Le développement des dispositifs médicaux implantables actifs (DMIA) s’accompagne d’un défi majeur : fournir durablement l’énergie nécessaire à leur fonctionnement. Le transfert d’énergie sans fil constitue la solution qui s'impose aujourd'hui, à condition toutefois de bien maîtriser certains paramètres.

Lionel Doris (crédit photo : Nicolas Broquedis)

Par Lionel Doris, expert CEM chez Carmat

Qu'il s'agisse de stimulateurs neurologiques, de pompes implantables, d'implants auditifs, de capteurs physiologiques ou de dispositifs cardiaques, les DMIA intègrent aujourd’hui des fonctions électroniques de plus en plus complexes, tandis que leur autonomie reste directement liée aux performances de leur source d’énergie. Dans ce contexte, le transfert d’énergie sans fil (Wireless Power Transfer, WPT) demeure une technologie de référence.

Dépasser les limites de la batterie implantée

La batterie constitue traditionnellement le principal facteur limitant l’autonomie d’un implant actif. Sa capacité impose un compromis entre énergie disponible, volume, masse et durée de vie.  Le besoin en puissance va de quelques µW (bio-capteur) à plusieurs dizaines de W pour un dispositif circulatoire cardiaque. Pour certains dispositifs, le remplacement d’une batterie implantée nécessite une nouvelle intervention chirurgicale. Le transfert d’énergie sans fil permet de dissocier la source d’énergie de l’implant lui-même. Une partie du système énergétique peut rester à l’extérieur du corps, tandis qu’un récepteur implanté convertit l’énergie reçue en énergie électrique utilisable. Le principe est particulièrement intéressant lorsque l’implant doit fonctionner pour une durée indéfinie comme en thérapie de destination. Cette approche peut également permettre de réduire la capacité de stockage : la batterie ou le supercondensateur implanté peut alors jouer un rôle de tampon plutôt que de source d’énergie principale, en assurant la continuité lorsque le transfert est momentanément interrompu ou dégradé.

Le couplage inductif, technologie de référence

Parmi les différentes méthodes de transfert d’énergie sans fil, le couplage inductif demeure aujourd’hui le plus adapté, avec deux bobines : une bobine émettrice externe, et une bobine réceptrice implantée. Le courant alternatif circulant dans la bobine externe génère un champ magnétique variable induisant une tension dans la bobine implantée : cette absence de connexion transcutanée constitue un avantage majeur en matière de biocompatibilité et de prévention des infections. La distance entre les bobines, leur alignement, leur géométrie et leur fréquence de fonctionnement déterminent fortement l’efficacité du transfert.

Une architecture énergétique intégrée

Un système WPT ne se limite cependant pas aux bobines. Il comprend :

• un oscillateur,
• un étage d’amplification,
• la bobine externe,
• le milieu biologique,
• la bobine implantée,
• un redresseur,
• un régulateur,
• et éventuellement un élément de stockage tampon implanté.

Un léger déplacement ou une mauvaise orientation des bobines peut modifier le couplage magnétique et donc la puissance transférée. Pour compenser ces variations, il faut maintenir un état de résonance dans la bobine primaire par une boucle d’asservissement. La première méthode consiste à asservir la fréquence du signal de commande de l’amplificateur, la deuxième passe par le contrôle de l’inductance primaire et la dernière par le contrôle de la capacité primaire. Côté gestion des risques, l’ensemble doit être conçu pour éviter qu’une dégradation du couplage ne provoque une situation dangereuse pour le patient.

Compatibilité électromagnétique

La conception doit notamment prendre en compte les champs électromagnétiques, les harmoniques, les commutations rapides des transistors et les perturbations conduites ou rayonnées. La compatibilité électromagnétique (CEM) doit donc être intégrée dès la définition de l’architecture : choix de la fréquence avec la puissance maximum autorisée, topologie électronique, filtrage, blindage, routage des circuits imprimés et séparation des fonctions sensibles. En cas d’absence de communication liée à un échange d’informations entre les bobines, le dispositif est exclu de la directive radio RED 2014/53/UE.

Limiter l'échauffement des tissus

Toute conversion d’énergie génère des pertes : celles-ci peuvent conduire à un échauffement local de la bobine, de l’électronique ou des tissus. L’optimisation du rendement est donc une exigence énergétique mais également une exigence de sécurité. La puissance transférée, la fréquence de fonctionnement, la géométrie des bobines et les matériaux utilisés doivent être étudiés en relation avec la dissipation thermique et les propriétés électromagnétiques des tissus. Le défi consiste cependant à trouver le bon équilibre entre performance énergétique, miniaturisation, robustesse, sécurité biologique et CEM.

En conclusion...

Pour les dispositifs médicaux implantables actifs, le transfert d’énergie sans fil s’impose progressivement comme un élément structurant. En réduisant la dépendance aux batteries, et en l’absence de lien transcutané, il ouvre la voie à des implants plus autonomes et à une durée de fonctionnement prolongée. Son développement reste toutefois conditionné à la maîtrise de plusieurs enjeux : rendement, échauffement des tissus, stabilité du transfert, CEM et gestion des risques. Intégrés dès la conception, ces paramètres permettront de tirer pleinement parti du WPT pour développer des implants plus compacts, plus fiables et plus durables.