Luận án tiến sĩ optimisation par approche physique des micro antennes rmn fabriquees par techniques microelectroniques étude theorique et experimentale

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tối ưu hóa micro antenna RMN bằng phương pháp vật lý và kỹ thuật vi điện tử. Khám phá lý thuyết cùng thực nghiệm chuyên sâu.

Trường đại học

L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon

Chuyên ngành

Électronique, Électrotechnique, Automatique

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận án

2014

207
1
0

Phí lưu trữ

55 Point

Mục lục chi tiết

Introduction générale

1. CHƯƠNG 1: CRITÈRES DE PERFORMANCES DE MICRO-ANTENNES RMN

1.1. Introduction

1.2. Caractéristiques des micro-bobines RMN

1.3. Conducteurs et différents effets

1.4. Le facteur de qualité

1.5. Les effets dans le conducteur : applications en RMN

1.6. Rapport signal sur bruit

1.7. Sensibilité : rapport signal sur bruit

1.8. Limites de détection

1.9. Discussion et conclusion

2. CHƯƠNG 2: DIFFÉRENTES STRUCTURES DE MICRO-ANTENNES ET PERTINENCE D’EMPLOI IN VIVO

2.1. Introduction

2.2. Différentes structures de micro-antennes

2.2.1. Micro-antennes solénoïdales

2.2.2. Micro-antennes planaires

2.2.3. Micro-antennes de structure Helmholtz

2.2.4. Micro-antennes en selle de cheval

2.2.5. Micro-antennes "aiguilles"

2.2.6. Micro-antenne striplines

2.3. Pertinences d’emploi en SRM in vivo

2.3.1. Avantage des micro-antennes implantables

2.3.2. Perspectives d’emploi in vivo

2.4. Discussion et conclusion

3. CHƯƠNG 3: CONCEPTION ET OPTIMISATION DE MICRO-ANTENNES PLANAIRES IMPLANTABLES

3.1. Introduction

3.2. Paramètres d’influence sur les performances des micro-antennes

3.2.1. Distribution du courant

3.2.2. Inductance de conducteur et Inductance de bobine

3.3. Modélisation et calcul du champ magnétique radiofréquence B1

3.3.1. La loi de Biot-Savart dans le plan de la bobine

3.3.2. Champ magnétique de chaque éléments de base

3.3.3. Champ magnétique des bobines planaires

3.4. Optimisation des différentes configurations de la bobine planaire implantable

3.5. Caractérisation électrique des micro-antennes RMN

3.5.1. Micro-antenne avec un découplage actif

3.5.2. Déport de l’accord et de l’adaptation

3.6. Discussion et conclusion

4. CHƯƠNG 4: LOGICIEL ANPL (ANTENNE PLANAIRES)

4.1. Introduction

4.2. Bases fondamentales du programme

4.3. Présentation du logiciel ANPL

4.4. Mise en œuvre du logiciel ANPL

4.5. Discussion et conclusion

5. CHƯƠNG 5: RÉALISATION DES PROTOTYPES DE MICRO-ANTENNE EN SALLE BLANCHE

5.1. Introduction

5.2. Processus de fabrication des prototypes de micro-antennes planaires

5.3. Étapes de fabrication en salle blanche

5.4. Vérification de caractéristique géométrique des différents prototypes

5.5. Caractérisation électriques des différents prototypes de micro-bobines

5.5.1. Résultats de la modélisation et du calcul

5.5.2. Résultats de la mesure

5.6. Discussion et conclusion

Conclusion générale

Bibliographie

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Micro Antenna RMN và Ứng Dụng

