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PROJET DE FIN D’ETUDES
Auteur : Matthieu WIRTH
Promotion : 2015
Titre :
Soutenance : 17/09/2015
Mise en place d’un système de supervision
IRM basé sur Raspberry Pi
Structure d’accueil :
Société RS²D (Reinvent Systems for Science and Discovery)
ZA des Maréchaux, 13 rue Vauban
67450 Mundolsheim
FRANCE
Nb de volume(s) : 1
Nb de pages : 77
Nb de références bibliographiques : 13
Résumé :
Depuis 2007, la société RS²D développe des appareils d’imagerie médicale (IRM) et des appareils de spectroscopie (RMN)
destinés principalement aux études précliniques. Chacun de ces appareils possède un système de supervision. La
supervision permet, en effet, de pouvoir contrôler le bon fonctionnement de chaque module du système en temps réel
depuis un moniteur (à défaut un ordinateur). Dans le cas présent, chaque module de l’appareil renvoie ses informations
vers une carte mère appelée « Chameleon » via une carte dite de « Monitoring » possédant entre autres un
microcontrôleur. La carte mère est directement reliée à un ordinateur par un câble réseau. Les données de supervision
n’étant pas les seules à transiter au sein de la carte mère, le but du stage est de remplacer le réseau actuel constitué des
cartes de « Monitoring » par un réseau indépendant du Chameleon afin d’alléger ses phases de calcul. Le choix s’est
porté sur l’utilisation de Raspberry Pis, qui sont des cartes électroniques présentant leur propre système d’exploitation
ce qui permet d’implémenter tous types de programmes et de s’adapter à n’importe quelle électronique.
Mots clés : R&D, Raspberry Pi, IRM, RMN, électronique, programmation, Python, Java, Conception
Traduction :
Since 2007, the RS²D Company is developing its own MRI (Magnetic Resonance Imaging) and NMR (Nuclear Magnetic
Resonance) spectroscopy systems mostly dedicated to preclinical studies. Each of these systems is equipped with a
supervision system. Supervision aims at controlling the operation status of each module in real time through a monitor
(most of the time a computer). In our case, each module of the system sends information back to a motherboard called
« Chameleon » through a monitoring board equipped with a microcontroller. The motherboard is bound to the computer
via an Ethernet connection. Because supervision data is not the only one to transit through the motherboard, the purpose
of the study is to replace the actual network with an independent one to lighten the calculation phases of the
motherboard. RS²D also chose the Raspberry Pi to do the job because it implements its own operating system and it can
therefore execute many types of source code and fit to any kind of electronic system.
Matthieu WIRTH GE5S | Projet de fin d’études |Année Scolaire 2014/2015
-Mise en place d’un système de supervision IRM basé sur Raspberry Pi-
Synthèse
La société RS²D, après avoir fait du
reconditionnement d’appareils RMN depuis
l’année 2003, a commencé à développer sa
propre électronique d’appareils IRM et RMN en
2007. Grâce à elle, l’entreprise a pu se faire
connaître et ainsi vendre plusieurs systèmes à
travers le monde.
L’électronique se compose de plusieurs
modules :
 Module de gradients permettant de
faire varier le champ magnétique dans
l’espace
 Amplificateur
RF
permettant
d’amplifier le signal à émettre à travers
l’échantillon
 Préampli permettant de traiter le
signal RF reçu par les antennes RF
 Carte mère « Chameleon » traitant les
données acquises et communiquant
avec le software (voir figure 2)
 Module de « shims » permettant
d’homogénéiser le champ magnétique
Figure 1 : Spectromètre RMN développé par RS²D
alléger la charge de calcul du FPGA, il a été
décidé par la société de créer un réseau
indépendant, n’effectuant que de la
supervision, et basé sur Raspberry Pi. Le
Raspberry Pi est une petite carte électronique
possédant un système d’exploitation Linux et
des entrées/sorties programmables, ce qui lui
permet de s’adapter à tout type
d’électronique.
