Annexe E DESCRIPTION SOMMAIRE DES PRINCIPAUX PROJETS DE RECHERCHE

Pour parvenir à mettre en oeuvre de nouveaux dispositifs implantables, le professeur Sawan a proposé des circuits et systèmes avancés à signaux mixtes (analogiques, numériques et radiofréquences) qui sont capables de répondre à divers besoins et exigences spécifiques. La plupart de ces dispositifs ont été évalués in vivo en collaboration avec des chirurgiens de diverses spécialisations. Ces percées technologiques s’appuient sur l’élaboration de circuits innovateurs, incluant une technique innovatrice pour annuler la tension de décalage des amplificateurs opérationnels, une source de courant biphasique sans tension de décalage destinée aux stimulateurs électriques miniaturisés, etc. Elles s’appuient aussi sur une vaste gamme de composants microélectroniques conçus en mode tension ou mode courant, incluant des amplificateurs, des filtres actifs et des convertisseurs analogique-numériques (A/N) et N/A pour divers applications. Parmi ses autres contributions figurent une méthode innovatrice pour la construction d’amplificateurs de puissance linéaires, des méthodes de vérification de structures avancées de microsystèmes, des applications de traitement de signaux numériques et analogiques et des interfaces microélectrode-tissus biologiques.

Mohamad Sawan a été le premier à i) concevoir, fabriquer et encapsuler des microstimulateurs sélectifs et implantables, ii) à interconnecter des puces à une matrice d’électrodes par la technologie de puces retournées, iii) à proposer des techniques de mesure sans fil intégrées dans une puce, iv) à présenter une architecture novatrice pour une boucle à fréquence asservie (FLL), v) à réussir la transmission bidirectionnelle simultanée de données à haute vitesse avec des dispositifs implantables alimentés à distance, vi) à recommander des techniques de mesure d’électroneurogrammes intégrées sur une puce pour évaluer le volume de la vessie, et vii) à réaliser des appareils portatifs d’échographie par ultrasons destinés à la télésurveillance des organes internes. Il est également l’un des premiers chercheurs à avoir modélisé l’effet de l’énergie propagée pendant le lien électromagnétique et ses effets sur les tissus et les prothèses auditives. Il a aussi construit le premier capteur de pression destiné à l’établissement d’un diagnostic de troubles respiratoires. Bien que ces projets recouvrent une large gamme de domaines, ils poursuivent le même objectif principal, à savoir la conception et l’implémentation de systèmes sur puce (SoC). La conception de ces dispositifs regroupe des circuits analogiques, numériques et de radiofréquences pour la communication sans fil et le traitement de signaux et d’images. Une attention particulière a été accordée à l’optimisation de la consommation d’énergie et de la surface occupée sans toutefois compromettre la fiabilité et la flexibilité. Le professeur Sawan a présenté des séances de formation et donné des cours dans le cadre de plusieurs congrès IEEE et dans des centres de recherche au Canada et à l’étranger. Quelques-uns de ses projets de recherche complétés et en cours sont présentés ci-dessous.

Principaux projets de recherche

2009-… Un système de spectroscopie proche infrarouge portable et sans fil combiné à l’électroencéphalographie, pour la surveillance au chevet des victimes d’accidents vasculaires cérébraux (AVC) et de crises épileptiques. L’AVC et l’épilepsie sont les deux troubles neurologiques les plus fréquents dans la population. La spectroscopie proche infrarouge (NIRS), une technique innovatrice qui permet de surveiller de manière non effractive les changements rapides de volume cérébral régional et d’oxygénation des tissus (tels que ceux observés lors d’une crise ou d’un accident), peut être de grande valeur pour comprendre, évaluer et traiter ces conditions. Des études préliminaires ont utilisé des enregistrements NIRS relativement courts et un nombre limité d’optodes pour démontrer leur potentiel clinique dans certaines situations. Cependant, la surveillance NIRS à long terme demeure problématique puisque les appareils commercialisés en ce moment sont trop lourds ou trop encombrants pour leur emploi à long terme dans des unités cérébrovasculaires, d’épilepsie ou de soins intensifs. Depuis quelques années, nous avons donc mis sur pied une équipe de collaboration multidisciplinaire pour évaluer et développer un système d’imagerie combinant NIRS–vidéo-EEG pour la surveillance en temps réel de patients souffrant de telles pathologies. À partir de travaux déjà entamés, nous proposons, dans ce projet de recherche, de développer un système de surveillance à long terme multicanal NIRS–vidéo-EEG, ultraléger et sans fil. Une fois le prototype terminé, il sera validé par le biais d’études cliniques pilotes se servant de sa capacité de surveillance au chevet et à long terme par EEG et NIRS.

