Architecture type d’un système de TIE

Une revue de la littérature de TIE, orientée sur l’instrumentation, révèle une grande diversité dans les réalisations de systèmes d’acquisition de données. Afin de faciliter les com- paraisons entre systèmes, il est utile de définir une architecture type et de définir quelques attributs pour distinguer les réalisations pratiques sans entrer dans les détails techniques. La figure 2.1 montre le schéma-bloc de ce qu’on peut considérer être l’architecture type d’un système de TIE constitué de quatre modules principaux :

• Un réseau d’électrodes qui sont distribuées sur la partie du corps à imager. Ces élec- trodes servent à appliquer un courant sinusoïdal aux tissus du corps et à échantillonner le champ de potentiel qui en résulte.

• Un MEA qui comprend des commutateurs analogiques, des sources de courant et des préamplificateurs. Ces circuits de première ligne servent à mesurer l’impédance des tis- sus selon une séquence préétablie qu’on désigne couramment de protocole de mesure. Dans certains systèmes, le protocole de mesure est géré localement par des micropro- cesseurs, de sorte que la sélection d’électrodes pour chaque mesure s’effectue avec un minimum d’interventions du reste du système.

• Une UC, aussi appelée module de synthèse et de démodulation (MSD), qui comprend le synthétiseur du signal qui contrôle le courant appliqué au corps et un (ou des) démodulateur(s) qui traitent les signaux captés par les électrodes. En général, l’UC comprend aussi une interface de communication avec un ordinateur. Cette interface peut utiliser divers supports physiques (fils, fibres optiques, ondes radio) et divers protocoles de communication (e.g. RS232, internet, USB, etc.).

• Un ordinateur, chargé d’exécuter l’interface usager, de recevoir les données, de recons- truire et d’afficher les images ainsi que de sauvegarder les données brutes sur disque pour traitement ultérieur.

La description ci-dessus est suffisamment générale pour convenir à la majorité des sys- tèmes de TIE. C’est pourquoi, il est utile d’utiliser des attributs pour distinguer les diverses réalisation pratiques. Les attributs suivants sont les plus utilisés :

• Le type de système : sériel, semi-parallèle et parallèle. Cet attribut est basé sur la simul- tanéité d’exécution des opérations d’application de courant et de mesure des potentiels. Les différences entre ces types sont expliquées plus en détail ci-dessous.

• La configuration du système : regroupée, semi-distribuée et distribuée. Cet attribut décrit la répartition physique des modules. La configuration regroupée rassemble tous les modules dans un même boîtier. À l’opposé, la configuration distribuée associe à chaque électrode un module qui contient les circuits de première ligne qui la desservent. Le reste du système peut être réparti en plusieurs boîtiers interconnectés.

• La fonction du système : simple fréquence, bifréquence et multifréquence. Cet attribut réfère au nombre de fréquences utilisées simultanément pour faire les mesures d’im- pédance. Le type d’images qu’on peut reconstruire avec les données acquises, et donc l’utilité du système, dépend de ce nombre.

Dans les sections suivantes, nous utiliserons les termes canal d’excitation et canal de me- sure pour désigner respectivement la chaîne de circuits qui servent à appliquer un courant sinusoïdal par une paire d’électrodes et la chaîne de circuits qui servent à mesurer la différence de potentiel entre deux électrodes. La majorité des systèmes de TIE acquièrent les données de cette façon. Toutefois, l’approche réciproque est aussi possible : une différence de potentiel est appliquée entre deux électrodes et le courant résultant est mesuré par deux autres élec- trodes. Quelques systèmes multifréquences utilisent cette approche car elle présente certains avantages aux hautes fréquences.

2.2.1 Systèmes sériels

Les systèmes de type sériel ont un seul canal d’excitation et un seul canal de mesure. L’ac- quisition de données est forcement séquentielle. Dans sa forme la plus simple, un tel système comprendrait : quatre multiplexeurs à N entrées et une sortie (les entrées des multiplexeurs étant directement reliées à N électrodes), une source de courant contrôlée par un générateur de signal, un amplificateur différentiel, un démodulateur et un séquenceur. Les sorties de deux multiplexeurs vont aux sorties du canal d’excitation et celles des deux autres multiplexeurs aux entrées du canal de mesure. Les performances d’un tel système seront affectées par les capacités parasites des multiplexeurs ; la fréquence d’excitation devra donc être limitée à une

dizaine de kilohertz. En pratique, la majorité des systèmes sériels associent à chaque élec- trode des circuits de première ligne, comme une source de courant contrôlée par tension et un préamplificateur. Les sorties des multiplexeurs sont alors déplacés aux entrées des sources de courant et aux sorties des préamplificateurs, qui sont des nœuds de faible impédance. L’effet des capacités parasites des multiplexeurs est ainsi réduit et ces systèmes peuvent fonctionner à des fréquences d’excitation plus élevées.

