Contribution à la mesure de bioimpédance électrique de cellules biologiques par micro-capteurs interdigités : optimisation, conception et validation de capteurs

Contribution to the measurement of electrical bioimpedance of biological cells by interdigitated micro-sensors : Optimization, design and validation of sensors

• Auteur / Autrice : Thanh Tuan Ngo
• Direction : Mustapha Nadi, Djilali Kourtiche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes électroniques
• Date : Soutenance le 09/07/2015
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marie Bilbault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Berquez, Tân-Phu Vuong

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Microélectrodes

Cellules

Impédance bioélectrique

Biocapteurs

Mots clés libres

Spectroscopie d’impédance électrique

Bio-Impédance

Microélectrodes

Capteurs à électrodes interdigitées

Biocapteur

Spectroscopy of electric impedance

Bio-Impedance

Microelectrodes

Sensors with interdigitated electrodes

Biosensor

Résumé

Cette thèse porte sur la conception et la réalisation de micros capteurs à électrodes interdigitées pour la caractérisation des milieux biologiques dans la gamme de fréquences : 100 kHz - 10 MHz. L'objectif principal de ce travail est l’optimisation géométrique de la structure d’un capteur à électrodes interdigitées afin d’élargir la plage fréquentielle de mesure en réduisant les effets de polarisation. Le premier chapitre synthétise les données fondamentales relatives au comportement électrique des tissus biologiques ainsi que leurs propriétés électriques notamment en basses fréquences. Le deuxième chapitre concerne une approche théorique pour l’optimisation du capteur pour élargir la bande de fréquence utile de mesure ; ce chapitre recommande également une nouvelle méthode pour déterminer les paramètres de la double couche à la surface en contact entre les électrodes et le milieu biologique. Dans le troisième chapitre nous proposons une modélisation tridimensionnelle du système d’électrodes chargé par un modèle du milieu biologique sous le logiciel ConventorWare®. Les résultats de simulation sont discutés. Les résultats obtenus nous permettent d’évaluer l'influence des paramètres géométriques de la structure interdigitée du capteur ainsi que les propriétés diélectriques du milieu sur l’impédance bioélectrique. Les facteurs d’influence en fonction de la fréquence sont ainsi maîtrisés lors de la conception d’u capteur interdigité destiné à la mesure de bioimpédance. Dans le quatrième chapitre, les dispositifs ainsi que la conception et la fabrication des composants développés au cours de cette thèse sont décrits. Dans le dernier chapitre, les mesures expérimentales effectuées avec de très faibles volumes de différentes solutions (solutions étalons, sang humain) par cinq micros capteurs à électrodes interdigitées. Les mesures sur les échantillons ainsi que la validation des théories d’optimisation ont été élaborées et discutées. Enfin nous avons comparé nos résultats à des valeurs publiées dans la littérature et nous avons justifié expérimentalement la théorie d’optimisation développée.

This thesis focuses on the design and realization of interdigitated sensors for the electrical characterization of the biological medium within the frequency range: 100 kHz - 10 MHz. The main objective of this thesis is to optimize the geometry of the sensor structure according to the specificities of the interdigitated electrodes structure. This optimization leads to widen the measurement frequency range by reducing the effects of polarization at low frequency. The first chapter synthesizes the basics and fundamentals relative to the electric behavior of biological tissues as well as to their electric properties. The second chapter concerns a theoretical approach for the optimization of the sensor to widen the useful frequency band of measurement; this chapter also presents a new method to determine the parameters of the double layer at the contact interface between the electrodes and the biological medium. A three-dimensional modelling of the system, the electrodes being loaded with a biological medium, is implemented using ConventorWare® software and the results discussed in the third chapter. The results obtained allow us to evaluate the influence of the geometrical parameters of the interdigitated structure of the sensor as well as the dielectric properties of the medium on the bioelectric impedance. In the fourth chapter, the devices developed during this thesis are described. The design and the manufacturing of components are presented. The last chapter deals with the experimental measurements obtained with very small volumes of the different solutions (standard solutions, human blood) using five micro sensors that we built in the laboratory. The measurements as well as the validation of the theoretical approach are discussed. Finally we have compared our results with published values in the literature and validated our experimental and theoretical approaches developed in this work.