2009-… Réseaux de données et capteurs intelligents pour les applications critiques pour la sécurité en avionique
Des capteurs et actionneurs à canaux multiples sont nécessaires pour pallier au problème des faisceaux de fils encombrants rendus nécessaires par le nombre croissant de fonctions dans les avions. Dans les nouveaux systèmes avioniques, les communications entre dispositifs de différents domaines d’application sont nécessaires, ce qui augmente significativement les flux d’information à l’intérieur de l’avion. Les faisceaux de fils et la nécessité d’une bande passante de communication très élevée constituent des défis considérables qui exigent le développement de nouveaux bus de données avioniques, de capteurs intelligents et d’interfaces de réseaux.
En réponse à ces défis technologiques, ce projet vise à développer un nouveau réseau de communications avioniques pour permettre de diminuer la complexité du câblage en adoptant une solution ayant recours à moins de fils, à la base de technologies de pointe pour les réseaux de données avioniques. Des interfaces numériques seront développées pour relier les capteurs de position et les actionneurs existants aux bus de données. Les technologies photoniques émergentes et les systèmes microélectroméchaniques (MEMS) seront exploités pour développer de nouveaux capteurs de position à faible poids, sans contact, et fiables, dans le but d’améliorer la performance tout en diminuant les coûts de déploiement et d’entretien. Un choix d’architecture de réseau à protocoles et à vitesses multiples bâti sur le réseau Avionics Full Duplex Switched Ethernet (AFDX) permettra d’obtenir les performances nécessaires en ce qui concerne le débit de données, l’adaptabilité et un flux sécurisé de données numériques à déterminisme temporel fiable, à délai borné, à bande passante garantie, tolérant aux pannes et apte aux applications critiques. Ce projet traitera également des questions de choix de fréquences et des effets de la compatibilité et de l’interférence électromagnétiques (EMC et EMI) sur le développement futur des systèmes de communication sans fil et critiques pour la sécurité.
Puisque ce projet reconnaît les besoins urgents de développer de nouvelles technologies en avionique et de contribuer aux efforts des partenaires industriels afin qu’ils puissent renforcer leur position de chefs de file mondiaux dans ce domaine, on peut s’attendre à ce que la réussite de ce projet apportera non seulement une contribution technologique importante dans cette industrie d’intérêt stratégique pour le Québec, mais qu’il mettra également en lumière les capacités des entreprises et l’apport des universités canadiennes impliquées.

2007-… Plateforme de capteurs sans fil à l’intention des dispositifs médicaux intelligents. Le design et la construction de microsystèmes destinés aux réseaux implantables de capteurs et d’actionneurs constituent un domaine qui intéresse plusieurs chercheurs. De tels dispositifs permettraient la surveillance automatique et le traitement en conséquence de plusieurs conditions médicales. Ces microsystèmes comprennent en général une source d’énergie, un processeur dédié avec une mémoire, des convertisseurs de données, plusieurs capteurs, de même qu’un émetteur-récepteur RF pour communiquer avec un poste fixe à distance. L’implantation de réseaux sans fil dans le corps humain pourrait être de grande valeur pour la communauté de recherche médicale, notamment pour étudier la progression de certaines maladies, évaluer la réponse à certains traitements et pour effectuer des traitements au moyen de la stimulation électrique ou encore administrer des médicaments. Cette proposition s’adresse aux défis stratégiques concernant de tels réseaux de capteurs à courte portée. La recherche sera concentrée sur l’élaboration innovatrice de nœuds capteurs génériques et implantables pour permettre l’acquisition in situ, l’actionnement et la transmission bidirectionnelle de commandes ou de données. Plus spécifiquement, ce projet vise la construction d’une chaîne de conversion de puissance à haut rendement, de convertisseurs abaisseurs CC-CC programmables, de synthétiseurs RF à fréquences multiples et à faible consommation et de émetteurs-récepteurs RF à conversion directe et à faible consommation. La contribution de ces travaux de recherche serait significative dans plusieurs domaines : i) systèmes de télémesure par capteurs à faible consommation, ii) techniques efficaces de communication entre capteurs implantés et un appareil de traitement à distance, et iii) chaînes de conversion de puissance à haut rendement.

