Au cours des dernières années, le progrès des dispositifs électroniques implantables alimentés par des technologies sans fil a évolué continuellement et le besoin d'une alimentation sans fil et durable devient nécessaire pour le développement de ces appareils. La transmission d'énergie sans fil est l'une des technologies clés ayant été utilisée dernièrement pour alimenter les implants biomédicaux. Elle a été en effet l'objet des recherches scientifiques pour le traitement des maladies chroniques. La recherche en neuroscience est l'une des applications où le transfert d'énergie sans fil a amélioré la performance des implants neuronaux et a participé à la réduction de la taille, la complexité et à la consommation d'énergie de ces dispositifs. Ces implants ne peuvent pas utiliser de grosses batteries en raison de l'espace limité et pour éviter le risque associé à la chirurgie invasive pouvant également changer les résultats des expériences. Cette thèse présente le développement d'un système de transmission d'énergie sans fil par couplage inductif pour l'alimentation d'une interface d'enregistrement neuronal. Le système réalisé évite d'utiliser des grosses batteries ou câbles pour fournir l'énergie à ces interfaces et augmente la durée de vie des batteries implantables afin d'effectuer des opérations électrophysiologiques sur les animaux vivants à long terme. Cette base aidera les médecins et neuroscientifiques à suivre le comportement de ces animaux en mouvement libre et pendant une longue période de temps et en tout sécurité. La plateforme sans fil développée utilise une cage énergétique afin d'effectuer ces opérations et dans le but de distribuer la puissance dans plusieurs positions en fonction des déplacements et les mouvements effectués par des animaux des tests à l'intérieur de la cage. Le travail réalisé dans ce mémoire fournit de nouvelles stratégies pour la conception optimale des systèmes d'alimentations sans fil avec des améliorations et de forts résultats expérimentaux. Il comprend en outre le développement de quatre systèmes. Tout d'abord, l'architecture de chaque système sera présentée d'une manière ingénieuse. Par la suite, les performances du système pour des tests expérimentaux seront expliqués. Les résultats de ces tests seront bien sûr interprétés tout en comparant avec des systèmes existants. Une validation de ces résultats sera finalement effectuée avec des animaux vivants pour tester la fonctionnalité de la plateforme dans un cadre réel. / In recent years, the progress of implantable electronic devices powered by wireless technologies has evolved continuously and the need for wireless and sustainable power becomes necessary for the development of these devices. The transmission of energy without wire is one of the key technologies used lately to power biomedical implants and which has been the subject of scientific research for the treatment of several diseases such as chronic diseases. Research in neuroscience is indeed one of the applications where wireless energy transfer has improved the performance of neural implants and participated in reducing the size, complexity, and power consumption of these devices. Since these implants cannot use large batteries due to the limited space of these implants and to avoid the risk associated with the surgery, the change of the folds which can also change the results of experiment. In this thesis, a wireless energy transmission system by inductive coupling is presented, this system is used to power a neural interface. Which has made it possible to avoid the use of large batteries or cables to provide energy to these interfaces and which has increase the lifespan of implantable batteries in order to perform electrophysiological operations on living animals and in the long term, this will help physicians and neuroscientists to follow the behavior of these animals in free movement and during a long period of time and in complete safety. The developed wireless platform uses an energy cage to perform these operations and to distribute the power in several positions according to the displacements and the movements carried out by the animals of the tests inside the cage. The work carried out in this thesis provides new strategies for the optimal design of wireless power systems, with innovations and strong experimental results. It also includes the development of four systems with innovations. Firstly, the architecture of each system will be genuinely presented. Furthermore, the performance of the system for testing of the experimental will be explained. The results of these tests will be indeed interpreted in comparison with existing systems. A validation of these results will be finally performed with live animals to test the functionality of the platform in a real setting.

