiogramme), optique (scanner), etc ...

Besoins médicauxDes besoins classiques

• Armée et défense• Surveillance de la condition physique• Détection d’agents pathogènes

• Exploration spatiale• Surveillance • Recherche physiologique

• Recherche médicale

Besoins médicauxDe nouveaux besoins

• Une population vieillissante• Un manque de personnel hospitalier• Une demande de soin à domicile• Une restructuration du modèle familial

• Industriels• Intégration aux produits • Etudes

Besoins médicauxQue veut on surveiller ?

• Les signaux vitaux • Pouls, activité cérébrale, respiration

• La composition sanguine • Gaz, concentration de glucose

• Les mouvements• Chute, inactivité prolongée

Capteurs biomédicauxClassification

• Endocapteurs non invasifs• Endocapteurs invasifs• Exocapteurs

Capteurs biomédicauxContraintes (1)

• Sûreté• Circuits basse tension 0.9 -1.5 V• Isolation• Etanchéité• Alarme (en cas de dysfonctionnement)• Matériaux non allergènes

Capteurs biomédicauxContraintes(2)

• Fiabilité• Pas de bricolage • Pas de déréglement

• Autonomie• Mobilité• Calibrage

ExemplesDétection des chutes

• Un système détectant la chute• Dispositifs optiques calculant une vitesse• Accélèromètres et magnètomètre• Détecteur de choc et interrupteur au

mercure

• Une unité de décision intelligente

ExemplesDétection des chutes

ExemplesMesure du taux de glucose (1)

• Une enzyme (glucose oxidase) fixée à une électrode en platine

• L’enzyme catalyse le glucose• Un des produits de la réaction s’oxyde à

700mV au contact de l’électrode

• La concentration de glucose est proportionnelle au courant fourni

ExemplesMesure du taux de glucose (2)

ExemplesVêtements intelligents(1)

• Contraintes• Circuits souples • Léger

• Utilisation• Détection des impacts • Analyse des blessures

ExemplesVêtements intelligents (2)

Partie 2Les capteurs bio-médicaux :

Recherche, problématiques et exemple.

Plan

• Recherche et pluri-disciplinarité• Problématique• Les différents champs d’investigation :

Exemple des capteurs biomédicaux appliqués à la vision artificielle

Recherche - (1/4)

• Recherche et innovation complexes• Plusieurs disciplines : • Traitement de l’information :

Système, réseau, VLSI

• Mais aussi :Biologie, médecine, physiologie, chimie, physique, matériaux.

Recherche - (2/4)

• Les contraintes éthiques et expérimentales sont plus élevées que pour les capteurs traditionnels

• Le développement complet d’une solution à base de capteurs biomédicaux est très onéreux.=> Recherche militaire ou privée(Philipps, Siemens, Thomson, J. & Johnson)

Recherche - (3/4)

• Capteurs biomédicaux spécifiques par rapport aux capteurs classiques :- avantages ? atouts ?- inconvénients ? contraintes ?

• Difficultés pour mener les tests sur des patients => validité des résultats ?

Recherche - (4/4)

• Coeur de l’innovation : capteurs biomédicaux wireless et in-vivo.

• Applications : - Simulation de fonctions lésées (vision)- Monitoring (coeur, constantes, diabète)- Contrôle et aide (militaire)

Problématique : les défis

• La recherche sur les capteurs biomédicaux doit se plier à huit contraintes majeures :

1. Peu d’énergie2. Faible puissance de calcul3. Contraintes physiques lourdes4. Durée de vie5. Robustesse / Tolérance aux fautes/pannes6. Evolutivité / Extensibilité7. Sécurité / Interférence8. Législation

Energie / calcul

• 1. Peu d’énergie2. Faible puissance de calcul

• Les capteurs biomédicaux doivent économiser leur énergie.

• Lieu d’implantation rend difficile l’utilisation de batteries.

• Peu d’énergie = peu de puissance de calcul

Environnement

• 3. Contraintes physiques lourdes4. Durée de vie

• Implantation dans le corps humain• Mécanismes immunes de rejet• Impact sur les tissus adjacents• Répartition dans le corps• Interventions multiples impossibles

Contexte

• 5. Fautes/pannes 6. Evolutivité7. Sécurité 8. Législation

• Un système de capteurs biomédicaux ne doit pas être défaillant (dégradé ok)

• Possibilité ‘d’upgrade’ si besoin• Capteurs wireless = risques de sécurité :

perte de confidentialité / détournement

• Loi : capteur = médicament ? abus ?

Exemple : l’Oeil

• En cas de dysfonctionnement de l’oeil, le patient devient aveugle.

• => Créer artificiellement un stimulus sur le nerf optique.

• Utilisation de capteurs biomédicaux pour créer ce stimulus.

Anatomie

Rétine

Implant

Nerf optique

Chaîne de production

• But : produire une stimulation des ganglions reliés au nerf optique.

Oeil

Caméra Calculateur

Capteur

Net

MoniteurCORTEX

Stimulus

Chaîne de Production

• Puissance de calcul externe• Transformation de l’image

(multiplexage + compression)

• Impossible à effectuer dans le capteur• Résout les problématiques 1 et 2 (énergie et

Caméra Calculateur

Net

Stimulus

Chaîne de production

• Capteur In Vivo• Compacité et plasticité

=> contraintes VLSI=> peu de calcul, réception & stimulation

• Energie : Induction RF (... + monitoring)

Oeil

Capteur

Net

CORTEX

Capteur

• Modulaire• Communicant

(bi-directionnel)

• Embarqué /Empaqueté• Tolérant aux pannes

Capteur

Réception Emission

Com Traitement

Stimulation

Un capteur ?

• Non, plusieurs capteurs.• Répartis sur la rétine• Doivent communiquer pour

- Homogénéiser la stimulation- S’adapter aux conditions - Recevoir l’image..

• => Réseaux de capteurs biomédicaux.

Réseau

• Différent des réseaux de capteurs traditionnels : - Pas de mobilité- Topologie des noeuds connue.

• But : réduire l’énergie consommée lors des transmissions.

Topologie

• Cluster based topology

L

L

Base(ext)

Conclusion - Oeil

• Rappel des contraintes :✔ 1. Peu d’énergie✔ 2. Faible puissance de calcul✔ 3. Contraintes physiques lourdes✔ 4. Durée de vie✔ 5. Robustesse / Tolérance✔ 6. Evolutivité / Extensibilité✘ 7. Sécurité / Interférence✘ 8. Législation

• En théorie : OK, mais pas d’expérimentation

Conclusion

• Les capteurs biomédicaux : - Emergents- En théorie réalisables- Difficiles à tester- Ethique ?

?