Antennes sans fil dans les applications biomedicales

Antennes sans fil dans les applications biomédicales

La technologie sans fil moderne et la miniaturisation des antennes et des composants électroniques jouent un rôle très important pour rendre la télémédecine possible. Les systèmes de transmission sans fil sont de plus en plus employés dans les applications biomédicales à l’intérieur et à l’extérieur du corps humain dans les diagnostics médicaux et les suivis thérapeutiques pour des applications diverses. Parmi ces systèmes, on trouve le pacemaker, le défibrillateur implantable [1] et la capsule endoscopique [2] qui fonctionnent à l’intérieur du corps humain. Les moniteurs du rythme cardiaque, de la pression artérielle, de la saturation de l’oxygène dans le sang, de la respiration et de l’électrocardiogramme (ECG) sont des circuits médicaux portables permettant de fournir plus d’indications réalistes sur l’état de santé du patient en temps réel [3]. Les liaisons sans fil à faible portée permettent de connecter ces circuits médicaux non invasifs avec les équipements de surveillance et de contrôle, ce qui permet d’améliorer le confort et la mobilité du patient et de limiter les frais d’hospitalisation.

Les réseaux BAN (Body Area Network) sont aussi employés en télémédecine pour transférer des données vitales issues de biocapteurs, installés à l’intérieur et/ou à l’extérieur du corps humain, à des centres de surveillance à travers le réseau GPRS, ce qui permet de contrôler en permanence l’état du patient .

La stimulation électrique d’un nerf provoque la contraction du muscle relié à ce nerf, ainsi la technologie sans fil a été exploitée pour réaliser des stimulateurs cardiaques implantés permettant de stimuler un cœur trop lent grâce à des sondes reliées à celui-ci sauvant ainsi chaque année des milliers de vies [8].

Canal de propagation

Pour établir les liaisons de communications nécessaires pour les circuits biomédicaux, des antennes qui sont placées à l’intérieur ou à l’extérieur du corps humain doivent être caractérisées à travers des techniques numériques et expérimentales. Les problèmes rencontrés dans les antennes appliquées en médecine, en particulier les antennes fonctionnant à l’intérieur du corps humain, sont différents de ceux des antennes utilisant l’espace libre comme canal de transmission. Le corps humain n’est pas un moyen idéal pour la transmission des ondes radiofréquences. Il s’agit d’un milieu partiellement conducteur constitué de matériaux de caractéristiques différentes telles que la constante diélectrique, la conductivité, l’épaisseur et l’impédance caractéristique. Les tissus biologiques ont d’habitude des permittivités élevées, cela va changer la fréquence de résonance des antennes couplées avec eux. Selon la fréquence de travail de l’antenne, le corps humain peut générer de grandes pertes causées par l’absorption de puissance, ce qui va réduire les performances de l’antenne (changement de la fréquence centrale, destruction du diagramme et de l’efficacité de rayonnement, etc.) [10]. Les systèmes radiofréquences sans fil intégrés dans le corps humain sont généralement alimentés par des batteries, la destruction de l’efficacité de rayonnement de l’antenne va augmenter la consommation de puissance de l’antenne et réduire ainsi la durée de vie des batteries. Les antennes à basses fréquences, telles que les boucles magnétiques, ont des bandes passantes faibles par rapport aux antennes radiofréquences, en plus, la puissance du champ magnétique s’atténue plus rapidement avec la distance par rapport à la puissance d’une onde électromagnétique. Néanmoins, le champ magnétique est indépendant des propriétés diélectriques du corps humain et ne dépend que de la perméabilité du milieu. L’utilisation du couplage magnétique en champ proche permet ainsi de diminuer les pertes de transmission causées par les tissus humains et par conséquent, d’augmenter la durée de vie des batteries [11]. Ainsi, les antennes opérant à l’intérieur du corps humain doivent être conçues et mesurées dans un milieu qui peut représenter les tissus humains pour évaluer correctement les performances d’une liaison sans fil à travers ce milieu dissipatif.

Fréquences disponibles

Pour les communications sans fil dans le domaine médical, les antennes implantées peuvent opérer dans la bande de fréquence MICS (Medical Implant Communications Service) qui est de 402-405 MHz. L’MICS est un service radio ultra basse puissance pour la transmission des données qui a pour but de faciliter le diagnostic et les fonctions thérapeutiques. La bande de fréquence MICS, qui correspond à λair = 74 cm et λbody = 9 cm, est régularisée par le FCC (Federal Communication Commission) et l’ERC (European Radiocommunication Commitee). D’après l’ETSI (European Telecommunications Standards Institute), la puissance rayonnée maximale dans cette bande de fréquence est de 25 µW ERP. Cette limite permet au niveau de puissance implantée d’être amplifiée pour compenser les pertes causées par les tissus humains [12], [13]. Les bandes ISM (Industrial, Scientific and Medical bands) à licence libre sont aussi attribuées aux circuits biomédicaux. Les fréquences allouées aux antennes radiofréquence (RF) dans ces bandes sont 434 MHz, 868 MHz et 2.4 GHz en Europe et 315 MHz, 915 MHz et 2.4 GHz aux U.S [7]. Récemment, les bandes de fréquence 1.2 GHz [14], 1.4 GHz [2] ainsi que la bande MedRadio (Medical Device Radiocommunication Service), qui va de 401 à 406 MHz [15], sont utilisées pour les applications médicales. Des fréquences plus basses (13.56 MHz et 40.68 MHz) sont allouées par la bande ISM pour permettre de réaliser des liaisons par induction magnétique en champ proche en utilisant des bobines magnétiques électriquement petites.