Luận án này tập trung vào việc tối ưu hóa Micro-Antenna RMN (Cộng hưởng từ hạt nhân) thông qua cả nghiên cứu lý thuyếtthực nghiệm. Mục tiêu chính là phát triển các công cụ phân tích đáng tin cậy, có khả năng đảm bảo tính tái lập của các phép đo phổ RMN độ phân giải cao. Điều này mở ra tiềm năng cho các ứng dụng in vivo đầy hứa hẹn. Khái niệm micro cảm biến RMN hay micro-antenna (hoặc antenna kim) có thể dẫn đến các công cụ phân tích tin cậy, đảm bảo tính tái lập của các phép đo phổ RMN độ phân giải cao. Ưu điểm của thiết bị này là khả năng quan sát một vùng vi mô được xác định rõ ràng, nằm trong một thể tích lớn. Tuy nhiên, nhược điểm chính là độ nhạy kém do hiệu quả của các micro-antenna hiện tại bị ảnh hưởng bởi nhiều thông số, như giá trị điện cảm nhỏ so với điện cảm của dây kết nối và nhiễu do sự ghép nối mạnh với mẫu.

1.1. Lịch Sử Phát Triển và Vai Trò Micro Antenna RMN

Micro-Antenna RMN không phải là một khái niệm mới. Nghiên cứu ban đầu đã được thực hiện in vitro và cho thấy tiềm năng lớn, tuy nhiên, việc chuyển sang ứng dụng in vivo đòi hỏi những cải tiến đáng kể. Một trong những thách thức lớn nhất là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) thấp, khiến cho tín hiệu RMN gần như không thể phân biệt được với nhiễu nhiệt. Theo Baxan (2008) và Kadjo (2011), cần có công trình bổ sung quan trọng để có thể sử dụng những micro-bobine công nghệ cao này in vivo. Điều này rất quan trọng vì trong trường hợp này, tín hiệu RMN rất nhỏ so với nhiễu nhiệt.

1.2. Ưu Điểm và Thách Thức Khi Sử Dụng Micro Antenna RMN

Ưu điểm chính của Micro-Antenna RMN là khả năng nhắm mục tiêu đến một vùng quan tâm vi mô cụ thể, ngay cả khi nó nằm trong một thể tích lớn hơn. Tuy nhiên, thiết kế và chế tạo Micro-Antenna RMN hiệu quả cũng đi kèm với những thách thức nhất định. Một trong số đó là việc tối ưu hóa các thông số hình học để cải thiện các đặc tính vật lý và điện. Các Micro-Antenna RMN cấy ghép, điện áp được tạo ra ở hai đầu. Micro-Antenna RMN được mô tả bằng điện trở và độ tự cảm, ảnh hưởng trực tiếp và mạnh mẽ đến các tiêu chí hiệu suất chính trong RMN: tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và giới hạn phát hiện (LOD).

II. Cách Tối Ưu Hóa Phương Pháp Thiết Kế Micro Antenna RMN

Một trong những cách tiếp cận để tối ưu hóa Micro-Antenna RMN là thông qua thiết kế tỉ mỉ và kiểm soát chặt chẽ các thông số hình học. Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính vật lý và điện của antenna. Mô hình hóa và mô phỏng số là những công cụ thiết yếu để tối ưu hóa các micro-antenna này. Phần lớn công việc này dành riêng cho việc tối ưu hóa các micro-antenna. Các kết quả về các nguyên tắc vật lý nhằm tối ưu hóa các thông số hình học của chúng được mô tả thông qua việc dự đoán các thông số điện: độ tự cảm, điện cảm hỗ tương và các tổn thất bổ sung do hiệu ứng da và hiệu ứng lân cận.

2.1. Ảnh Hưởng của Hình Dạng và Kích Thước đến Hiệu Suất Antenna

Hình dạng và kích thước của Micro-Antenna RMN có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của nó. Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hình dạng và kích thước tối ưu. Vật liệu cho micro-antenna cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế. Cần xem xét ảnh hưởng của tần số cộng hưởngbăng thông antenna đến chất lượng tín hiệu nhận được. Các micro-antenna (500x1000µm2), được chế tạo bằng các kỹ thuật vi điện tử tốn kém. Mô hình hóa và mô phỏng số chứng tỏ là những công cụ thiết yếu được chứng minh rộng rãi.

