Axes de recherche et projets

L'utilisation d'un lien inductif est une solution couramment utilisée afin de transmettre l'énergie et les données vers un stimulateur implanté. Par contre, cette solution souffre d'un problème au niveau de l'efficacité du transfert de puissance due à un mauvais couplage entre les antennes. Nous avons mis sur pied un système de régulation de la puissance avec rétroaction afin de contrôler l'énergie transmise de façon dynamique. Cette boucle de régulation de la puissance est basée sur une communication de données fiable et efficace entre l'implant et le contrôleur externe. Les méthodes de modulation pour le lien montant et descendant sont respectivement BPSK et LSK. Les trois modules cruciaux de cette interface sans-fil (circuit de recouvrement de la puissance, convertisseur analogique à numérique et démodulateur BPSK) ont été implémenté dans la technologie CMOS 0.18um. Les résultats des tests expérimentaux sont attendus pour bientôt. La prochaine étape de ce projet est l'assemblage final du système et son intégration au sein de plusieurs applications de notre équipe.

Afin de diagnostiquer les dysfonctions du système respiratoire, les médecins peuvent se baser sur l'activité électrique du diaphragme (EMGdi) et sur ses caractéristiques physiques (Pdi). Notre équipe propose un nouveau cathéter combinant la mesure de ces deux paramètres. Ce système est composé de deux microcapteurs de pression sur silicium (MEMS) et d'une nouvelle géométrie d'électrode oesophagien. Cette nouvelle électrode est conçue pour filtrer naturellement les artéfacts cardiaques sans utiliser les complexes algorithmes mathématiques présentement employés pour les éliminer. Le traitement et la numérisation des signaux est fait localement afin de minimiser l'addition de bruit. Les données sont transférées via une connexion BluetoothTM sans-fil à haute bande passante (2.4Ghz). Le système en entier est intégrer sur un cathéter de 5mm de diamètre. Des simulations électromagnétiques de la nouvelle électrode ont montré des résultats intéressant au point de vue de l'élimination des artéfacts cardiaques. Le capteur de pression piézoélectrique a été réalisé dans la technologie CMOS 1.5um et un prototype de cathéter incluant la nouvelle électrode a été fabriqué dans le but de valider les résultats obtenus en simulation. Le système d'acquisition faible bruit a été implémenter dans la technologie CMOS 0.18um. Les microcapteurs de pression seront reliés à un circuit imprimé flexible afin d'être incorporés au cathéter. Ce nouveau cathéter sera testé sur des patients afin de le comparer aux modèles déjà existant.

Les lésions de la moelle épinière entrainent l'incontinence et/ou des problèmes de rétention de l'urine lié à un manquement de l'information du niveau d'urine vers le cerveau. Les multiples cathérisations que doivent subire les patients entrainent des complications sévères(sphincter, vessie et rein). L'hyperreflexie de la vessie (contraction simultanée de la vessie et du sphincter) est difficilement traitable avec la médecine traditionnelle. L'utilisation de la stimulation électrique est une solution courrament utilisée afin de récupérer les fonctions de la vessie. Par contre, la stimulation conventionnelle des nerfs de la vessie entraine à la fois une contraction de celle-ci et du sphincter, résultant en une évacuation partielle de l'urine. La solution à ce problème, la rhizothomie, entraine de lourd effet secondaire et n'est pas des plus populaires au près des patients. Notre équipe propose une double technique de stimulation: une stimulation sélective des différents muscles permet d'évacuer l'urine efficacement et une stimulation permanente à basse fréquence permet un traitement de l'hyperreflexie et maintient la vessie en bonne condition. Un stimulateur implantable réalisant ces deux techniques a été réalisé par notre équipe pour des tests in-vivo. Nous en sommes rendus à l'étape d'intégration de ce stimulateur sur une même puce. Un tout nouveau stimulateur a été implémenté pour permettre l'évacuation volontaire de l'urine, la suppression des symptômes de l'hyperréflexie et la mesure de l'état du contact entre le nerf et les électrodes. De plus, une nouvelle stimulation sélective permettant la génération de forme de stimuli variés a été réalisée. Ce stimulateur a été réalisé avec la technologie CMOS 0.18 um et occupe une superficie de 4 mm2. Des résultats expérimentaux préliminaires ont prouvé le bon fonctionnement de ce microstimulateur.