2007-… Implant intracortical multifonctionnel pour offrir la vision aux aveugles : intégration et validation. Il y a plus d’un million d’aveugles dans le sens réglementaire en Amérique de Nord. Parmi eux, on estime qu’environ 10 % n’ont aucune perception de la lumière. Ce projet vise à résoudre des problèmes fondamentaux dans le but de créer la vision chez les aveugles par stimulation électrique directe dans une prothèse visuelle à grande échelle. Plusieurs groupes de recherche travaillent au développement de prothèses visuelles. La stimulation électrique de la rétine ou du nerf optique peut servir à pallier la perte de la vue due à la dégénérescence de la rétine externe suite à des maladies telles la rétinite pigmentaire ou même la dégénérescence maculaire liée à l’âge. Toutefois, ces techniques ne sont pas utiles dans le cas de pathologies de la rétine interne, de l’ensemble des couches de la rétine ou du nerf optique, ni dans le cas de la perte des yeux. De telles maladies peuvent néanmoins être traitées à l’aide d’une prothèse visuelle intracorticale. Des matrices d’électrodes implantées dans le cortex visuel servent à créer une image visuelle composée d’une matrice de perceptions visuelles, ou phosphènes. Le point de départ de ce projet est un design préliminaire bien avancé utilisant des circuits intégrés à application spécifique (ASIC) déjà fabriqués et testés sur un banc d’essai électronique conventionnel. Le travail se poursuit selon quatre axes différents et complémentaires : 1) modélisation, techniques et paramètres de stimulation; 2) création et optimisation d’un implant, incluant la fabrication de matrices d’électrodes et l’encapsulation du dispositif; 3) un contrôleur externe incorporant des fonctions d’acquisition et de traitement d’images; et 4) implantation in vivo à des animaux chroniques, puis validation. Ce projet a pour but d’établir les paramètres d’une stimulation efficace, sécuritaire et efficiente du cortex. Puisque le projet comporte un volet d’implantation de dispositifs, un objectif important est de définir des techniques chirurgicales fiables et les caractéristiques physiques optimales du dispositif, et d’acquérir des connaissances sur la miniaturisation et l’assemblage. Nous poursuivons également l’objectif de maximiser l’utilité du dispositif à l’aide de techniques avancées d’acquisition et de traitement d’images, ce qui exige la conception et l’intégration de capteurs d’images, d’algorithmes et de matériel pour les traiter sur de nouveaux dispositifs efficaces à faible consommation d’énergie.

2006-… Design et intégration de laboratoires sur puce à technologie CMOS pour des outils diagnostiques futurs. Notre équipe travaille également à la conception et à l’intégration de structures de laboratoire sur puce (LOC). Cette technologie intègre une solution innovatrice électrofluidique et des procédés d’encapsulation pour le diagnostic sanguin. Un outil diagnostique LOC est un système hybride complexe intégrant des composants électriques, fluidiques et biochimiques, reliés au niveau électrique et fluidique, à une plateforme unique. La technique de fabrication microfluidique se sert d’un processus de fabrication à écriture directe (DWFP), tandis que le microcâblage conventionnel est employé pour les connexions électriques. La partie microélectronique du LOC proposé utilise un capteur capacitif de haute précision réalisé par le processus CMOS 0,18 um. À ce jour, nous avons réussi à démontrer la capacité du processus DWPF à fabriquer des microfluidiques à base de polymère sur une puce CMOS aux fins des LOC.

2006-… Installation innovatrice de conception, d’assemblage et d’encapsulation pour les nouveaux microsystèmes destinés aux dispositifs médicaux intelligents. La complexité des microsystèmes laboratoire sur puce exige une infrastructure spécialisée jumelée aux équipements dédiés à leur caractérisation. Nous avons donc besoin d’installations dédiées à la construction d’une nouvelle génération de dispositifs médicaux intelligents. Cette mise aux normes des équipements est essentielle pour atteindre la précision de traitement nécessaire aux technologies avancées en microsystèmes. L’environnement ainsi créé permettra la modélisation de phénomènes physiques complexes créés par l’interaction entre des structures biologiques, électrochimiques, électriques, microfluidiques, microélectroméchaniques et optiques. De plus, des méthodes innovatrices d’assemblage et d’encapsulation ont été développées afin de valider ces systèmes hybrides de puces de silicium intégrées aux structures microfluidiques ou optiques et aux électrodes bioanalytiques.

