Système électronique de stimulation vestibulaire développé par les étudiants de l’ENSICAEN et des chercheurs du GREYC, le dispositif Vestia Connect fait partie des équipements utilisés dans l’expérimentation « Deep Time » qui se déroule depuis le 14 mars dernier en Ariège. Ce programme de recherche est mis en place par les équipes du Human Adaptation Institute et conduit par le chercheur Christian Clot en partenariat avec 12 laboratoires de recherche.
Depuis le 14 mars 2021, quatorze hommes et femmes sont confinés dans la grotte de Lombrives, à Ussat-les-Bains. Sans lumière extérieure et donc sans notion du temps, les individus vont vivre à l’isolement pendant quarante jours. Sommeil, température, rythme hormonal et cardiaque… les participants vont être observés par différents dispositifs. Dans un contexte où les confinements successifs ont parfois entraîné une perte de la notion du temps ou une incapacité à se projeter, cette expérience scientifique doit permettre de comprendre comment le groupe fonctionne en dehors des indicateurs et repères habituels et mieux identifier les capacités du cerveau humain à s’adapter face à une situation nouvelle, potentiellement stressante.
Dans le cadre du projet de 3e et dernière année de leur cycle ingénieur en Électronique et Physique Appliquée, cinq étudiants* de l’ENSICAEN ont participé à l’élaboration d’une interface cerveau-machine à l’aide d’un module de communication sans fils autonome en partenariat avec Stéphane Besnard, ORL et spécialiste de neurophysiologie au CHU de Caen.
Vestia Connect est un des modules spécifique et dédié à la stimulation sensorielle vestibulaire nouvelle génération (capteur de mouvements) pour explorer les capacités d’équilibre, d’orientation et de navigation pour les participants à l’expédition DeepTime. Ce système va mettre à la portée des scientifiques et des professionnels de santé un nouvel outil d’exploration du cerveau avec des perspectives thérapeutiques dans un futur proche.
Le premier prototype a parfaitement fonctionné lors de la première série de mesure réalisée dans la grotte en tout début d’expédition.
Le dispositif développé a pour objectif de stimuler le système vestibulaire, on parle aussi d’oreille interne, pour l’étudier et potentiellement le soigner. Centrale inertielle naturelle, le système vestibulaire permet la perception de soi, la stabilisation du regard, le réflexe de la posture et la perception dans l’espace. Le système électronique de stimulation vestibulaire développé par les étudiants de l’ENSICAEN a donc toute sa place au sein de l’expérimentation « Deep Time ».
Un projet électronique de stimulation vestibulaire
Le système vestibulaire de l’oreille interne contribue à l’équilibre et à la sensation de mouvement. Sa stimulation peut prendre place dans un contexte thérapeutique pour remédier aux troubles qui se manifestent dans une situation de discordance entre la perception visuelle et celle du système vestibulaire. La stimulation pourrait donc permettre une rééducation pour les personnes atteintes d’un trouble de l’équilibre/vestibulaire. Des études récentes montrent que le système vestibulaire joue un rôle important dans le bien-être, dans la régulation du poids et que sa stimulation peut être utilisée pour lutter contre la dyslexie.
Carte de stimulation développée par les élèves-ingénieurs de l’ENSICAEN
Commandée par une tablette via Bluetooth, la carte de stimulation injecte des faibles courants dans le système vestibulaire pour activer le système vestibulaire. L’alimentation se fait via un PSOC, REF CY8CPROTO-063-BLE en 0-5V. Pour injecter suffisamment de courant, un module de haute tension permet la génération de tension -24V/+24V. Enfin le module qui envoie le courant est assimilable à un montage amplificateur non inverseur, REF OPA454.
Dans une optique de stimulation, des signaux sont générés à partir de vecteurs de données normalisés en temps (ajusté ensuite à l’aide du Timer) et en amplitude (ajusté ensuite par la multiplication par un coefficient). Pour chaque simulation, le nombre d’échantillon pris lors de l’échantillonnage est ajusté afin d’avoir le meilleur signal résultant possible tout en minimisant la taille des vecteurs. Le nombre d’échantillon sera toujours un nombre en 2n.
