Miniature antennas for biomedical applications

Antennes miniatures pour des applications biomédicales La télémétrie biomédicale et l’interfaçage neuronal à base de dispositifs miniatures et autonomes sans fil constituent de nouvelles applications en émergence. Elles visent à répondre à de nombreux enjeux y compris dans les domaines de la santé, du sport et bien être, ou encore de la sécurité au travail et de la défense. Parmi les applications typiques de biotélémétrie, nous pouvons citer le monitoring de certains paramètres physiologiques : température corporelle, pression artérielle, rythme cardiaque, taux de glucose et d’anticorps, détection d’agents chimiques, etc. En ce qui concerne l’interfaçage neuronal, il permet de restaurer les informations sensorielles, d’aider à la réadaptation des amputés, des personnes atteintes de paralysie ou des patients atteints de maladies neurodégénératives. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer au développement de dispositifs miniaturisés et communicants pour le monitoring, en continu, de variables physiologiques d’humains ainsi que d’animaux. Ces dispositifs innovants nécessitent un système de communication fiable. Plus particulièrement, il s’agit d’analyser le milieu de propagation à l’intérieur des tissus biologiques et de développer des antennes miniatures innovantes ainsi que des méthodes pour leur analyse et leur caractérisation. Le verrou majeur concerne le rendement des antennes miniatures. Les effets de forte hétérogénéité, dispersion, pertes très élevées des milieux biologiques et les contraintes de miniaturisation et d’intégration dans des dispositifs in-body limitent la portée des systèmes existants à quelques dizaines de centimètres. Tout d’abord, des outils spécifiques de modélisation et d’optimisation ont été développés en collaboration avec l’Université de Bohème de l’Ouest. Ces outils sont indispensables pour l’analyse des composants de systèmes antennaires complexes : le code Agros2D (CAO interne) utilise des méthodes entièrement adaptatives. Cette approche permet de réduire la complexité d’optimisation des antennes in-body jusqu’un seul dégrée de liberté. Puis, la limite fondamentale de rendement des antennes pour les applications in-body a été définie ; les liens entre cette limite et la taille de l’antenne, sa fréquence de fonctionnement, la polarisation et les matériaux utilisés (dont hypothétiques) ont été quantifiés pour la première fois. Ce travail fondamental a d’abord pour objectif l’optimisation des performances de l’antenne actuelle de la capsule e-Celsius de l’entreprise BodyCAP pour accroître la portée de la gélule, en prenant en compte les caractéristiques des matériaux et le milieu de propagation que constituent les tissus biologiques. Dans cette étape on inclut également la fabrication des prototypes de gélules télémétriques ainsi que leurs mesures d’impédance. L’antenne optimisée a une portée trois fois plus importante que celle actuelle tout en occupant le même volume. En utilisant ces principes de conception, nous avons développé et caractérisé une antenne à 434 MHz adaptée à une large gamme d'applications in-body. Des dimensions ultra-miniatures, une robustesse et un rendement accrus permettent de l'utiliser à la fois pour des applications des capsules à implanter et à avaler. Enfin, en développant davantage les méthodes de conception et d’optimisation, nous avons conçu une antenne double-bande. Ayant la même robustesse que son équivalent actuel mono-bande, elle présente également un rendement encore plus élevé, permettant ainsi de fonctionner au-delà de 10 m. La caractéristique double-bande permet de concevoir les dispositifs in-body rechargeables sans fil dans le corps. Les antennes proposées contribuent au développement ultérieur d'une nouvelle génération de dispositifs miniatures in-body qui impliquent une intégration complexe et dense des capteurs, de la logique et de la source d'alimentation.