CAPTech november 2015

DATE : 24 novembre 2015 | HORAIRES : 09.30 - 17.00 | LIEU : echopen Hotel Dieu 1, place du parvis Notre Dame 75004 Paris (Batiment A1, 6ème étage)

Overview

Qu'allons-nous faire ?
De qui avons-nous besoin ?
Quels seront les livrables ?
  • Echanger et passer un bon moment
  • Sur la base des contraintes, choisir un cap technologique (architecture fonctionnelles et interfaçée)
  • Identifier les solutions pour améliorer les modules techniques de la sonde
  • De vous tous pour offrir votre regard
  • Cf. Ci-dessous pour la liste des compétences
  • Un cap technologiques clair et une architecture validée
  • Une roadmap => février 2016
  • L'intégration des participants dans le projet

Profils recherchés

  • Electronique
    • électronique de puissance
    • électronique analogique
    • capteur/mesure physique
    • électronique composant programmable (microcontroleur, FPGA)
    • design de carte électronique
    • mécatronique
  • Mécanique, matériaux
    • mécanique des pièces tournantes
    • matériaux polymère/bio-compatible
    • matériaux piezoélectrique
  • Traitement des données
    • acoustique médicale
    • traitement du signal
    • développeurs android
  • Autre
    • normes biomédicales
    • design

Programme du workshop du 24.11.2015

9.30 - 10.00 | Accueil et petit déjeuner

10.00 - 10.40 | Rappel du projet echOpen et présentation du Kit Emile (V0.0)

10.00 - 10.15 Objectif du projet echopen
Bâtir un outil de primo-diagnostic simple, low cost, universel qui permet de fixer la prise en charge sanitaire
Philosophie du projet : c’est un projet communautaire, l’implémentation sera Open Source
Principes de mise en oeuvre
Revenir à un dispositif mécanique, utilisant des technologies laissé en friche, dès que possible, softwariser (en embarqué / déporté), dès que possible, universaliser : concevoir avec l’idée d’une ré-utilisabilité des modules développés, notamment software
10.15 - 10.30 Présentation détaillée Kit
Hardware & Software (challenges)
10.30 - 10.40 Présentation du travail réalisé à l’ENS Cachan
Backing + Transducteur

10.40 - 13.00 | Quel Cap Technologique ?

Étant donnés

  1. Les spécifications de l'image définie par les professionnels de santé
  2. Les contraintes et critères généraux
  3. Les critères et contraintes médicales
  4. Les risques médicaux
  5. Les critères technologiques (usage maximal du processing via l'app, etc.)

Définir les spécifications de la sonde echopen pour atteindre l'objectif d'un prototype fonctionnel pour le 17 février 2016

13.00 - 14.00 | Déjeuner

14.00 - 16.00 | Définition technologique des modules

Étant donnés

  1. L'architecture en 6 meta modules et 16 modules => Challenger cette architecture
  2. Les critères et contraintes techniques
En déduire la ou les solution-s technologique-s
Entrée / sortie par module
Spécifications fonctionnelles par module
Spécifications d'interface entre les modules
=> Valider une architecture fonctionnelle et un architecture interfaçées
=> Designer un arbre de developpement + balises + plan de releases
=> Une roadmap

16.00 - 17.00 | Enjeux communautaires

Comment faciliter la contribution, les échanges dans la communauté et la dissémination du projet dans leur propre éco-système

Retours de la journée

Intro de Mehdi

Historique d’echOpen par Pierre

Revue du concept de l’écho-stéstoscopie et rappel de son utilité : mettre dans la main des médecins quelque chose de simple pour améliorer l’examen clinique. En effet, “à l’oreille l’apprentissage est long, à l’oeil, c’est immédiat”. A ce titre, Pierre rappelle qu’il est nécessaire de passer 48h de formation pour un apprendre à bien se servir d’un écho-stétoscope.

Il faut noter également que l’écho-stétoscopie améliore l’examen clinique mais ne remplace pas l’IRM, l’échographie classique, en complément desquels elle intervient. L’usage se focalise par exemple plus sur l’ubiquité du soin et par exemple, la prise en charge d’un patient aux urgences devient immédiate, et se dispense sans devoir faire transiter le patient via un radiologue.

Pour que cette reflexion prenne, il faut un échographe polyvalent et à coût bas pour cet exercice. C’est le but d’echOpen.

