Métamatériaux pour le transfert sans fil d'énergie par ultrasons // metamaterials for ultrasonic wireless power transfer

Topic description

Au cours des dernières décennies, l'utilisation des dispositifs médicaux implantables (IMDs) a considérablement augmenté, stimulée par leur potentiel à offrir des soins de santé personnalisés et des interventions thérapeutiques ciblées. Ces dispositifs sont essentiels pour surveiller en continu les signaux physiologiques et administrer rapidement des traitements, tels que la libération de médicaments ou la stimulation nerveuse [Réf.]. Malgré leurs avantages, le fonctionnement à long terme des IMDs est limité par la capacité restreinte de leurs batteries, qui nécessitent fréquemment un remplacement chirurgical au cours de la vie du patient. Cette source d'énergie peu durable freine la miniaturisation ainsi que l'amélioration des fonctionnalités des IMDs. Par conséquent, le développement d'un module d'alimentation durable et rechargeable sans fil, basé sur des métamatériaux, constitue l'objectif principal de ce projet de doctorat.

Dans ce contexte, le transfert d'énergie sans fil par ultrasons (UWPT - Ultrasonic Wireless Power Transfer) représente une alternative très prometteuse aux technologies existantes. Il permet de surmonter les limitations liées à la batterie principale et d'étendre la distance de transmission, qui reste trop courte dans le cas des technologies électromagnétiques. L'UWPT offre des capacités supérieures pour alimenter sans contact des dispositifs profondément implantés. Ses avantages clés incluent des fréquences de fonctionnement plus basses réduisant l'atténuation de l'énergie, une sensibilité moindre au désalignement des transducteurs, des caractéristiques de sécurité renforcées évitant les courants de Foucault et la surchauffe, ainsi qu'une correspondance entre la longueur d'onde des ultrasons et les dimensions du récepteur. La mise en œuvre d'un système UWPT hautement efficace est appelée à révolutionner non seulement les IMDs, mais également à améliorer de manière significative leurs applications dans le diagnostic et les thérapies biomédicales par ultrasons.

Nous proposons une approche novatrice basée sur les BIC-métamatériaux (états liés dans le continuum – Bound State in the Continuum), permettant d'exploiter des modes BIC, caractérisés par un facteur de qualité résonant infini, pour assurer une transmission sans fil supérieure aux méthodes existantes. L'utilisation de ces métamatériaux BIC, avec leur remarquable facteur de qualité élevé, présente une forte valeur ajoutée par rapport à la transmission ultrasonore par résonance piézoélectrique. Notre objectif ambitieux est de développer de nouveaux métamatériaux ultrasonores capables de produire une transmission d'énergie ultrasonore sans fil, efficace et en profondeur, depuis un transducteur externe, afin de recharger les IMDs à l'intérieur du corps humain.

Reference
I. Imani et al. «Advanced Ultrasound Energy Transfer Technologies using Metamaterial Structures».
Advanced Science
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In recent decades, the utilization of implantable medical devices (IMDs) has significantly increased,
driven by their potential to offer personalized healthcare and therapeutic interventions. These devices
are essential for continuously monitoring physiological signals and the timely administration of
treatments such as drug release or nerve stimulation [Ref]. Despite their benefits, the long-term
operation of IMDs is challenged by the limited capacity of their batteries, which frequently require
surgical replacement throughout a patient's lifetime. This unsustainable power supply hampers the
miniaturization and enhancement of IMD functionalities. Consequently, the development of a
sustainable and wireless rechargeable power module metamaterials-based represents the main
objective for this PhD project.
In this context, Ultrasonic Wireless Power Transfer (UWPT) provides a very promising alternative to
the existing technologies, overcoming the limitation of the main battery and extending the
transmission distance which remains too short in electromagnetic technologies. UWPT offers
superior capabilities for contactlessly energizing deeply implanted devices. Its critical advantages
include lower operating frequencies to minimize energy attenuation, reduced sensitivity to transducer
misalignment, enhanced security features that prevent eddy currents and excessive heat generation,
and the similarity between the ultrasound wavelength and the receiver's dimension. The
implementation of a highly efficient UWPT system is poised not only to revolutionize IMDs but also
to enhance their applications in ultrasound-based biomedical diagnostics and therapies significantly.
We propose a transformative approach based on BIC-Metamaterials (Bound state In the Continuum)
enabling using BIC modes, which have an infinite resonant quality factor, to produce a superior
wireless transmission compared to the existing approaches. Using the unique BIC-metamaterials
with their remarkable high quality factor presents a strong added value compared to the piezoelectric
ultrasonic resonance transmission. Our bold and ambitious objective is to develop new ultrasound
metamaterials producing a high and deep wireless US energy transmission from an external
transducer to recharge IMDs inside the human body.

Reference
I. Imani et al. «Advanced Ultrasound Energy Transfer Technologies using Metamaterial Structures».
Advanced Science
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Début de la thèse : 01/11/

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Financement d'une collectivité locale ou territoriale