Semestre 9 - Electronic systems for biomedical engineering

Niveau de connaissances (savoirs) :

- N1 : débutant 
- N2 : intermédiaire
- N3 : confirmé
- N4 : expert 

Les connaissances (savoirs) attendues à l'issue des enseignements de l'UE

- Savoir concevoir et dimensionner un système électronique en utilisant des circuits intégrés disponibles sur étagère : (C2, N3), (C4, N3)
- Acquérir les méthodologies de mesure concernant la compatibilité électromagnétique d'un système : (C5, N2)
- Connaître les bonnes pratiques de conception d'un circuit imprimé : (C2, N2)
- Connaître les principales options de récupération d'énergie pour les systèmes électroniques embarqués : (C6, N2)
- Connaître les blocs élémentaires de gestion de l'énergie dans un système électronique : (C4, N3), (C6, N2)

Les acquis d'apprentissage en termes de capacités, aptitudes et attitudes attendues à l'issue des enseignements de l'UE

- Appréhender les spécificités des signaux issus de milieux vivants : (C1, N1)
- Manipuler les appareils de mesure pour évaluer les émissions électromagnétiques d'un système électronique : (C3, N3), (C5, N2)
- Savoir adapter une plateforme numérique de traitement du signal aux spécificités de l'application visée : (C4, N3)
- Réalisation d'un projet de conception d'un système de mesure ECG (dimensionnement, simulation, fabrication et validation) : (C3, N3), (C4, N3), (C5, N2), (C8, N3), (C9, N1)

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La conception d'un système d'acquisition d'électrocardiogramme (ECG) sera utilisée pour illustrer le dimensionnement, la conception et la validation d'un système électronique.

EN:

The design of an electrocardiogram (ECG) acquisition system will be used to illustrate the dimensioning, design and validation of an electronic system.

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La conception d'un circuit imprimé (PCB) est une étape qu'il ne faut pas négliger. Une mauvaise conception de PCB peut en effet ruiner les performances d'un système entier, même si la conception du circuit et du système est de bonne facture.

Ce module vise à présenter les principales bonnes pratiques à suivre lors de la conception d'un PCB, afin d'atténuer les problèmes de compatibilité électromagnétique, d'assurer la sécurité de l'utilisateur, de réduire le coût de fabrication, de faciliter la fabrication et le test du produit, etc.

EN:

Printed circuit board design is a step that should not be overlooked. A bad PCB design can indeed ruin the performances of a whole system, even though the circuit and system designs might be excellent.

This module aims at introducing good practices to follow when designing a PCB, in order to mitigate electromagnetic compatibility issues, ensure user safety, reduce the fabrication cost, allow easy manufacturing and testing of the product, etc.

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Ce module présente les architectures de conversion de puissance qui permettent la gestion de l'énergie. Une attention particulière est portée aux topologies utilisées dans les systèmes de stockage d'énergie (hacheurs entrelacés, fly-back multi-sorties, convertisseurs SEPIC, étages push-pull pour drivers). Il traite également des principes de fonctionnement et de l'utilisation des circuits intégrés dédiés aux fonctions de recharge, d'équilibrage, d'évaluation de l'état de santé, de surveillance et de contrôle des accumulateurs (lithium-ion, supercondensateurs), des convertisseurs d'hybridation de source, de la mise en œuvre de stratégies de gestion et de récupération de l'énergie.

Cette approche théorique est illustrée par des exemples concrets à travers des exercices et par quatre travaux pratiques avec des logiciels en mode mixte portant sur les sujets suivants :
- Alimentation à découpage et LDO pour charger une cellule lithium-ion.
- Convertisseur Buck-Boost utilisé pour l'équilibrage des cellules des supercondensateurs.
- Onduleur basse tension pour le transfert d'énergie sans fil.
- Système de récupération d'énergie basé sur une source photovoltaïque avec contrôle MPPT. 

EN:

This module introduces the power conversion architectures that allow energy management. Special attention is paid to the topologies used in energy storage systems (interleaved choppers, multi-output fly-backs, SEPIC converters, push-pull stages for drivers). It also deals with the operating principles and the use of integrated circuits dedicated to the functions of recharging, balancing, health status evaluation, monitoring and control of accumulators (lithium-ion, supercapacitors), source hybridization converters, implementation of energy management strategies, energy recovery.

