systemes embarqu s pour la sant

SYSTEMES EMBARQUÉS POUR LA SANTÉ
DESCRIPTION
Définition
Les avancées dans de nombreuses disciplines
scientifiques et techniques ont favorisé le
développement des technologies pour la
santé. Parmi les progrès de ces technologies,
on peut citer l’aide à l’autonomie des
personnes dépendantes en raison de maladie
ou de handicap, l’aide au diagnostic ou à
l’acte chirurgical au moyen de dispositifs
peu invasifs et robustes ou encore les
biopuces.
Les systèmes embarqués pour la santé (SES)
sont
des
dispositifs
électroniques
biocompatibles
soumis
à
de
fortes
contraintes liées au milieu vivant et à
l’application.
Le
synoptique
définit
l’architecture d’un SES et ses interactions (IHM, milieu biologique, etc).
Le principal verrou est méthodologique. Il réside dans le caractère multidisciplinaire, qui
nécessite l’interaction et la collaboration d’acteurs du secteur de la santé et des
technologies de l’information.
Périmètre
Le périmètre de cette thématique de recherche a été discuté dans le cadre d’une
première journée thématique en juillet 2010 suivie d’un Barcamp en mars 2011. Ces
journées ont été co-organisées par les GDR STIC-Santé, ISIS et SoC/SiP. Elles ont permis
d’établir le périmètre des SES qui est composé de 5 thématiques :
•
Modélisation hétérogène
La modélisation permet de guider les choix de conception d’un système. Le SES se
caractérise par l’hétérogénéité de ses interactions avec les milieux sur lesquels il opère.
Un défi majeur consiste en la modélisation et la (co-)simulation, multi-échelle et multidisciplines, à quatre niveaux de modélisation : le vivant (ex : biochimie de la cellule ou
modélisation fonctionnelle d’un organe), l’interface (ex : échanges électrochimiques, nonlinéarité, échelle micro/nanoscopique), le dispositif médical (ex : co-simulation, prise en
compte de la consommation) et l’environnement applicatif (ex : intégration de facteurs
humains).
•
Energie et communication RF
Les SES doivent pouvoir s'affranchir de câbles pour communiquer avec des infrastructures
médicales, pour des raisons de fiabilité, d'ergonomie et de confort. Ceci suppose
l'utilisation de liaisons radio-fréquence. Le corps humain étant un milieu hétérogène
contraignant, les pertes sont généralement compensées par une augmentation de la
puissance d’émission qui peut entrer en conflit avec une source d’énergie limitée ou poser
un souci de bio-compatibilité. Ces contraintes doivent être prises en compte dans la
conception des unités RF (choix complexe des architectures d'émetteur et récepteur,
adéquation de l'antenne au signal, au milieu et à l'application), conditionnant en outre des
choix de codage, de modulation ou de forme d'onde.
•
Electronique
L’électronique se situe au niveau de la technologie et des fonctionnalités des circuits et
systèmes électroniques intégrés. Il s'agit ici du développement de circuits
microélectroniques analogiques et numériques à très faible consommation, au cœur de
dispositifs médicaux implantables, autonomes et fonctionnant en boucle fermée. De plus,
les aspects de sureté de fonctionnement et de sécurité, spécifiques au domaine de la
santé, sont prises en compte dans des architectures de circuits paramétrables et autoadaptatifs. Enfin, la micro et nano-électronique permet l'exploitation les nouvelles
nanotechnologies pour les capteurs ou actionneurs du vivant, en facilitant l'interface entre
matière organique et inorganique au niveau cellulaire voire sub-cellulaire.
•
Adéquation algorithme architecture
Un des objectifs majeurs est de dimensionner le plus justement possible l'architecture
électronique au traitement algorithmique pour réaliser une implantation optimisée du
système. Le cadre des SES amène des contraintes supplémentaires de sureté de
fonctionnement, d'acceptabilité du dispositif par le patient et de synergie des système
hybrides (composés de milieux artificiels et vivants). Cette optimisation multi-critères rend
ardue l'identification de la solution optimale qui ne peut être garantie étant donné que le
problème est NP-Complet. On cherche dans ce contexte une solution approchée
identifiable plutôt qu'une solution exacte obtenue dans un temps non compatible avec un
temps de développement humain.