2005-… Microsystèmes dédiés à l’interface du cortex visuel primaire : modélisation et validation expérimentale. L’intégration de la microélectronique dans le domaine médical est une activité en accélération exponentielle. On assiste à l’introduction de plusieurs dispositifs médicaux pour permettre l’interaction avec le système nerveux au moyen d’interfaces électroniques. Il existe plus de 20 applications utilisant de tels dispositifs pour traiter la maladie de Parkinson, l’épilepsie et la paralysie des membres. Plusieurs chercheurs consacrent leurs efforts à cette filière. Dans le domaine de la vision, la génération d’images chez une personne aveugle ne s’appuie pas sur des principes simples, mais doit employer des stratégies de stimulation complexes. Convaincus du potentiel de la stimulation électrique, nous mènerons une enquête rigoureuse pour examiner le décodage de l’information qui circule dans le cerveau pour ensuite l’utiliser et récupérer les fonctions des organes directement dans le cortex. Ce travaille exigera un processus de modélisation rigoureux, la conception et la fabrication de microsystèmes de grande complexité ainsi qu’une encapsulation biocompatible. Des expériences seront subséquemment menées sur des rats afin de valider le modèle proposé. Les résultats permettront l’élaboration d’autres dispositifs médicaux et devraient faciliter l’étude de ces phénomènes neurologiques. Enfin, grâce à son caractère innovateur et multidisciplinaire, ce projet attirera sans nul doute des étudiants de haut calibre de l’étranger et permettra d’établir un cadre unique pour le développement de connaissances stratégiques. Il contribuera également à la formation de personnel hautement qualifié pour faire face à la concurrence de plus en plus féroce dans ce créneau de recherche prometteur.

2004-… Installation dédiée à la construction de microsystèmes à puces multiples pour de nombreuses applications. La conception, la fabrication et l’encapsulation de microsystèmes de pointe exigent une infrastructure d’assemblage avancée. Notre équipe a obtenu de la Fondation canadienne pour l’innovation le financement nécessaire pour l’achat d’une ligne de production sur mesure à haute performance construite selon nos besoins par Quad (maintenant Tyco). Cette installation unique au Canada est dédiée à la production de circuits hybrides tels que les technologies à couche mince et épaisse, les tranches, ainsi que divers types et formats de cartes de circuits imprimés (PCB) équipées de différentes puces dédiées et autres composants disponibles dans le commerce tels que les composants montés en surface (SMC), les puces retournées, etc. La plupart de ces composants sont fournis par plusieurs fabricants de puces ou ont été conçus dans les laboratoires d’autres membres de notre équipe. Jusqu’à maintenant, elles sont fabriquées dans des installations en Asie, en Europe, ou aux États-Unis. Il s’agit de pièces de très petite taille qui doivent demeurer fiables après leur encapsulation. Ce sont les contraintes principales qui exigent des méthodes d’assemblage et d’encapsulation à haute performance lors de la production. Notre ligne de production sur mesure permet d’appliquer la pâte de soudure ou époxy sur une carte imprimée soit par sérigraphie, soit par seringue. À l’aide de techniques sophistiquées de reconnaissance de formes, le cœur du système pose les composants à très grande vitesse à leur emplacement spécifique sur la carte (puce, tranche, circuit hybride, PCB). La carte est ensuite envoyée dans un four de refusion pour sécher l’époxy et souder les pièces. La ligne de production sur mesure est nécessaire pour plusieurs applications telles des émetteurs-récepteurs sans fil, des dispositifs médicaux intelligents (cathéters, stimulateurs et capteurs), des contrôleurs industriels, etc. Cette nouvelle infrastructure de pointe nous permettra d’expérimenter avec une variété de techniques d’encapsulation pour de nombreuses applications. La formation donnée par cette infrastructure offrira des opportunités d’emploi stimulantes aux étudiants de cycles supérieurs et un accès à des technologies de pointe. Cette infrastructure sera bénéfique pour l’économie canadienne car elle permettra la formation de plusieurs individus hautement qualifiés qui auront des compétences très en demande dans l’industrie. De plus, elle permettra l’amélioration de la santé et du bien-être des Canadiens par l’introduction de nouveaux dispositifs médicaux.

2004-… Convertisseurs analogique-numérique CMOS innovateurs dédiés aux récepteurs sans fil. Il y a actuellement un intérêt croissant pour la construction de dispositifs sans fil configurables dédiés aux télécommunications ainsi qu’aux applications médicales. De tels systèmes, à la base de la radiocommunication définie par logiciel, offrent une solution efficace à relativement faible coût pour construire des appareils sans fil multimode, multibande et multifonction pouvant être adaptés, mis à jour ou augmentés par logiciel. La clé de cette approche réside dans l’élimination du matériel fixe entre l’antenne et l’unité de traitement numérique en faveur d’un signal de numérisation aux fréquences radio. L’élaboration de tels appareils flexibles et intégrés s’appuie sur des convertisseurs analogique-numérique (CAN) de haute performance pour traiter les données dans le domaine numérique et ainsi améliorer la qualité de l’information reçue sans fil. En effet, les CAN et leurs préamplificateurs associés, situés dans l’étage d’entrée le plus près possible de l’antenne de réception, sont le goulot d’étranglement des récepteurs sans fil actuels. Pour réaliser les modules nécessaires, nous ferons la conception et la vérification de topologies innovatrices de CAN qui se trouvent à la base des techniques avancées de calibrage aveugle. Nous concevrons et vérifierons également les dernières technologies CMOS submicroniques. Parmi les différentes solutions proposées jusqu’à maintenant, nous entendons explorer le circuit reconfigurable passe-bande sigma-delta, une architecture pipeline entrelacée ainsi que la structure flash. Aussi, une attention particulière sera portée à la construction d’un étage d’entrée innovateur de préamplification pour permettre l’acquisition de signaux de très faible amplitude. Un tel étage devra supprimer le bruit indésirable et convertir les signaux obtenus vers le domaine numérique à haute tension. Ces travaux sur ces appareils complexes permettront aux chercheurs d’acquérir des connaissances de pointe et d’offrir aux industries locales d’excellentes occasions de transfert technologique et d’embauche.

