FR3108852A1 - Module d’émission d’ondes électromagnétiques - Google Patents

Abstract

L’invention prévoit un module (22, 24) d’émission d’ondes électromagnétiques. Son volume total est inférieur à 1 centimètre cube, le module comprenant au moins une source de rayonnement d’ondes électromagnétiques connectée à au moins une antenne d’émission du rayonnement, l’antenne d’émission étant apte, lorsque le module (10) est disposé au niveau d’une surface, à émettre des ondes électromagnétiques présentant une densité surfacique de puissance d’au moins 0.5 milliwatts par centimètre carré de surface. Figure pour l’abrégé : figure 3

Description

Module d’émission d’ondes électromagnétiques

L’invention concerne l’émission d’ondes électromagnétiques vers un sujet humain. Elle concerne en particulier un module d’émission d’ondes millimétriques miniaturisé.

On connaît déjà dans l'état la technique, d'après la demande de brevet FR1758634 au nom de la demanderesse, un bracelet apte à émettre des ondes millimétriques de densité surfacique de puissance supérieure à 0.5 mW/cm² au niveau du poignet d’un patient, et ce notamment dans le but de traiter les douleurs chroniques du patient. Le dispositif inclut un module d’émission d’ondes, lequel comprend quatre circuits intégrés (ou «ASIC» pour «application specific integrated circuit») dédiés à la génération d’un rayonnement d’ondes millimétriques. Chacun de ces circuits alimente en rayonnement quatre antennes planaires. Ces antennes permettent d’exposer aux ondes 2.5 centimètres continus de la surface de peau du patient au niveau de son poignet. Les dimensions dudit module, intégré dans le bracelet, sont de 37 millimètres de longueur, 20 millimètres de largeur et 3 millimètres d’épaisseur.

Cependant, de part ces dimensions, ce module rigide intégré dans le bracelet ne peut épouser de manière optimale la forme du poignet du patient, de sorte que des gaps d’air se forment entre la peau et le bracelet, réduisant l’efficacité du rayonnement des antennes. En outre, ces dimensions rendent son intégration mécanique au sein du bracelet délicate.

L'invention a donc notamment pour but d’améliorer l’efficacité du rayonnement émis par le module. Un autre objet de l’invention est de faciliter l’intégration mécanique du module au sein d’un dispositif, en particulier au sein d’un bracelet.

A cet effet, l’invention a pour objet un module d’émission d’ondes électromagnétiques, le module ayant un volume total inférieur à 1 centimètre cube et comprenant au moins une source de rayonnement d’ondes électromagnétiques connectée à au moins une antenne d’émission du rayonnement, l’antenne d’émission étant apte, lorsque le module est disposé au niveau d’une surface, à émettre des ondes électromagnétiques présentant une densité surfacique de puissance d’au moins 0.5 milliwatt par centimètre carré de surface.

Ainsi, le module est particulièrement petit, de sorte qu’il peut être intégré à un dispositif portatif de manière plus simple. En outre, ses faibles dimensions lui permettent d’épouser de manière plus optimale la forme arrondie de la peau d’un patient, telle que le pourtour d’un poignet ou d’une cheville, de sorte que l’efficacité du rayonnement est améliorée. Enfin, avec une seule source de rayonnement au lieu de quatre, le coût de fabrication du module est réduit.

Avantageusement, la surface étant une peau, l’antenne d’émission comprend un élément ayant une surface destinée à recouvrir la peau.

Ainsi, ce faible volume inclut également la présence de cet élément protecteur de l’antenne qui est destiné à faire le lien entre l’antenne et la peau et qu’on peut appeler radome. Il est placé entre l’antenne d’émission et la surface vers laquelle les ondes sont émises.

De préférence, les ondes présentent une valeur de densité surfacique de puissance comprise entre 5 et 35 milliwatts par centimètre carré de surface.

Il s’agit d’une bande de puissance particulièrement efficace pour le traitement d’un patient par ondes millimétriques en vue de traiter ses douleurs. D’autre part, certaines normes obligent à limiter la densité de puissance des ondes, de sorte que le module peut être piloté pour ne pas dépasser un seuil donné si nécessaire.

Avantageusement, les ondes présentent une valeur de fréquence comprise entre 3 et 120 gigahertz, de préférence entre 55 et 65 gigahertz.

Il s’agit d’une bande de fréquences particulièrement efficace pour le traitement par ondes millimétriques.

De préférence, la source de rayonnement est un circuit intégré spécialisé («ASIC») présentant une valeur de volume total inférieure à 5 millimètres cubes, et étant apte, lorsqu’il est alimenté électriquement, à générer le rayonnement émis par l’antenne d’émission.

Ainsi, la source de rayonnement est dotée de dimensions particulièrement faibles tout en étant apte à générer un rayonnement aux propriétés adéquates.

Avantageusement, l’antenne d’émission du rayonnement comprend une antenne planaire ou un réseau d’antennes planaires, une valeur d’une surface principale de l’antenne planaire ou du réseau d’antennes planaires étant située entre 0.5 et 2 cm², l’antenne planaire ou le réseau d’antennes planaires étant apte, lorsqu’elle ou lorsqu’il est alimenté par le rayonnement généré par la source de rayonnement, à émettre le rayonnement en direction de la surface.