This theoretical approach is illustrated by real examples through exercises and by four pratical works with mixed-mode software dealing with:

1. Switched-mode power supply and LDO to charge a lithium-ion cell;
2. Buck-Boost converter used for supercapacitors cells balancing;
3. Low voltage inverter for wireless power transfer;
4. Energy harvesting system based on photovoltaic source with MPPT control.

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Au regard du nombre grandissant de capteurs sans-fil faible puissance, récupérer l'énergie dans l'environnement se révèle être une solution prometteuse pour répondre à leur besoin énergétique et ainsi s'affranchir des batteries conventionnelles. 

Actuellement, les batteries sont toujours massivement utilisées malgré leur coût non négligeable, leur durée de vie limitée et les polluants qu'elles sont susceptibles d'engendrer. La récupération d'énergie (energy harvesting) est une alternative prometteuse davantage respectueuse de l'environnement et permettant une alimentation théoriquement infinie de capteurs sans-fil dans l'environnement. L'énergie solaire, thermique et vibratoire sont aujourd'hui beaucoup étudiée pour différentes applications (bâtiment intelligent, médecine, agriculture intelligente, surveillance environnementale, aéronautique, aérospatial...).

Un récupérateur d'énergie nécessite (i) un transducteur convertissant l'énergie provenant de l'environnement (solaire, thermique, chimique, vibratoire...) en énergie électrique et (ii) d'une interface électrique de gestion d'énergie.

EN:

Regarding the ever-increasing number of remote low power sensors, harvesting the energy from the surrounding environment is a pertinent solution to meet the energy needs but reduce the use of conventional batteries. On the one hand chemical batteries are still massively chosen despite their non-negligible cost, their limited lifetime and the pollution they are likely to produce. On the other hand, harvesting ambient energy is a promising alternative to power autonomously and indefinitely remote sensors in addition to process in an eco- friendly way. Solar, thermal and vibrational energies are currently studied and promising for different applications (smart buildings, medicine, agriculture, security issues such as eartquake and fire detection, aeronautic, aircrafts…).

Energy harvesting requires (i) a transducer to convert the environmental energy (solar, thermic, chemical, vibrational…) into electrical energy and (ii) an power management unit (PMU) to extract the maximum energy from the transducer and to convert the electrical signal into the one required by the sensor.

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Ce module permet d'appréhender les avantages spécifiques à diverses plateformes de calcul embarqué pour effectuer du traitement de signal. Cette découverte se fait par l'intermédiaire de projets spécifiques (associations objectif/plateforme matérielle) et de présentations croisées entre les étudiants.

Cours en ligne:
https://yannick-bornat.enseirb-matmeca.fr/wiki/doku.php?id=en341:accueil

EN:

The module explores the pros and cons of different platform targets for embedded signal processing in the context of a healthcare system. This comparison work will be performed as concurrent hands-on projects with binoms studying different processing platforms or different processing objectives.

Online resources:
https://yannick-bornat.enseirb-matmeca.fr/wiki/doku.php?id=en341:accueil

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La compatibilité électromagnétique est un sujet important lors de la conception d'un système électronique. Ce module vise à fournir des connaissances pour mieux comprendre quels sont les défis de cette thématiques, comment sont caractérisées les émissions électromagnétiques d'un système électronique et comment atténuer ces dernières.

EN:

Electromagnetic compatibility is an important topic when designing an electronic system. This module aims at providing knowledge for better understanding what the challenges are, how electromagnetic emissions of an electronic system are characterized, and how to mitigate those emissions.