2003-… Surveillance sans fil suivie de stimulation sélective pour récupérer les fonctions de la vessie chez les patients ayant subi une lésion de la moelle épinière. Depuis quelques années, des expériences avec des animaux aigus et chroniques réalisées dans notre laboratoire ou ailleurs dans le monde ont permis d’éviter la dyssynergie de la vessie et du sphincter pendant la vidange. Plus récemment, nous avons fait des recherches sur des chiens paraplégiques impliquant une stimulation sélective des racines sacrées au moyen d’un blocus à haute fréquence des fibres somatiques du sphincter externe jumelé à l’application simultanée d’un courant à basse fréquence pour stimuler le détrusor. Cela nous a permis d’obtenir une vidange complète à basse pression sans devoir couper les racines sacrées postérieures. Nous avons également développé un dispositif implantable composé principalement de deux microstimulateurs afin de fournir une stimulation sélective et de stimuler le plancher pelvien en permanence grâce à un courant à basse fréquence diminuant ou éliminant l’hyperréflexie de la vessie, permettant ainsi de maintenir la fonction de la vessie. Nos efforts de recherche actuels se concentrent principalement sur les objectifs suivants : 1) Concevoir et réaliser une technique fiable pour mesurer le volume de la vessie en détectant l’activité du nerf sensoriel afférent à la vessie pendant le remplissage, ce qui permettra au patient de savoir à quel moment la vidange est nécessaire. Différentes techniques de mesure et de traitement d’électroneurogrammes seront examinées. Des méthodes analogiques et de traitement de signaux seront appliquées pour extraire les données souhaitées des signaux brouillés et de faible intensité captés. 2) Améliorer et tester nos électrodes à base d’alliages à mémoire de forme développées dernièrement sur des animaux chroniques pour évaluer leur fiabilité et leur risque d’induire des réactions locales ou de causer des lésions à un nerf. 3) Construire un nouveau système miniaturisé à fonctions multiples de mesure et de stimulation sur une puce. Ce dispositif est destiné à être implanté chez des patients afin d’éviter ou de diminuer les plaintes habituelles de réactions locales, de douleurs ou d’inconfort survenant fréquemment suite à l’implantation de dispositifs actuels de plus grande dimension.

2003-… Techniques de circuits intégrés radiofréquence (RFIC) pour le transfert de puissance efficace avec la communication bidirectionnelle à grand débit, dédiées aux implants électroniques. Les dispositifs électroniques implantés dans le corps humain pour récupérer des fonctions d’organes ont généré beaucoup d’intérêt depuis deux décennies. Les progrès dans le domaine de la microélectronique ont permis le développement d’organes artificiels, de capteurs et de stimulateurs électriques miniatures et implantables. Ces dispositifs sont utilisés intensivement pour traiter différentes maladies. Mentionnons à titre d’exemple les stimulateurs cardiaques, les implants cochléaires, les contrôleurs de la vessie, les microstimulateurs corticaux et les systèmes neuronaux fonctionnels dédiés aux mouvements des membres supérieurs et inférieurs. La plupart de ces dispositifs sont alimentés de l’extérieur du corps par des systèmes de transmission d’énergie par radiofréquences. Ces systèmes utilisent la transmission par modulation d’amplitude qui rectifie une portée à haute fréquence pour alimenter l’implant. En plus de l’énergie, les liens inductifs permettent la transmission bidirectionnelle de données. Les liens inductifs actuellement disponibles sont peu efficaces à cause d’un faible coefficient de couplage. La situation est encore pire si plus de puissance est nécessaire. De plus, les modes de transmission de données sont soit unidirectionnels, soit bidirectionnels semi-duplex, ce qui limite les possibilités de contrôler et d’observer le système. En outre, le débit de transmission de données est insuffisant pour des applications rapides. Aucun dispositif intégré n’est disponible de sorte qu’il est nécessaire d’utiliser des composants individuels de grande dimension et ayant une consommation élevée d’énergie. Ce projet vise donc la conception et la validation de systèmes à la base de circuits intégrés radiofréquence pour construire des interfaces efficaces entre les implants et le monde extérieur. Le défi est d’intégrer l’implant électronique, le module de réception d’énergie et l’interface de communication dans une seule puce, puis d’intégrer adéquatement le contrôleur externe dans une autre puce. Des éléments de stockage seront incorporés dans la même puce pour rendre l’implant autonome. L’énergie transmise devrait être suffisante pour alimenter l’implant au complet. Grâce à cela, un débit de données rapide (2 Mo/s) sera atteint et la communication ne compromettra pas l’efficacité du transfert d’énergie.

