Coupling by volume conduction as a wireless power transfer and communications method for threadlike biomedical implants.

Abstract

Although the use of volumetric conduction to power wireless implants has been experimentally validated in recent years, a theoretical framework to determine the power and efficiency obtained by minimally invasive implants has not been established yet. This thesis aims to develop and validate these models. Firstly, an analytical model is presented to determine the maximum power an implant can locally obtain using volume conduction. It was expanded to model the complete transmission link by using a multiport network and was fitted using parameters obtained from human MRI images. Finally, the provided model is rearranged to model communications based on volume conduction. The results demonstrate that powers of mW can be obtained using submillimetric electrodes if they are spaced a few centimeters apart (> 2 cm). Therefore, this thesis contributes to establishing the theoretical framework of volume conduction and paved the development of new minimally invasive implants.

Tot i que en els darrers anys l'ús de la conducció volumètrica per alimentar implants sense fils s'ha validat experimentalment, encara no s'ha establert un marc teòric que permeti determinar la potència i l'eficiència obtinguda en implants mínimament invasius. Per aquest motiu, en aquesta tesi es desenvolupen i es validen un conjunt de models teòrics que estableixen les bases del mètode descrit. En primer lloc, es parteix d’un model analític que permet determinar la potència màxima que un implant pot assolir mitjançant la conducció volumètrica quan un camp elèctric uniforme hi és present. Seguidament, aquest model s’amplia en modelar l'enllaç de transmissió comprés entre el sistema extern i els implants mitjançant una xarxa multiports. En aquesta tesi, també se’n descriu el procés de validació, així com el procediment seguit per obtenir els paràmetres de la xarxa multiports a partir d’imatges de ressonància magnètica i simulacions d’elements finits. Finalment, es presenta un circuit de comunicacions passiu i s’adapta el model introduït prèviament per descriure el comportament d’aquest nou circuit. Els resultats obtinguts mostren que a partir de l’ús d’elèctrodes submil·limètrics es poden obtenir potències de diversos mil·liwatts, sempre que aquests elèctrodes estiguin separats diversos centímetres (> 2 cm). Aquesta tesi contribueix a establir el marc teòric de l’ús de l’acoblament de la conducció volumètrica com a mètode per alimentar i comunicar-se amb implants mínimament