• Traitement et analyse de l’information
On s’intéresse ici principalement aux traitements de l’information embarqués dans les SES
ou les interfaces depuis le traitement des signaux bruts, l’extraction de leurs paramètres
caractéristiques et l’analyse des données ainsi produites (y compris éventuellement pour
réaliser des autotests intégrés). Pour les interfaces il s’agit de rendre l’information
intelligible à l’utilisateur, de lui permettre d’interagir avec cette information, en tenant
compte de ses facultés cognitives (formation, gouts) et physiques (dextérité). Pour les
actionneurs il s’agit de transformer une décision de haut niveau en une séquence d’actions
de bas niveau avec le compte-rendu d’exécution. Les enjeux concernent l’adaptabilité,
l’interopérabilité, la génération d’alarmes sur meta-seuils, la contextualisation des
traitements et le déploiement dans le cadre de la télémédecine
Mots clés
Electronique biomédicale, Microélectronique, Biocapteurs, Biopuces, interface nano-bio,
Récupération et gestion d'énergie, bio-compatiblité, électronique embarquée, biosignaux,
électronique basse consommation, modélisation hétérogène, optimisation multi-critère,
fusion de données.
2020 : The Big Picture
Toutes les études prospectives à moyen terme convergent vers le développement
d’applications visant la prévention, la surveillance et la thérapie en temps réel des
patients ou de personnes à risques telles que les personnes âgées. Ces applications doivent
allier entre autres, souplesse de mise en œuvre, ergonomie, fiabilité et sécurité, faible
consommation, encombrement minimal, communications versatiles et réseauxcompatibles. Ces prospectives ont motivé la croissance de secteurs spécifiques telles que
la télémédecine ou les dispositifs médicaux implantables. Ces domaines font appel à des
systèmes électroniques dédiés basés sur des architectures matérielles et logicielles ad hoc
qui intègrent une caractéristique « prévision temps réel » forte. L’exploitation des
résultats de cette prévisibilité est contrainte par une intervention humaine directe limitée
(par exemple une maintenance occasionnelle par télémétrie donc pas en temps réel) voire
impossible (patient circulant librement). Il s’agit là de quelques défis majeurs relatifs aux
SES.
Il n’existe pas à notre connaissance d’études chiffrées sur les SES dont l’identification est
récente mais dont le développement est appelé à une très forte croissance. Parmi ces
systèmes, certains sont implantés dans le corps, on parlera alors de dispositif médical actif
implantable (DMIA). C’est une part importante des SES. On peut raisonnablement se baser
sur des études relatives à ces DMIA pour une prospective sur les SES. Selon une étude
américaine (citée dans Kurtz et al., 2010*) qui analyse les 33 milliards de dollars US de
l'industrie du dispositif médical implantable ces systèmes sont appelés à un croissance
exponentielle. Cette étude se base sur un historique des années 1999, 2004 et 2009 pour
établir par extrapolation les prévisions pour 2014 et 2019. La demande pour les dispositifs
médicaux implantables devrait ainsi connaître une croissance de 8,3%/an jusqu'en 2014 et
doubler en 2019. Une étude française moins fiable va au delà et précise que les dispositifs
médicaux implantables représentent un marché de 40 milliards de dollars avec une
croissance de 7,7 % en 2010 (Coexel, 2011**). Au delà de ces différences de chiffres, il est
évident que cette progression sera conduite par le développement de dispositifs de
prochaine génération basés sur les nouvelles technologies et des évolutions et
améliorations des matériaux.
A l’horizon 2020, on peut prédire que les systèmes embarqués pour la santé évolueront
vers des dispositifs submillimétriques dont les fonctions seront de mesurer avec une très
haute précision des paramètres physiologiques, de les analyser et de les corriger par
l’injection régulée d’un produit médicamenteux ou par le biais de micro-actionneurs
commandés électroniquement. Des sensibilité de l’ordre du picoTesla sont attendues pour
des biocapteurs magnétiques destinés à des applications biomédicales. Les cargos
médicamenteux à l’échelle nanométrique seront autant d’objets aux interfaces avec le
vivant à maîtriser par des caractérisations par une nanométrologie*** dédiée.
