Equipe Mesures et Architectures Electroniques

Capteurs, instrumentation et mesure

La spectroscopie de bioimpédance est un outil de diagnostic très important pour l'étude des changements électrophysiologiques et biophysiques dus à des infections virales, la détection du cancer et le contrôle qualité des médicaments. L’utilisation de microélectrodes trouve plusieurs domaines d’application liés au diagnostic médical tels que :

• la caractérisation d’une cellule unique,
• le suivi d'une culture cellulaire
• l'étude de l'interaction environnement/tissu biologique à l'échelle cellulaire

La modélisation de l’ensemble du dispositif (biocapteur chargé par un milieu biologique) permet une optimisation des interfaces, qui passe par des développements théoriques très poussés mixant électromagnétisme, électronique et caractérisation des matériaux. Le dimensionnement des microélectrodes est également optimisé par ce biais. L’élaboration du biocapteur et sa fonctionnalisation constituent un critère important pour la transduction optimale du signal biologique.
Les travaux menés dans l’équipe concernent :

• l’optimisation des interfaces électrodes - milieu vivant
• l’amélioration de la sensibilité,
• l’étalonnage optimisé,
• le conditionnement électronique et multiplexage pour une matrice de biocapteurs.

Les enjeux concernent le développement de ces méthodes à des échelles applicatives au-delà du prototype afin de viser une plus-value par rapport à des techniques existantes.
A titre d’exemple, la détection de la bactérie E-Coli nécessite au moins 48 heures par les techniques classiques. La spectroscopie d’impédance permettrait de descendre à quelques minutes, voire secondes. De même, la caractérisation cellulaire par une signature bio-impédance-métrique peut concerner plusieurs milliers de cellules ou des centaines d’agrégats cellulaires. L’objectif visé est le développement d’une matrice multi-capteurs permettant la réalisation d’une telle approche, avec la possibilité de combiner différents types de caractérisation (cellule saine versus cellule maligne) ou de milieux biologiques (érythrocytes, ADN).

Projets :

• Contrat de collaboration avec Réseau de Transport d’Electricité (RTE)
• Smartstim projet de collaboration (80 Prime du CNRS)
• Projets Thèse LUE « accompagnement de la dynamique interdisciplinaire » (2022-2025) "Ex-vivo Model of Inflammatory Bowel"

Thèse :

• Contrat RTE, Mengxi Zhou, 2020-2023 : CEM des implants cardiaques aux basses fréquences 50/60 Hz dans un contexte normatif’
   
• Rémi Bettenfeld : Modélisation et caractérisation par spectroscopie d’impédance des effets de champs électromagnétiques à l’échelle cellulaire entre 1 kHz et 100 MHz, Contrat doctoral, 2020-2023

Articles :

• Phantom Model Testing of Active Implantable Cardiac Devices at 50/60 Hz Electric Field, Souques‘BioElectroMagnetics, January 2020, C. Gerçek,D.Kourtiche,M. Nadi,I. Magne, P. Schmitt, P. Roth,M.
  
   
• Influence of Electrode Connection Tracks on Biological Cell Measurements by Impedance Spectroscopy, 2019, vol. 19, no 13, p. 2839, Alves de Araujo, A. L., Claudel, J., Kourtiche, D., Nadi, M. Sensors.
   
• Lab-On-A-Chip Device for Yeast Cell Characterization in Low-Conductivity Media Combining Cytometry and Bio-Impedance, 2019, vol. 19, no 15, p. 3366, Claudel, J., Alves De Araujo, A. L., Nadi, M.,  Kourtiche, D.. Sensors
   
• Optimization of Interdigitated Sensor Characteristics. In Interdigital Sensors  J., Claudel, A. L., Alves de Araujo, D., Kourtiche, M., Nadi, A. Bourjilat, 2021. (pp. 91-122). Springer, Cham.
   
• Interference thresholds for active implantable cardiovascular devices in occupational low-frequency electric and magnetic fields: a numerical and in vitro study. M., Zhou, D., Kourtiche, J., Claudel, F., Deschamps, I., Magne, P., Roth, ... & M., Nadi, 2022.  Medical Engineering & Physic

Architectures de circuits et systèmes électroniques

Les architectures reconfigurables sont un domaine d’expertise de l’équipe. Les travaux en cours sont plus particulièrement consacrés aux architectures neuromorphiques sur cibles reconfigurables pour le traitement de signaux et d’images.  Ils concernent l'implantation de réseaux de neurones (cartes auto-organisatrices, réseaux convolutifs et Transformer) sur des architectures électroniques embarquées.

L'objectif principal est de rendre les architectures matérielles neuronales et/ou neuromorphiques actuelles plus flexibles et plus facilement extensibles tout en restant compétitives en termes de performances. Ces architectures sont basées sur une approche hybride permettant de découpler la couche de calcul, composée essentiellement de neurones, de la couche communication, qui assure l’échange des données entre les neurones eux-mêmes et avec le monde externe (avec un Network on chip (NoC) par exemple). D’autres structures de réseaux de neurones sont également explorées et prototypées sur systèmes sur puce SoC et MPSoC.

Les travaux sur les architectures de circuits sont exploités pour concevoir des systèmes électroniques de mesure intelligents, autonomes et communicants à très haute valeur ajoutée. L’équipe s’intéresse plus particulièrement à des systèmes électroniques permettant de détecter des phénomènes complexes ou anomalies dans les signaux monodimensionnels ou bidimensionnels.