Motivation et objectif de ce travail 

Les travaux de cette thèse portent sur les antennes ingérables (capsules) qui sont sélectionnées parmi les antennes opérant à l’intérieur du corps humain pour les applications biomédicales. Sachant que les systèmes sans fil utilisant les ondes RF dans le domaine médical souffrent des fortes atténuations causées par le corps humain, le but de cette thèse est essentiellement de limiter ces pertes. Pour cela, il est nécessaire de caractériser le corps humain: calcul des caractéristiques diélectriques des tissus humains et de l’atténuation dans ces milieux dissipatifs en fonction de la fréquence. Cette étude va permettre de sélectionner les fréquences du travail et le type de communication : les fréquences 315 MHz et 434 MHz, puis les fréquences 40 MHz et 40.68 MHz sont choisies pour concevoir des bobines magnétiques électriquement petites et pour effectuer des liaisons par induction magnétique en champ proche à travers le corps humain. La réalisation de l’antenne d’émission ingérable et de la bobine de réception positionnée à la surface du corps humain va permettre par la suite de mesurer la puissance reçue pour caractériser le bilan de liaison.

Table des matières

1. INTRODUCTION
1.1. ANTENNES SANS FIL DANS LES APPLICATIONS BIOMEDICALES
1.2. CANAL DE PROPAGATION
1.3. FREQUENCES DISPONIBLES
1.4. MOTIVATION ET OBJECTIF DE CE TRAVAIL
1.5. PLAN DE LA THESE
2. COMMUNICATIONS SANS FIL A TRAVERS LE CORPS HUMAIN DANS LE DOMAINE MEDICAL: ETAT DE L’ART
2.1. ANTENNES A L’INTERIEUR DU CORPS HUMAIN: ETAT DE L’ART ET APPLICATIONS
2.1.1. ANTENNES INGERABLES
2.1.2. IMPLANTS MEDICAUX
2.2. CARACTERISTIQUES DIELECTRIQUES DU CORPS HUMAIN
2.2.1. CALCUL DES CARACTERISTIQUES DIELECTRIQUES DES TISSUS HUMAINS
2.2.2. ATTENUATION DANS LES MILIEUX A PERTES
2.3. CONCLUSION
3. CONCEPTION D’ANTENNES DANS LES MILIEUX BIOLOGIQUES
3.1. INTRODUCTION
3.2. ANTENNES RF DANS LES MILIEUX BIOLOGIQUES
3.2.1. COMPORTEMENT DES ANTENNES RF A L’INTERIEUR DU CORPS HUMAIN
3.2.2. SIMULATION DES ANTENNES RF A L’INTERIEUR DU CORPS HUMAIN
3.2.2.1. Simulation d’une antenne spirale PIFA sur HFSS
3.2.2.2. Antenne spirale simple et antenne spirale double
3.2.2.2.1. Simulation de l’antenne spirale simple
3.2.2.2.2. Simulation de l’antenne spirale double
3.2.2.3. Dipôle méandre et antenne méandre conformée sur la gélule
3.2.3. CONCEPTION D’UNE ANTENNE MULTICOUCHE LARGE BANDE A 402 MHZ
3.2.4. CONCLUSION
3.3. BOBINES MAGNETIQUES ET ANTENNES BOUCLES DANS LE CORPS HUMAIN
3.3.1. ÉTAT DE L’ART
3.3.1.1. Communication par induction magnétique en champ proche et bobines magnétiques dans les milieux biologiques
3.3.1.1.1. Communication par induction magnétique en champ proche
3.3.1.1.2. Antennes boucles électriquement petites et couplage magnétique
3.3.1.2. Antennes boucles résonantes dans les milieux biologiques
3.3.2. CONCEPTION D’ANTENNES BOUCLES A L’INTERIEUR DU CORPS HUMAIN A 315 MHZ ET A 434 MHZ
3.3.2.1. Adaptation des antennes : alimentation par couplage inductif
3.3.2.2. Composantes des champs E et H des antennes boucles
3.3.2.2.1. Antenne boucle opérant à 315 MHz
3.3.2.2.2. Antenne boucle opérant à 434 MHz
3.3.2.2.3. Étude comparative à 315 MHz et à 434 MHz entre le comportement en champ proche de l’antenne placée à l’intérieur du corps humain et celui quand l’antenne est en espace libre
3.3.2.3. Limites des antennes boucles magnétiques à 315 et 434 MHz
3.4. CONCLUSION
4. CONCLUSION

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