Soutenance mémoire
Communications sans fil à travers le corps humain dans le domaine médical: état de l’art
Antennes à l’intérieur du corps humain: état de l’art et applications
Pour établir une liaison sans fil efficace à travers le corps humain, il est nécessaire de faire attention au niveau de la conception de l’antenne qui doit être de petite taille. L’antenne est une partie intégrée du circuit médical, la forme du circuit va décrire la forme de l’antenne qui va être utilisée. Les organes du corps ou la place d’usage vont décrire la forme du circuit implanté. Pour le suivi thérapeutique des pathologies du système GI, le circuit ingérable est sous forme d’une gélule.
Antennes ingérables
Les systèmes à capsules ingérables ont suscité un grand intérêt dans les applications médicales et ont été largement utilisés dans les diagnostics et les traitements médicaux des pathologies du système GI tels que le cancer du côlon et de l’estomac. L’introduction des capsules ingérables non-invasives en télémédecine permet d’offrir des tests importants en termes de temps et des données fournies et de réduire ainsi les douleurs du patient en augmentant son confort. Les capsules électroniques ingérables, qui intègrent des capteurs, des batteries, un circuit de transmission, des antennes…, sont utilisées pour la surveillance des paramètres physiologiques du système GI tels que la température, le PH, la concentration de l’oxygène [7], [19]. Ensuite, elles sont employées pour les systèmes de délivrance de médicaments [20] et pour les vidéo capsules qui envoient des images internes du système GI. Les capsules ingérables et indolores permettent une facilité d’accès au système digestif contrairement aux examens endoscopiques conventionnels qui sont inconfortables et laissent le 2/3 de l’intestin non examiné. Ces systèmes doivent être non-invasifs afin d’assurer au maximum le confort du patient. L’information fournie par les capsules vidéo est insuffisante pour donner toutes les données physiologiques nécessaires sur le système GI tel que la température, la pression et le pH…, cela nécessite des batteries de durée de vie supérieure à 72 heures. Les capsules existantes, de durées de vie réduites, laissent des portions significatives du système GI non examinées, en plus, les dimensions des batteries sont limitées par les contraintes du confort du patient. En effet, la consommation de puissance doit être limitée pour améliorer la durée de vie des capsules. L’efficacité d’une antenne augmente avec la fréquence, mais l’augmentation de la fréquence provoque une atténuation due aux tissus du corps. Les structures de transmission utilisant l’induction magnétique en champ proche appliquées en RFID (Radio Frequency IDentification) ont connu un grand succès. Ces techniques de communication à basse fréquence ne sont pas très publiées. L’implémentation d’une structure télémétrique VHF, utilisant le couplage magnétique en champ proche, est décrite dans [7]. Les performances mesurées in-situ de ces structures sont comparées avec ceux des capsules qui emploient des structures télémétriques UHF conventionnelles. Pour cela, une étude détaillée sur les performances d’une structure de transmission VHF à champ proche couplée magnétiquement, qui demande uniquement le 1/8 du volume et le 1/4 de la consommation de puissance de solutions existantes UHF à 868 MHz, est faite. Les structures de transmission sans fil, utilisant la bande de fréquence 30-40 MHz et 868 MHz, pour des capsules injectées dans la carcasse d’un porc sont caractérisées in situ. La différence principale entre les deux capsules est la taille physique et la fréquence de travail du système télémétrique. La durée de vie d’une batterie est de 50 heures à 32 MHz et de 12.5 heures à 868 MHz. Le champ magnétique proche dans les structures de transmission à basse fréquence est relativement indépendant des tissus et des fluides dans la carcasse tandis que le champ lointain à hautes fréquences est fortement absorbé. Les capsules à basse fréquence ont l’avantage d’éviter les pertes de données par « channel fading » et présentent un meilleur rapport signal sur bruit et par conséquent une haute qualité de signal avec le 1/4 de consommation de puissance par rapport aux capsules à hautes fréquences.