2002-… Microsystèmes médicaux intelligents dédiés à l’enregistrement neuronal sans fil massivement parallèle dans le cortex. L’arrivée de la microélectronique a permis l’émergence de capteurs et de stimulateurs implantables, et l’interface de tels microdispositifs comporte des systèmes biologiques complexes. Cependant, malgré des progrès significatifs réalisés quant aux instruments de surveillance et d’enregistrement, les outils nécessaires au diagnostic de dysfonctionnements manquent encore. En fait, aucun outil n’est actuellement capable de mesurer l’activité neuronale aux niveaux profonds du cortex. L’enregistrement simultané de signaux provenant d’un groupe important de cellules dans certaines régions du cortex cérébral est cependant devenu une nécessité. De telles mesures pourraient aider à comprendre le comportement du cortex primaire et permettraient des études physiologiques du cerveau afin de pallier aux dysfonctions propres au niveau cortical ou plus profond. Notre programme de recherche vise à construire des microsystèmes implantables comportant plusieurs réseaux de microprobes. Chaque microprobe contient des circuits embarqués à signaux mixtes pour le conditionnement des signaux et le positionnement. Ce microprobe sera connecté à un réseau multiélectrode permettant l’interfaçage direct au cerveau pour la surveillance des biopotentiels extracellulaires des cellules neuronales. De tels microsystèmes implantables demandent des solutions innovatrices et multidisciplinaires de conception et d’assemblage. Les dispositifs proposés seront alimentés sans fil à travers la peau par un lien inductif. Le même lien RF permettra la création d’un canal de communication pour transmettre des données neuronales multiplexées depuis l’implant et pour recevoir des paramètres depuis un contrôleur externe. Les approches de conception des systèmes sur puce RF seront utilisées et une attention particulière sera accordée à la réduction de la consommation d’énergie. Les microsystèmes développés pourraient servir à l’enregistrement in vivo à long terme de l’activité neuronale dans le cortex cérébral afin d’améliorer le contrôle des stimulateurs neuronaux pour des applications liées à l’épilepsie, à la vision artificielle, à la dépression et à la schizophrénie.
2001-… Chaire de recherche du Canada en dispositifs médicaux intelligents. Cette Chaire a pour objectifs de créer et de tester des dispositifs médicaux intelligents et miniaturisés, depuis la conception jusqu’aux tests in vivo. Ses activités multidisciplinaires recoupent plusieurs disciplines du génie et plus de 8 domaines de la médecine. Les dispositifs médicaux intelligents doivent s’adapter à de nombreux patients ce qui implique qu’ils doivent être faciles à reconfigurer et à ajuster. Ces dispositifs comprennent plusieurs modules comme l’interface-utilisateur, l’interface-tissu, le contrôleur principal, les capteurs, les actionneurs, etc. Leur création requiert la conception, la fabrication expérimentale, les essais en laboratoire, l’encapsulation de style industriel, et enfin les tests in vitro et in vivo. De plus, les dispositifs implantables doivent passer par des étapes supplémentaires pour assurer leur biocompatibilité et la sécurité des patients. Ils doivent prévoir un lien RF bidirectionnel efficace grâce à un contrôleur externe et doivent être miniaturisés au maximum, ce qui demande une collaboration étroite entre ingénieurs et experts médicaux.
i) 2001-… Conception de circuits numériques, analogiques et RF. Les travaux du Regroupement stratégique en microsystèmes du Québec (ReSMiQ) sont orientés vers la recherche de pointe dans les domaines de l’architecture de systèmes, de la conception de circuits et de microsystèmes numériques, analogiques et mixtes, des tests et de la vérification. Il regroupe plus de 20 chercheurs et 130 étudiants aux cycles supérieurs en plus des professionnels affiliés à 8 institutions québécoises; il est donc l’un des groupes de recherche stratégique les plus importants au Québec et au Canada. Les travaux du centre de recherche sont concentrés autour de cinq axes principaux, à savoir : i) Architectures d’ordinateurs et de systèmes, ii) Conception de circuits numériques, analogiques et mixtes, iii) Tests et vérification, iv) Conception au niveau du système: modélisation et synthèse, co-design et systèmes embarqués et v) Applications en télécommunications, circuits radiofréquence (RF), composants biomédicaux, interfaces optiques, circuits et algorithmes de traitement de signal et d’images.