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Niveau de connaissances (savoirs) :

- N1 : débutant
- N2 : intermédiaire
- N3 : confirmé
- N4 : expert

Les connaissances (savoirs) attendues à l'issue des enseignements de l'UE

- Connaître les spécificités et l'origine des signaux issus de milieux vivants : (C1, N3)
- Connaître les différents étages d'une chaîne d'acquisition et leur paramètres d'intérêt : (C2, N3)
- Connaître les principales technologies de capteurs : (C2, N3), (C6, N2)
- Connaître les principaux protocoles et standard de communications au sein d'un système électronique : (C4, N3), (C6, N2) 

Les acquis d'apprentissage en termes de capacités, aptitudes et attitudes attendues à l'issue des enseignements de l'UE

- Savoir concevoir et dimensionner une chaîne d'acquisition : (C2, N3), (C4, N3)
- Appréhender les spécificités des signaux issus de milieux vivants : (C2, N3)
- Savoir écrire le firmware d'un système d'acquisition : (C2, N3), (C4, N3)
- Réalisation d'un projet de conception d'un circuit intégré (notamment la phase de layout) : (C4, N3), (C5, N2), (C8, N3)

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EN:

Sensors and transducers, analog electronics related to measurements

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Conditionnement du signal, conversion analogique-numérique (, conversion numérique-analogique).

EN:

Signal conditioning, analog-to-digital conversion(, digital-to-analog conversion)

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Internet des objets (Internet of Things, IoT) et protocoles de communication

EN:

Internet of Things (IoT) and communication protocols

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Bioélectricité & Électrophysiologie et traitement du signal associé, etc.

EN:

Bioelectricity & Electrophysiology and associated signal processing, etc.

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Niveau de connaissances (savoirs) :

- N1 : débutant
- N2 : intermédiaire
- N3 : confirmé
- N4 : expert 

Les connaissances (savoirs) attendues à l'issue des enseignements de l'UE

- Connaître l'état de l'art des systèmes électroniques pour la santé : (C6, N3)
- Connaître les principaux aspects de la réglementation autour des systèmes pour la santé : (C4, N3), (C6, N2)
- Connaître les principaux modèles théoriques de la conception centrée sur les utilisateurs : (C4, N3), (C6, N2)

Les acquis d'apprentissage en termes de capacités, aptitudes et attitudes attendues à l'issue des enseignements de l'UE

- Savoir s'interroger sur les implications éthiques d'un système électronique : (C11, N2)
- Appréhender les spécificités réglementaires d'un système pour la santé : (C4, N3), (C11, N2)
- Appréhender le facteur humain lors de la conception et de l'utilisation d'un système électronique : (C4, N3), (C11, N2)
- Réalisation d'un état de l'art dans un domaine en lien avec l'électronique pour le vivant : (C6, N3)
- Savoir présenter un état de l'art ou des travaux à l'état de l'art : (C6, N3), (C10, N2)
- Réalisation d'un projet de conception de système électronique en rapport avec le vivant : (C2, N3), (C3, N3), (C4, N3), (C5, N3), (C7, N3), (C8, N3), (C9, N2), (C12, N2)

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Le cours aborde l'état de l'art et les développements récents liés à l'ingénierie électronique dans le domaine du génie biomédical, dans l'industrie et la recherche. En s'appuyant sur des rapports publiés, des feuilles de route et des documents de position, il présente les tendances et les défis actuels de l'ingénierie dans le domaine.

EN:

The course addresses the state-of-the art and recent developments related to electronic engineering. in the field of biomedical engineering, in industry and in research. Based on published reports, roadmaps and position papers, it presents the current engineering trends and challenges in the field.

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Ce cours traite de la réglementation et des normes élaborées pour le domaine du génie biomédical. Deux grandes familles de normes seront présentées : les normes IEC et les normes ISO, principalement IEC60601, IEC62353, ISO13485, IEC61010, ISO14971. En plus de cela, la classification des normes de sécurité sera également présentée (Typ A, Typ B et Typ C).

En plus de cela, une conception d'architecture de base où les normes de sécurité sont mises en œuvre sera présentée. Ainsi, une comparaison entre les systèmes biomédicaux de base, où la sécurité n'est pas prise en compte, et les systèmes avancés, où la sécurité et la redondance au niveau des capteurs, de l'unité de traitement et des interfaces de communication est présente, sera proposée. Quelques exemples liés à l'application de la vie seront présentés au cours de ce cours.