Les objectifs portent sur la détection de défauts d’arcs électriques (aéronautique, photovoltaïque, domestique) ou la caractérisation de phénomènes physiologiques (état de vigilance, épilepsie, ..) dans des signaux ECG, EEG … d’une part et d’autre part sur le suivi d’objets et le suivi de mouvements apparents dans des séquences vidéos. L’équipe met notamment en œuvre des technologies embarquées les plus proches possibles des capteurs et exploitant des méthodes d’apprentissage automatique avec accélération matérielle.

Les travaux de recherche sur l’autonomie énergétique et la sûreté de fonctionnement concernent l’étude, la conception et le développement de micro-sources d’énergie électrique, optimisées et fiables, avec ou sans stockage. Nos efforts portent notamment sur l’optimisation des algorithmes de poursuite du point de puissance maximale adaptés aux sources hybrides associant générateurs photovoltaïques et thermoélectriques. De plus, nos travaux futurs sur le calcul intermittent permettront également de prendre en compte la disponibilité énergétique lors de la conception de nouvelles architectures de calcul (neuronales et/ou neuromorphiques ou autres) afin de les rendre plus durables et respectueuses de l’environnement de travail.

Projet :

• Ecos-Nord avec le Mexique sur la conception de convertisseurs pour les panneaux photovoltaïques intégrants une protection contre les défauts d’arcs électriques séries. (En savoir plus)
   
• ANR PRC « Hybrid photovoltaic-thermoelectric systems for solar energy harvesting » (HYDRES) 2022 – 2025.
   
• Erasmus+: Higher Education - International Capacity Building (Unit A4)

Thèses :

• Architecture de réseau de neurones pour la détection de défauts d’arcs électriques : application aux systèmes de distributions aéronautiques embarqués (Alexis Chabert). Collaboration avec l’ITR Saint Exupéry – Toulouse, 2020-2023.
• Développement et implantation d’algorithmes d'intelligence et de vision artificielles pour la gestion dynamique des luminaires urbains (Shireen ANSARNIA).Thèse Cifre, en collaboration avec la société Eclatec, 2020-2023.
• Outils et Méthodes pour le calcul approximatif en apprentissage automatique : application à l’imagerie 3D et aide à domicile (Deramgozin Mohammad Mahdi)Bourse AvaKaghaz, 2019-2022.
• Système embarqué pour la détection de l’hypovigilance en conduite automobile (Rabiaa Lachter). Co-tutelle LTIM Monastir, Tunisie, 2019-2023.

Articles :

• An FPGA-Based Residual Recurrent Neural Network for Real-Time Video Super-Resolution, K. Sun, M. Koch, Z. Wang, S. Jovanovic, H. Rabah and S. Simon, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 32, no. 4, pp. 1739-1750, April 2022.
   
• Serial-arc detection by use of Spectral Dispersion Index (SDI) analysis in a low-voltage network (270V HVDC), Jean Baptiste Humbert, Patrick Schweitzer, Serge Weber, Electric Power Systems Research,Volume 196, 2021, 107084.
   
• Application of Reservoir Computing for the Modeling of Nano-Contact Vortex Oscillator, , Ali Rida Ismail, Slavisa Jovanovic, Sébastien Petit-Watelot and Hassan Rabah, Electronics 2019, 8 (11), 1315ISSN 0378-7796.
   
• Open-switch Fault Tolerant Operation of a Two-Stage Buck/Buck-Boost Converter with redundant synchronous switch for PV systems, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 66, Issue 5, May 2019, pp. 3938-3947, Saïma Siouane, Slavisa Jovanovic, Philippe Poure.

Elaboration

• Mesures électromagnétiques basses fréquences sur le vivant
• Conception, dimensionnement et réalisation de biocapteurs pour la mesure par spectroscopie d’impédance cellulaire
• Conception de circuits embarqués de détection et localisation de défauts d’arcs électriques
• Conception d’architectures sur circuits reconfigurables pour le traitement du signal et des images
• Méthodes de suivi du point de puissance maximal de sources hybrides d’énergie d’origine renouvelable.

Caractérisation

• Caractérisation électromagnétique des cellules biologiques
• Caractérisation des tensions induites dans des implants médicaux actifs soumis à des champs basses fréquences
• Spectroscopie d’impédance

Transfert technologique

• Normalisation CENELEC
• Transfert auprès de la société Leach international d’un dispositif de détection de défauts d’arcs électrique pour l’aéronautique sous la forme d’un brevet commun
• Transfert auprès du groupe Hager de la technologie de détection de défauts d’arcs électriques pour les réseaux électriques domestiques

Enseignants-Chercheurs

• Yves BERVILLER
• Julien CLAUDEL
• Djamaleddine DJELDJLI
• Slavisa JOVANOVIC
• Djilali KOURTICHE
• Philippe POURE
• Hassan RABAH
• Patrick SCHWEITZER
• Etienne TISSERAND
• Serge WEBER

Personnels d'appui à la recherche

• Patrice ROTH
• Pierre SCHMITT

Doctorants

• Florent DERUE
• Niloufar DIZANGIAN
• Mashiul HUQ
• Agathe LEMEE
• Merlin LIMON
• Abdelhak MAOUKOUF

Post-doctorants et CDD

• Mengxi ZHOU

Emerites

• Mustapha NADI