2001-… Circuits CMOS/DMOS à haute tension. Ce projet porte sur deux sujets principaux: i) La précaractérisation d’appareils haute tension de DALSA Semiconducteur pour déterminer les configurations optimales selon les exigences de l’application. Des facteurs tels le courant en sortie, «Slew-rate », les cycles de service tolérables et les charges influencent la région d’utilisation sécuritaire et les performances. Le design de circuits efficaces avec ces technologies peut bénéficier grandement de l’optimisation soignée visée par ces recherches. ii) L’accès aux technologies optimales de semiconducteurs haute tension de DALSA Semiconducteur. Il s’agit d’une interface ultrason munie de moniteurs conçue avec les technologies HVMOS en plus de circuits à signaux mixtes afin de construire une nouvelle catégorie d’appareils portatifs de surveillance. L’émetteur peut être réalisé à l’aide de la technologie HVMOS et sera intégré à la même puce que le récepteur.

1998-… Convertisseurs analogique-numérique à large bande. Ce projet vise la conception et la réalisation de convertisseurs analogique-numérique (CAN) à large bande à l’intention de récepteurs sans fil et à ultrasons. Deux catégories de CAN ont été construites : i) CAN rapides à la fréquence de Nyquist, et ii) modulateurs passe-bande sigma-delta. Ces CAN sont destinés aux systèmes de communication. Un CAN sigma-delta à faible consommation destiné aux capteurs électroniques implantables a également été développé. Une alimentation à basse tension et une technique de survoltage ont été utilisées.

1996-… Modélisation d’activités neuromusculaires. Ces activités de modélisation visent la conception et la mise en œuvre subséquente de systèmes biomédicaux. Parmi les projets figurent la transmission d’énergie électromagnétique à travers la peau, l’interaction entre ECG et EMG, et les mouvements des jambes et des bras.

1995-… Système de surveillance à ultrasons. Ce projet vise à développer une variété de systèmes à ultrasons. Une architecture simplifiée a été mise en place pour détecter un seuil préétabli d’une vessie pleine. Un récepteur-balayeur sectoriel à ultrasons sera construit. Le développement de cet appareil a été motivé par la demande croissante pour des équipements médicaux portables pour de nombreuses applications cliniques. Le récepteur d’écho de cet appareil inclut un préamplificateur logarithmique, un amplificateur programmable et un convertisseur analogique-numérique rapide. L’appareil nécessite une interface sans fil pour afficher les images obtenues sur un moniteur externe et pour transmettre de façon bidirectionnelle des données entre le générateur d’ultrasons et le récepteur (transducteur). L’interface sans fil peut également être utilisée pour l’étiquetage (aux fins de l’identification ou de la sécurité) et pour les applications biomédicales. Ces récepteurs comprennent des amplificateurs à faible bruit, des mélangeurs, des déphaseurs, des convertisseurs CA/CC et régulateurs, des boucles à phase asservie (PLL) et à fréquence asservie (FLL) rapides, des filtres programmables passifs et actifs, ainsi que d’autres circuits nécessaires à la démodulation des signaux à modulation de fréquences ou de phase.

1994-… Conception de circuits analogiques. Plusieurs composants de base ont été construits pour des applications biomédicales et de télécommunications. Des circuits à haut rendement (haute fréquence et basse consommation) ont été développés : amplificateurs opérationnels, comparateurs, filtres, etc. Des transconductances, transimpédances, ainsi que divers éléments en mode courant et à courant commuté ont été conçus. Des structures originales ont également été démontrées, entre autres, amplificateurs opérationnels mode courant, des sources de courant robustes, convertisseurs DC-DC, modulateurs et démodulateurs, etc De plus, plusieurs modules ont été optimisés selon la surface du circuit, la consommation d’énergie et la linéarité.
1994-… Conception d’un contrôleur d’amplificateur de puissance. Ce travail englobe un circuit électronique permettant la linéarisation des amplificateurs de puissance utilisés dans les applications de télécommunications. D’autres modules dédiés aux mêmes genres d’applications (modulation, démodulation, déphasage, égalisation, etc.) ont également été développés.