2.2. Sử Dụng Phần Mềm Mô Phỏng Điện Từ HFSS CST Để Thiết Kế

Các phần mềm mô phỏng điện từ như HFSSCST Microwave Studio là những công cụ không thể thiếu trong quá trình thiết kế và tối ưu hóa Micro-Antenna RMN. Những phần mềm này cho phép mô phỏng chính xác các đặc tính điện từ của antenna, giúp dự đoán hiệu suất và xác định các khu vực cần cải thiện. Theo luận án, các kết quả thu được hoàn toàn phù hợp với những kết quả được báo cáo trong tài liệu và những kết quả được mô phỏng bằng phần mềm thương mại dựa trên các phương pháp phần tử hữu hạn.

III. Nghiên Cứu Thực Nghiệm Chế Tạo và Đo Lường Micro Antenna RMN

Nghiên cứu thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc xác thực các kết quả lý thuyết và đánh giá hiệu suất thực tế của Micro-Antenna RMN. Quá trình chế tạo Micro-Antenna đòi hỏi độ chính xác cao, thường sử dụng các kỹ thuật nano-fabrication. Sau khi chế tạo, đo lường Antenna là bước quan trọng để xác định các thông số như phân tích tham số S, phân tích bức xạ Antenna, độ lợi Antennahiệu suất bức xạ.

3.1. Quy Trình Chế Tạo Micro Antenna Từ Thiết Kế đến Sản Phẩm

Quá trình chế tạo Micro-Antenna bao gồm nhiều bước phức tạp, từ thiết kế ban đầu đến sản phẩm cuối cùng. Các kỹ thuật như quang khắc, lắng đọng màng mỏng và khắc plasma thường được sử dụng để tạo ra các cấu trúc nano với độ chính xác cao. Theo luận án, quy trình vi chế tạo các nguyên mẫu được tối ưu hóa được mô tả chi tiết. Các nguyên mẫu này được thực hiện trên cả chất nền thủy tinh và silicon. Kết quả đo lường các thông số hiệu suất của các micro-bobine đã chứng minh lợi thế của chất nền thủy tinh.

3.2. Đánh Giá Hiệu Suất Phân Tích S Bức Xạ và Các Yếu Tố Liên Quan

Việc đánh giá hiệu suất của Micro-Antenna RMN đòi hỏi các phép đo chính xác và phân tích cẩn thận. Phân tích tham số S cung cấp thông tin về trở kháng và sự phù hợp của antenna. Phân tích bức xạ Antenna cho thấy khả năng bức xạ năng lượng của antenna. Các yếu tố khác như độ lợi Antenna, hiệu suất bức xạphân cực Antenna cũng quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất tổng thể. Kết quả đo lường các thông số hiệu suất của các micro-bobine đã chứng minh lợi thế của chất nền thủy tinh.

IV. Ứng Dụng Micro Antenna RMN Y Sinh Cảm Biến và Năng Lượng

Micro-Antenna RMN có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong lĩnh vực ứng dụng y sinh, chúng có thể được sử dụng để cải thiện chất lượng hình ảnh MRI và cung cấp thông tin chi tiết hơn về các quá trình sinh học. Trong lĩnh vực ứng dụng cảm biến, chúng có thể được sử dụng để phát hiện các chất hóa học hoặc sinh học với độ nhạy cao. Trong lĩnh vực ứng dụng năng lượng, chúng có thể được sử dụng để thu thập năng lượng từ môi trường xung quanh.

4.1. Ứng Dụng Trong Y Sinh Nâng Cao Chất Lượng Hình Ảnh MRI

Một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của Micro-Antenna RMN là trong lĩnh vực y sinh, đặc biệt là trong Magnetic Resonance Imaging (MRI). Bằng cách sử dụng các Micro-Antenna RMN nhỏ, có thể thu được hình ảnh MRI với độ phân giải cao hơn và độ nhạy tốt hơn. Điều này có thể giúp chẩn đoán bệnh sớm hơn và chính xác hơn. Một số ứng dụng tiềm năng khác bao gồm theo dõi thuốc và liệu pháp gen.