D’importants progès ont été réalisés dans le développement des systèmes biomédicaux implantables grâce aux dernières avancées de la microélectronique et des technologies sans fil. Néanmoins, ces appareils restent difficiles à commercialier. Cette situation est due particulièrement à un manque de stratégies de design capable supporter les fonctionnalités exigées, aux limites de miniaturisation, ainsi qu’au manque d’interface sans fil à haut débit fiable et faible puissance capable de connecter les implants et les périphériques externes. Le nombre de sites de stimulation et/ou d’électrodes d’enregistrement retrouvés dans les dernières interfaces cerveau-ordinateur (IMC) ne cesse de croître afin d’augmenter la précision de contrôle, et d’améliorer notre compréhension des fonctions cérébrales. Ce nombre est appelé à atteindre un millier de site à court terme, ce qui exige des débits de données atteingnant facilement les 500 Mbps. Ceci étant dit, ces travaux visent à élaborer de nouvelles stratégies innovantes de conception de dispositifs biomédicaux implantables afin de repousser les limites mentionnées ci-dessus. On présente de nouvelles techniques faible puissance beaucoup plus performantes pour le transfert d’énergie et de données sans fil à haut débit ainsi que l’analyse et la réalisation de ces dernières grâce à des prototypes microélectroniques CMOS. Dans un premier temps, ces travaux exposent notre nouvelle structure multibobine inductive à résonance présentant une puissance sans fil distribuée uniformément pour alimenter des systèmes miniatures d’étude du cerveaux avec des models animaux en ilberté ainsi que des dispositifs médicaux implantbles sans fil qui se caractérisent par une capacité de positionnement libre. La structure propose un lien de résonance multibobines inductive, dont le résonateur principal est constitué d’une multitude de résonateurs identiques disposés dans une matrice de bobines carrées. Ces dernières sont connectées en parallèle afin de réaliser des surfaces de puissance (2D) ainsi qu’une chambre d’alimentation (3D). La chambre proposée utilise deux matrices de résonateurs de base, mises face à face et connectés en parallèle afin d’obtenir une distribution d’énergie uniforme en 3D. Chaque surface comprend neuf bobines superposées, connectées en parallèle et réailsées sur une carte de circuit imprimé deux couches FR4. La chambre dispose d’un mécanisme naturel de localisation de puissance qui facilite sa mise en oeuvre et son fonctionnement. En procédant ainsi, nous évitons la nécessité d’une détection active de l’emplacement de la charge et le contrôle d’alimentation. Notre approche permet à cette surface d’alimentation unique de fournir une efficacité de transfert de puissance (PTE) de 69% et une puissance délivrée à la charge (PDL) de 120 mW, pour une distance de séparation de 4 cm, tandis que le prototype de chambre complet fournit un PTE uniforme de 59% et un PDL de 100 mW en 3D, partout à l’intérieur de la chambre avec un volume de chambre de 27 × 27 × 16 cm3. Une étape critique avant d’utiliser un dispositif implantable chez les humains consiste à vérifier ses fonctionnalités sur des sujets animaux. Par conséquent, la chambre d’énergie sans fil conçue sera utilisée afin de caractériser les performances d’ une interface sans fil de transmisison de données dans un environnement réaliste in vivo avec positionement libre. Un émetteur-récepteur full-duplex (FDT) entièrement intégré qui se caractérise par sa faible puissance est conçu pour réaliser une interfaces bi-directionnelles (stimulation et enregistrement) avec des débits asymétriques: des taux de tramnsmission plus élevés sont nécessaires pour l’enregistrement électrophysiologique multicanal (signaux de liaison montante) alors que les taux moins élevés sont utilisés pour la stimulation (les signaux de liaison descendante). L’émetteur (TX) et le récepteur (RX) se partagent une seule antenne afin de réduire la taille de l’implant. L’émetteur utilise la radio ultra-large bande par impulsions (IR-UWB) basée sur l’approche edge combining et le RX utilise la bande ISM (Industrielle, Scientifique et Médicale) de fréquence central 2.4 GHz et la modulation on-off-keying (OOK). Une bonne isolation (> 20 dB) est obtenue entre le TX et le RX grâce à 1) la mise en forme les impulsions émises dans le spectre UWB non réglementée (3.1-7 GHz), et 2) le filtrage espace-efficace (évitant l’utilisation d’un circulateur ou d’un diplexeur) du spectre du lien de communication descendant directement au niveau de l’ amplificateur à faible bruit (LNA). L’émetteur UWB 3.1-7 GHz utilise un e modultion OOK ainsi qu’une modulation par déplacement de phase (BPSK) à seulement 10.8 pJ / bits. Le FDT proposé permet d’atteindre 500 Mbps de débit de données en lien montant et 100 Mbps de débit de données de lien descendant. Il est entièrement intégré dans un procédé TSMC CMOS 0.18 um standard et possède une taille totale de 0.8 mm2. La consommation totale d’énergie mesurée est de 10.4 mW (5 mW pour RX et 5.4 mW pour TX au taux de 500 Mbps). / In recent years, there has been major progress on implantable biomedical systems that support most of the functionalities of wireless implantable devices. Nevertheless, these devices remain mostly restricted to be commercialized, in part due to weakness of a straightforward design to support the required functionalities, limitation on miniaturization, and lack of a reliable low-power high data rate interface between implants and external devices. This research provides novel strategies on the design of implantable biomedical devices that addresses these limitations by presenting analysis and techniques for wireless power transfer and efficient data transfer. The first part of this research includes our proposed novel resonance-based multicoil inductive power link structure with uniform power distribution to wirelessly power up smart animal research systems and implanted medical devices with high power efficiency and free positioning capability. The proposed structure consists of a multicoil resonance inductive link, which primary resonator array is made of several identical resonators enclosed in a scalable array of overlapping square coils that are connected in parallel and arranged in power surface (2D) and power chamber (3D) configurations. The proposed chamber uses two arrays of primary resonators, facing each other, and connected in parallel to achieve uniform power distribution in 3D. Each surface includes 9 overlapped coils connected in parallel and implemented into two layers of FR4 printed circuit board. The chamber features a natural power localization mechanism, which simplifies its implementation and eases its operation by avoiding the need for active detection of the load location and power control mechanisms. A single power surface based on the proposed approach can provide a power transfer efficiency (PTE) of 69% and a power delivered to the load (PDL) of 120 mW, for a separation distance of 4 cm, whereas the complete chamber prototype provides a uniform PTE of 59% and a PDL of 100 mW in 3D, everywhere inside the chamber with a chamber size of 27×27×16 cm3. The second part of this research includes our proposed novel, fully-integrated, low-power fullduplex transceiver (FDT) to support bi-directional neural interfacing applications (stimulating and recording) with asymmetric data rates: higher rates are required for recording (uplink signals) than stimulation (downlink signals). The transmitter (TX) and receiver (RX) share a single antenna to reduce implant size. The TX uses impulse radio ultra-wide band (IR-UWB) based on an edge combining approach, and the RX uses a novel 2.4-GHz on-off keying (OOK) receiver. Proper isolation (> 20 dB) between the TX and RX path is implemented 1) by shaping the transmitted pulses to fall within the unregulated UWB spectrum (3.1-7 GHz), and 2) by space-efficient filtering (avoiding a circulator or diplexer) of the downlink OOK spectrum in the RX low-noise amplifier (LNA). The UWB 3.1-7 GHz transmitter using OOK and binary phase shift keying (BPSK) modulations at only 10.8 pJ/bit. The proposed FDT provides dual band 500 Mbps TX uplink data rate and 100 Mbps RX downlink data rate. It is fully integrated on standard TSMC 0.18 nm CMOS within a total size of 0.8 mm2. The total power consumption measured 10.4 mW (5 mW for RX and 5.4 mW for TX at the rate of 500 Mbps).