Les processus neuronaux derrière la vision ne peuvent être compris sans l'aide d’une interface entre le cerveau et un ordinateur permettant d'acquérir et traiter l'activité d'un grand nombre de cellules visuelles en temps réel. Un système d'acquisition de donnée complètement implantable capable d'enregistrer avec une grande qualité plusieurs canaux simultanément est requis pour l'acquisition des signaux du cortex visuel. Le système proposé par polystim utilise les dernières techniques de conception afin de minimiser la consommation et d'obtenir un très faible taux de bruit pour l'amplification des signaux neuronaux tout en utilisant le moins d'espace possible. Ce système implantable inclus: une matrice de microélectrodes connectée à la puce en utilisant la technologie flip-chip; an analog front-end  per channel to limit noise and DC offset; a wavelet transform signal processor to compress and improve precision of extracellular signals detection; un convertisseur analogique à numérique. Les potentiels d'action mesurés sont transmis vers l'extérieur via un lien inductif à un ordinateur pour être analysés. Les résultats préliminaires démontrent la faisabilité de réaliser un canal d'acquisition ne consommant que quelque dizaine de microwatts avec un bruit par entrée très faible. The front-end and the wavelet processor ont été implémentées dans la technologie CMOS 0.18um. Les prochains travaux incluront les tests in vivo des prototypes et l'analyse des données expérimentales.

Chaque année aux États-Unis seulement, près de 260 000 personnes subissent une amputation des membres inférieurs. La société Victhom Bionique Humaine est maintenant reconnue pour avoir développé la première jambe bionique au monde. Cette prothèse motorisée fonctionne présentement à l'aide de capteurs externes. Le capteur neuroélectronique, développé par Polystim en collaboration avec Victhom, est composé d'un contrôleur externe et d'un capteur implantable et est destiné à contrôler avec précision la jambe bionique à partir de l'interprétation des signaux neuronaux des membres inférieurs. Le contrôleur est programmé via un PC et transmet ensuite les données au capteur par lien RF. Celui-ci peut alors acquérir des données et les retourner vers le contrôleur externe. La partie implantable du système, alimentée via un lien inductif, requière une circuiterie miniature, robuste et consommant très peu d'énergie. Elle doit inclure un amplificateur faible bruit, des filtres, un amplificateur opérationnel programmable et un convertisseur analogique à numérique en plus du circuit de contrôle et de communication. Un prototype a été réalisé en utilisant des composant discret disponible sur le marché afin de tester l'architecture choisie et de prouver la faisabilité du projet. L'intégration sur une puce est déjà démarrée.

La stimulation du cortex visuel tel que polystim a choisi de la faire requière une interface adaptée un environnement aussi hostile que délicat. Afin de stimuler le cortex visuel et de produire des points lumineux précis dans le champ visuel du patient en n'utilisant que de faibles courants, la meilleure approche est d'utiliser une matrice de microélectrode pénétrant le cerveau à une profondeur de 1,5mm. Ces électrodes doivent posséder une faible impédance, une excellente biocompatibilité et de bonne caractéristique mécanique. Notre matrice est machinée à partir d'acier inoxydable ou de titanium avec un procédé EDM. La surface de métal est électro-chimiquement traitée et des pointes en titanium sont déposées au bout des électrodes.  Une base isolante en époxy et un enduit biocompatible complète la fabrication. Un bon nombre de matrices d'électrode sont présentement fabriquées pour des tests in vivo. Les premiers résultats d'implantation et la grande flexibilité de notre dispositif permettront une optimisation rapide de ses propriétés.