4.2. Cảm Biến Phát Hiện Chất Hóa Học và Sinh Học Độ Nhạy Cao

Micro-Antenna RMN cũng có thể được sử dụng làm cảm biến để phát hiện các chất hóa học hoặc sinh học. Khi một chất cụ thể liên kết với bề mặt của antenna, nó sẽ làm thay đổi các đặc tính điện từ của antenna, có thể được phát hiện bằng cách đo sự thay đổi trong tín hiệu RMN. Các cảm biến dựa trên Micro-Antenna RMN có thể có độ nhạy cao và có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như theo dõi môi trường và chẩn đoán y tế.

V. Phần Mềm ANPL Công Cụ Hỗ Trợ Tối Ưu Hóa Micro Antenna RMN

Luận án đã phát triển một phần mềm "nhà làm" gọi là ANPL (ANntenne PLanaire) để hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa Micro-Antenna RMN. ANPL cho phép mô phỏng các antenna phẳng với hình dạng hình học bất kỳ, tính toán hiệu suất của chúng về mặt SNRLOD, và lập bản đồ trường từ của chúng dựa trên các công thức được chứng minh. Các kết quả của phần mềm này đã được xác nhận bằng cách so sánh với các kết quả tính toán và đo lường trong khoảng tần số từ 100 đến 300 MHz.

5.1. Chức Năng và Ưu Điểm Của Phần Mềm ANPL

Phần mềm ANPL cung cấp một loạt các chức năng hữu ích cho việc thiết kế và tối ưu hóa Micro-Antenna RMN. Nó cho phép người dùng mô phỏng các antenna với hình dạng hình học phức tạp, tính toán các thông số hiệu suất quan trọng như SNRLOD, và hình dung trường từ của antenna. Ưu điểm của ANPL bao gồm tốc độ tính toán nhanh, dễ sử dụng và khả năng tùy chỉnh cao.

5.2. So Sánh ANPL Với Các Phần Mềm Thương Mại Khác

Mặc dù không cạnh tranh trực tiếp với các phần mềm thương mại như HFSSCST Microwave Studio, ANPL cung cấp một giải pháp thay thế hiệu quả về chi phí và thời gian cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư. ANPL có thể được mở rộng để thiết kế các cấu hình phức tạp hơn của micro-antenna hoặc antenna RMN, đồng thời cung cấp cho người dùng khả năng điều chỉnh phần mềm để đáp ứng nhu cầu cụ thể của họ.

VI. Kết Luận Tương Lai và Phát Triển Micro Antenna RMN

Nghiên cứu này đã đóng góp đáng kể vào việc hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của Micro-Antenna RMN và cung cấp các phương pháp hiệu quả để tối ưu hóa chúng. Mặc dù vẫn còn những thách thức cần giải quyết, nhưng tiềm năng ứng dụng của Micro-Antenna RMN trong nhiều lĩnh vực là rất lớn. Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm phát triển các Antenna linh hoạtAntenna có thể điều chỉnh để đáp ứng các nhu cầu cụ thể.

6.1. Những Thành Tựu Đạt Được và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Luận án đã đạt được những thành tựu đáng kể trong việc tối ưu hóa Micro-Antenna RMN. Các công thức mới cho các thông số vật lý và điện đã được phát triển và xác nhận. Phần mềm ANPL đã được tạo ra để hỗ trợ thiết kế và mô phỏng antenna. Các nguyên mẫu antenna đã được chế tạo và thử nghiệm. Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm phát triển các antenna in 3D và sử dụng metamaterials để cải thiện hiệu suất antenna.

