P14 Localisation dans le corps humain

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Cahier des charges

La localisation de puce RFID dans le corps humain est une technologie qui permettra notamment d’optimiser de nombreuses opération médicales. On pourra par exemple suivre le cheminement d'une capsule embarquant une caméra pour localiser avec précision une tumeur et éviter une chirurgie exploratoire invasive.

La RFID

Qu'est ce qu'une puce RFID ?

La RFID ou Radio Frequency IDentification, est une technologie permettant l'identification d'objet porteur d'étiquettes (tag RFID) par l'intermédiaire du rayonnement des radiofréquences.

Il existe 2 grands types de puce RFID :

• La puce active : composée d'une source d'alimentation permettant à une puce d'envoyer des informations transmises par une antenne au lecteur.
• La puce passive : composée aussi d'une puce et d'une antenne mais dont l'alimentation se fait lors de la lecture de celle-ci.

Il existe aussi des dérivés de ces deux principes tels que la puce semi-active reprenant le principe de la source d'alimentation intégrée au système mais celle-ci ne se met en route que lors de la lecture. Le chipless RFID composé seulement d'une antenne contenant le code d'itenfication, c'est sur ce système que je vais me baser.

Fonctionnement

Le lecteur RFID va envoyer des commandes auxquelles va répondre le tag (dans le cas d'une puce passive ou semi-passive, le lecteur va activer la puce en lui fournissant l’énergie dont elle à besoin). Cette communication s'effectue à des fréquences variables qui sont :

• 125kH
• 13.56MHz
• 868MHz
• 2.45Ghz

Localisation à travers le corps humain

Principe

Afin de localiser précisément le système, la puce RFID sera localisée par triangulation, ce principe permet la localisation précise d'un élément par l'intermédiaire de 3 récepteur. Ces 3 récepteurs reçoivent différentes puissances selon l'emplacement du système ce qui permet ainsi de le localiser avec précision (celle-ci reste dépendante de la qualité des récepteurs).

Compatibilité avec le corps humain et l'Homme

Le corps humains reste un milieu peut envahi par les technologie, effectivement plusieurs problèmes se posent:

• Le corps présente des caractéristique électromagnétique très variables, ce qui ajoute une certaine complexité aux systèmes qui y sont liés.
• L'Homme n'est pas toujours d'accord pour être dans un environnement comportant des ondes électromagnétique, comme les fréquences utilisées par les systèmes sans fils tels que le Wifi ou la radio.

Objectifs

1. Analyse du sujet
2. Conception de circuits résonnant
3. Test de ces derniers
4. Teste des méthodes de localisation
5. Développement d'un démonstrateur

Si le temps le permet, l'étude d'un système biocompatible pourra être envisagé.

Déroulement du projet

Semaine 39 du 21/09 au 25/09

• Prise de rendez-vous avec les tuteurs encadrant le projet.
• Première analyse du sujet et documentation sur les différents systèmes

Je me suis renseigné sur les différents type de RFID existantes ainsi que la compatibilité entre le corps humain et les systèmes électronique.

Semaine 40 du 28/09 au 02/10

• Retour sur la réunion de début de projet, ce qui à permis la rédaction du cahier des charges plus haut.
• Documentation et analyse sur le concept.

Semaine 41 du 05/10 au 09/10

• Prise de rendez-vous pour utilisation d'analyseur de réseaux.
• Début de conception d'une première antenne (Documentation).

Semaine 42 du 12/09 au 17/09

• Recherche sur les différents paramètres d'une antenne tel que la longueur d'onde associer à une certaine fréquence ainsi que la longueur de ligne à mettre en place

Semaine 43 du 19/09 au 24/09

• Réalisation de la première carte :

Pour le premier teste, j'ai réalisé une carte comportant une ligne simple en forme de "U", le but étant de mesurer sur le récepteur les variations qu’entraîne celle-ci. La longueur de piste à été calculé suivant la formule $\lambda=\frac{c}{f}$ pour obtenir la longueur d'onde, puis $l=\frac{\lambda}{4}$

Semaine 45 du 02/11 au 06/11

• Prise en main de l'analyseur de réseaux.

Guillaume Ducourneau, m'a expliqué le fonctionnement de l'analyseur et la manière de l'utiliser, quelles paramètres modifier afin d'obtenir les courbes désirées.

• Envoi de la carte pour sa réalisation.

Semaine 46 du 09/11 au 13/11

• Dans l'attente de réception de la carte, j'ai continuer me renseigner sur les systèmes RFID et plus particulièrement sur la chipless RFID ainsi que sur les différents forme d'antenne.

Semaine 47 du 16/11 au 20/11

• Réception de la première carte de test.