Les propriétés diélectriques des tissus des animaux in vivo sont différentes de celles des tissus des animaux immédiatement après leur mort. Il a été démontré dans [21] que la conductivité et la permittivité des tissus humains peuvent diminuer respectivement de 10 % et de 4 % dans les 4 heures qui suivent la mort de l’être vivant. Il est aussi rapporté que la variation des propriétés diélectriques de quelques tissus avec l’âge est importante et que les propriétés diélectriques des tissus des adultes et des enfants sont différentes. Par contre, la comparaison entre l’influence du corps de l’animal sur les IWD (Ingestible Wireless Devices) avant et après la mort n’a pas été rapportée. Cette étude [21] a décrit des expériences sur le porc qui permettent de mesurer la différence entre les caractéristiques de rayonnement des IWD mis à l’intérieur du porc dans une transition entre la vie et la mort. Le porc est l’animal choisi pour l’étude expérimentale du système digestif car la physiologie digestive du porc est comparable à celle de l’être humain. En plus, le porc tolère bien l’anesthésie. Les tissus des animaux ont une grande influence sur les caractéristiques de rayonnement de l’antenne spécialement pour les circuits médicaux sans fil ingérés. Quand le micro circuit sans fil est avalé par l’animal, la fréquence correspondante va diminuer par rapport à celle dans l’espace libre et la fréquence varie à différentes positions de l’intestin de l’animal. La fréquence centrale d’une antenne en position basse de l’intestin augmente par rapport à celle en positions hautes, ces variations dépendent des caractéristiques des antennes; cela est dû à la différence entre les tissus entourant les deux niveaux. Ainsi, quand l’IWD est mis en haut de l’intestin, les os à côté de l’IWD agissent largement sur les caractéristiques de rayonnement. La fréquence centrale augmente après la mort du porc car les propriétés diélectriques des tissus entourant l’antenne diminuent immédiatement après la mort. À ce moment, le corps du porc absorbe moins d’énergie de rayonnement que celle absorbée par le corps vivant. Ainsi, les variations de fréquence sont grandes et ces phénomènes doivent être pris en compte lors de la conception des IWD pour améliorer les performances des antennes. Par conséquent, la bande passante de l’antenne doit être grande pour assurer une communication efficace quand l’IWD est en mouvement dans le système gastro-intestinal. Le diagramme de rayonnement, l’efficacité de rayonnement et la distribution du champ électrique autour de la surface du corps de l’animal doivent être investigués et l’influence du changement de la position et de l’orientation du circuit sans fil ingéré doit être aussi considérée.
Pour un système à capsules endoscopiques, une antenne de petites dimensions est nécessaire. En plus, l’antenne proposée a besoin d’avoir un diagramme de rayonnement omnidirectionnel (isotrope) qui est détectable facilement, quelle que soit la position de la gélule et son orientation. Après, pour transmettre le diagnostic des données de l’image en temps réel, à haute résolution et à haute vitesse, une antenne large bande appropriée pour les systèmes large bande est nécessaire. Les antennes à bande étroite présentent une mauvaise résolution des données de l’image médicale. Dans cette contribution, une antenne spirale de faibles dimensions, pour les systèmes de capsules endoscopiques large bande, a été proposée [10]. Les antennes utilisées dans les systèmes à capsules endoscopiques fonctionnent à l’intérieur du corps humain; la conception de l’antenne proposée est basée sur l’étude des matériaux du corps et des caractéristiques de propagation à l’intérieur du corps. Les caractéristiques du corps humain multitouche peuvent être simplifiées dans une seule couche équivalente. D’après le document FCC (Federal Communication Commission), les moyennes des paramètres diélectriques des tissus du corps à 450 MHz sont 56 pour la constante diélectrique et 0.8 pour la conductivité.
Une antenne de faibles dimensions, pour les systèmes à capsules endoscopiques, a une faible résistance de rayonnement et une fréquence de résonance élevée. Pour dépasser ces problèmes liés à la miniaturisation, des antennes hélicoïdales et des antennes spirales sont utilisés dans ces systèmes; ces antennes présentent des bandes passantes limitées. En utilisant une antenne spirale duelle, une bande passante plus large que celle d’une seule antenne spirale simple est obtenue. Une étude qui a permis d’introduire une antenne spirale duelle pour un système de capsule endoscopique large bande a été proposée dans [22]. Cette structure résonante duelle est composée de deux éléments spiraux de tailles différentes, un seul fil d’alimentation connecte ces éléments. Chaque antenne spirale est modélisée comme des boucles de différentes dimensions. La bande de fréquence recommandée est la bande MICS, cette bande de fréquence possède de faibles pertes pour transmettre des ondes électromagnétiques dans le corps humain par rapport à des fréquences plus hautes. Par conséquent, la bande 300-400 MHz est sélectionnée comme fréquence opératoire dans cette contribution. Les deux spirales ont des longueurs totales différentes, ce qui a permis d’augmenter la bande passante de l’antenne qui possède un diagramme de rayonnement omnidirectionnel.
Implants médicaux
La conception d’antennes implantées tient compte à la fois des données théoriques, de l’encapsulation et des contraintes technologiques. Comprendre comment transmettre les informations de l’intérieur du corps humain vers le monde extérieur est une approche multidisciplinaire; électromagnétique, électronique et biologique. L’analyse des antennes intégrées dans les systèmes implantables, dédiés à la transmission de données sans fil, est basée sur la théorie des antennes dans les milieux à pertes, les radiateurs électriquement petits et la modélisation du corps humain. L’unité de contrôle pour les capteurs corporels (implant médical) est composée essentiellement de l’antenne, du module électronique nécessaire, de biocapteurs et des batteries [36]. Les couches biocompatibles entourant l’antenne permettent d’augmenter l’efficacité de rayonnement de l’antenne. Ainsi, une antenne spirale multicouche bi-bande conçue avec différents modèles du corps humain, est trouvée convenable pour une unité de contrôle des implants médicaux. Les deux bandes de fréquence de cette antenne sont la bande MedRadio (401-406 MHz) et la bande ISM (2.4-2.5 GHz).