6.2. Tiềm Năng Phát Triển Và Ứng Dụng Micro Antenna RMN Trong Tương Lai

Tiềm năng phát triển của Micro-Antenna RMN trong tương lai là rất lớn. Với sự tiến bộ của công nghệ nano-fabricationphần mềm mô phỏng, có thể tạo ra các antenna nhỏ hơn, hiệu quả hơn và có khả năng tùy chỉnh cao hơn. Điều này sẽ mở ra các ứng dụng mới trong y sinh, cảm biến, năng lượng và viễn thông. Antenna cộng hưởng từ nano hứa hẹn sẽ cách mạng hóa nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ.

Tóm tắt và mô tả trên trang này được tạo với sự hỗ trợ của AI. Nếu bạn thấy nội dung không chính xác hoặc có vấn đề, vui lòng Báo lỗi nội dung.

15/05/2025
Luận án tiến sĩ optimisation par approche physique des micro antennes rmn fabriquees par techniques microelectroniques étude theorique et experimentale

Trích đoạn nội dung tài liệu

N0 d’ordre 2014-ISAL-0066 Année 2014 Thèse Optimisation par approche physique des micro-antennes RMN fabriquées par Techniques Microélectroniques : Étude Théorique et Expérimentale Présentée devant L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Pour obtenir Le Grade de Docteur École Doctorale : Électronique, Électrotechnique, Automatique Spécialité : Micro et Nano technologies Laboratoire : CREATIS, CNRS UMR 5220 – INSERM U1044 – INSA Lyon par TRUONG Cong Tien Soutenue le 01 Juillet 2014 devant la commission d’examen Jury M. Daniel BARBIER INL, INSA Lyon Président M. Claude FERMON SPEC-CEA-Saclay Rapporteur M. Souhil MEGHERBI Université Paris-Sud Rapporteur M.

Abdelhamid ERRACHID EL SALHI Université Lyon1 Examinateur M. Lecoeur PHILIPPE Université Paris Sud Examinateur Mme. Latifa FAKRI-BOUCHET Créatis, INSA Lyon Directeur M. Abdennasser FAKRI ESIEE Paris Co-Directeur M.

Huy Hoang PHAM École Polytechnique, HCMV Co-Directeur M. Patrick Poulichet ESIEE Paris Invité INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales – Quinquennal 2011-2015 SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE CHIMIE DE LYON M. Jean Marc LANCELIN CHIMIE http://www.fr Université de Lyon – Collège Doctoral Bât ESCPE Sec :Renée EL MELHEM 43 bd du 11 novembre 1918 Bat Blaise Pascal 69622 VILLEURBANNE Cedex 3e etage Tél : 04. GOURDON directeur@edchimie-lyon.

ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE Ecole Centrale de Lyon http://edeea.fr 36 avenue Guy de Collongue 69134 ECULLY Secrétariat : M.97 Fax : 04 78 43 37 17 eea@ec-lyon.scorletti@ec-lyon.fr EVOLUTION, ECOSYSTEME, Mme Gudrun BORNETTE E2M2 MICROBIOLOGIE, MODELISATION CNRS UMR 5023 LEHNA http://e2m2.fr Université Claude Bernard Lyon 1 Bât Forel Insa : H. CHARLES 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cédex Tél : 06.fr INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES- Mme Emmanuelle CANET-SOULAS EDISS SANTE INSERM U1060, CarMeN lab, Univ. Lyon 1 http://www.fr Bâtiment IMBL 11 avenue Jean Capelle INSA de Lyon Sec : 696621 Villeurbanne Insa : M.canet@univ-lyon1.fr INFORMATIQUE ET Mme Sylvie CALABRETTO INFOMATHS MATHEMATIQUES LIRIS – INSA de Lyon http://infomaths.fr Bat Blaise Pascal 7 avenue Jean Capelle Sec :Renée EL MELHEM 69622 VILLEURBANNE Cedex Bat Blaise Pascal Tél : 04. 46 Fax 04 72 43 16 87 3e etage Sylvie.calabretto@insa-lyon.fr infomaths@univ-lyon1.fr MATERIAUX DE LYON M.