Il est apparue un premier problème, une erreur de ma part lors de sa réalisation dans la taille des circuits, effectivement le tag est trop petit pour répondre à une fréquence de 2.45GHz.

• Renseignement sur d'autre types de circuits résonnant tels que les méandre et les patch.

Semaine 48 du 23/11 au 27/11

• Réalisation de deux circuit résonnant supplémentaire :

Patch

Afin de dimensionner correctement le patch pour une fréquence de travail à 2.45 Ghz, j'ai appliqué ces formules permettant le calcul de la longueur et de la largeur du patch :

Dimensionnement antenne patch

• Largeur : $W=\frac{c}{2f_0\sqrt{\frac{\epsilon_r+1}{2}}}$

• Permittivité effective : $\epsilon_{reff}=\frac{\epsilon_r+1}{2}+\frac{\epsilon_r-1}{2\sqrt{1+12\frac{h}{W}}}$

• Longueur : $L=L_{eff}-2\Delta L$

• Longueur effective : $L_{eff}=\frac{c}{f_0\sqrt{\epsilon_{reff}}}$

• Extension de longueur due aux effets de bord : $\Delta L=0.412h\frac{(\epsilon_{reff}+0.3)}{(\epsilon_{reff}-0.258)}\frac{(\frac{W}{h}+0.264)}{(\frac{W}{h}+0.8)}$

avec h=1.6mm (hauteur du substrat), $\epsilon_r=4.5$ (permittivité électrique de l'époxy)

Ligne rayonnante

Pour la dimension de celle-ci, je me suis basé sur l'équation $l=\frac{\lambda}{4}$

Semaine 49 du 30/11 au 04/12

• Réception des derniers circuits réalisés.

Après un rendez-vous avec Alexandre Boé et un autre avec Guillaume Ducourneau, aucune antenne à polytech ne me permet de tester mes circuits, je dois donc en réaliser par moi-même.

Semaine 50 du 07/12 au 11/12

• Documentation sur l'adaptation d'impédance d'une antenne.

Je dois dimensionner la ligne d'alimentation de manière à ce que celle-ci fournisse une impédance de 50 ohm en entrée de l'antenne. J'ai trouvé sur internet quelques renseignement mais très peu expliqués, j'ai donc pris rendez-vous avec Nathalie Rolland afin d'avoir plus d'explication sur ce principe.

Semaine 51 du 14/12 au 18/12

µ Suite au rendez-vous, Mme Rolland, m'a donné plusieurs solutions. Dans un premier temps, le position d'un connecteur SMA au centre du patch relié par le plan de masse m'éviterais d'avoir à faire une adaptation d'impédance mais ce type de connecteur n'est pas disponible à l'atelier électronique. Je me suis donc rabattue sur la ligne d'alimentation, pour laquelle on m'a conseillé d'utiliser l'outil AppCAD.

Semaine 01 du 04/01 au 08/01

Dimensionnement des antennes patch émettrice et réceptrice:

Utilisation de AppCAD pour déterminer la largeur de la ligne d'alimentation du patch: Formule utilisée, $\Z_{f}=\frac{120 \pi}{\sqrt{\epsilon_{eff}}(\frac{W_{f}}{h}+1.393+0.667 \ln{(\frac{W_{f}}{h}+1.444)})}$ où, $Z_{f}$ est l'impédance de la ligne et $W_{f}$ est la largeur. Donc en imposant une impédance de 50ohm, on peut déterminer la largeur.

Fichier envoyé pour gravure de la carte.

Semaine 02 du 11/01 au 15/01

• Réception des cartes après gravure et des 4 connecteurs SMA commandés sur la magasin de polytech (Fichier:SMA-borddecarte08.pdf).
• Soudure des 4 connecteurs.
• Prise de rendez-vous avec M.Ducournau pour effectuer les mesures le Jeudi 21/01.
• Recherche d'articles ou de documents traitant des principes similaire.

Semaine 03 du 18/01 au 22/01

• Réalisation des mesures avec M. Ducourneau:

Installation d'une antenne en émission et d'une autre en réception à une distance prédéfinis. Ensuite j'ai relevé le paramètre S11 (1.92GHz > -7.34dB), on peut donc voir que l'antenne présente un défaut de conception soit sur son dimensionnement ou lors de l'adaptation d'impédance de la ligne. Par la suite, je suis donc venus placer les différents circuits résonnant entre les deux antennes afin d'observer leur impactes sur la réception. Pour cela, j'ai donc relevé les variations du paramètres S21 présent à l'antenne de réception.

