(3 crédits) PLAN DE COURS Session Automne 2014

Cours : GBM8320
Dispositifs médicaux
intelligents
(3 crédits)
Département de génie électrique
C.P. 6079, Succ. Centre-ville
Montréal (Qc) Canada,
H3C 3A7
COURS:
Professeur :
Session
Automne 2014
PLAN DE COURS
Leçons magistrales :
(3 heures/semaine)
Lundi 12h45 - 15h35
Local : A-401
Travaux pratiques :
(1,5 heure/semaine)
Vendredi 13h45 - 16h35
Travail personnel:
Connaissances requises:
(4,5 heures/semaine)
ELE2310 & ELE8304 ou équivalents
Lab. VLSI, Salle L-5904
Mohamad Sawan (bureau M5418), [email protected]
Chargé de laboratoire: Mohamed Zgaren, [email protected]
Note: Pour une copie électronique de ce plan, ainsi que pour toute nouvelle information pendant
la session, consultez la page web du cours au: http://www.groupes.polymtl.ca/gbm8320/
INTRODUCTION
De nos jours, les dispositifs médicaux intelligents, particulièrement les systèmes
neuromusculaires implantables, connaissent une évolution remarquable, entre autres, dans les
domaines de surveillance, mesures, injection de médicaments, stimulation électrique, etc. Les
applications de ces dispositifs médicaux sont de plus en plus nombreuses, plus particulièrement la
mesure et le traitement dédiés aux dysfonctions du système nerveux centrale. À titre d’exemple la
simulation du cerveau dans le cas du Parkinson, Alzeimer, épilepsy, etc. Ainsi que dans la mise en
œuvre d’interfaces ordinateur-cerveau destinées à la surveillance dans le but d’apprendre sur le
mécanisme du fonctionnement de régions spécifiques du cerveau.
Une récente étude estime que les maladies liées au cerveau affectent plus de deux milliards
de personnes au monde. Le budget annuel de traitement de telles maladies dépasse les $2 trillions,
dont plus de 50% sont en Amérique du nord. Les investissements dans ce domaine de
neurotechnologies ont dépassé $1.5 milliards en 2007 et représente environ 7.5% d’augmentation
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GBM8320-Dispositifs médicaux intelligents (suite)
annuelle. Aussi, les revenus annuels ont dépassé $120 milliards, incluant produits
pharmaceutiques de $100 milliards, dispositifs neuronaux $5 milliards et outils de diagnostique
$15 milliards. Plus de 500 compagnies sont en opération actuellement et des nombreuses autres
sont en préparation.
Le cours GBM8320 vise à donner une formation spécialisée sur les nouveaux dispositifs
médicaux intelligents en mettant l’emphase sur la conception des circuits électroniques intégrés
dédiés aux systèmes implantables servant à la surveillance et à l’électrostimulation
neuromusculaire. Le cours s'adresse aux étudiants de l'un ou l'autre des programmes (ingénierie et
recherche) aux études supérieures en génie biomédical et plus particulièrement ceux de génie
électrique.
DESCRIPTION DU COURS
Éléments de physiologie : système nerveux central et périphérique, types de nerfs,
conduction neuronale, biopotentiels. Électrodes et capteurs: modèles électriques, matériaux,
réseaux d’électrodes, types de capteurs. Circuits d’interfaces : bio-amplificateurs, considérations
pratiques de mise en œuvre. Principes biophysiques de la stimulation électrique et magnétique
neuromusculaire. Circuits électroniques des stimulateurs : stimulateurs neuronaux pour le système
nerveux central (cochléaire, visuel, Parkinson, tumeurs, dystonie, épilepsie, apnée du sommeil,
douleur) et le système nerveux périphérique (mouvements de membres, système urinaire,
paralysie, épilepsie et dépression, douleur).
