Etude d'un transducteur magnétoélectrique pour la télé-alimentation des implants médicaux

Study of a MagnetoElectric Transducer to Wireless Power Medical Implants

• Auteur / Autrice : Giulia Rizzo
• Direction : Elie Lefeuvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 18/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : ValoTec
• Jury : Président / Présidente : Adrien Badel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mickaël Lallart, Hakeim Talleb, Ilangko Balasingham, Vincent Loyau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mickaël Lallart, Hakeim Talleb

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétoélasticité

Dispositifs médicaux implantables

Transfert d'énergie sans fil

Piézoélectricité

Mots clés libres

Télé-alimentation sans fils

Dispositifs médicaux implantables

Effet magnétoélectrique

Magnétostriction

Piézoélectricité

Wireless Power Transfer

MagnetoElectric transducer

Implantable Medical Devices

Magnetostriction

Piezoelectricity

Résumé

Actuellement, le marché des implants offre milliers de dispositifs différents pour diagnostiquer, traiter et suivre le patient. Dans la dernière décennie, d'importants travaux de recherche ont permis de rendre les dispositifs implantés plus durables et moins invasifs. La source d'énergie la plus utilisée reste néanmoins la pile électrochimique à usage unique. Pour un implant à long terme, il est nécessaire de remplacer la pile déchargée, ce qui nécessite une intervention chirurgicale coûteuse et invasive. Pour résoudre ces problèmes, deux approches ont été récemment proposées, la première consiste à utiliser l'énergie biomécanique du corps, et la deuxième consiste à transmettre de l'énergie depuis l'extérieur du corps humain. Dans le premier cas, par exemple, il est possible d'alimenter la nouvelle génération de pacemaker avec un MEMS piézoélectrique en utilisant l’énergie mécanique fournie par les battements cardiaques. Dans le deuxième cas, la télé-alimentation par induction entre deux bobines (l'une dans l'implant, l'autre à l'extérieur du corps) est une technologie de plus en plus répandue dans le secteur biomédical. Une différence importante entre ces deux techniques concerne les niveaux de puissance atteints : quelques µW pour la récupération d'énergie, et de quelques mW au W pour la télé-alimentation. Durant cette thèse, une nouvelle technologie de télé-alimentation a été développée. Le système considéré est constitué de deux blocs principaux, l'émetteur (situé à l’extérieur du corps) et le récepteur (situé dans l'implant). L'émetteur est constitué d’une bobine, sur laquelle il y a peu de contraintes en termes de taille et de position sur le corps. Le récepteur est un transducteur magnétoélectrique (ME). L’utilisation de ce système ME est notamment motivée par la possibilité de s’affranchir -au moins en partie- des contraintes d'alignement du système classique de bobine-bobine, alignement difficile à assurer dans le cas des dispositifs implantables. Le transducteur ME considéré est un composite constitué de matériaux piézoélectriques et magnétostrictifs. L’élément magnétostrictif a la propriété de se déformer mécaniquement, lorsqu'il est exposé à un champ magnétique. L’élément piézoélectrique se polarise et crée un champ électrique sous l’effet d’une contrainte mécanique. Ainsi, lorsque la bobine émettrice génère un champ magnétique, à la résonance, elle crée une déformation élastique du matériau magnétostrictif. Cette déformation mécanique est transmise à la couche piézoélectrique, dans laquelle apparaît un champ électrique, générant ainsi une tension électrique. Grâce à cette conversion magnéto-mécano-électrique, l'implant médical peut être alimenté ou rechargé. Pendant cette thèse, des transducteurs de différentes dimensions ont été réalisés et testés : 10mm et 16mm de diamètre, et de 2 à 5 mm d’épaisseur. Parmi de nombreux résultats de caractérisation, un résultat très intéressant montre qu’à diamètre égal les transducteurs les plus minces avec une fraction volumique de matériau magnétostrictif plus importante permettent d’atteindre des puissances plus importantes qu’avec des échantillons plus épais et dont la fraction volumique de matériau magnétostrictif plus faible. Ce résultat ouvre d’intéressantes perspectives pour la miniaturisation de transducteurs ME tout en conservant une efficacité satisfaisante dans le transfert d'énergie. Concernant les tests in vitro, les résultats obtenus sont très prometteurs, montrant des puissances suffisantes pour recharger un implant jusqu'à 20 mm de distance de la bobine émettrice, dans l'orientation la plus défavorable. Un tel résultat est impossible à obtenir dans le cas d’un système bobine-bobine dans la position la plus défavorable (bobines perpendiculaires).En conclusion, les résultats obtenus présentent des perspectives très intéressantes pour la télé-alimentation, en termes de dispositifs miniaturisés et d'adaptabilité à la localisation des dispositifs médicaux implantés.