1992-94 Construction d’un filtre Kalman optimisé. Ce projet met en œuvre un filtre Kalman à niveau de bruit inconnu par le biais d’une architecture parallèle. L’approche proposée est appliquée à un réseau VLSI semi-systolique afin d’accélérer les calculs matriciels nécessaires à chaque itération. Un réseau tri-trapézoïdal permet une inversion de matrice dans un seul cycle d’horloge. Ce circuit parallèle rend possible des applications de prévision en temps réel. De plus, des techniques de circuits à courant commuté ont servi à construire des réseaux neuronaux modélisés par Matlab pour comparer l’algorithme des moindres carrés de Widrow-Hoff avec un réseau Adaline basé sur un filtre Kalman.

1993-98 Architectures de processeurs dédiés. Plusieurs types de processeurs embarqués ont été conçus. Ces processeurs sont destinés à la construction de dispositifs programmables par l’utilisateur et reconfigurables dynamiquement. Une attention particulière a été portée à la conception de dispositifs programmables rapides à signaux mixtes pour le traitement du signal et autres applications d’accélération.

1993-96 Compte-gouttes à autosurveillance pour médicaments. Ce projet concerne un moniteur électronique de compte-gouttes qui mémorise le nombre de gouttes utilisées grâce à des informations sur le temps écoulé depuis l’ouverture du bouchon.

1991-… Conception, réalisation et tests de capteurs et d’actionneurs implantables. Des activités de recherche sur deux grandes familles de dispositifs implantables ont été entreprises. La première comprend un groupe de composants pour le contrôle du système urinaire chez les patients paralysés ayant perdu les deux fonctions essentielles de la vessie (incontinence et rétention). La deuxième famille s’applique à un implant visuel pour les patients aveugles. Ces projets pluridisciplinaires recouvrent plusieurs domaines d’intérêt en microélectronique et en électronique RF. Parmi les aspects abordés dans le cadre de ces travaux de recherche mentionnons la conception de circuits intégrés dédiés et à signaux mixtes (analogique-numérique), la testabilité, la communication sans fil, le traitement du signal et des images, les circuits programmables. Une attention particulière est accordée à la consommation d’énergie et à la surface occupée sans compromettre la fiabilité et la flexibilité lors de la conception de ces composants.

1990-91 Mesure de paramètres urodynamiques chez les chiens. Ce travail a permis la construction d’un implant contenant deux canaux contrôlés par un appareil externe en plus d’un système frontal d’acquisition de données sur ordinateur personnel, utilisé pour obtenir les paramètres. Les analyses de paramètres ont permis de localiser le processus de micturation.

1986-90 Conception et réalisation d’un stimulateur neurologique transcutané pour le contrôle de la vessie chez les patients ayant subi une lésion de la moelle épinière. Le système comprend : i) un contrôleur externe bâti sur un microcontrôleur standard utilisé pour envoyer les commandes, la synchronisation et l’énergie vers l’implant grâce à des techniques de couplage inductif; ii) un implant qui contient une puce sur mesure CMOS. Cet implant récupère les données reçues à travers la peau et les transmet à la puce pour extraire les commandes et les utiliser pour ensuite programmer et faire fonctionner le stimulateur multicanal. Par ailleurs, un stimulateur neuromusculaire transcutané informatisé a été développé pour contrôler la prothèse urinaire implantable. Ces dispositifs ont servi à des expériences in vivo sur des chiens paralysés.

1987-88 Détecteur de fertilité. Conception et réalisation d’une puce sur mesure CMOS 3 micros (11564 transistors). La puce contient de la mémoire vive (RAM), un chronomètre et un décodeur d’affichage pour un appareil de détection de fertilité.

1984-86 Système informatique pour générer des ondes sonores. Conception et réalisation d’un système informatique polyvalent pour générer et contrôler des ondes sonores impulsionnelles de niveau élevé (140 dB) et de longue durée. Le système est composé d’un ordinateur personnel qui commande une chaîne sonore pour simuler certaines ondes impulsionnelles transitoires (générateur d’étincelles, armes à feu, marteau et assiette, etc.). Ce système a été développé dans le but de mesurer la perte de l’ouïe chez les humains.

1984-85 Puce multifonction à réseau de portes. Conception d’un circuit intégré par la technologie réseau de portes CMOS 4 microns. Il s’agit d’une puce à utilisations multiples qui contient divers circuits de fonctions logiques de base.

1983 Modulation par impulsions et codage. Développement d’un émetteur-receveur codeur-décodeur à la base de circuits intégrés à modulation par impulsions et codage (PCM).



© Mohamad Sawan 2011 / Last Update 14-11-2011