Participants

  • Nicolas : Bruxelles, programmeurs/sysadmin
  • Olivier  : ULB, intro à l’imagerie médicale
  • Vincent : Etudiant ESIA, étudiant en dev embarqué
  • Farad : Etudiant ESIA, hard, electronique
  • Marion : PostDoc Inserm, elastographie (w/ xavier maitre)
  • Jean Francois : Dir recherche ENS, physicien, thèse sous Mathias Fink
  • Colin : Electronique rapide à base de FPGA, développe des cartes élec
  • Severine : PME HIFU
  • Muriel : Consultante freelance en matériel médical
  • Yann : Prof UPMC, ESIA prof en électronique, ENS Cachan avant, électronique embarquée
  • Anne Laure : Médecin vasculaire, google et la chaine de l’espoir (echo à distance - matériel pour streamer des séquences d’écho)
  • Francois. : Dev d’application,
  • Florent : Dev, electronicien, BBB, open source
  • Aurélien

Tour d’horizon technique

Plan

  • Présentation du principe d’échographie
  • Besoin pour echOpen
  • Design à 5 parties
  • Présentation du Kit Hardware & Software
  • Présentation du travail de préparation du transducteur à l’ENS

Présentation


Discussions / idées en vrac

  • Après les présentations ont été soulignés les points suivants :
  • Il serait possible de s’affranchir d’un compte tour si on considère que le traitement du signal permet de repérer le positionnement de la sonde via la corrélation entre deux lignes contiguës, basé sur le fait qu’en bout de balayage il y a peu de changement entre les lignes.
  • L’échantillonage d’un signal basé sur du 3.5 MHz à 100 MHz est challengé, mais JFC convient qu’une telle fréquence n’a rien d’exceptionnel et permettrait un bon traitement par la suite.
  • La programmation du FPGA prend beaucoup de temps (selon FAK, il faudrait 2 mois pour le faire), mais apporte énormément de précision et de performance, il permet également de faire du traitement du signal en interne.
  • Le traitement par FPGA est rapide, mais monolithique; beaucoup plus dur à faire évoluer. Il vaut mieux qu’il y ait peu de programmeurs en même temps pour un même projet.
  • Le choix d’un mécanisme à balayage peut introduire plus de vibrations et d’usure que la rotation pure. Les contraintes sur le collecteur tournant (peu de bruit, à bas coût) restent entières et un système rotatif à un seul transducteur à un frame rate beaucoup moindre.
  • Sur le module transmitting, le débit de données brutes échantillonnées à 100 MHz sur 20cm est trop important, entre 500 et 900 Mo/s - un téléphone ne peut pas absorber cela.
  • Les sondes échographiques existantes transmettant les données par wifi ont un gros problèmes de bruits parasites donc on doit passer en filaire. Plus tard éssayer d’adapter un module wifi ou bluetooth en conditions réelles pour vérifications.
  • Le tire TM se fera uniquement dans l’appli (on affiche simplement une seule ligne et non toute l’image).

Fusion des discussions

  • Au vu de la deadline du 17 février, il est suggéré de partir sur une solution analogique au maximum ; c’est à dire TGC et détection d’enveloppe avant de passer par le CAN. Cela permet de réduire la fréquence d’échantillonnage (JED : min 3.5-7 MHz) et donc minimiser les fréquences de travail de la partie numérique => moindre coût, moindre consommation. Le controleur sera alors un microcontroleur et non plus un FPGA (LUJ et FLK optent pour le BBB).
  • YDO convient également de retirer le FPGA de la version pour février. Raison : plus simple à mettre en oeuvre, moins chère, moins de consommation. Mais solution à envisager en parallèle ou à plus longs termes.
  • L’inconvénient est qu’il n’y a aucun traitement du signal adaptable dans l’appli, moins de possibilité de post-traitement. L’image est uniquement processée sur le support.
  • La TGC peut soit utiliser un Ampli à Gain Variable (type AD 604?) ou bien un ampli à gain logarithmique (selon GEC). Inconvénient du VGA est la nécessité d’utiliser un CNA.
  • Circuit type de détection d’enveloppe (cf. GEC) :
  • Le consensus confirme le besoin d’une connection filaire dans la V1 (USB limité à environ 40 à 60 Mbps).
  • Essayer d’utiliser des kits de développement (type analog device) : circuits déjà fait, plus cher mais plus facile et plus rapide à mettre en oeuvre (exemple TCA 440).
  • Utiliser ou s’inspirer des dongles TNT qui ont un circuit similaire à notre chaine d’acquisition - ou encore de regarder ce qui compose les circuits SDR (software defined radio).
  • Moteur à 600 rpm pour obtenir un frame rate de 20 images par seconde. Moteur proposé : moteur LRK. Composé de 3 bobines, ils permettent de connaitre la position du moteur grâce à ces bobines.
  • Protection du circuit d’écoute de type switch pour ne pas voir le pulse haute tension + écrêtage de type 2 diodes tête bèche.


Animation de la communauté

  • Questions et points soulevés :
    • Listes de discussions appréciées (email)
    • Media wiki est un bon outil, d’autant plus si on peut recevoir des notifications par mail si une de nos pages suivies est modifiée
    • StackOverflow (et ses variantes open) peuvent être utiles pour obtenir des idées, voter pour ces idées et faire émerger des bonnes solutions
    • GitHub connu par les geeks - moins par les non-initiés
    • Une newsletter réguliere a minima mensuelle
    • Un hangout hebdomadaire serait bien
    • Les rencontres physiques sont nécessaires

Cloture

Documentation & Ressources

Medical needs / requirements

Medical spec.

