Conception d’un système intégré de mesure de bioimpédance pour le suivi long terme de la composition des tissus biologiques

par Achraf Lamlih

Thèse de doctorat en SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques

Sous la direction de Serge Bernard.

Le président du jury était Olivier Romain.

Le jury était composé de Serge Bernard, Alberto Yufera Garcia, Vincent Kerzerho, Tristan Rouyer.

Les rapporteurs étaient Ramon Bragos.


  • Résumé

    Les techniques d'évaluation de la composition tissulaire permettent de mieux comprendre les processus physiologiques et leur impact global sur l'état biologique des sujets expérimentaux. Le travail présenté dans ce manuscrit vise à concevoir un système de mesure intégré de spectroscopie de bioimpédance capable de mesurer un large champ de biomarqueurs sur de longues périodes (jusqu'à un an). Le système de mesure présenté peut être utilisé pour des applications de suivi à long terme de variables physiologiques en général. Néanmoins, les solutions présentées visent en particulier le poisson dans le cadre du projet POPSTAR qui vise à améliorer notre compréhension du comportement des poissons en analysant non seulement l’environnement dans lequel les poissons se déplacent et vivent mais aussi les poissons eux-mêmes. Après avoir identifié les défis de conception d'un système de mesure intégré par spectroscopie de bioimpédance, nous avons proposé une nouvelle architecture hybride permettant une spectroscopie rapide tout en maximisant la précision des mesures. Les blocs de génération du signal d'excitation sont critiques car leurs performances affectent l'ensemble des performances de l'architecture. La deuxième partie de cette recherche porte donc sur la conception et l’optimisation de la partie génération de l’architecture. En effet, nous avons amélioré la qualité des signaux de génération de stimuli pour les excitations mono-fréquentielle et multi-fréquentielle tout en proposant pour cela des implémentations sur puce de basse complexité. Dans la dernière partie de notre travail, la source de courant analogique qui transforme les stimuli en un courant d'excitation est discuté. Pour ce bloc, nous avons proposé une nouvelle topologie analogique utilisant un version améliorée du cascode régulé et une compensation de rétroaction du mode commun indépendante des variations du processus. Le premier prototype de puce intégrée embarquant les blocs critiques de l'architecture de mesure de bioimpédance a été conçu et simulé avec un process CMOS 0.18 µm de AMS fonctionnant sous une tension d'alimentation de 1.8 V.

  • Titre traduit

    Design of an Integrated Bioimpedance Measurement System for Chronic Monitoring of Biological Tissue Composition


  • Résumé

    Tissue composition assessment techniques are used to help better comprehend physiological processes and their overall impact on the biological state of the experiments subjects. The research presented in this manuscript aims to design a bioimpedance spectroscopy integrated measurement system capable of measuring a wide range of biomarkers over long periods of time (up to one year). The presented measurement system can be used for physiological variables long time monitoring applications in general. Nevertheless, the presented solutions target in particular fish species in the context of the POPSTAR project which aims to enhance our understanding of fish behavior by analyzing not only the environment in which fish travel and live but also the fish themselves. After identifying the design challenges of a bioimpedance spectroscopy integrated measurement system, we have proposed a novel hybrid architecture providing fast bioimpedance spectroscopy while maximizing the measurement precision. As the signal generation blocks are critical and their performances affect the whole architecture performances. The second part of this research focuses on the design and optimization of the signal generation part of the architecture. Indeed, we have enhanced the stimuli generation signals quality for single tone and multitone excitations while proposing for this blocks low complexity on-chip implementations. In the last part of our work the current driver that transforms the voltage stimuli into an excitation current is discussed. A novel analog topology using an improved regulated cascode and a common-mode feedback compensation independent of process variations is presented. The first chip prototype implementing the critical blocks of the bioimpedance integrated measurement architecture has been designed and simulated in a 0.18 µm AMS (Austria MicroSystems) CMOS process operating at 1.8 V power supply.


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