Dû au fait que les images induites par stimulation du cortex visuel ne peuvent être de haute qualité, des modifications doivent leur être apportées afin d'aider le patient à les interpréter. Les images doivent donc être adaptées et les informations 3D de la scène doivent être calculées. L'acquisition des images est effectuée à l'aide d'un capteur CMOS constitué d'une matrice de capteurs représentant chaque pixel de l'image. L'information 3D de la scène est calculée à l'aide du principe de triangulation à partir des informations recueillies par une matrice de miroirs réfléchissant une lumière infrarouge sur un capteur. À partir de ces informations, une carte de phosphènes (points brillants dans le champ visuel du sujet) est générée. Les trois principales étapes du traitement sont les suivant: - prétraitement (Histogram equalization) - traitement (segmetation, thresholding) - génération de la carte de phosphène Tout dépendant de la situation, différent effets peuvent être obtenus : lecture, déplacement intérieur/extérieur, etc.

Il y a plus de quatre millions d’aveugles dans le monde occidental et on dénombre plus de 25000 nouveaux cas annuellement. Le désir "de voir" et de fonctionner normalement est très répandu chez ces individus. L’équipe polystim est à créer une prothèse visuelle intra corticale sans-fil dans le but de leur donner ou redonner ce sens des plus importants. Ce dispositif se compose d’un système d’acquisition d’image et de traitement qui transmet des instructions via un lien sans-fil vers un stimulateur implantable rattaché au cortex visuel dans le cerveau. La partie implantable du système se compose d’un module central dont la tâche est de récupérer, à partir le signal radiofréquence, l’énergie et les données et de contrôler une multitude de microstimulateurs afin d’induire des points lumineux dans le champ de vision du sujet.  Pour ceci, des composants performant, à faible consommation de puissance et très fiables doivent être conçus et fabriqués. Jusqu'à maintenant,  un stimulateur entièrement intégré comprenant un contrôleur numérique flexible avec un protocole de transmission configurable, des générateurs de courants souples et des circuits de monitoring faible puissance ont été implémentés avec succès dans la technologie CMOS 0,18um. On s'attend à ce que la validation in vivo expérimentale commence dans les prochaines étapes grâce à une association avec l'institut neurologique de Montréal de l’université McGill.

La perte d’un œil n’est pas rare. Environ 100,000 – 200,000 personnes/année perdent un œil (Society for prevention of blindness). Ce phénomène a un grand impact sur l’image de soi et sur la confiance en soi. Bien que le remplacement de cet organe par un œil prosthétique ne restaure pas la vision, celui-ci apporte une amélioration esthétique et a un grand effet psychologique sur le patient. Ce projet porte sur la conception d’un dispositif qui permet à la pupille de l’œil prosthétique de se contracter et de se dilater en fonction de la quantité de lumière exposée à l’œil. La pupille que nous prévoyons fabriquer a une taille identique à la pupille naturelle, soit un diamètre de 12 mm. Il y a une surface fixe de 4 mm2 qui n’est pas influencée par la quantité de lumière. Le capteur de lumière sera installé dans cette région. Le contrôleur a été conçu et fabriqué avec la technologie CMOS 0.18 um. La taille de la puce conçue est de 1.25 mm x 1.05 mm.