Jean-Yves BUFFIERE http://ed34.fr INSA de Lyon Matériaux MATEIS Secrétariat : M. LABOUNE Bâtiment Saint Exupéry PM : 71.12 7 avenue Jean Capelle Bat. Saint Exupéry 69621 VILLEURBANNE Cedex Ed.materiaux@insa-lyon.43 83 18 Fax 04 72 43 85 28 Jean-yves.buffiere@insa-lyon.fr MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE M. Philippe BOISSE MEGA CIVIL, ACOUSTIQUE INSA de Lyon http://mega.fr Laboratoire LAMCOS Bâtiment Jacquard Secrétariat : M.

LABOUNE 25 bis avenue Jean Capelle PM : 71.12 69621 VILLEURBANNE Cedex Bat. Saint Exupéry Tél :04.70 Fax : 04 72 43 72 37 mega@insa-lyon.boisse@insa-lyon. OBADIA Lionel ScSo http://recherche.fr/scso/ Université Lyon 2 86 rue Pasteur Sec : Viviane POLSINELLI 69365 LYON Cedex 07 Brigitte DUBOIS Tél : 04.Obadia@univ-lyon2.fr *ScSo : Histoire, Géographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique, Sociologie, Anthropologie Remerciements Cette thèse a été effectuée au sein du laboratoire CREATIS - INSA de Lyon. Je tiens à remercier Madame Isabelle Magnin, directrice du laboratoire CREATIS, pour son accueil et aide tout au long de ces quatre années.

J’exprime toute ma gratitude pour Madame Latifa Fakri-Bouchet qui a dirigée ce tra- vail, j’adresse également mes remerciements à Messieurs Pham Huy Hoang et Abdennasser Fakri d’avoir accepté d’être co-directeur de thèse. Grâce à leurs qualités d’encadrement, de soutien, de conseil, de disponibilité et de compétence, ce travail de thèse a pu être élaboré. Les échanges scientifiques durant ces années de thèse ont contribués à ma formation et ont enrichis mes connaissances scientifiques et m’ont vraiment aidé dans l’accomplissement de ce travail. Je remercie chaleureusement Monsieur Patrick Poulichet pour sa disponibilité, ses conseils et l’intérêt qu’il a montré pour les réalisations effectuées à l’ESIEE Paris.

Je remercie aussi Monsieur Lionel Rousseau et tous les membres de la salle blanche, ESIEE Paris pour les aides dans la fabrication et la mesure de ces prototypes. Je voudrais remercier Monsieur Claude Fermon, Directeur de recherche, SPEC-CEA- Saclay, Centre d’Etudes Nucléaires de Saclay et Monsieur Souhil Megherbi, Professeur de l’Université Paris-Sud, de m’avoir fait l’honneur d’accepter de rapporter mes travaux de thèse, de participer au jury et pour leurs questions de fond sur mon manuscrit. J’adresse également mes remerciements à Monsieur Daniel Barbier, président du jury et Messieurs Philippe Lecoeur, Abdelhamid Errachid El Salhi pour m’avoir fait honneur de juger mon travail. Mes remerciements vont également à Madame Danielle Graveron Demilly pour son aide et ses qualités humaines.

Je tiens à remercier bien sûr toutes les personnes du laboratoire et plus particulière- ment celles qui ont partagées ces travaux avec moi : Aziz, Josué et Hung. Enfin, je dédicace ce travail à toute ma famille. J’exprime ma reconnaissance pour ma grande mère Hung, mes parents Thuc et Yen, ma femme Huong et sa mère Cuc, mes enfants Ring et Lyon, ma sœur Trang et mon frère Tien. Durant ces années, vous étiez toujours dans mon cœur pour me soutenir et m’aider à surmonter les difficultés.

i Résumé Le concept de micro capteurs RMN (nommés aussi micro-antennes ou antennes ai- guilles) pourrait conduire à des outils d’analyse fiables capables d’assurer la reproduc- tibilité de mesures en spectroscopie RMN haute résolution. Leur emploi deviendra ainsi envisageable pour des applications in vivo. A notre connaissance, aucune étude in vivo utilisant ces micro-bobines "high-tech" n’a été rapportée. Le principal avantage de ce type de dispositifs est la possibilité d’observer une micro région d’intérêt bien définie, noyée dans un grand volume.