* Les élèves-ingénieurs de l’ENSICAEN impliqués dans le projet VESTIA Connect :
Anaëlle POIGNON Traitement du signal
Camille PILLOT Interface Android
Clément THIBAULT Électronique analogique
Fernando OLIVEIRA ALBUQUERQUE Communication sans fils
Pedro GABRIEL Électronique embarquée
Projet encadré par Matthieu Denoual, enseignant-chercheur au laboratoire GREYC et à l’ENSICAEN
matthieu.denoual@ensicaen.fr
Responsable de la partie électronique analogique du stimulateur, j’ai participé à la conception de la carte électronique. Après validation du schéma et du choix des composants, j’ai imprimé la carte à l’aide d’un logiciel de conception assisté par ordinateur.
L’assemblage des composants sur la carte a été progressivement réalisé par soudure au fur et à mesure des tests de fonctionnement effectués. Enfin l’assemblage de la carte avec la division électronique embarquée a constitué la dernière étape pour ma division.
Responsable du traitement du signal du stimulateur, j’ai exploré plusieurs possibilités pour permettre à l’utilisateur de paramétrer les signaux de la stimulation sensorielle vestibulaire via une application Android : signaux classiques (sinus, créneaux, impulsions ou triangles), physiologiques (ECG ou EEG) ou bruit (bruit blanc ou rose).
J’ai ensuite créé des vecteurs de données normalisés en temps et en amplitude en les modélisant sur le logiciel Matlab-Simulink. La dernière étape a consisté à déterminer le nombre de données nécessaires pour reconstituer les signaux par des analyses visuelles et statistiques. Les vecteurs de données de Vestia Connect sont ainsi envoyés au PSOC après une quantification sur 12 bits.
Responsable de l’interface logicielle du projet Vestia Connect, j’ai développé une application Android utilisable sur tablette ou smartphone. Avec l’application, l’utilisateur se connecte à la carte de stimulation via bluetooth et choisit le signal qu’il souhaite envoyer : forme, amplitude et période. L’application dispose de 9 pictogrammes pour faciliter le choix des différentes formes de stimulation et d’un bouton switch pour générer et arrêter le signal.
Responsable du système embarqué du stimulateur, j’ai intégré les modules de la carte PSoC6 pour utiliser en temps réel la communication bluetooth et la génération des signaux. La communication entre les différentes fonctionnalités s’exerce via FreeRTOS, un système d’exploitation temps réel faible empreinte. Le recours à ce logiciel libre pour système embarqué a facilité la construction d’une communication stable avec le portable via le Bluetooth dans un contexte de signaux restreints comme c’est le cas de dans la grotte de Lombrives.
Responsable de la communication sans fil, ma mission a consisté à établir la connexion entre un appareil Android et le module Vestia Connect via le protocole Bluetooth. Configuration de la connexion, format des données… j’ai utilisé le PSoC6 pour coder le fonctionnement du dispositif Bluetooth. L’utilisation de ce protocole garantit la robustesse du projet ainsi que sa compatibilité avec l’application Android développée spécifiquement pour le projet.
Vestia Connect est un système à l’interface de l’électronique et des sciences du vivant. Initié en juin 2020 avec Stéphane Besnard, ORL et spécialiste de neurophysiologie au CHU de Caen, le stimulateur a été développé par 3 étudiants de la majeure ingénierie physique et capteurs et 2 étudiants en systèmes embarqués et automatique pendant le confinement, de novembre à décembre 2020. Le prototype a été finalisé juste à temps pour être caractérisé et mis en boitier avant d’être utilisé sous terre pour 40 jours. Je remercie Stéphane Besnard d’avoir confié ce beau projet à l’ENSICAEN et félicite les élèves-ingénieurs pour leur sérieux et leur créativité .