L'objectif de la recherche est de développer une Micro-Nano puce implantable dans le cerveau pour suivre l'évolution de ce dernier et prévenir les maladies. Pour y parvenir une réalisation d'une Micro-puce (Laboratoire-sur-puce) capable d'aller chercher l'information au niveau des connexions neuronales est notre but ultime. Ce micro système est une combinaison de circuits micro-électroniques, micro-électrodes, un circuit de contrôle et de commande et des composantes microfluidiques et chimiques. Ainsi, le micro système formé, tel que montré dans les figures ci bas, est un laboratoire sur puce dont l’objectif est d’explorer, analyser et superviser l’activité neuronale au niveau du cortex cérébrale. Le projet se compose de plusieurs volets multidisciplinaires : Aspect microfluidique dont l’objectif est de trouver l’architecture idéale pour la manipulation des cellules et neurotransmetteurs d’une façon optimale Aspect microélectronique pour assurer le contrôle de l’architecture Aspect chimique pour optimiser la détection et la sélectivité Aspect physique pour trouver le procédé de fabrication optimale pour la fabrication microfluidique. Notre équipe de recherche a déjà conçu et développer un capteur capacitif très performant ayant une sensibilité de 530 mV/fF. Le capteur a été fabriqué avec la technologie CMOS 0.18 ?um et intégré à l’intérieur d’un canal microlfuidique conçu en utilisant la technique d’injection directe (Direct-Write microfluidic Fabrication Process (DWFP). Ci dessous le circuit électrique du capteur en question ainsi qu’une photographie du système hybride développé.

Les dispositifs médicaux intelligents implantables, qui combinent des capteurs et/ou des actuateurs avec des circuits intégrés, ouvrent la voie à des applications fascinantes. Aujourd'hui, la possibilité d'utiliser la technologie CMOS pour intégrer des circuits RF, numériques, et même certains types de capteurs sur une même puce, suscite un vif intérêt dans un domaine nouveau: celui des réseaux de capteurs implantables, ou BSN (Body-Sensor Networks) et leurs applications en recherche biomédicale. Typiquement, les noeuds d'un tel réseau de capteurs implantables accumulent des mesures de façon continue sur une certaine période de temps puis transmettent l'information par paquets vers une station de traitement distante à l'aide d'un lien RF. Tel qu’illustré dans la figure ci bas, l'implantation dans le corps de tels réseaux de capteurs sans-fils permettraient de surveiller, détecter ou même combattre différentes maladies, et ce de manière in situ. Dans cette optique, nous proposons de concevoir un synthétiseur de fréquences RF destiné aux microsystèmes implantables de biotélémétrie à l'aide d'un procédé CMOS nanométrique opérant avec une alimentation inférieure à 1-V. Bien que les performances RF des transistors nanométriques soient très attrayantes, la tension d'alimentation très basse ainsi que l'impédance de sortie limitée de ces transistors compliquent la conception de circuits analogiques tels les miroirs de courants, les pompes à charges, etc. Des méthodes de conception électronique innovatrices devront être utilisées et des compromis judicieux devront être faits afin d'obtenir les performances requises au niveau du bruit de phase, du temps de démarrage, de la consommation de puissance, etc. L'utilisation d'un procédé nanométrique CMOS, conjointement avec des techniques de conception de circuits analogiques à faible puissance telle la méthodologie gm/ID, permettront d'implémenter ce synthétiseur à consommation de puissance ultra faible.