Ainsi, l’antenne est dotée de dimensions particulièrement faibles, de sorte qu’elle peut être facilement intégrée au module tout en exposant de manière optimale la peau du patient aux ondes qu’elle rayonne. En effet, sa miniaturisation permet d’éviter de générer un gap d’air entre elle et la peau d’un patient, même sur une portion arrondie telle qu’un poignet du patient.

De préférence, la source de rayonnement est connectée à au moins quatre antennes d’émission distinctes.

Ainsi, la source est suffisamment puissante pour alimenter en ondes les quatre antennes à elle seule.

Avantageusement, la source de rayonnement est connectée à huit antennes d’émission distinctes.

Ainsi, la source est suffisamment puissante pour alimenter en ondes les huit antennes à elle seule. Cela permet de diminuer encore le coût de fabrication du module, vis-à-vis d’un module présentant une source pour quatre antennes et donc deux sources pour huit antennes. Cela facilite également l’intégration mécanique du module, puisque la présence d’une seule source pour huit antennes, au lieu de deux sources, engendre un gain de place.

De préférence, le module comprend deux sources de rayonnements distinctes connectées chacune à huit antennes distinctes.

Ainsi, les antennes sont divisées en deux groupes de huit antennes chacun, chaque groupe ayant sa propre source de rayonnement. Cet agencement permet un gain de modularité, chaque groupe pouvant être assemblé à part avant d’être intégré au module d’émission.

Avantageusement, au moins certaines des antennes forment un réseau d’antennes connectées entre elles.

Ainsi, l’alimentation des antennes est simplifiée par le fait que les antennes d’un réseau sont connectées entre elles. Une source de rayonnement peut donc être connectée au circuit en un seul point pour alimenter l’ensemble des antennes du réseau. En particulier, un réseau peut être formé de huit antennes distinctes, de sorte qu’un seul ASIC alimente tout un réseau, et qu’un module comprend alors deux ASICS et deux réseaux distincts.

De préférence, le module comprend :
- un générateur de fréquence apte à générer une fréquence de référence,
- un dispositif de mesure de fréquence apte à mesurer une fréquence déduite de la fréquence du rayonnement émis par la source de rayonnement, et
- un comparateur de fréquence apte à comparer la fréquence déduite à la fréquence de référence.

Ainsi, on peut vérifier que la fréquence du rayonnement est conforme à la fréquence choisie. En effet, comme le rayonnement et sa fréquence sont générés à l’intérieur de la source de rayonnement, sans référence absolue de fréquence comme par exemple avec un quartz, la fréquence de ce rayonnement est sujette aux tolérances des techniques de fabrication ainsi qu’aux changements de températures. On génère donc à l’extérieur de la source de rayonnement une fréquence de référence beaucoup plus faible, et on la compare à une fréquence déduite, beaucoup plus faible elle aussi, de la fréquence du rayonnement, afin de vérifier si cette dernière est bien celle que l’on souhaitait. En d’autres termes, on mesure une fréquence déduite de la fréquence de rayonnement qui nous permet de vérifier que cette dernière n’a pas changé.

On prévoit également selon l’invention un dispositif portatif d’émission d’ondes électromagnétiques, comprenant au moins deux modules tels que décrits précédemment et une source d’alimentation électrique pour alimenter électriquement les modules.

Ainsi, le dispositif portatif permet l’émission des ondes vers la peau d’un patient, et ce sans contrainte physique sur le patient, qui peut être chez lui, à l’extérieur, en mouvement, etc. La présence des deux modules de faibles dimensions plutôt qu’un seul de dimensions plus importantes permet de faciliter l’intégration mécanique des modules, et d’améliorer l’efficacité des rayonnements. En effet, sur des parties arrondies telles qu’un poignet, les deux petits modules, distincts voire distants l’un de l’autre, vont mieux épouser la forme de la peau qu’un seul module rigide de dimensions plus élevées. Cette séparation d’un module en deux modules distincts plus petit permet ainsi de réduire voire d’éviter la formation de gap d’airs entre les modules et la peau du patient, tout en conservant la même surface d’exposition qu’un seul module et avec un rayonnement d’ondes dotées des mêmes propriétés.

Avantageusement, les modules sont agencés de façon à exposer aux ondes des zones respectives de la surface non adjacentes.

Ainsi, contrairement à un module unique qui expose aux ondes une surface continue, la division du module en deux modules plus petits permet d’exposer des zones distinctes de la surface, même si la valeur de la surface totale exposée aux ondes reste la même.

De préférence, le dispositif est apte à exposer aux ondes simultanément au total au moins 1 centimètre carré de la surface, de préférence au moins 2.5 centimètres carrés de la surface.

Ainsi, bien que chaque module soit plus petit, la surface totale rayonnée par les deux modules est au moins égale à 2.5 centimètres carrés, ce qui est une surface suffisante pour obtenir un effet thérapeutique sur le traitement des douleurs chroniques. Mais il est envisageable de désactiver un des deux modules, l’effet thérapeutique pouvant alors persister par l’émission d’ondes issues d’un seul module, c’est-à-dire pour une surface exposée de 1.25 centimètres carrés, voire de 1 centimètre carré.