Dans [37], une connexion sans fil entre un circuit implanté dans le cerveau humain et des centrales de contrôle externes, utilisant des antennes boucles dans la bande MICS, est proposée. Ainsi, l’information obtenue à travers les capteurs implantés dans le cerveau, pour les patients paralysés, sera examinée par un ordinateur extérieur permettant ainsi au patient de bouger le curseur d’un écran et de transmettre des messages simples à un ordinateur. La plupart des études concernant les implants médicaux utilisent le principe de propagation des ondes électromagnétiques et s’orientent vers la miniaturisation des antennes et l’augmentation de la bande passante. Une étude sur les antennes micro ruban dans [38] a montré que la structure spirale aide à la miniaturisation des antennes par rapport aux antennes patch et que l’utilisation de substrats et de superstrats biocompatibles épais de permittivités élevées et de conductivités faibles aide à optimiser l’antenne implantée.
Dans [39], il a été démontré que l’antenne PIFA (Planar Inverted F Antenna) possède une bande passante plus large, des dimensions plus petites et une efficacité de rayonnement meilleure que l’antenne micro ruban. Le calcul du SAR (Specific Absorption Ratio) des deux antennes indique que la couche diélectrique, placée au dessus de l’antenne permet de protéger les tissus de la peau en contact avec l’antenne. L’antenne PIFA proposée dans [40] dispose d’une bande passante très large (120 MHz dans la bande MICS) mais les dimensions de l’antenne restent un peu grandes pour pouvoir l’implanter dans le corps humain. Des structures empilées (multicouche) ont permis aussi d’augmenter la bande passante tout en réduisant la taille des antennes implantées utilisées en bio-télémétrie. Dans [41], la conception d’une antenne PIFA circulaire empilée construite sur un substrat de permittivité élevée (10.2) a permis de diminuer la taille et d’augmenter la bande passante des antennes implantées afin de réduire l’effet du décalage de fréquence produit par les tissus humains. Le diagramme de rayonnement de cette antenne est omnidirectionnel et l’efficacité de rayonnement est de 0.31 %. Les structures PIFA empilées miniaturisées large bande disposant d’un diagramme de rayonnement qui ressemble à celui d’un monopole ont permis aussi d’augmenter l’efficacité de rayonnement d’un facteur de 2 par rapport aux structures classiques; l’efficacité de rayonnement est de 0.55 % dans [42] et de 0.61 % dans [43].
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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. BILAN DE LIAISON PAR INDUCTION MAGNETIQUE EN CHAMP PROCHE A TRAVERS LE CORPS HUMAIN ET MODELISATION ANALYTIQUE DU CANAL
4.1. INTRODUCTION
4.2. ÉTUDE THEORIQUE
4.2.1. LIMITE DES ZONES DU CHAMP PROCHE ET DU CHAMP LOINTAIN
4.2.2. LOI DE PROPAGATION EN CHAMP PROCHE
4.2.3. PROPRIETES DU CHAMP MAGNETIQUE
4.2.4. ÉTUDE THEORIQUE DU BILAN DE LIAISON PAR INDUCTION MAGNETIQUE
4.2.4.1. Modèle 1 : Modèle Agbinya et Masihpour
4.2.4.2. Modèle 2 : Modèle Sun et Akyildiz
4.3. BOBINES MAGNETIQUES ET BILAN DE LIAISON PAR IMCP A TRAVERS LE CORPS HUMAIN
4.3.1. ÉTUDE D’UN BILAN DE LIAISON PAR IMCP A 40 MHZ
4.3.1.1. Conception des bobines magnétiques in-body et on-body
4.3.1.2. Bilan de liaison par couplage magnétique à travers un corps humain homogène
4.3.1.2.1. Liaison parallèle (HL) directe
4.3.1.2.2. Variation de l’angle de l’antenne TX dans la liaison HL
4.3.1.2.3. Variation de l’angle de l’antenne TX dans la liaison VL
4.3.1.2.4. Variation de l’angle de l’antenne TX dans la HL et la VL
4.3.1.2.5. Variation de la position de l’antenne TX dans la HL
4.3.1.2.6. Variation de la position de l’antenne TX dans la VL
4.3.1.2.7. Variation de la position de l’antenne TX dans la HL et la VL
4.3.1.2.8. Variation de l’orientation et de la position de l’antenne TX dans la VL et la HL
4.3.1.3. Bilan de liaison par induction magnétique à travers un corps humain à trois couches
4.3.1.4. Effet des ferrites
4.3.2. ÉTUDE COMPARATIVE DE BILANS DE LIAISON A 40 MHZ AVEC DIFFERENTS TYPES DE BOBINES MAGNETIQUES ET EFFET DES BATTERIES
4.4. CONCLUSION
5. CONCLUSION