A l’inverse, le principal incon- vénient est le manque de sensibilité car l’efficacité des micro-antennes actuelles souffre de plusieurs paramètres (petite valeur d’inductance par rapport à l’inductance de fils de connexion, le bruit dû au fort couplage avec l’échantillon. Notre approche initiale réalisée in vitro dans le cadre des travaux de thèse de N. Baxan (2008) (http ://www.com) et de A. Kadjo (2011), ne peut être mis en œuvre in vivo sans un travail complémentaire important.

C’est d’une importance capitale car dans ce cas le signal RMN est si petit qu’il est comparable au bruit thermique. Une façon "simple", mais non moins aisée, d’optimiser l’efficacité d’une antenne est une conception minutieuse et une maîtrise des paramètres géométriques conditionnant les propriétés physiques et électriques. La partie principale des "micro-antennes aiguilles" implantables est la bobine aux bornes de laquelle la tension est induite. Elle est décrite schématiquement par une résistance et une inductance dont les valeurs impactent directe- ment et fortement sur les principaux critères de performances en RMN : le rapport signal sur bruit (SNR) et les limites de détection (LOD).

La fabrication de ces micro-antennes (500x1000µm2 ), est réalisée à l’aide de techniques de microélectroniques fort coûteuses. La modélisation et la simulation numérique s’avèrent des outils essentiels amplement justifiés. La majeure partie de ce travail est consacré à l’optimisation de ces microantennes. Les résultats de principes physiques visant à optimiser leurs paramètres géométriques sont décrits à travers la prédiction des paramètres électriques : la self inductance, l’inductance mutuelle et les pertes additionnelles dues à l’effet de peau et de proximité.

Ce document est organisé en cinq chapitres. Le premier chapitre, reprend les résul- ii tats de principes physiques visant à prédire les paramètres électriques (résistance et la self inductance) en vue de l’optimisation des paramètres géométriques des micro-bobines. La question importante des critères de performances en RMN est reprise et la théorique de limite de détection est redémontrée sous un angle plus fondamental. Le chapitre II est une vue d’ensemble des différentes structures de micro-antennes RMN existantes et la pertinence de leurs d’emplois in vivo, plus particulièrement dans le cas de l’implanta- tion.

Dans le chapitre III, une hypothèse de calcul est présentée puis validée. Elle porte sur la distribution du courant équivalent en haute fréquence circulant à la périphérie des conducteurs pour déterminer les pertes supplémentaires tenant compte des effets de peau et de proximité. Une nouvelle méthode de calcul de l’inductance est aussi démontrée. Dans ce chapitre, la modélisation et le calcul du champ magnétique radiofréquence B1 ont été aussi effectués.

L’ensemble des résultats obtenus est en bonne corrélation avec ceux rapportés dans la littérature et ceux simulés à l’aide de logiciels commerciaux basés sur les méthodes par éléments finis. La fin de ce chapitre est consacrée aux développe- ments instrumentaux entrepris en vue de l’amélioration des conditions de détection. La difficulté du maintien du modèle dans l’espace restreint de l’aimant RMN est solutionnée en proposant différents montages de déport de l’accord et de l’adaptation. Le Chapitre IV est une mise sous forme de code informatique à l’aide de Matlab, des nouvelles formula- tions des paramètres physiques et électriques conduisant à l’optimisation des paramètres géométriques.

