L'antenne d'une capsule connectée au cœur de JNM 2017, colloque sur les micro-ondes

Les applications biomédicales sont elles aussi de plus en plus connectées. À l'Institut d'électronique et de télécommunications de Rennes, des chercheurs se penchent sur la transmission des ondes électromagnétiques pour ce type d'applications. L’équipe WAVES / ADH a ainsi amélioré les communications sans fil d'une micro-capsule destinée à être ingérée ou implantée dans le corps pour y collecter de nombreuses données physiologiques. Le résultat ? Une antenne miniature capable d’émettre à travers l’ensemble des tissus humains, de manière efficace et à plus longue portée. Ces travaux ne sont qu'un exemple parmi les 300 publications présentées à Saint-Malo du 16 au 19 mai 2017, lors des Journées nationales micro-ondes.

Antenne biotélémétrique placée dans une capsule © Denys Nikolayev et al. 2016
  1. Une capsule de biotélémétrie pour récupérer des données physiologiques
  2. Une antenne plus robuste et plus performante
  3. Les Journées nationales micro-ondes 2017
  4. Référence

Les capsules intracorporelles biotélémétriques peuvent être ingérées ou implantées sous la peau, selon les besoins. Ces dispositifs communicants sont utilisés dans les domaines médicaux, de la recherche, de la défense, du sport à haut niveau et pour les métiers à risques. Cependant, ils ne sont dotés aujourd’hui que d’une antenne ayant une capacité de rayonnement relativement faible, et qui de plus s’adapte mal aux milieux que la capsule explore.

Les travaux menés à l’IETR, en étroite collaboration avec l’entreprise BodyCAP, s’inscrivent dans un contexte de recherche fondamentale internationale. Parmi quelque 300 autres, les résultats de cette recherche seront présentés lors des 20e Journées nationales micro-ondes qui se dérouleront du 16 au 19 mai 2017 au Palais du Grand Large, à Saint-Malo.

Une capsule de biotélémétrie pour récupérer des données physiologiques

Similaire à une gélule (17 mm de longueur et 7 mm de diamètre), le dispositif sur lequel travaille Denys Nikolayev, doctorant à l'université de Rennes 1, comporte différents composants : des capteurs (par exemple de température, de pH, de taux de glucose), une batterie et une antenne qui occupe seulement 4% de l’espace disponible. Recouverte d’un matériau biocompatible, la capsule miniature peut ainsi se connecter sans fil à un récepteur (ordinateur, moniteur ou smartphone) qui réceptionne en temps réel les données du milieu, transmises via l’antenne.

Capsule in-body biotélémétrique  - © © Denys Nikolayev et al. 2016

Une antenne plus robuste et plus performante

Dans le cadre de sa thèse, co-dirigée par Maxim Zhadobov chargé de recherche au CNRS, Denys avait pour objectif de créer une antenne efficace dans tous les tissus humains et d’augmenter sa portée (distance entre l’antenne et le récepteur) permettant une communication fiable et une certaine liberté de l’individu. Maxim Zhadobov explique : « Denys est parti de l’existant dans l’idée d’améliorer une performance ».

Et la mission a été accomplie ! En effet, le chercheur et le doctorant ont conçu la première antenne pouvant être intégrée à la fois dans une capsule à ingérer et dans un dispositif implanté.

« Les performances des antennes sont souvent impactées par le milieu environnant. Ici, Denys a rendu l’antenne suffisamment robuste pour qu’elle puisse être implantée dans toutes les parties du corps sans être perturbée » précise Maxim Zhadobov.

Au passage, l’équipe a développé une « plateforme universelle » pour la biotélémétrie en proposant une capsule dans laquelle il est possible d’ajouter tout type de composants. Tel un kit, la capsule peut donc être conçue selon l’usage, ce qui représente un progrès potentiel très important pour la médecine personnalisée.

Enfin, les chercheurs ont nettement augmenté la capacité de rayonnement de l’antenne, passant d’une portée de près d’un mètre à plusieurs mètres.

Test du dispositif dans la chambre anéchoïque - © © Denys Nikolayev et al. 2016

Pour ce faire, l’expérimentation s’est déroulée en plusieurs étapes :

  1. Des études fondamentales permettant de définir les paramètres de l’antenne afin qu’elle soit la plus efficace possible ;
  2. Le développement de modèles numériques optimisant la conception du système en fonction des paramètres électromagnétiques des différents tissus ;
  3. La fabrication de l’antenne ;
  4. Mesures dans des liquides ayant les mêmes paramètres électromagnétiques que les tissus humains (on parle de « fantômes »). Cela se traduit par la mesure de la fréquence à laquelle l’antenne fonctionne (fréquence optimale de 434 MHz) et donc par la vérification du modèle numérique ;
  5. Tests dans une chambre anéchoïque de 58,5 m2, qui est une pièce tapissée de pointes bleues dont le matériau absorbe les ondes reproduisant les conditions de propagation en espace libre. Ainsi, aucun écho ne peut perturber les mesures. Cette dernière étape permet de déterminer les performances de rayonnement émis par l’antenne.

Ainsi, l’équipe a mesuré les puissances délivrée, acceptée et rayonnée par l’antenne, permettant de calculer son rendement et son gain.

Ce sont ces valeurs qui indiquent la robustesse et la performance de l’antenne. Jusqu’alors, le gain des antennes valait en moyenne -30 dBi mais l’antenne améliorée par Denys Nikolayev à l’IETR présente un gain à la hauteur de -20 dBi. En augmentant ainsi le rendement de l’antenne, la portée de la communication augmente et la durée de vie de la batterie de la capsule est améliorée.

Les Journées nationales micro-ondes 2017

Du 16 au 19 mai 2017 à Saint-Malo, au Palais du Grand Large, se dérouleront les 20è Journées nationales micro-ondes organisées par l’IETR (Université de Rennes 1 / CNRS / INSA / CentraleSupélec et Université de Nantes). À cette occasion, plus de 500 experts présenteront leurs travaux de recherche consacrés aux systèmes d’information radioélectriques.

"Ce colloque existe depuis 1975, explique Ala Sharaiha, professeur à l'Université de Rennes 1, président du comité d'organisation des JNM et bientôt de son comité scientifique. Aujourd'hui, il a la particularité d'accueillir près de 40% de doctorants, appelés à prendre la relève dans notre discipline."

Parmi les participants, on retrouvera bien sûr Denys Nikolayev et Maxim Zhadobov, les chercheurs qui ont perfectionné l'antenne de la micro-capsule intra-corporelle biotélémétrique.

 

De droite à gauche : Ala Sharaiha enseignant-chercheur et responsable scientifique de la manifestation, Maxim Zhadobov chercheur CNRS et Denys Nikolayev doctorant

Référence

Increasing the radiation efficiency and matching stability of in-body capsule antennas
D. Nikolayev, M. Zhadobov, P. Karban, R. Sauleau.
doi : 10.1109/EuCAP.2016.7481314