FPGA
Figure 2 : Interface du software Java RS²D
Chacun de ces modules renvoit des données à
la carte mère à l’aide d’une carte dite de
« Monitoring » qui lui est associée. Ensuite,
toutes ces données sont traitées par un circuit
logique programmable (ou « FPGA »). Parmis
ces données, on trouve des données de
supervision, telles que les états de
fonctionnement de certains modules, les
températures des circuits, etc… Ainsi, pour
Figure 3 : Carte mère "Chameleon"
Le but du stage est donc de remplacer
certaines des cartes de Monitoring par des
Raspberry Pi. En premier lieu, le stage a porté
sur la gestion des alimentations de certains
modules électroniques via le Raspberry Pi.
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Matthieu WIRTH GE5S | Projet de fin d’études |Année Scolaire 2014/2015
-Mise en place d’un système de supervision IRM basé sur Raspberry Pi-
Figure 4 : Carte de monitoring RS²D (à gauche) et Raspberry Pi (à droite)
Il a alors fallu réaliser une carte permettant
d’interfacer le Raspberry Pi avec le système
électronique RS²D pour que celui-ci puisse agir
dessus. La carte qui a été conçue permet donc
de contrôler, soit manuellement, soit via une
interface Java, l’alimentation de trois modules
(amplificateur RF, carte mère et module de
shims) ainsi que de contrôler si la température
des bobines de gradient ne dépasse pas un
certain seuil.
En termes de conception, il a tout d’abord fallu
établir un schéma électrique du circuit, puis il
fallait faire le routage du circuit imprimé.
Figure 6 : Carte de gestion d'alimentations soudée
Par ailleurs, un code source a dû être écrit
pour créer une structure de communication
entre un serveur implanté sur le Raspberry Pi
(codé en Python) et un client lancé depuis un
ordinateur externe (codé en Java). Via ce client,
il est possible de superviser la gestion des
alimentations des modules cités en amont.
Figure 5 : Routage de la carte de gestion
d'alimentations
Une fois ceci effectué, la carte a pu être soudée
avec les composants choisis après le
dimensionnement du circuit électrique.
Figure 7 : Interface du client Java
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Matthieu WIRTH GE5S | Projet de fin d’études |Année Scolaire 2014/2015
-Mise en place d’un système de supervision IRM basé sur Raspberry PiEn deuxième partie du stage, le travail s’est
porté sur le test d’une carte conçue pour
détecter et identifier les antennes RF lorsque
celles-ci sont branchées. Cette carte étant
également attachée à une carte de Monitoring,
il était également nécessaire d’y adapter un
Raspberry Pi.
Figure 9 : Test de la commande des relais via I²C
Figure 8 : Carte de détection des antennes RF et
Raspberry Pi
Une fois les tests réalisés à l’aide de la carte de
Monitoring, celle-ci a été remplacée par un
Raspberry Pi et un code source (en Python) a
dû être écrit pour pouvoir réaliser les mêmes
fonctions que cette dernière.
Tout d’abord, il fallait s’assurer que la carte,
puisqu’elle n’avait été développée que très
récemment, était capable d’effectuer toutes
les tâches pour lesquelles elle avait été créée et
ce, avec la carte de Monitoring. Celles qui ont
été testées pendant le stage sont les suivantes :
 Communication via SPI entre la carte
de Monitoring et un convertisseur
analogique-numérique
(CAN)
se
trouvant sur la carte
 Commande de relais à l’aide
d’extensions de ports GPIO (General
Purpose Input/Output) via liaison I²C
 Détection de présence d’une antenne
RF grâce à un circuit analogique et au
CAN.
On peut constater un exemple de test réalisé
sur l’oscillogramme suivant. Celui-ci représente
une commande envoyée en I²C a l’extension de
ports GPIO pour que celle-ci mette une sortie à
1 ou 0 pour activer ou désactiver un relais.On
constate le changement dans les parties
entourées. Les autres bits correspondent à la
configuration de l’extension GPIO.
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