Préréglages (par le biais de pictogrammes)
Contrôles directement sur l'outil
Les paramètres préformatés permettre de reformater l'image au touch, sans revenir à linterface de réglage.
Condition : l'app doit tourner sur une interface tactile.
Bouton 'SAVE' pour enregistrer les images.
Régler le gain avec les boutons sur le côté.
Mesure (dimension)
Mesure de volume
Procédure : enregistrer l’image et mesurer
Video en direct
Affichage d’une image enregistrée
Mode simplifié et mode avancé (pouvant être préréglé par le médecin)
Tir TM (voir le mouvement d'une structure dans le temps)
Modification de la ligne de tir (par itération) > bouton complémentaire

Image

Grey level : 32 to 64
Measurement width : 5 cm to 20 cm (=> Focal 12,5 cm)
Image resolution : 1 mm
Sector angle : 60°
Frame rate : 15 fps
Real time : 1/2 second
Settings : total gain

XXX

Constraints

Echopen contraintes.jpeg

General constraints and project vision

Linked to the global design

  • Available and accessible skills within the community
    • Hardware development complexity due to the need of maintaining the technology and release the following versions.
    • Need a stable version for clinical trials
  • Open source philosophy

Medical constraints and medical risks

Linked to the medical use

  • Technico-medical challenge
    • Performance imagerie (incluant toute la chaîne de mesure / temps réel et mesures en temps réel)
    • Ergonomie (dont encombrement, poids...)
    • Disponibilité (Autonomie et fiabilité)
  • Norms (ISO 14971 to start)
    • Patient risk (Injury, diagnostic mistakes, No diagnostic, etc.), operator risk (injury) and environment (electro-magnetical compatibility)

Technical constraints

Linked to the technical development

  • size
  • weight
  • autonomy
  • image quality
  • probe ergonomy
  • software ergonomy
Final product => low cost
Investment costs (industrial resources, development tools)

Development Updated

Technological architecture

Echopen Schéma architecture.jpeg

Global Scheme

Echopen schéma global.jpeg

Image impact on tech - First level

Echopen Impact Image.001.jpeg

With this image definition, we have calculate the maximum frame rate accessible: 36 fps (see Mechanics) and the data rate needed to transfer the informations (see Transmitting): between 37.5 and 702 Mbps.

By knowing the measurement width, it is possible to design the size of the transducer with this tool (from www.imasonic.com). With this tool we access to focal spot of a focalised transducer so we know the with where we can made acoustic measurement.

Benchmark

Dans le tableau suivant sont listés les composants que l'on peut trouver dans certaines sondes en labiratoire (voir les articles cités en bibliographie)

Block Element Particularité Thèse Levesque Thèse Tsakalakis article Kang article Choe
Transducer Transducteur Type focalisé matrice 16*16 éléments matrice 128 éléments matrice 32*32 éléments
Transducer Transducteur Diamètre 12 mm diamètre
Transducer Transducteur Fréquence centrale 4.75 MHz 3 MHz 3.5 MHz 5 MHz
Transducer Transducteur Profondeur focale 80 mm 90 mm
Transducer Transducteur Profondeur de mesure 150 mm 150 mm 300 mm 75 mm
Emitting FPGA Marque Xilinx XC3S1500L-FG320 (1.5 M gates) Virtex 6 FPGA ML605
Emitting Pulse generation Amplitude 3.3 V -> -100 V -60 V -25 V
Emitting Pulse generation Durée 50 to 800 ns
Receiving Fréquence d'échantillonage Fréquence d'échantillonage 20 MHz (up to 100 MHz) 65-100 MHz 40 MHz 20 MHz
Receiving CAN Précision 10 bits 12 ou 14 bits 12 bits
Receiving TGC Amplis 1 ampli LNA (19 dB) + 2 TGA (48 dB), total 115 dB
Receiving Filtres Filtre passband filtre passif anti-repliement, 1-10 MHz
Receiving Mémoires Types 1 FLASH (programation), 1 PSRAM, 1 FRAM
Receiving Opération électronique Prétraitement transformée de Hilbert (enveloppe) + intégration sur un pixel
Transmitting Frame rate Frame rate 15 fps 30 fps 3.3 fps
Transmitting Taille de l'image Taille de l'image 320 x 240 45x45x? (3D) 148*148*128
Transmitting Précision image Précision image 8 bits
Transmitting Post traitement Post traitement Super resolution, speckel noise reduction
Mechanics Balayage Type mécanique électronique électronique électronique
Mechanics Balayage Angle 90° 45° 90° 50x50°
Design Batterie Consommation 1897 mW
Design Encombrement Taille 160 x 100 x 30 200x120x45
Design Quantité de données Quantité de données 8.8 Mb/s 0.71 Gb/s (PCI
Additional Additional Afficheur écran LCD

Bibliographie

Thèse Philippe Levesque

Thèse Michail Tsakalakis

Kang: A system-on-chip solution for point-of-care ultrasound imaging systems: architecture and ASIC implementation

Choe: Real-time volumetric ultrasound imaging using a 32×32-element 2-D CMUT array

Workshop conclusions

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