OBJECTIFS GÉNÉRAUX DU COURS :
À la fin du cours GBM8320, l'étudiant devrait être en mesure :
•
D’être familier avec les divers paramètres biologiques de l’électrostimulation ;
•
D'expliquer le principe de fonctionnement de divers capteurs et électrostimulateurs ;
•
De concevoir des circuits d’acquisition de signal de très faible amplitude ;
•
De concevoir des prototypes d’électrostimulateurs ;
•
D’assurer un suivi relativement aux progrès technologiques dans le domaine des circuits et
systèmes biomédicaux ;
De plus, par le biais des travaux pratiques qui visent à développer des habiletés en conception et
réalisation de dispositifs médicaux variés, spécifiquement les implants dédiés à la surveillance et à
l’électrostimulation, l’étudiant (e) serait capable :
•
de réaliser des interfaces configurables aux capteurs ;
•
de réaliser des circuits d’électrostimulateurs ;
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•
de mesurer les performances des circuits réalisés au laboratoire.
MÉTHODE PÉDAGOGIQUE
Ce cours vise à donner, à l'aide d'une partie théorique, une vue globale des différents
aspects de dispositifs médicaux, de façon à permettre aux étudiants de maîtriser les technologies
disponibles de manière adéquate. La seconde partie consiste en des travaux pratiques comportant
une introduction aux outils de conception, ainsi que de travaux de laboratoires dédiés à la
conception et validation de circuits et systèmes biomédicaux. Une importance majeure sera
accordée à la réalisation d'un projet tiré de différentes applications réelles de dispositifs
médicaux, en particulier les interfaces aux divers capteurs et actuateurs (stimulateurs). Ce projet
fera l'objet du travail d'un seul étudiant ou d'une équipe des 2 étudiants, si cela peut être justifié.
En tout, 9 heures de travail environ par semaine (cours, lecture et TPs) seront nécessaires.
ÉVALUATION
Deux travaux: 10% + 15%,
Projet: 50%,
Examen final: 25%.
DÉROULEMENT DES TRAVAUX PRATIQUES
Les durées totales de travaux pratiques sont: travail #1 (2 semaines), travail # 2 (3 semaines)
et projet: (7 semaines). Ces travaux traitent des sujets variés tel que l’analyse et la simulation des
circuits analogiques élémentaires (sources de courant, références de tension, opération sous-seuil
de transistors, etc.). D’autres travaux de complexité moyenne concernent la conception de
fonctions analogiques et mixtes élaborées tels que intégrateurs, comparateurs, bioamplificateurs,
convertisseurs, etc. De plus, le cours englobe un projet d’envergure de design et d’implémentation
(et possibilité de réalisation) de systèmes complets intégrant divers blocs traités dans les premiers
travaux ou ceux vus en classe. Des interfaces de capteurs et stimulateurs, circuits de
communications entre ces interfaces et le milieu biologique (électrode ou autres adaptateurs) ou
avec le monde extérieur par divers liens, entre autres, sans fil feront l’objet de tels projets.
Chaque étudiant doit remettre au chargé de laboratoire, un rapport pour les travaux de
laboratoire. En ce qui concerne le projet, tout étudiant doit rédiger un article scientifique de quatre
pages (deux colonnes, simple interligne) sur son projet et ses résultats dans le format IEEE (un
exemple vous sera fourni). Les étudiants participeront à l'examen des projets réalisés de leurs
collègues. De plus, tous les travaux seront exposés en classe (20 minutes maximum par exposé).
Ces travaux seront notés en donnant du poids à l'originalité, aux résultats, à la clarté de préparation
des articles et à la qualité de l'exposé orale. Voici quelques exemples de projets prévus :
•
Bioamplificateur et capteurs variés (température, pression, concentration ionique, etc)
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•
Biotélémètre et récolte de l’énergie
•
Microstimulateurs implantables
•
Interface aux capteurs spectroréflectomètres, Oxymètre de pouls
•
Système d’acquisition d’EEG, d’EcoG, d’ENG, …
•
Détection et mesure de concentration de neurotransmetteurs.
•
Autres sujets de projet, pouvant être basés sur des circuits discrets, seront discutés en classe.