Le premier circuit ressemblant à une antenne patch n'a donné aucun résultat mais le méandre à montré une variation de 0.5dB suivant sa position entre les antennes. Il est aussi apparue, que lorsque les circuits étaient trop près des antennes celles-ci étaient désadapté et entraîné une perte d’énergie.

Semaine 04 du 25/01 au 29/01

• Suite au résultats des mesures, il est nécessaire de concevoir de nouveaux circuits rayonnant afin d'obtenir une analyse plus précise du fonctionnement.
• Renseignements sur d'autres modèles d'antenne et de chipless RFID.
• Réalisation de plusieurs circuits rayonnant, envoyé pour tirage à M. Flamen.

Il y a donc 3 élément basés sur le principe des antennes en forme de F, 3 autres sur celles en forme de U et un élément qui n'est basé sur aucune forme particulière. J'ai modifié différent paramètres du dimensionnement afin de couvrir différentes fréquences et d'augmenter les chances de succès.

Semaine 05 du 01/02 au 05/02

• Simulation sous CST (Computer Simulation Technology)

CST Studio

Logiciel permettant la conception, la simulation et l’optimisation de systèmes électromagnétique. Utilisé pour simuler les différents circuits résonnant, ainsi que les antennes patch. Jusqu'à maintenant la procédure de validation da la licence étudiante ne fonctionnait pas, c'est pour cela que je n'ai pas pu simuler les précédant composants.

Afin de simuler un composant sous CST, il faut tous d'abord le modéliser. Pour cela j'ai définis un substrat d'une taille de deux fois celle du patch soit 74mmx56mm et d'une épaisseur de 0,8 mm, en FR-4. Ensuite, j'ai définis la surface inférieur comme plan de masse en cuivre avec une épaisseur de 35 µm. Enfin j'ai dessiné la forme du patch sur la surface supérieur du substrat avec les dimensions calculées précédemment. Suite à la simulation de l'antenne patch que j'ai réalisé, je me rends compte que celle-ci ne fonctionnait pas à la fréquence demandée car la ligne d'alimentation n'a pas été placé sur le bon côté ce qui décale la fréquence de résonance de 600MHz.

Semaine 06 du 08/02 au 12/02

• Réception des circuits, réalisation des mesures sur l'analyseur de réseaux.

J'ai repris le même principe que précédemment pour effectuer les mesures, soit, une antenne en émission et une en réception placé à une distance de 30 cm l'une de l'autre, ensuite je place mon circuit résonnant entre les deux et j'observe les variations du paramètre S21 en fonction de la position du circuit.

Aucun des derniers circuit réalisés n'a répondus à la fréquence demandée. J'ai donc pris le temps d'essayer à nouveau le Méandre qui avait donné quelques résultats la première fois. On peut observer la désadaptation à 6 et 26 cm. A partir de ce test, je dois ensuite voir si il est possible de localiser le circuit.

Distance (cm)	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24	26
Puissance (dB)	-44.3	-41.8	-41.3	-42.5	-42	-42	-42.6	-43	-41	-41.4	-44

Semaine 07 du 15/02 au 19/02

• Simulation du méandre sous CST...

La licence étudiante me limite pour les simulation. Le logiciel divise le volume à simuler en plusieurs cellules, limité à 30000. Lors de la simulation, en essayant de reproduire les tests, les résultats n'était pas cohérent. Ils présentaient une désadaptation de l'antenne par un décalage en fréquence de 200MHz. Pour éviter cette désadaptation, j'ai augmenté la distance séparant les antennes mais cela à aussi augmenté la taille des cellules et les ports d'alimentation n'ont plus répondus correctement au signal. Je n'ai donc pas pu obtenir de résultats utilisables sous CST.

Semaine 08 du 22/02 au 26/02

• Réalisation du rapport, du wiki et du powerpoint de soutenance
• Réalisation des dernières mesures

Observation de la puissance reçue lorsque le circuit résonnant est fixe et que l'antenne de réception tourne autour de celui-ci. On peut remarquer que à partir de 30° il n'y a plus aucune variation de puissance. Donc pour la conception d'un système de localisation, il serait préférable d'installer au mois deux antennes avec un angle inférieur de 30°.

La dernière mesure que j'ai pu réaliser, était de placer les antennes côte à côte et d'observer la puissance de l'onde réfléchie par le circuit résonnant positionné en face. Mais cette essai n'a montré aucune variation.

Angle (°)	45	30	15	0	-15	-30	-45
Puissance à vide(dB)	-44.2	-43.5	-42.4	-42.2	-42.3	-43.6	-44.2
Puissance (dB)	-44.3	-44.2	-43.3	-43.2	-42.9	-44	-44.2