Contribution à l’optimisation et à la modélisation d’un banc de mesure CEM : application à la caractérisation de l’immunité des stimulateurs cardiaques, Contribution to the optimization and the modeling of a EMC test bed : application to the characterization of cardiac pacemakers immunity

Jean-Paul Andretzko

Description

Sous la direction de Fadil Hedjiedj, Laouès Guendouz
Thèse soutenue le 08 octobre 2007: Nancy 1
L’objectif de cette thèse concerne l’optimisation d’un banc de mesure destiné à la caractérisation in vitro de l’immunité des stimulateurs cardiaques aux perturbations électromagnétiques de basse fréquence ainsi que l’aspect modélisation numérique. Dans une première partie, après avoir présenté les bases théoriques du bioélectromagnétisme, nous abordons le fonctionnement électrique du cœur et une description fonctionnelle des stimulateurs cardiaques.. L’optimisation du banc de mesure concerne la source de champ magnétique et le modèle équivalent tissu qui permet les essais in vitro. La source de champ magnétique réalisée est une structure originale constituée de quatre bobines contenues dans une enveloppe sphérique qui permet de produire un champ magnétique homogène à l’ordre 4. Le modèle équivalent tissu est réalisé sur la base d’une solution saline. Dans le quatrième chapitre, après une revue des différentes méthodes de simulation numérique utilisées en dosimétrie électromagnétique, nous présentons une méthode numérique originale basée sur la méthode des impédances qui permet de déterminer les potentiels induits dans un milieu soumis à un couplage galvanique. Le dernier chapitre concerne la mesure et la simulation de tension induite, in vitro, aux bornes d’un stimulateur soumis à des perturbations conduites et rayonnées. La démarche proposée permet ensuite de déterminer, par simulation numérique, le niveau d’immunité d’un stimulateur cardiaque soumis à des perturbations électromagnétiques en fonction de ses caractéristiques électriques, des caractéristiques géométriques d’implantation ainsi que du milieu de couplage.
-Bioélectromagnétisme
The purpose of this thesis relates to the optimization of a test bed which allows the in vitro characterization of cardiac pacemaker immunity to low frequency disturbances as well as the computational modeling. In a first part, after having presented the theoretical bases of the bioelectromagnetism, we present the electrical system of the heart, and a functional description of pacemakers. The optimization of the test bed relates to the source of magnetic field and tissue-equivalent phantom which permit the in vitro experiments. The source of magnetic field realized consists of four coils contained in a spherical envelope which makes it possible to produce a homogeneous magnetic field with order 4. The tissue-equivalent phantom is carried out on the basis of saline solution. In the fourth chapter, after a review of the various methods of numerical simulation used in electromagnetic dosimetry, we present an original numerical method based on the impedance method which makes it possible to determine the potentials induced in a medium subjected to a galvanic coupling. The final chapter is devoted to measurements and the simulation of induced tension, in vitro, to the terminals of the cardiac pacemaker subjected to conducted and radiated disturbances. The method suggested makes it possible to determine the level of immunity of pacemaker subjected to electromagnetic disturbances according to the geometrical configuration, electric characteristics of cardiac pacemakers as well as coupling medium.
Source: http://www.theses.fr/2007NAN10054/document

Sujets

• Bioélectromagnétisme

Informations

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Extrait

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FACULTE DES SCIENCES & TECHNIQUES
U.F.R.Sciences et Techniques, Mathématiques, Informatique, Automatique
Ecole Doctorale Informatique Automatique Electronique Electrotechnique Mathématiques
Département de Formation Doctorale Electronique Electrotechnique



Thèse

présentée en vue de l’obtention du titre de

Docteur de l’Université Henri Poincaré, Nancy-I

en Instrumentation et Micro-Electronique


par Jean-Paul ANDRETZKO



Contribution à l’optimisation et à la modélisation d’un banc de mesure
CEM - Application à la caractérisation de l’immunité des stimulateurs
cardiaques


Soutenue publiquement le 8 Octobre 2007

Membres du jury :

Président : Abdellatif MIRAOUI Professeur, UTBM, Belfort

Rapporteurs : Noël BURAIS Professeur, Université Claude Bernard, Lyon 1
Bernard RIGAUD Professeur, C.U. Jean-François Champollion, Castres

Examinateur : Serge WEBER Professeur, UHP, Nancy I

Directeur de thèse : Fadil HEDJIEDJ MCU, H.D.R. UHP, Nancy 2
Co-encadrant : Laouès GUENDOUZ MCU, UHP, Nancy I


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Laboratoire d’Instrumentation Electronique de Nancy
Faculté des Sciences & Techniques – 54500 Vandœuvre- lès-Nancy

REMERCIEMENTS

Ce travail de thèse a été effectué au sein du Laboratoire d'Instrumentation Electronique de
Nancy (L.I.E.N.).

J'exprime toute ma gratitude à Monsieur Noël Burais, Professeur à l’Université Claude
Bernard de Lyon 1 et Monsieur Bernard Rigaud, Professeur à l’Université Jean-François
Champollion de Castres, qui ont accepté la tâche de rapporteur de cette thèse.

