Interface cerveau-machine : de nouvelles perspectives grâce à l'accélération matérielle

Brain-computer interface : new perspectives through hardware acceleration

• Auteur / Autrice : Erwan Libessart
• Direction : Francesco Paolo Andriulli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 30/11/2018
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Electronique - Lab-STICC_IMTA_CACS_IAS
• Jury : Président / Présidente : Fan Yang Song
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francesco Paolo Andriulli, Bertrand Granado, Olivier Romain, Matthieu Arzel, Cyril Lahuec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertrand Granado, Olivier Romain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matrices

Problèmes inverses (équations différentielles) -- Solutions numériques

Électronique numérique

Électroencéphalographie

Mots clés libres

Adéquation algorithme-architecture

Electronique numérique

FPGA

ASIC

EEG

Interface cerveau-machine

Architecture-silicon adequacy

Digital electronics

FPGA

ASIC

EEG

Brain-computer interface

Résumé

Les interfaces cerveau-machine (ICM) permettent de contrôler un appareil électronique grâce aux signaux cérébraux. Plusieurs méthodes de mesure de ces signaux, invasives ou non, peuvent être utilisées. L'électro-encéphalographie (EEG) est la méthode non-invasive la plus étudiée car elle propose une bonne résolution temporelle et le matériel nécessaire est bien moins volumineux que les systèmes de mesure des champs magnétiques.L'EEG a cependant une faible résolution spatiale, ce qui limite les performances des ICM utilisant cette méthode de mesure. Ce souci de résolution spatiale peut être réglé en utilisant le problème inverse de l'EEG, qui permet de passer des potentiels mesurés en surface à une distribution volumique des sources de courant dans le cerveau. Le principal verrou de cette technique est le temps nécessaire (plusieurs heures) pour calculer avec une station de travail la matrice permettant de résoudre leproblème inverse. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié les solutions actuelles pour accélérer matériellement la conception de cette matrice. Nous avons ainsi proposé, conçu et testé une architecture électronique dédiée à ces traitements pour ICM. Les premiers résultats démontrent que notre solution permet de passer de plusieurs heures de calcul sur une station de travail à quelques minutes sur circuit reconfigurable. Cette accélération des traitements d'imagerie par EEG facilitera grandement la recherche sur l'utilisation du problème inverse et ouvrira ainsi de nouvelles perspectives pour le domaine de l'ICM.

Brain-Computer Interfaces (BCI) are systems that use brain activity to control an external device. Various techniques can be used to collect the neural signals. The measurement can be invasive ornon-invasive. Electroencephalography (EEG) is the most studied non-invasive method. Indeed, EEG offers a fine temporal resolution and ease of use but its spatial resolution limits the performances of BCI based on EEG. The spatial resolution of EEG can be improved by solving the EEG inverse problem, which allows to determine the distribution of electrical sources in the brain from EEG. Currently, the main difficulty is the time needed(several hours) to compute the matrix which is used to solve the EEG inverse problem. This document describes the proposed solution to provide a hardware acceleration of the matrix computation. A dedicated electronic architecture has been implemented and tested. First results show that the proposed architecture divides the calculation time by a factor of 60 on a programmable circuit. This acceleration opens up new perspectives for EEG BCI.