Ces dispositifs seront organisés sous forme de réseau sur des échelles de diffusion multiples
localisées ou généralisées. De nouveaux moyens de communication devront opérer de
façon robuste dans des environnements sévères (compatibilité électromagnétique,
obstacles, corrosion, compatibilité des normes). Des systèmes RF à ultra basse
consommation et le SES dans son ensemble devront bénéficier d’une alimentation assurée
par exemple au moyen de mécanismes de récupération d’énergie liée au mouvement ou
par transformation biochimique à l’interface avec le vivant.
Ainsi, dans leur dimension d’interactions avec le vivant, les verrous à résoudre pour les SES
relèvent de la miniaturisation garantissant une portabilité, de l’autonomie intrinsèque à
l’embarqué, de l’intelligence artificielle nécessaire à la communication et d’une
métrologie à base de capteurs à très haute sensibilité et fiabilité assurant un signal
biologique ou physiologique exploitable. Une nanométrologie est ainsi à inventer. Ceci
passe au niveau scientifique par une modélisation fine à différentes échelles de systèmes
hétérogènes ou hybrides caractérisés par l’intégration du vivant ou du biologique mais
également par des contraintes méthodologiques définies par la nécessaire collaboration en
Kurtz S M, Ochoa J A, Lau E, Shkolnikov Y, Pavri B B, Frisch D and Greenspon A J 2010 Implantation trends
and patient profiles for pacemakers and implantable cardioverter defibrillators in the United States: 1993–2006
Pacing and Clinical Electrophysiology 33 705-11
**
Coexel 2011 Les "dispositifs médicaux implantables" en quelques mots… in :
http://www.coexel.com/implantablemedicaldevice/
***
Le club nanométrologie créé en octobre 2011 a déjà prévu un groupe de travail dédié à la santé
(https://www.club-nanometrologie.fr)
*
amont et en aval dans tout projet entre des disciplines très variées.
Les SES nécessitent des réflexions et des actions en conception et réalisation impliquant un
travail pluridisciplinaire entre des cultures scientifiques différentes. Cette orthogonalité
entre disciplines « actrices » des SES est en elle même un verrou principal qui gouverne
des verrous secondaires (mais essentiels) plus scientifiques ou technologiques.
ACTEURS
Acteurs européens hors France
Les principaux acteurs académiques en Europe sont: Institut Fraunhofer (Allemagne), IMEC
(Belgique), IMTEK (Allemagne), Université de Delft (Pays Bas), Université de Maastritch
(Pays bas), Institut of Biomedical Engineering (Italie), Aston University (UK), ETH Zurich
(Suisse), EPFL (Suisse), etc.
Acteurs industriels européens :Valtronic, NXP, STMicro, FOVEA, NEURELEC, SORIN, STAGO,
OMRON, etc.
Acteurs internationaux hors Europe
Les acteurs académiques internationaux hors Europe sont: Polystim Montréal (Canada), U.
Michigan (USA), U. Utah (USA), Georgia Tech (USA), Tokyo University (Japon), etc.1
Acteurs industriels internationaux sont : Boston Scientific, Medtronic, Minco, GE, Futjitsu,
Olympus, TSMC, etc.
Acteurs académiques français
Les acteurs académiques français répertoriés sont: ESIGETEL, ETIS, G-SCOP, IEF, IETR, IMS,
InESS, INL, IRIT, LabSTICC, LE2I, LIEN, LIP6, LIRMM, MTIC, Télécom Bretagne, TIMA, TIMC,
UTC, UTT
Estimation de la communauté académique française en 2011
Nombre d’équipes académiques en France : 20 (estimation / participants journée
thématique) soit environ 200 personnes
DÉFIS
Modélisation
- Modélisation de systèmes hétérogènes, de systèmes hybrides et à multi-échelles, du
vivant à l’applicatif en passant par le transducteur et son interface avec le vivant.
Energie et RF
- Mécanisme de récupération d’énergie à haut rendement
- Biopile
- Transceiver nanowatt
Electronique
- Interface nano-bio
- Circuit auto-adaptable
“A framework for Biolectronics : Discovery and Innovation”, US_2010 Bioelectronics_report.pdf,
http://www.nist.gov/pml/div683/bioelectronics_report.cfm
1
-
Electronique basse-consommation
Adéquation algorithme architecture
- Optimisation multi-critère
- Passage à l’échelle
- Transceiver nanowatt
Analyse et traitement
- Identification de signature
- Contextualisation
- Classification et alarme