Une échographie

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16174 (2022) Citer cet article

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Le transfert d’énergie sans fil est l’une des technologies permettant d’alimenter les dispositifs biomédicaux implantables. La biocompatibilité et la compatibilité CMOS des dispositifs de transfert de puissance sans fil sont hautement souhaitées en raison de problèmes de sécurité et d'encombrement. En ce qui concerne les applications implantables, cet article présente une alimentation sans fil induite par ultrasons basée sur un transducteur ultrasonique micro-usiné piézoélectrique AlN (PMUT). L'alimentation sans fil intègre des fonctions de transfert de puissance sans fil, de gestion de l'énergie et de stockage d'énergie. Le réseau PMUT est utilisé comme récepteur d'énergie sans fil passif, suivi de réseaux d'adaptation d'impédance électrique et d'un multiplicateur de tension pour une transmission et un redressement efficaces de l'énergie. L'intensité de la puissance de sortie du récepteur sans fil atteint 7,36 μW/mm2 avec une puissance ultrasonore incidente inférieure à la limite de sécurité FDA. La puissance de sortie de l'alimentation sans fil atteint 18,8 μW et un condensateur de 100 μF est entièrement chargé à 3,19 V après gestion de l'alimentation, ce qui est suffisant pour alimenter de nombreux dispositifs biomédicaux implantables de faible puissance, tels que la stimulation électrique neuronale, les biocapteurs et la communication intracorporelle. applications. L'alimentation sans fil est implémentée dans un PCB d'un diamètre de 1 cm. Grâce à la biocompatibilité et à la compatibilité CMOS des couches minces d'AlN par rapport au PZT couramment utilisé, la solution proposée ouvre la voie à des alimentations sans fil plus sûres et ultraminiaturisées avec un développement ultérieur intégrant toutes les fonctions d'une puce monolithique à l'avenir.

Avec les progrès récents en biomédecine, en nanotechnologie et en microélectronique, la demande d'alimentations sans fil pour les dispositifs biomédicaux implantables (IBD) augmente rapidement1. Les MII sont largement utilisées dans la vie quotidienne, comme les stimulateurs neuromusculaires, les prothèses visuelles, les stimulateurs cardiaques, les défibrillateurs cardiaques, les implants cochléaires, les moniteurs de pH, les tensiomètres et les gastrostimulateurs. Ces appareils peuvent fournir des fonctions de diagnostic, de traitement et de surveillance en temps réel et améliorer la qualité de vie des patients. À l’heure actuelle, la plupart des dispositifs biomédicaux implantables dépendent encore de piles pour fonctionner dans le corps humain. Bien que la technologie des batteries ait réalisé des progrès inspirants ces dernières années2,3, cette technologie souffre encore d’inconvénients évidents. Les batteries ont une durée de vie limitée, un poids et un volume relativement élevés, un risque de fuite de substances toxiques et des difficultés d'intégration. Le remplacement fréquent des piles pour l'entretien des MII pendant le traitement pourrait causer des désagréments et éventuellement des blessures aux patients.

Pour résoudre ces problèmes, des recherches ont été menées pour retirer les piles des MII ou prolonger la durée de vie des piles. Le transfert d’énergie sans fil (WPT) est l’une des technologies permettant d’alimenter les IBD. Plusieurs stratégies TESF ont été proposées pour alimenter les IBD, notamment la méthode de couplage inductif, la méthode acoustique et la méthode de rayonnement électromagnétique4. Le rayonnement électromagnétique WPT utilise des antennes d’émission et de réception pour transférer l’énergie via des ondes électromagnétiques5. Cependant, les ondes électromagnétiques peuvent facilement générer un échauffement excessif des tissus, et ces ondes sont fortement atténuées dans les tissus humains. De plus, la grande longueur d’onde des ondes électromagnétiques entraîne une taille de récepteur relativement grande. Le couplage inductif WPT repose sur deux bobines couplées6. Cette méthode atteint une efficacité élevée dans le champ proche mais connaît une forte détérioration de l’efficacité dans le champ lointain, limitant la profondeur utilisable de l’IBD. Le WPT acoustique adopte généralement des transducteurs ultrasoniques comme récepteurs de puissance. Par rapport aux deux autres méthodes, elle permet d'obtenir des récepteurs plus petits et une pénétration plus profonde en raison respectivement des longueurs d'onde plus courtes et de l'atténuation plus faible dans le corps4. De plus, l’échauffement des tissus et les interférences électromagnétiques sont minimes7.