Le mélanome uvéal est le type de cancer de l'œil le plus répandu chez l'adulte. Il s'agit du mélanome le plus commun après le cancer de la peau. La curiethérapie en est le traitement privilégié : elle consiste à irradier la tumeur à l'aide de sources radioactives disposées dans un support lui-même maintenu en place à l'aide d'une plaque épisclérale (PE). Leur conception a été élaborée par l'Association Américaine des Physiciens en Médecine (AAPM) et la Société Américaine de Curiethérapie (SAC) il y a plusieurs décennies. Cette conception permet de traiter adéquatement la plupart des formes et tailles des mélanomes uvéaux. Néanmoins, le traitement peine à traiter toutes les formes et engendre fréquemment des effets secondaires indésirables. Ce projet vise à développer une nouvelle conception des PE personnalisées pouvant répondre à une majorité de mélanomes uvéaux en minimisant les effets secondaires. La fabrication additive, qui consiste à fabriquer des objets couche par couche, a été utilisée afin de produire ces nouvelles plaques pouvant être personnalisables. Ce projet vise à produire des PE issues de la fabrication additive en polyétheréthercétone (PEEK) et de quantifier leur conformité géométrique. Pour ce faire, la tomodensitométrie par rayons X (TDM-X) a été employée. Cette technique d'imagerie permet d'évaluer de manière précise et complète le niveau de conformité géométrique des PE. Ainsi, dans ce projet, des plaques épisclérales de 10 mm, 14 mm et 22 mm ont été imprimées en PEEK, en adaptant leur conception à la fabrication additive. Une analyse de conformité géométrique utilisant la TDM-X et comparant les résultats avec les modèles 3D des plans de conception a permis de quantifier la conformité géométrique à une hauteur de 0,13 mm en moyenne. En somme, ce projet de maîtrise pave la voie à un traitement de curiethérapie pour traiter le cancer de l'œil à l'aide de PE conçues sur mesure pour le patient.

Les algorithmes cliniques de dosimétrie en curiethérapie se basent principalement sur les recommandations du « Task Groupe 43 » de l'association américaine des physiciens en médecine. Ces algorithmes sont des méthodes approximatives de calcul de dose et négligent des phénomènes physiques importants qui affectent les distributions de dose. Tout d'abord, l'hétérogénéité des tissus est systématiquement négligée en remplaçant les tissus humains par de l'eau. Ainsi l'effet de la composition chimique et de la densité des tissus ne peut pas être pris en compte pour les calculs dosimétriques. Les méthodes de dosimétrie clinique négligent aussi l'impact de la présence des sources ou des applicateurs sur les distributions de dose. Le but de ce projet est d'étudier l'origine des hétérogénéités et de quantifier leurs impacts sur la dosimétrie et sur l'évaluation radiobiologique des traitements de curiethérapie par implant permanent. Pour cela, une plateforme de calcul dosimétrique est conçue en utilisant les méthodes Monte Carlo. Cette plateforme est capable de considérer et de reproduire la géométrie des implants en détails, sur la base du protocole DICOM-RT. Ainsi, la première partie de cette thèse sera entamée par une étude de l'atténuation intersource et son lien avec la conception des sources de curiethérapie. Nous allons ensuite étudier l'effet de l'hétérogénéité des tissus sur les distributions de dose et démontrerons la grande sensibilité de la curiethérapie du sein à la composition des tissus. La première partie de cette thèse sera complétée par une proposition de différents protocoles de segmentation des tissus du sein qui pourraient être utilisés en curiethérapie à basse énergie. Dans la deuxième partie de ce projet nous étudierons l'effet des hétérogénéités du milieu et de la dose sur l'évaluation radiobiologique en curiethérapie. Nous verrons comment l'efficacité radiobiologique est sous- ou sur-estimée quand la distribution de dose n'est pas considérée de façon appropriée. Finalement nous allons tenter d'apporter un élément de réponse au débat sur la valeur du paramètre de la radiosensibilité pour le cancer de la prostate. Nous démontrerons que l'estimation de a/ft pour le cancer de la prostate change dépendamment du niveau d'hétérogénéité considéré dans les calculs dosimétriques.