Conception d'antennes de communication à travers le corps humain pour le suivi thérapeutique

Avec le développement rapide des technologies sans fil modernes et la miniaturisation des antennes et des systèmes électriques, l'emploi des antennes à l'intérieur du corps humain pour le suivi thérapeutique est devenu possible. Des batteries permettent d'alimenter ces antennes ; la réduction de la consommation de puissance implique l'augmentation de la durée de vie de circuits ingérables. Le corps humain, qui a une conductivité non nulle, n'est pas un milieu idéal pour la transmission des ondes RF à cause de l'atténuation liée aux propriétés diélectriques des tissus biologiques. Cependant, les tissus humains ne perturbent pas le champ magnétique car celui-ci dépend de la perméabilité du milieu qui est égale à un dans le corps humain. Bien que la puissance du champ magnétique décroisse avec l'exposant six de la distance, la technique utilisant les communications par induction magnétique en champ proche a été adoptée dans cette étude pour concevoir une liaison sans fil à faible portée à travers le corps humain. Durant ces travaux de thèse, après une caractérisation détaillée de la bobine d'émission située à l'intérieur du corps humain et de la bobine de réception localisée à sa surface, nous avons mis en place un bilan de liaison pour contribuer à l'amélioration du transfert de puissance dans ce milieu dissipatif. Un modèle analytique, déterminant les facteurs qui peuvent affecter le bilan de liaison par induction magnétique, a été vérifié à travers les simulations et les mesures. La variation de la position et de l'orientation de l'antenne ingérable ont été prises en compte pour évaluer la réponse de couplage entre la bobine émettrice et la bobine réceptrice. Les résultats obtenus constituent un pas en avant vers de futures recherches sur la conception de antennes dans les milieux dissipatifs et en particulier le corps humainWith the rapid growth of wireless technology and the miniaturization of modern antennas and electrical systems, the use of antennas inside the human body for therapeutic monitoring became possible. Batteries are used to supply these antennas; reducing the power consumption allows to increase the lifetime of ingestible systems. The human body, which has non-zero conductivity, is not an ideal environment for the transmission of RF waves because of the attenuation due to the dielectric properties of biological tissues. However, the human tissues do not disrupt the magnetic field as it depends on the permeability of the medium which is equal to one in the human body. Although the magnetic field power decreases with the distance exponent six, the technique using near-field magnetic induction communications was adopted in this study to design a short range wireless link through the human body. In this thesis, after a detailed characterization of the transmitting coil antenna located inside the human body and the receiving coil placed on its surface, we have implemented a link budget to contribute to the improvement of power transfer in the dissipative medium. An analytical model, identifying factors that can affect the link budget by magnetic induction, has been verified through simulations and measurements. The variation of the position and the orientation of the ingestible antenna were taken into account to evaluate the coupling response between the transmitting coil and the receiving coil. The results are a step toward future research on the design of antennas in dissipative media, in particular the human bodyPARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF

Applicateurs destinés aux études d’effets biologiques des ondes électromagnétiques sub-nanosecondes

Since the years 1960, scientists have been interested to the study of biologic effects caused by pulsed electrical fields. The first effects were obtained with microseconds pulses and milliseconds pulses. This phenomenon has been called electroporation and it’s used in anticancerous therapies called electrochimiotherapies. Laboratory studies are continuing, but with shorter pulses like high level subnanoseconds pulses (100MV/m). These studies are emerging and must be pursued, but it’s necessary to design reliable electromagnetic systems. The goal of this thesis was to design two electrical field applicators: an in vitro applicator, to illuminate biologic cells contained in test tube and an in vivo applicator to predict future non invasive therapies. For the in vitro applicator, simulations and experimental results are very encouraging and biological experimentations would be possible with this system. For the applicator in vivo, which is the PSIRA antenna designed par C. E. Baum, many problems are highlighted. First, biological tissues like skin and muscle have high permittivity and high dielectric losses with frequencies in the order of GHz and behind. To maximize electric field penetration in these backgrounds it was decided to submerge the antenna in high permittivity background too, like glycerin and water. These liquids have high dielectric losses which have a strong negative impact on the antenna performances. To make this system operational, some modifications must be done, like changing the actual background with a no losses background.Depuis les années 1960, les scientifiques se sont intéressés à l’étude d’effets biologiques provoqués par des champs électromagnétiques impulsionnels. Les premiers effets ont été observés avec des impulsions dont la durée va de quelques microsecondes à quelques millisecondes. Ce phénomène, appelé électroporation, est de nos jours utilisé dans des thérapies anticancéreuses appelées électrochimiothérapies. Les études en laboratoires avec des impulsions ont continuées, mais avec des impulsions de plus en plus courtes, notamment des impulsions pouvant atteindre une durée de quelques centaines de picosecondes avec des amplitudes de forts niveaux (100MV/m). Ces études sont encore émergentes et nécessitent d’être poursuivies, mais pour cela, il est nécessaire de concevoir des moyens d’expérimentations électromagnétiques fiables. Ce travail de thèse consistait à concevoir deux applicateurs de champ électrique : un applicateur in vitro, dans le but d’illuminer des cellules contenues dans des éprouvettes et un applicateur in vivo dans le but de prévoir de futures thérapies non invasives pour le patient. Pour l’applicateur in vitro, les différents résultats obtenus en simulations et expérimentalement sont très encourageant et montrent qu’il est déjà possible d’effectuer des expérimentations biologiques avec. Pour l’applicateur in vivo, qui s’agit de l’antenne PSIRA initialement développée par C. E. Baum, plusieurs problématiques ont été soulevées. Tout d’abord, il a été montré que les tissus biologiques tels que la peau où les muscles ont des permittivités relatives élevées et de fortes pertes pour des fréquences de l’ordre de quelques GHz et au-delà. Afin de maximiser la pénétration de champ électrique à l’intérieur de ces tissus, il a été décidé d’immerger l’antenne dans un milieu de forte permittivité, tels que la glycérine et l’eau. Ces liquides possèdent également des pertes diélectriques non négligeables. Ces pertes ont un fort impact négatif sur les performances de l’antenne. Pour rendre ce système opérationnel plusieurs modifications doivent être opérées, notamment en changeant le milieu d’immersion par un milieu sans pertes