PLAN DU COURS:
1. Introduction (6 h)
o Histoire des stimulateurs implantables et principales applications.
o Éléments de physiologie : régulation de la température, pression, oxygénation, etc.
o Système nerveux central et périphérique, types de nerfs, conduction neuronale,
biopotentiels.
o Modèle de la membrane Hodgkin-Huxley.
2. Électrodes et capteurs (6 h)
o Modèle électrique de l’électrode. Type de matériaux et considérations pratiques. Électrodes
à gaines, réseaux d’électrodes.
o Types de capteurs (piézoélectrique, MEMS, etc.).
3. Circuits d’interfaces (9 h)
o Bio-amplificateurs. Considérations pratiques de mise en œuvre.
o Conception et expérimentation des circuits électroniques d’interfaces aux capteurs.
Exemples : gaz, pression, ENG, etc.
4. Électrostimulation (12 h)
o Principes biophysiques de la stimulation électrique et magnétique des nerfs et des muscles.
Neuromodulation, neurostimulation et stimuli.
o Conception des circuits électroniques des électrostimulateurs
o Stimulateurs neuronaux dans le système nerveux central: cochléaire, visuel (rétinal et
autres), Parkinson, tumeurs, dystonie, épilepsie, apnée du sommeil, douleur.
o Stimulateurs neuronaux dans le système nerveux périphérique : mouvement de mains et
bras, aide à la marche, blessure de la moelle épinière, incontinence, paralysie, épilepsie et
dépression (Nerf Vague), douleur.
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o Stimulateurs musculaires.
5. Révision et présentations de projets (4 h)
6. Autres
o Outils de conception et simulation, considérations pratiques d'intégration;
o Techniques de conception: sources de bruit, circuits à faible alimentation, etc. ;
RÉFÉRENCES
1. S. Haddad and W. Serdijn, “Ultra Low-Power Biomedical Signal Processing, An Analog
Wavelet Filter Approach for Pacemakers”, Springer, 250 p., 2009.
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2008.
4. L.R. Squire et al., “Fundamental Neuroscience”, Third Edition, Academic Press, 2008.
5. P. Wallisch et al., “Matlab for Neuroscientists: An Introduction to Scientific Computing in
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6. ----, “The Neurotechnology Industry Report: Drugs, Devices and Diagnostics for the Brain and
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7. D.J. Dilorenzo and J.D. Bronzino, “Neuroengineering”, CRC Press, 408p., 2007.
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10. G.-Z. Yang, “Body Sensor Networks”, Springer, 485 p., 2006.
11. J.D. Bronzino, “Biomedical Engineering Fundamentals”, CRC, 2006.
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13. J. Enderle, S.M. Blanchard, and J. Bronzino, “Introduction to Biomedical Engineering”,
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14. K.W. Horch and G. Dhillon, “Neuroprosthetics: Theory and Practice”, World Scientific
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18. E. R. Kandel, J. H. Schwartz, and T. M. Jessell, "Principles of Neural Science", McGraw-Hill
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19. J.G. Webster, “Medical Instrumentation: Application and Design”, Wiley, 1997.
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21. L.A. Geddes and L.E. Baker, “Principles of Applied Biomedical Instrumentation”, WileyInterscience, 1989.
Livres CMOS/VLSI
22. R. Sarpeshkar, “Ultra Low Power Bioelectronics”, Cambridge, 889 p., 2010.
23. K. Iniewski, “VLSI Circuits for Biomedical Applications”, Artech House Publishers, 430 p.,
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24. R.J. Baker, “CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation”, Revised 2d Edition, Wiley,
2007.
25. H. Lee, D. Ham, and R.M. Westervelt, “CMOS Biotechnology”, Springer, 2007.
26. P.E. Allen, D.R. Holberg, “CMOS Analog Circuit Design”, Oxford University Press, 2002.
27. D. Johns and K. Martin, “Analog Integrated Circuit Design”, Wiley, 1996.
Autres
28. Liste des articles importants, de différentes revues et conférences, fournie séparément.
Montréal 29 août 2014
Mohamad Sawan, ing., Professeur
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