EN:

This course deals with the regulations and standards developed for the biomedical engineering domain. Two main standards families will be presented: the IEC and the ISO standards, mainly IEC60601, IEC62353, ISO13485, IEC61010, ISO14971. Added to that, the safety standards classification will be also presented (Typ A, Typ B and Typ C).

Added to that, some basic architecture design where safety standards are implemented will be presented. Thus, a comparison between basic biomedical systems, where safety is not taken into consideration, and advanced systems, where safety and redundancy at the level of the sensors, the processing unit and the communication interfaces is present, will be proposed. Some examples related to life-application will be shown during this course.

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Cognitique

EN:

Cognitics

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Ce module d'enseignement vise à éveiller et entraîner l'esprit critique des élèves sur les enjeux éthiques et sociétaux soulevés par l'ingénierie, notamment biomédicale, et les systèmes de santé. L'objectif n'est pas d'enseigner l'éthique d'un point de vue formel et philosophique, mais plutôt de provoquer une réflexion sur le rôle de la science et de l'ingénierie dans nos sociétés, les controverses soulevées par les tendances technologiques actuelles, et la responsabilité des ingénieurs et des chercheurs vis-à-vis de ces questions.

EN:

Critical thinking on ethical and societal challenges raised by engineering (in particular for biomedical systems) and healthcare systems. The goal is not to teach ethics from the formal and philosophical viewpoint, but rather to provoke thinking about the role of science and engineering in our societies, the controversies raised by the current technological trends, and the responsibility of engineers and researchers with respect to those questions.

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Étude bibliographique dans le domaine des dispositifs médicaux, des systèmes de santé ou de l'un des autres champs disciplinaires abordés par la formation. Ce travail pourra éventuellement être couplé au projet de réalisation (PR362).

EN:

Bibliographical work in the field of medical devices, healthcare systems, or another topic addressed by the option. This work might be coupled to the realization project (PR362).

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Projet semestriel encadré conjointement avec des personnes venant du monde de l'entreprise, de la recherche, de services cliniques, etc.

EN:

Semester project jointly supervised with people from companies, academic research, clinical services, etc.

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Niveau de connaissances (savoirs) :

N1 : débutant
N2 : intermédiaire
N3 : confirmé
N4 : expert

Les connaissances (savoirs) attendues à l'issue des enseignements de l'UE

Maitriser l'anglais et connaître d'autres cultures (C10, N1 à N4)

Les acquis d'apprentissage en termes de capacités, aptitudes et attitudes attendues à l'issue des enseignements de l'UE

Savoir communiquer avec des personnes de langues et cultures différentes (C10, N2 à N4)
Savoir s'adapter dans différents contextes, dans l'entreprise, à l'international (C10, C12, N1 à N3)
Savoir communiquer avec de spécialistes et non-spécialistes (C12, N1 à N3)
Apprendre à mieux se connaître, à s'autoévaluer, à gérer ses compétences (C13, N2 - N3)

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Ce module se compose de deux parties complémentaires :
- Projet Professionnel
- Business Challenge.

Partie 1 : PROJET PROFESSIONNEL (4 heures)
Identification des sources de motivation et des forces/faiblesses/opportunités/menaces rencontrées pendant le stage de 1ere année et 2ème année se préparer à l'embauche Construire son pitch et se préparer à la soutenance du projet professionnel.
MODULE 1 :Debriefing du stage 2A,
MODULE 2 : Préparation du pitch en vue de la soutenance de projet professionnel

Partie 2 : BUSINESS CHALENGE (24 heures)
A travers une simulation l'étudiant doit :- Apprendre à développer une stratégie- comprendre les mécanismes de fonctionnement de l'entreprise ( coûts, comptabilité, finances, marketing, production...)- Analyser les résultats- Se sensibiliser au DDRSMieux comprendre les intéractions entre les différentes dimensions d'une entreprise est un des principaux objectifs de Global Challenge. Les participants devront traiter de multiples disciplines liées à la gestion en les intégrant dans une stratégie globale. De plus, les participants devront apprendre à travailler en équipe, afin de mieux analyser les implications opérationnelles et financières de leurs décision.Chaque équipe, regroupée en unité autonome de gestion, doit gérer un ensemble de produits sur un marché virtuel.

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