Exploration de la propagation d'ondes guidées dans les os. Application au transfert d'énergie sans fil.

Exploration of guided wave propagation along bones. Application for a wireless energy transfer.

• Auteur / Autrice : Fiona Somoreau
• Direction : Simon Jacques Hemour, Michel Castaings
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 29/03/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Corinne Déjous
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Simon Jacques Hemour, Michel Castaings, Corinne Déjous, Sébastien Grondel, Catherine Dehollain, Ollivier Tamarin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Grondel, Catherine Dehollain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie mécanique -- Transmission

Ondes acoustiques de surface

Implants électroniques

Ultrasons

Radiofréquences

Mots clés libres

Transmission de puissance sans fil

Radiofréquences

Ultrasons

Implants

Modes de propagation acoustique

Bobine

Wireless Power Transmission (WPT)

Radiofrequencies

Ultrasounds

Implants

Acoustic propagation mode

Coil

Résumé

Le XXème siècle a été celui du recul, voire de l'éradication de nombreuses maladies mortelles grâce à l'utilisation massive de médication par principes actifs. Toutefois, ces techniques atteignent leurs limites pour des formes de pathologies différentes telles que les maladies neurodégénératives et neurologiques. D'un autre côté, de nouveaux traitements basés sur la stimulation et la neuromodulation montrent un potentiel médical de plus en plus grand. Cependant, pour que les dispositifs de stimulation puissent être implantés au sein de l'organe à traiter, il est fondamental que ceux-ci aient le plus petit volume possible. Comme la majorité du volume d'un implant est actuellement occupé par sa batterie, l’objectif de ce travail est de fournir une télé-alimentation à distance au dispositif de stimulation, afin d'améliorer son "implantabilité" dans les zones profondes du corps humain (cerveau, intérieur de la cage thoracique, …). Cette thèse menée à l'interface des laboratoires IMS et I2M Bordeaux propose ainsi l'utilisation d'ondes acoustiques comme vecteur du transfert de l'énergie pour deux raisons: (i) leurs faibles longueurs d'ondes et leurs densités de puissance maximum dans les tissus humains (72mW/mm²) plus avantageuses que pour le cas des ondes électromagnétiques. Dans le but d'atteindre des dispositifs implantés profondément, cette thèse se concentre sur la transmission d'énergie acoustique guidée dans les os, et sur l'identification des modes correspondants. Les résultats issus de la modélisation sont validés par des mesures sur des matériaux fantômes dans des configurations simplifiées. Enfin, une ouverture est proposée sur un concept de "relais" capable de convertir l’énergie provenant d'un couplage magnétique en énergie acoustique guidée permettant d'envisager une mise en œuvre pratique.

Among all the revolutions brought by the twentieth century, one of the most notable should be the victories (and sometimes, eradication) over many fatal and widespread diseases.Massive use of pharmaceuticals and advanced vaccines are now a vital part of our global health system.However every technic has its limits, and it is now time for new technologies to flourish and fight the new outbreak of the twenty-first century: neurodegenerative and neurological diseases.Treatments based on stimulation and neuro-modulation (mostly, implanted devices) already show promising results, but must still cross a lot of barriers to achieve their true potential. “Electroceuticals” require to be as close as possible of the organ to treat, while including a large, risky, and heat-generating battery.This design flaw is almost simple to address: removing the battery entirely, and connecting the agent to a remote power supply. The objective is to dramatically reduce the size of the implant itself, while increasing its “implantability” (targeting deeper regions of the human body such as the brain, the thoracic cage, etc.).This thesis from the IMS and I2M Bordeaux laboratories proposes the use of acoustic waves for energy transfer thanks to 1) their short wavelengths and 2) their power density in human tissues (of 72mW/mm²), more advantageous than electromagnetic energy transfer.This essay focuses on the transmission of guided acoustic energy along the bones, and the identification of the most suitable guided modes.Results from numerical simulations match the measurements on phantom materials in simplified configurations.This paper also proposes a concept of "relay”, capable of converting the energy from a magnetic coupling into guided acoustic energy.