Ce code constitue un "logiciel maison" ANPL pour ANntenne PLanaire. Il permet la conception et la simulation des bobines planaires de formes géométriques quelconques, de calculer leurs performances en termes de SNR et LOD et de modéliser leur champ magnétique en se basant sur les hypothèses démontrées au troisième chapitre. Les résultats de ce code ont été validés par une comparaison avec les résultats de calculs et avec des valeurs de mesures pour des gammes de fréquences allant de 100 à 300 MHz. Dans le chapitre V, le processus de microfabrication des prototypes optimisés est décrit en détail.

Ces prototypes ont été réalisés à la fois sur substrat de verre et de silicium. Les résultats des mesures des paramètres de performances des micro-bobines ont démontré l’avantage du substrat de verre. L’originalité de ce travail, à la fois théorique et expérimental réside, dans : (i) la traduction de verrous technologiques en problématiques fondamentales, (ii) Le dévelop- iii pement d’un "Logiciel maison" qui sans avoir la prétention de rivaliser avec les logiciels commerciaux, peut s’étendre à d’autre configuration plus complexes de micro-antennes ou d’antennes RMN et cibler au mieux les besoins des "RMN’iste-Antenn-istes" tout en leur offrant un gain en temps et en coût non négligeable. Mots clés : Microantenne, Antenne planaire, Antenne de surface, Spectroscopie RMN, Inductance, Résistance, Distribution du courant, Pertes, SNR, LOD, Simulation, Microfabrication.

iv Abstract The concept of NMR microsensors (named also microantennas or needle coils) could lead to reliable analysis tools able to ensure the reproducibility of high resolution spec- troscopic measurements, making possible to consider their use for in vivo applications. To the best of our knowledge, no in vivo study has been done with such "high-tech micro coils". The main advantage of this device kind is the possibility to observe a well-defined micro region of interest in a large volume. On the opposite, the main drawback resides in the poor sensitivity of the device since the efficiency of presently designed microcoils suffers from several misadjustments (small inductance value of the useful wires compared to the inductance of connecting wires, strong coupling noise with sample.

Our initial approach carried out in vitro that presented in (http ://www.com) and in thesis of N. Kadjo (2011), cannot be realized in vivo without a very important complementary work. This is of crucial importance, because the source signals are so small as to be comparable to the thermal noise. The simplest approach to increase antennas efficiency is a careful design and accu- racy of geometric parameters influencing the physical and electrical properties.

The main part of the implantable "needle antenna" is the loop where the voltage is induced. It is schematically described by a resistance and inductance that modify directly and strongly the NMR performance criteria : signal to noise ratio (SNR) and the limits of detection (LOD). The design of such micro-antennas (500x1000µm2 ) is performed using microelectronic techniques that are very expensive. Thus modeling and numerical simulation are essential tools amply justified.

The bulk of this work dedicates to the optimization of these microantennas, des- cribes the results of the applied physical principles to improve their geometric parameters through the prediction of their electrical parameters : the self-inductance, mutual induc- tance and the additional losses caused by skin effect and proximity. This document is organized into five chapters, in the first one, the NMR performance criteria are discussed and a more comprehensive LOD theory is provided.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu Tối ưu hóa micro-antenna RMN bằng phương pháp vật lý cung cấp phân tích chuyên sâu về việc cải thiện hiệu suất vi anten cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) được chế tạo bằng kỹ thuật vi gia công tiên tiến. Nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa các thông số vật lý cốt lõi như hệ số phẩm chất Q-factor, độ nhạy tín hiệu và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR), từ đó nâng cao đáng kể độ chính xác trong các ứng dụng phân tích mẫu sinh học vi mô. Tài liệu đặc biệt có giá trị với các nhà nghiên cứu thiết kế thiết bị Lab-on-Chip và hệ thống vi lưu y tế. Hướng ứng dụng này có sự giao thoa rõ nét với các công nghệ cảm biến sinh học thế hệ mới, điển hình là nghiên cứu về cảm biến SiNW-FET phát hiện tế bào ung thư, cho thấy tiềm năng hội tụ giữa kỹ thuật vi điện tử và chẩn đoán y tế không xâm lấn.