Récupération et transmission d'énergie pour électronique médicale intra- et extra-corporelle

par Luigi Di trocchio

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Corinne Dejous et de Alexander Kuhn.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de lu2019ingénieur , en partenariat avec Laboratoire de l'Intégration du Matériau au Système (laboratoire) .


  • Résumé

    Les dispositifs médicaux électroniques sont aujourd'hui en plein essor, révolutionnant la façon de définir les soins de santé. Ainsi, ces dispositifs innovants remplacent de plus en plus l'approche pharmaceutique conventionnelle pour suivre et traiter diverses pathologies, en améliorant les résultats et en limitant les effets secondaires. Récemment, les avancements en bioélectronique ont permis la création de dispositifs médicaux intra- et extra-corporels de nouvelle génération: des dispositifs miniaturisés sont implantés directement à l'endroit souhaité, des solutions portables à même la peau permettent de suivre les paramètres corporels avec une incidence minimale sur les patients. De plus, ces dispositifs ont également la capacité de communiquer sans fils, facilitant le suivi à distance. Pour améliorer cette technologie, une des plus grandes difficultés de conception, non résolue à ce jour, est la recherche d'une approche adaptée pour alimenter ces dispositifs, puisque les batteries classiques ne sont pas optimales, en raison de leur dimension, leur poids et leur décharge dans le temps. Cette thèse propose de nouvelles solutions sans piles pour alimenter des dispositifs implantables et portables. Concernant les dispositifs implantables, les premiers pas vers une plateforme à micro-énergie hautement intégrée et dotée de capacités de communication ont été effectués. Deux alternatives aux piles ont été sélectionnées pour alimenter ce dispositif : la récupération d'énergie sans fil et les piles à combustible biologique (biopiles). La première implique la transmission d'énergie à partir d'un émetteur vers un récepteur à travers un champ magnétique oscillant et la deuxième alternative utilise le vivant pour produire de l'énergie, en utilisant le glucose et l'oxygène, tous deux abondants dans le corps humain. Le dispositif proposé fusionne ces deux technologies dans un seul objet, présentant à la fois les fonctionnalités de l'antenne et de l'électrode, permettant ainsi une forte miniaturisation du dispositif en constituant un système d'alimentation hybride. Concernant les dispositifs portables, des capteurs passifs à identification par ultra haute fréquence (UHF-RFID) sont proposés avec une application sur des rongeurs de laboratoire et à la santé humaine. Dans ce travail, la technologie implantable hybride a été validée avec succès. Les améliorations de la structure à partir d'une conception simple ont été définies et ont permis d'améliorer l'efficacité du lien sans fil. Ces solutions réduisent l'effet des pertes diélectriques associées au milieu corporel, bien qu'elles gardent le contact entre l'antenne/électrode et les tissus. De plus, quatre capteurs RFID portables ont été développés pour suivre en continu une biopile implantée dans un rat de laboratoire, qui a conduit au monitoring d'une biopile in-vivo pendant près de 24 heures. Enfin, un dispositif pour utilisation cutanée, passif, à très faible coût et permettant de suivre l'évolution de la température a été conçu et développé en utilisant du carton ondulé comme support. Ce dispositif permet le suivi de température corporelle, et peut par exemple trouver des applications dans les pays en développement, en cas d'urgence et d'épidémies.

  • Titre traduit

    Batteryless solutions for implantable and wearable wireless medical devices


  • Résumé

    Electronic medical devices are nowadays blossoming, revolutionizing the way of thinking the healthcare. These innovative devices are increasingly substituting the conventional pharmaceutical approach to monitor and treat various diseases, improving results and limiting side effects. Recently, advances in bioelectronics have brought miniaturized implantable medical devices, which can be placed directly on the desired spot of the body, and wearable solutions, allowing body parameters to be monitored with minimum impact on the patients. Moreover, these devices are now embedding wireless communication capabilities, to facilitate remote monitoring. In order to further improve this technology, one of the most challenging and still not solved design problems is the research of a suitable powering approach, since classical batteries are not the optimal choice due to their size, weight and discharge in time. This dissertation proposes new batteryless solutions for both implantable and wearable wireless medical devices. On the implantable side, the first steps towards a highly integrated implantable micro-energy platform with communication capabilities are carried out. Two alternatives to batteries were selected to power the device: Wireless Power Transfer (WPT) and glucose Biofuel Cells (BFC). The first involves the transmission of energy from a transmitter to a receiver through an oscillating magnetic field and the second uses living organisms to produce electricity, using glucose and oxygen, both abundant inside the human body. The proposed design is able to merge these two technologies into a single object, having both antenna and electrode capabilities, in order to allow the further miniaturization of the platform by providing a hybrid powering system. Regarding wearable devices, fully-passive Ultra High Frequency Radio Frequency Identification (UHF-RFID) sensor solutions are proposed with application on laboratory rodents and human healthcare. In this work, the proposed hybrid implantable technology was successfully validated. Improvements of the structure, starting from a simple design, were defined and proven, in order to increase the efficiency of the wireless link. This allows to reduce the impact of dielectric losses associated to the body environment, while keeping the antenna/electrode in contact with the tissues. Moreover, four wearable RFID sensors were developed in order to continuously monitor a BFC implanted in a laboratory rat, leading to successfully monitoring of a BFC in-vivo for about 24 hours. Finally, a passive ultra-low-cost wearable RFID tag, with temperature monitoring capabilities, was also designed and developed using corrugated cardboard as substrate, allowing the easy screening of the human body temperature, for example in developing countries, in case of emergencies or diseases outbreak.