Miniature antennas for biomedical applications

par Denys Nikolayev

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Ronan Sauleau et de Maxim Zhadobov.

  • Titre traduit

    Antennes miniatures pour des applications biomédicales


  • Résumé

    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.


  • Résumé

    Emerging wireless biotelemetry using miniature implantable, ingestible or injectable (in-body) devices allows continuously monitor and yield human or animal physiological parameters while maintaining mobility and quality of life. Recent advances in microelectromechanical systems and microfluidics—along with ongoing miniaturization of electronics—have empowered numerous innovations in biotelemetry devices, creating new applications in medicine, clinical research, wellness, and defense. Among the typical applications, I can mention, for example, the monitoring of physiological variables: body temperature, blood pressure, heart rate, detection of antibodies, chemical, or biological agents. Biotelemetry devices require a reliable communication system: robust, efficient, and versatile. Improving the transmission range of miniature in-body devices remains a major challenge: for the time being, they are able to operate only up to a few meters. Among the main issues to face are low radiation efficiencies (< 0.1%), antenna impedance detuning, and strong coupling to lossy and dispersive biological tissues. Thus, the main goal of the thesis is to conduct a multi-disciplinary study on development, optimization and characterization of antennas for in-body biotelemetry devices. After state-of-the-art and the context, I start with the development on both physical and numerical approaches to account for the effect of human tissues on the antenna. I propose the methodology to achieve given electromagnetic properties at a given frequency based on the full factorial experiment and surface response optimization. In addition, I describe the spherical physical phantom for the far-field characterization along with a combination of feed decoupling techniques. I proceed by reviewing the trough-body propagation mechanisms and deriving the optimal frequency for the in-body devices. I formulate the problem using four phantoms (homogeneous and heterogeneous) and perform full-wave analysis using an in-house hp-FEM code Agros 2D. Next, I study the existing antenna used by the BodyCap Company for its e-Celsius capsule and the ways on how to improve its operating range and robustness under strict integration and material constraints. The mechanisms of antenna–body coupling are analyzed and the found solution improves the antenna IEEE gain by 11 dBi (the operating range is at least tripled). The existing matching circuit and balun are optimized too for the given application reducing its size from eleven to seven discrete elements. In the following chapters, I continue studying the decoupling of antennas from a body using specific microstrip designs and dielectric loading via capsule shell. By applying the developed approaches, a high robustness and radiation efficiency can be achieved. At first, I develop a proof-of-concept antenna that demonstrates that the perfect matching (detuning immunity) is achievable for the operation within all human tissues. Based on these results, I develop a miniature and versatile biotelemetry platform: a 17 mm x 7 mm alumina capsule containing a conformal 434 MHz antenna. The antenna is well matched to 50 Ohm within the majority of human tissues and operates with an arbitrary device circuitry. Like this, one can use it ''as is,'' applying it for a wide range of in-body applications. Then, I develop a low profile conformal dual-band antenna operating in 434 MHz and 2.45 GHz bands. Such antenna can integrate both data transmission and wireless powering functionality increasing the available space inside an in-body device and increasing its scope of applications. Finally, I present the perspective developments including in-body sensing methodology. The obtained results contributes to further development of a new generation of miniature in-body devices that involve complex and dense integration of sensors, logic, and power sources.

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  • Sous le titre : Miniature antennas for biomedical applications
  • Détails : 1 vol. (XXII-179 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 177-179
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