Nowadays, the market of implantable medical devices is very large and heterogeneous: of the order of 4,000 different device types tracked by the FDA in 2018 that can diagnose, monitor, and treat patients. Over the past decades, significant research has made to develop implanted systems more durable and less invasive. Despite dramatic progress in all directions, energy autonomy remains the Achilles heel of active implants. The most employed energy source remains today the single-use battery. For long-lasting implants such as pacemakers, the replacement of depleted batteries is necessary and requires a costly and invasive surgical procedure. To overcome these issues, different techniques have been investigated. The first approach consists in using the biomechanical energy available inside of the body, and the second is to transmit energy from outside of the human body. In the first case, it is possible, for example, to power the new generations of pacemakers using MEMS energy harvesting devices supplied by the heartbeat. In the second case, the wireless power transmission by induction between two coils (one in the implant, the other outside the body) is an increasingly widespread technology in the biomedical sector and in everyday life. The main difference between these two approaches is their power range: typically, a few microwatts for biomechanical energy harvesters, and milliwatts to watts for wireless power transmission. As part of this thesis, a new wireless power transmission technology has been developed. The considered system consists of two main blocks: the transmitter (out-body) and the receiver (located in the implant). The transmitter is a coil with no major constraints in terms of size and on-body position. The receiver is a magnetoelectric (ME) transducer. Investigating the use of a ME receiver, instead of the classical coil receiver, was in particular motivated by the willingness to reduce the alignment constraints of the classical coil-coil system, which is difficult to manage for implantable medical devices. The considered ME transducer is a composite made of piezoelectric and magnetostrictive layers. A magnetostrictive material has the property of mechanically deforming its structure, when exposed to a magnetic field. A piezoelectric material can be polarized and create an electric field under mechanical stress (direct effect). Therefore, the magnetic field, generated by the transmitter coil, induces an elastic deformation of the magnetostrictive material. This mechanical deformation is transmitted to the piezoelectric material, in which an electric field appears, generating an electric voltage across its electrodes. Thanks to the magnetic-mechanical-electrical energy conversion, achieved by the ME transducer, the medical implant can be wirelessly supplied or recharged. In this thesis, receivers with different sizes have been tested: 10 mm or 16 mm in diameter, and thickness comprised between 2 mm and 5 mm. Amongst numerous interesting experimental results, it was observed that thinner ME transducers with higher magnetostrictive volume ratio could generate higher electrical power than thicker samples with smaller magnetostrictive volume ratio. This result opens good prospects for the possibility of miniaturizing the ME transducer without losing efficiency in wireless power transfer. Concerning the in-vitro and phantom tests, the ME transducer exhibited very promising performances, converting enough power to recharge an implant up to 20 mm away from the transmitter coil, in the most unfavourable orientation. Such results are impossible to get using a coil-coil energy transmission system is the most unfavourable position (receiver perpendicular to the transmitter).In conclusion, the obtained results present very promising prospects for wireless energy transmission, in terms of miniaturised devices and adaptability to the localization of the implanted medical devices.