Les signaux électromyogrammes diaphragmatiques (EMGdi) sont utilisés dans divers champs d’applications comme le diagnostique des pathologies respiratoires et le contrôle de la respiration artificielle. Cependant, les EMGdi acquis via les systèmes d’acquisition actuels sont toujours contaminés par les signaux électrocardiogrammes (ECG). Étant donné que les signaux EMGdi et les signaux ECG n’ont pas des domaines spectraux distincts, l’élimination des ECG, surtout en temps-réel et d’une manière automatique , n’est pas une opération simple. Dans ce projet de Maîtrise, on propose une technique hybride efficace de suppression, en temps-réel, des ECG contaminant les EMGdi. Cette technique est capable d’être intégrée dans le système d’acquisition qui sera présenté dans le paragraphe qui suit. Une validation matérielle de cette méthode sera également proposée dans le cadre de ce projet. Les validations, logicielle et matérielle, de la méthode proposée seront faites à travers des tests sur des signaux acquis via le système d’acquisition présenté dans la figure ci-dessous.   Système d’acquisition des EMGdi: Les étapes d’acquisition des EMGdi avec le système de la figure ci-dessous peuvent être résumées comme suit: un cathéter d’un diamètre de 2 mm est inséré à travers l’œsophage jusqu’à l’estomac. Cinq électrodes anneaux d’une largeur de 2 mm et séparées par une distance de 1.5 cm sont fixées sur ce cathéter. Les EMGdi de faibles amplitudes acquis via ces électrodes sont tout d’abord amplifiés, puis conditionnés par une carte externe. Ensuite, les EMGdi sont numérisés par un convertisseur analogique/numérique (CAN). Finalement, les échantillons d’EMGdi sont traités par deux microcontrôleurs qui forment des paquets et les envoient par le biais d’une liaison Bluetooth à un PC pour les enregistrer.   Implémentation de la technique hybride: La technique hybride proposée est composée de deux blocs de traitement en série: un bloc implémentant un algorithme adaptatif et un bloc implémentant un filtre passe-haut de Butterworth. Quatre paramètres peuvent être fixés pour avoir des résultats optimaux. La validation logicielle de cette méthode a été faite en implémentant cette dernière en langage Labview. La validation matérielle a été faite via le système présenté dans la figure ci-dessous.

Le décodage à seuil itératif de codes convolutionnels doublement orthogonaux (CSO2C) constitue un nouvel algorithme performant de correction d'erreurs. Cependant, les implémentations de ce type de décodeur qui ont été réalisées à ce jour ne sont pas suffisamment rapides pour les applications actuelles en télécommunication. De plus, ces implémentations ne supportent qu'un seul taux de codage R = 1/2.   Dans le cadre de ce projet, un prototype à haut débit et de faible complexité du décodeur à seuil itératif a été réalisé. Une technique efficace de pipelinage a été développée et appliquée sur l'architecture du décodeur afin d'augmenter son débit qui a passé de 40 Mbps à 265 Mbps pour certains codes. D'autre part, sachant que la perforation de codes CSO2C permet d’augmenter le taux de codage, les modules de perforation correspondants ont été développés et intégrés dans le système. Ces modules supportent les codes à taux-compatible qui peuvent fonctionner à plusieurs taux de codage allant de R = 1/2 à R = 8/9.   Finalement, une autre approche qui consiste à introduire les codes CSO2C à multi registre à décalage (MSR-CSO2C) a été utilisée pour augmenter le débit du décodeur. Les conditions de double orthogonalité des codes MSR-CSO2C ont été étudiées et un ensemble de codes MSR-CSO2C a été déterminé. Puis, un prototype du nouveau décodeur de codes MSR-CSO2C a été implémenté. Les résultats expérimentaux ont montré que les codes MSR-CSO2C offrent un compromis attrayant entre débit, complexité et performances d'erreurs. Ainsi, le prototype développé pourra être appliqué dans les systèmes de communication à haut débit.

Une interface cortex-machine (ICM) est nécessaire pour capter et traiter l’activité bioélectrique provenant de grands réseaux de neurones en temps réel à des fins d’études en neuroscience expérimentale ou pour contrôler une neuroprothèse. Notre équipe propose une architecture ICM implantable miniature et basse consommation. Le microdispositif est composé de :

• Une matrice de microélectrodes.
• Une puce analogique et mixte pour traiter et numériser les signaux bioélectriques.
• Une puce numérique pour le traitement numérique des signaux et le contrôle.
• Une analogique et numérique puce pour la télémétrie.

Un prototype comportant 16 canaux et deux puces de traitement des signaux à été conçu et fabriqué dans un procédé CMOS 0.18 µm. Le microsystème consomme 138 µW par canal et fait 2.3 mm2 de surface. Le prototype fera l’objet de tests in vivo.