Je remercie Monsieur Abdellatif Miraoui, Professeur à l’Université de Technologie de
Belfort-Montbéliard et Monsieur Serge Weber, Professeur à l’Université Henri Poincaré et
Directeur du L.I.E.N., pour avoir accepté d'examiner ce travail et de participer au jury de
cette thèse.

Monsieur Fadil Hedjiedj, Maître de Conférence H.D.R. à l'Université de Nancy 2, a assuré la
direction scientifique de cette étude. Ses recommandations et ses conseils m'ont permis de
mener à bien cette thèse. Sa rigueur et ses critiques constructives m'ont été précieuses tout au
long de ces années de recherches, je lui exprime ma profonde gratitude.

Monsieur Laouès Guendouz, Maître de Conférence à l'Université Henri Poincaré de Nancy, a
assuré la co-direction scientifique de cette étude. Ses commentaires et ses suggestions ont été
fort judicieux. Je lui exprime ma sincère reconnaissance pour sa disponibilité et les
enrichissantes discussions sur ce travail de recherche.

Monsieur Mustapha Nadi, Professeur à l'Université Henri Poincaré de Nancy, qui m'a
accueilli au sein du laboratoire, je lui exprime ici toute ma reconnaissance.

Je remercie également Monsieur Hugues Garnier, Professeur à l'Université Henri Poincaré de
Nancy, pour toute l’aide apporté concernant l’identification des fonctions de transfert.

Je tiens à remercier Monsieur Patrice Roth, Technicien au L.I.E.N., pour son aide précieuse
dans les réalisations techniques de ce travail de thèse.

J'associe à tous ces témoignages mes collègues du laboratoire qui contribuent à l'ambiance
chaleureuse qui y règne, qu'ils soient tous assurés de mon amitié.

Introduction générale
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I Contexte général
L’omniprésence des sources de champs électromagnétiques dans les pays industrialisés
implique que les personnes résidants dans ces pays y sont quotidiennement exposés tant dans
leur environnement domestique que professionnel. Cependant, c’est dans l’environnement
professionnel que ces sources sont les plus fréquentes et également plus intenses. Les risques
potentiels pour les personnes exposées aux interactions entre les champs électromagnétiques et
l’organisme humain sont réels et par conséquence impliquent des mesures de protection.
L’exposition à ces sources peut-être volontaire dans le cas de diagnostic médical (imageur
RMN), de thérapie (hyperhémie, ablathérapie,..) ou involontaire (téléphonie mobile, émetteurs
radio ou télévision, appareils électroménagers, écrans d’ordinateur, téléviseurs, systèmes de
sécurité dans les magasins et aéroports, lignes à haute tension, transformateurs, ..). L'exposition
à des champs électromagnétiques génère des courants à l'intérieur du corps, l’absorption
d'énergie correspondante dans les tissus se traduit par une élévation de température. Les effets
sanitaires engendrés sont principalement fonction du mécanisme de couplage, de la nature des
champs ainsi que de la durée d’exposition. Ces phénomènes sont d’autant plus importants que
l’intensité et/ou la fréquence du signal sont élevées. Dans le but de protéger la santé des
personnes, des valeurs limites d’exposition aux champs électromagnétiques sont fixées par des
recommandations et directives nationales et internationales. En dehors des effets observés sur
les fonctions biologiques et sur la santé, les champs et ondes électromagnétiques agissent
également sur les appareils électroniques. Par conséquent, il importe lors de la construction de
ces derniers de veiller à ce que leur fonctionnement ne perturbe pas celui des autres appareils
ou ne soit pas lui-même victime d’autres appareils sources de champs. Les recommandations
relatives aux valeurs limites d’exposition n’ont pas pour objet d'éviter des ennuis aux porteurs
de certains dispositifs électroniques comme les dispositifs médicaux actifs implantables
(DMAI) que sont les stimulateurs cardiaques, défibrillateurs cardiaques et neurostimulateurs.
Dans ce dernier cas, il revient au fabricant de s'assurer que son matériel respecte les limites
prévues par les normes en vigueur et au médecin qui a implanté l'appareil d’informer son
patient sur les types d'exposition potentiellement interférentes à éviter. Ces patients, de par la
présence de sondes métalliques dans le corps, présentent également un risque important de
lésions dû à un échauffement localisé des tissus lorsqu’ils sont soumis des champs
radiofréquences ou micro-ondes (hyperthermie, imagerie RMN,..). Il en résulte pour ces
patients des effets indirects complémentaires qui peuvent être critiques. Les DMAI font l’objet
de recommandations internationales, mais il n’existe pas encore de normes fixant les limites
d’exposition aux champs électrique et/ou magnétique pour les patients implantés. Cet état de
1 Introduction générale
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fait correspond à une difficulté intrinsèque due à la pluridisciplinarité du sujet, l’évaluation des
risques pour les personnes implantés constitue un problème complexe tant les facteurs
intervenant sont nombreux. Il apparaît donc nécessaire de définir un protocole métrologique
rigoureux qui permet de mieux caractériser les interactions potentielles en termes d’immunité
et de sécurité pour les patients implantés. Dans le cadre de ce mémoire, notre contribution
porte sur l’optimisation d’un protocole d’analyse permettant d’évaluer l’aptitude des implants
médicaux actifs, en particulier les stimulateurs cardiaq