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

par Erwan Libessart

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Francesco Paolo Andriulli.

Soutenue le 30-11-2018

à l'Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire , dans le cadre de École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes) , en partenariat avec Département Electronique (laboratoire) et de Lab-STICC_IMTA_CACS_IAS (laboratoire) .

Le président du jury était Fan Yang Song.

Le jury était composé de Francesco Paolo Andriulli, Bertrand Granado, Olivier Romain, Matthieu Arzel, Cyril Lahuec.

Les rapporteurs étaient Bertrand Granado, Olivier Romain.


  • 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.

  • Titre traduit

    Brain-computer interface : new perspectives through hardware acceleration


  • Résumé

    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.


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