Présentation du banc de stimulation

mardi 27 janvier 2009

Introduction

La technique de l’IRM Fonctionnelle Cérébrale est un des piliers de la recherche fondamentale et clinique dans le domaine des neurosciences. Cette technique consiste – schématiquement – à étudier les corrélations existant entre des « activations » cérébrales (mesurées par l’IRM) et le « comportement » du (ou des) sujet. L’activation est ici synonyme de variations locales de l’hémodynamique cérébrale. Le comportement du sujet fait l’objet d’un ensemble de stimulations (pouvant être visuelles, auditives, tactiles, olfactives, …) et/ou d’enregistrement de réponses (pouvant être cognitives, motrices, physiologiques, …).

Le Centre IRMf de Marseille est un plateau-technique dont le rôle est de mettre en œuvre l’ensemble des besoins (techniques et humains) relatifs aux expérimentations des chercheurs et médecins. Dans ce cadre, il développe - au delà de son activité liée à la technologie de l’IRM - un important travail de recherche et développement autour d’un environnement de stimulation, synchronisé aux acquisitions IRM, et dont la nature et la vocation imposent une évolution permanente. L’effort est porté aussi bien sur les périphériques (réponses du sujet, capteurs, stimulateurs, …) que sur le matériel d’instrumentation mais également sur le contrôle logiciel.

Contraintes et stratégie de développement

Les systèmes de stimulation et de recueil de données comportementales sont un vaste domaine d’études et de développement. De nombreux périphériques sont commercialisés par des sociétés spécialisées, selon des stratégies diverses (gammes complètes incluant une unité d’E/S, périphériques seuls, développements à façon, …). Il s’agit le plus souvent de matériel onéreux. En outre, les développements réalisés concernent principalement la partie matérielle, parfois associée à un logiciel fermé et limité.

Notre décision a donc été de développer un système intégrant de façon naturelle les éléments logiciels et matériels, tout en garantissant une maintenance aisée, la possibilité de faire évoluer tout ou partie du système et/ou de le compléter en ajoutant de nouvelles fonctionnalités. L’intégration de composants matériels et logiciels naturellement complémentaires et évolutifs issus du catalogue NI a permis de répondre à ces contraintes, en couvrant la quasi-intégralité de la chaîne.

La configuration choisie s’articule autour d’un chassis PXI-1031 dans lequel on a intégré

  • un contrôleur PXI-8108 sur lequel est installé LabVIEW 8.6 et un certain nombre de modules additionnels (Vision, Sound & vibration analysis, …)
  • une carte d’E/S numériques : la PXI 6528 dédié à la synchronisation entre la machine IRM et l’ensemble des modules du banc de stimulation.
  • une carte multifonction série M : la PXI 6289 dédiée notamment à l’enregistrement de données analogiques.
  • une carte d’acquisition vidéo analogique monochrome la PXI IMAQ 1409 dédiée au traitement de données vidéo (Eye-tracking notamment)

Ce noyau est complété par deux systèmes de conditionnement de signaux : un boitier SCXI (dont on détaillera le modules ci-après) et un boitier CompactDAQ, plus spécifiquement dédié à l’acquisition de données physiologiques dans la salle IRM...

Mise en œuvre matérielle et logicielle

L’environnement de stimulation comporte 3 « couches » distinctes :

  • La couche périphérique : il s’agit de l’ensemble des matériels qui, au contact du sujet, permettent d’interagir avec lui : claviers, trackball, joystick, capteurs de force, de température, physiologiques (battements cardiaques, respirations, réponse électro-dermale) mais également toutes les modalités de stimulation (visuelle, auditive, olfactive, tactile, …) ou plus spécifiques encore, tels que les mouvements oculaires.
  • La couche matérielle : elle concerne l’ensemble des modules d’instrumentation qui vont permettre d’interfacer les périphériques : excitation des capteurs, lecture de voies analogiques (incluant le conditionnement), de voies numériques, vidéo. Et un rôle également primordial : la synchronisation de toutes ces acquisitions/stimulations le plus précisément possible sur la machine IRM. L’ensemble de ces tâches est réalisé grâce aux matériels PXI, SCXI et CompactDAQ.
  • La couche logicielle : véritable chef d’orchestre du banc, elle coordonne la pilotage de la couche matérielle et doit offrir toute l’ergonomie et la fiabilité nécessaire pour que l’utilisateur puisse programmer le plus rapidement (et de la façon la plus fiable) les diverses expérimentations. La modularité de LabVIEW et son intégration (via notamment les drivers DAQmx et IMAQ) avec la partie matérielle assure pleinement ce cahier des charges.

Les différentes modalités du banc de stimulation

  • Les périphériques de stimulation
    • La stimulation visuelle
    • La stimulation auditive
    • La stimulation tactile électrique
    • La stimulation tactile par vibrations
    • La stimulation olfactive
  • Le recueil de réponses physiologiques
    • Le rythme cardiaque
    • La réponse électrodermale
    • La respiration
    • l’électro-myographie (EMG)

Portfolio

Schéma opérationnel du banc de stimulation

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