Capteurs Biomédicaux - sorbonne-universite.fr · 2006. 3. 27. · Capteurs Biomédicaux...
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Capteurs BiomédicauxLouis-Marin Carlier, Hoa Dung Ha Duong
E. Gressier - Master SAR M2 - GRETR
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Partie 1Les capteurs biomédicaux
Présentation, exemples
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Plan
• Capteurs• Besoins médicaux• Capteurs biomédicaux• Exemples
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Capteur
• Une grandeur physique• Un ou plusieurs transducteur(s)• Eventuellement un indicateur• Une grandeur utilisable
Analyte
Transducteur
Indicateur
Transducteur
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CapteurClassification
• Apport énergétique / Alimentation• Actifs ou passifs
• Sortie• Analogique ou numérique
• Energie mesurée• thermique (thermomètre), électrique
(électrocardiogramme), optique (scanner), etc ...
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Besoins médicauxDes besoins classiques
• Armée et défense• Surveillance de la condition physique• Détection d’agents pathogènes
• Exploration spatiale• Surveillance • Recherche physiologique
• Recherche médicale
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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
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Besoins médicauxQue veut on surveiller ?
• Les signaux vitaux • Pouls, activité cérébrale, respiration
• La composition sanguine • Gaz, concentration de glucose
• Les mouvements• Chute, inactivité prolongée
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Capteurs biomédicauxClassification
• Endocapteurs non invasifs• Endocapteurs invasifs• Exocapteurs
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Capteurs biomédicauxContraintes (1)
• Sûreté• Circuits basse tension 0.9 -1.5 V• Isolation• Etanchéité• Alarme (en cas de dysfonctionnement)• Matériaux non allergènes
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Capteurs biomédicauxContraintes(2)
• Fiabilité• Pas de bricolage • Pas de déréglement
• Autonomie• Mobilité• Calibrage
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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
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ExemplesDétection des chutes
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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
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ExemplesMesure du taux de glucose (2)
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ExemplesVêtements intelligents(1)
• Contraintes• Circuits souples • Léger
• Utilisation• Détection des impacts • Analyse des blessures
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ExemplesVêtements intelligents (2)
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Partie 2Les capteurs bio-médicaux :
Recherche, problématiques et exemple.
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Plan
• Recherche et pluri-disciplinarité• Problématique• Les différents champs d’investigation :
Exemple des capteurs biomédicaux appliqués à la vision artificielle
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Recherche - (1/4)
• Recherche et innovation complexes• Plusieurs disciplines : • Traitement de l’information :
Système, réseau, VLSI
• Mais aussi :Biologie, médecine, physiologie, chimie, physique, matériaux.
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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)
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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 ?
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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)
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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
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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
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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
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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 ?
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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.
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Anatomie
Rétine
Implant
Nerf optique
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Chaîne de production
• But : produire une stimulation des ganglions reliés au nerf optique.
Oeil
Caméra Calculateur
Capteur
Net
MoniteurCORTEX
Stimulus
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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
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Chaîne de production
• Capteur In Vivo• Compacité et plasticité
=> contraintes VLSI=> peu de calcul, réception & stimulation
• Energie : Induction RF (... + monitoring)
Oeil
Capteur
Net
CORTEX
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Capteur
• Modulaire• Communicant
(bi-directionnel)
• Embarqué /Empaqueté• Tolérant aux pannes
Capteur
Réception Emission
Com Traitement
Stimulation
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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.
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Réseau
• Différent des réseaux de capteurs traditionnels : - Pas de mobilité- Topologie des noeuds connue.
• But : réduire l’énergie consommée lors des transmissions.
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Topologie
• Cluster based topology
L
L
Base(ext)
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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
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Conclusion
• Les capteurs biomédicaux : - Emergents- En théorie réalisables- Difficiles à tester- Ethique ?
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?