Asservissement de l'énergie inductive transmise aux implants électroniques

This Master thesis deals with energy transfer systems dedicated to electronic medical implants (EMI). Powering EMIs by inductive link has always been prized for its biocompatibility and ability to transmit appropriate energy to electronic implants. Although this method was introduced a long time ago, several challenges still remain. The main challenge is the sensitivity of the energy transfer efficiency to the variation of some link parameters, such as the coupling factor between the coils, the load on the receiver side, and the coils inductances. A variation of any of these parameters is able to alter the primary resonant frequency and consequently reduce the amount of energy transferred to the EMI. In this context, we present a new method to compensate for variations of the inductive link parameters. This method maintains the resonant state in the transmitter and therefore ensures better energy transmission despite these variations. A controlled inductive power transmitter is then proposed. This system is portable and is powered by rechargeable batteries. It is composed of a conventional inductive energy transmitter and a feedback loop. The conventional transmitter emits an inductive field (or AC magnetic field) using a crystal oscillator, a class E power amplifier (PA) and a resonant primary circuit. The control loop is in turn used to compensate for the variations of the link parameters which are able to alter the resonant frequency of the primary circuit. The loop includes mainly a primary coil voltage detector (for sensing the power transferred to the EMI) and a high resolution micro stepper motor which controls the resonant capacitor and indirectly the primary resonance frequency. The proposed system uses an operating frequency of 13.56 MHz reserved for industrial, scientific and medical (ISM) applications. This frequency offers as well a good compromise between compatibility with the biological environment and the transmission range. Given that the proposed system is located outside the human body and that the class E amplifier generates a fairly high power, the prototype was performed on a printed circuit board using commercial discrete components.

Résumé

Ce mémoire concerne le domaine d'alimentation énergétique des implants médicaux électroniques (IME). L'alimentation des IME par couplage inductif a toujours été appréciée pour sa biocompatibilité et sa capacité à transmettre une quantité d'énergie suffisante aux implants électroniques. Bien que cette méthode fût introduite il y a longtemps, plusieurs défis restent à relever. Le défi majeur est la sensibilité de l'efficacité du transfert d'énergie à la variation de certains paramètres du lien comme le facteur de couplage entre les bobines, la charge du côté récepteur et l'inductance des bobines. Une variation de l'un de ces paramètres est en mesure d'altérer la fréquence de résonance primaire et réduire en conséquence la quantité d'énergie transférée vers l'IME. Dans ce contexte, nous présentons une nouvelle technique pour compenser la variation des paramètres du lien inductif. Elle permet de maintenir l'état de résonance dans le transmetteur et d'assurer une meilleure transmission d'énergie en dépit de ces variations. Un transmetteur d'énergie inductive asservi est alors proposé. Ce système est transportable et est alimenté par des batteries rechargeables. Il est composé d'un transmetteur d'énergie inductive classique et d'une boucle d'asservissement. Le transmetteur classique émet un champ inductif (ou champ magnétique alternatif) grâce à un oscillateur à quartz, un amplificateur de puissance (AP) de classe E et un circuit résonant primaire constitué d'un condensateur et d'une bobine d'émission. La boucle d'asservissement, quant à elle, sert à compenser les variations des paramètres du lien capables d'altérer la fréquence de résonance du circuit primaire. La boucle comporte principalement un bloc de détection de la tension aux bornes de la bobine d'émission (image de la puissance à transférer vers l'IME) et un micro moteur pas-à-pas à haute résolution qui agit sur le condensateur de résonance primaire et indirectement sur la fréquence de résonance. Le système proposé utilise une fréquence de fonctionnement de 13,56 MHz réservée aux applications industrielles, scientifiques et médicales (ISM).