Le principal avantage des systèmes sériels est la simplicité de leurs circuits de traitement de signaux. Ce sont généralement des systèmes compacts, qui nécessitent peu d’énergie pour fonctionner. Cependant, comme les mesures sont séquentielles, il faut plus de temps pour acquérir une trame. Par exemple, pour des systèmes sériels à seize électrodes la cadence d’images est habituellement limitée à 25 trames/s. Des exemples de systèmes sériels sont présentés dans (Jossinet et al., 1993; Rigaud et al., 1993; Jossinet et al., 1994; Record, 1994; Koukourlis et al., 1995; Chauveau et al., 1996; Riu et al., 1996).

2.2.2 Systèmes semi-parallèles

Les systèmes semi-parallèles comportent un canal d’excitation et autant de canaux de mesure et de démodulateurs qu’il y a d’électrodes. Un système ayant un seul canal de mesure et plusieurs canaux d’excitation serait aussi considéré semi-parallèle mais cette configuration est rarement utilisée.

Pour des systèmes à N électrodes, un système semi-parallèle peut acquérir les données d’une trame jusqu’à (N − 3) fois plus rapidement qu’un système sériel. Autrement dit, la cadence d’images d’un système semi-parallèle peut être (N −3) supérieure à celle d’un système sériel équivalent. Pour une cadence d’images donnée, un système semi-parallèle bénéficiera d’un temps d’observation du signal capté par les électrodes (N − 3) fois plus long que celui d’un système sériel. Cet avantage peut servir à améliorer le rapport signal sur bruit (SNR) des mesures en moyennant plusieurs échantillons du signal démodulé. L’amélioration du SNR est proportionnelle à la racine carrée de (N −3), s’il s’agit de bruit blanc additif de moyenne nulle. Par exemple, pour un système à seize électrodes, l’amélioration du SNR pourrait atteindre 11 dB.

Le principal désavantage des systèmes semi-parallèles est la plus grande complexité des circuits de traitement de signaux. Le fait d’utiliser N démodulateurs plutôt qu’un seul rend difficile le contrôle de l’uniformité des fonctions de transfert. Une procédure de calibration et des dispositifs d’ajustement des canaux de mesure sont nécessaires. L’encombrement phy- sique, la consommation d’énergie et le coût de fabrication sont aussi plus grands que pour les systèmes sériels. Les articles suivants décrivent des systèmes semi-parallèles (Rosell et al., 1989; Smith, 1990; Smith et al., 1990, 1995; Casas et al., 1996; Li et al., 1996).

2.2.3 Systèmes parallèles

Les systèmes parallèles ont autant de canaux d’excitation et de canaux de mesure que d’électrodes. Un courant sinusoïdal est appliqué simultanément à toutes les électrodes. Ces courants sont de même fréquence et ont un déphasage constant, mais leur amplitude crête varie d’une électrode à l’autre selon une fonction trigonométrique appelée profil d’amplitude. Par exemple, si θ désigne la position angulaire de l’électrode, les profils d’amplitude seront de la forme sin (θ), cos (θ), sin (2θ), cos (2θ) et ainsi de suite. Une fois fixé le profil de courant, les différences de potentiel entre les électrodes périphériques et une électrode de référence sont mesurées simultanément par les N canaux. Une trame comprend les données (i.e. les différences de potentiel démodulées) obtenues avec un nombre prédéterminé de profils de courant. Ce nombre dépend de la résolution spatiale recherchée dans les images.

Les systèmes parallèles peuvent atteindre des cadences d’images deux à cinq fois supé- rieures à celles de systèmes semi-parallèles équivalents. Des cadences de 100 trames/s et plus sont possibles pour des systèmes à seize électrodes. Cet avantage est obtenu au prix d’une complexité accrue des circuits de traitement de signaux. Ceci se répercute sur l’encombrement physique du système, sa consommation d’énergie et son coût de fabrication.

Deux inconvénients de ce type de système sont à considérer. Premièrement, le profil d’amplitude du courant appliqué aux électrodes doit être ajusté avec grande précision pour que la somme instantanée des courants soit toujours égale à zéro. Si ce n’est pas le cas, le courant excédentaire devra passer par l’électrode de référence pour revenir à la masse flottante du système. L’impédance de contact aux interfaces électrode-peau étant finie, il en résulte un potentiel mode commun. Ceci exigera des canaux de mesure qui ont un taux de rejet du mode commun (CMRR) très élevé. Deuxièmement, contrairement aux autres types de systèmes, un système parallèle effectue les mesures de différences de potentiel aux mêmes électrodes qui appliquent du courant au corps. Une partie de cette mesure représente la chute de potentiel dans l’impédance de contact électrode-peau. Cette impédance de contact est très variable et difficile à contrôler, même par une préparation de la peau (abrasion) ou par l’utilisation de gels conducteurs sous l’électrode. Des exemples de systèmes parallèles sont présentés dans (Cook et al., 1994; Edic et al., 1995; Casas et al., 1996; McLeod et al., 1996; Halter et al., 2008).