Descriptif technique du banc de stimulation

Le banc de stimulation du Centre d’IRM est un environnement matériel et logiciel permettant aux chercheurs en neuro-imagerie, neurosciences intégratives, psychologie cognitive ou clinique, d’interagir de la façon la plus complète et la plus précise possible avec des sujets (humains ou PNH) installés dans l’imageur IRM, afin de rendre possible le bon déroulement d’expérimentations en IRM fonctionnelle cérébrale.

Architecture en trois couches

Ce développement d’intégration instrumentale peut être représenté de façon formelle et fonctionnelle sous la forme d’une architecture à trois couches, impliquant essentiellement les trois domaines de l’informatique, de l’électronique et de la mécanique

  • La couche périphérique est la plus visible par les utilisateurs. Elle concerne l’ensemble des dispositifs de recueil des données comportementales et de stimulation du sujet. En un mot, il s’agit des dispositifs d’interaction et d’interfaçage avec le sujet.
  • La couche matérielle est clairement la moins visible : elle concerne l’ensemble des cartes d’entrées/sorties analogiques, numériques, vidéo, … ainsi que les dispositifs de conditionnement (filtrage, amplification, isolation, …)
  • La couche logicielle permet d’orchestrer le banc et de contrôler en temps-réel l’ensemble de cette chaîne synchronisée avec le système IRM. On y trouve évidemment l’environnement de programmation (LabVIEW en l’occurrence) mais également le système d’exploitation. Cette couche assure également l’interface
    conviviale et ergonomique avec l’expérimentateur (Interface Homme-Machine, IHM).

 

De l’équilibre, de la robustesse et de l’adéquation de ces trois couches dépend le bon fonctionnement de l’ensemble de l’environnement, en fonction des différents niveaux de fonctionnalité et d’exigence.

L’ensemble du banc modulaire est représenté sur la figure suivante. On retrouve les trois couches en jaune, orange et bleu clairs. Les modules verts sont la partie visible et utilisable par les utilisateurs (chercheurs, ingénieurs, étudiants).

Les trois couches sont détaillées ci-après.

Couche périphérique

– Stimulateurs

D’un point de vue matériel, les principaux périphériques de stimulation développés couvrent un large panel des entrées perceptives :

  • Stimulations visuelles : vidéo-projecteur LCD, matrices de diodes, lunettes à occlusion programmable
  • Stimulations auditives : systèmes pneumatiques, piézo-électriques, électrodynamiques
  • Stimulations cutanées : vibrateurs piézo-électriques, stimulation électrique
  • Stimulation olfactive : banc pneumatique de diffusion d’odeurs, synchronisé sur la respiration
  • Stimulation proprioceptive : vibrateurs pneumatiques asservis en pression

 

– Recueil de réponse des sujets

Dans un même ordre d’idée, les différents périphériques de recueil de réponses tendent également à couvrir le panel le plus large possible, en fonction des besoins des équipes :

  • Réponses comportementales à choix multiples : claviers ergonomiques 5 touches (main droite, main gauche), boutons réponses. Mesure précise des temps de réaction à l’aide de compteurs électroniques
  • Comportement visuel : Système d’Eye-Tracking EyeLink 1000
  • Réponses motrices : joystick amagnétique, trackball optique, mouvements articulaires, capteur optique de mouvements, capteur de force analogique
  • Réponse vocale : système optique d’enregistrement audio compatible IRM avec amplification et débruitage temps-réel
  • Réponses physiologiques : rythme cardiaque (pléthysmographie), respiration, réponse électro-dermale, déglutition, ElectroMyograGraphie (EMG)
  • Tablette graphique dédiée à des tâches d’écriture ou de pointage.

 

L’ensemble de ces périphériques (stimulateurs ou capteurs de réponses) sont soit développés au sein de notre plate forme ou en partenariat avec des acteurs locaux du notre réseau de compétence (écoles d’ingénieurs du bassin d’Aix-Marseille), soit achetés auprès d’industriels sous réserve de pouvoir en avoir une maîtrise parfaite et de pouvoir envisager leur évolution au sein même de notre plate forme.

Couche instrumentale

La couche instrumentale est le cœur du banc de stimulation. Elle est articulée autour de matériels National Instruments. Ce choix est le fruit d’un partenariat initié depuis plus de 10 ans et qui est ancré dans un réseau de compétences local, institutionnel et privé (notamment Ecole de micro-électronique de Provence) qui permet de partager les expertises réciproques et de tester de nombreux matériels afin de valider les prototypes avant les achats définitifs.

La couche « Instrumentation » et les références des principaux composants sont illustrés ci-dessus.

L’architecture retenue est basée sur la complémentarité du bus PXI (pour les commandes analogiques et numériques, les acquisitions vidéo et les modules de synchronisation) et de châssis CompactDAQ pour les E/S conditionnées (capteurs de force, capteurs résistifs, …). L’ensemble des ces matériels est adressé par un driver commun (DAQmx) ce qui garantit la portabilité et l’évolutivité de l’ensemble des modules et est programmé sous LabVIEW.
Les ports RS-232 et USB sont également utilisés afin de permettre l’intégration d’instruments plus standards (actionneurs série, tablette graphique, ..)

Enfin, un soin tout particulier est apporté à la Compatibilité Électromagnétique des Systèmes (CEMS) : en effet il est nécessaire de limiter toutes les sources de bruits électroniques HF ou BF, en particulier dans un environnement qui multiplie les références (cage de Faraday, terre, références flottantes, alimentations ….). Nous avons donc mis en place tout les outils permettant de limiter les boucles de masse et les effets de mode commun au moyen d’outils adaptés à chaque composant : isolation optique, découpleurs, convertisseurs, alimentations à isolement renforcé, filtrage.
Toutes ces précautions permettent d’utiliser l’ensemble des stimulateurs et des capteurs en toute sécurité et avec la garantie de générer et d’enregistrer les signaux les plus propres possibles.

Couche logicielle

L’ensemble du banc est entièrement programmé en utilisant l’EDI (Environnent de développement Intégré) de National Instruments LabVIEW. La modularité de LabVIEW, associée au formalisme de la programmation par flux de données propre au langage G est parfaitement adaptée à l’architecture du banc et aux contraintes fonctionnelles qui sont les nôtres.

Nous avons développé une bibliothèque complète regroupant toutes les fonctions relatives à notre environnement… Plus de 130 VI (Virtual Instruments : modules logiciels) ont été programmés et regroupés par fonctionnalités (gestion, stimulation, réponse, sauvegarde, synchronisation, simulation, E/S, régulation, etc)

Les applications dédiées à chaque étude sont développées à partir d’un canevas commun mais chaque étude fait l’objet d’un programme qui possède sa propre IHM, ses options et ses données d’entrées et de sortie. Ce programme est entièrement fonctionnel dans notre plate-forme, couplé au système IRM, mais également en mode « test » : dans ce dernier cas, la synchronisation IRM est alors émulée et les chercheurs peuvent tester les protocoles (stimuli, décours temporel, performances comportementales) sur un simple PC et, au besoin, entraîner les sujets pour le protocole en question, avec un environnement similaire à celui de la plate-forme