Avantageusement, chaque module est connecté électriquement à la source d’alimentation électrique par des moyens respectifs souples de connexion électrique.

Ainsi, le caractère souple des moyens de connexion permet de placer les modules dans un éventail de position plus large que si les moyens de connexion étaient rigides. En particulier, chaque module peut être placé auprès d’une zone du poignet d’un humain, les zones étant différentes l’une de l’autre. En d’autres termes, la souplesse des moyens de connexion permet de placer les modules indépendamment les uns des autres, tandis que des moyens de connexion rigides engendreraient des contraintes de positionnement bien plus fortes.

De préférence, le dispositif comprend un module de contrôle des modules distincts de la source d’alimentation électrique et distinct de chaque module d’émission, le module de contrôle étant connecté électriquement à la source d’alimentation électrique et à chaque module d’émission par des moyens respectifs souples de connexion électrique.

Ainsi, le module de contrôle, permettant de commander les modules d’émission, est distinct de ces modules d’émission. Là encore, le caractère souple des moyens de connexion permet de faciliter l’intégration de l’ensemble des éléments au sein du dispositif portatif. En particulier, cela permet de placer les éléments indépendamment les uns des autres, ce que ne permettrait pas des moyens de connexion rigide.

Avantageusement, au moins certains des moyens souples de connexion électrique sont des circuits imprimés flexibles.

Ainsi, l’intégration mécanique des éléments est encore facilitée.

De préférence, le dispositif comprenant un bracelet souple, les modules d’émission sont agencés au sein du bracelet souple de manière à exposer aux ondes différentes parties d’une surface d’un poignet.

Ainsi, les modules d’émission sont répartis au sein de la portion souple du bracelet de façon à éviter la formation de gap d’air entre chaque module d’émission et le poignet, de façon à améliorer l’efficacité du rayonnement.

Avantageusement, le dispositif est apte à être porté au moins à l’un des endroits suivants :
- sur le visage
- autour d’un poignet ;
- à une jambe ;
- à une cheville ;
- à un dos ;
- à une oreille ; ou
- dans une paume d’une main.

Par ailleurs, on prévoit également selon l’invention une antenne planaire d’émission en champs proche, comprenant un élément ayant une surface destinée à couvrir une peau d’un utilisateur, l’élément étant agencé pour adapter l’impédance de l’antenne à une impédance de peau.

Par antenne, on parle de réseau antennaire, de patch rayonnant ou plus généralement de tout composant ou ensemble de composants associés directement à l’émission d’un rayonnement. Sans l’élément destinée à couvrir la peau, l’antenne est adaptée à émettre en plein air. On utilise l’élément, qu’on peut appeler radome, comme adaptateur d’impédance de l’antenne pour améliorer grandement le rendement du rayonnement émis vers la peau. En outre, on peut tester l’antenne émettant en plein air en retirant cet élément. Ainsi, le rendement de l’antenne quand elle émet vers la peau est amélioré. En outre, sa testabilité est également améliorée puisque, sans l’élément, elle est adaptée à l’émission en plein air, ce qui correspond à des conditions de tests classiques.

Avantageusement, l’élément comprend, lorsqu’une onde électromagnétique traverse l’élément à une fréquence de 61.25 GHz, une valeur d’impédance intrinsèque située entre la valeur de l’impédance intrinsèque de l’air et la valeur de l’impédance intrinsèque de la peau sèche déterminée telle que la permittivité complexe de la peau sèche est de 8 – j 11 ohms.

Ainsi, l’adaptation d’impédance est réalisée en concevant l’élément tel que son impédance propre est située entre celle de l’air et celle d’une peau sèche. L’impédance de l’élément joue donc le rôle d’intermédiaire entre l’impédance de l’air, à laquelle l’antenne est adaptée, et celle de la peau, vers laquelle l’antenne rayonne à travers l’élément.

De préférence, l’élément comprend un matériau bio-compatible.

Ainsi, l’élément est adapté à un contact durable avec la peau d’un patient.

Avantageusement, l’élément comprend uniquement du polycarbonate, une valeur d’épaisseur de l’élément étant située entre 0.5 mm et 3 mm.

Ainsi, l’épaisseur de l’élément est agencée pour que l’impédance de l’élément soit la plus adéquate possible tout en faisant prendre le minimum de place à l’élément.

De préférence, l’élément comprend une valeur de constante diélectrique inférieure ou égale à 4 et un facteur de dissipation inférieur ou égal à 0.2.

Il s’agit de gammes de valeurs pertinentes en ce qui concerne l’impédance de l’élément, pour que l’élément joue pleinement son rôle d’adaptateur d’impédance entre l’air et la peau.

Avantageusement, l’antenne présente une valeur de surface principale inférieure ou égale à 10 cm².

Ainsi, l’antenne est particulièrement réduite et peut donc être facilement intégrée dans un module d’émission d’ondes.

De préférence, l’antenne comprend au moins huit patchs pour rayonner des ondes électromagnétiques, les patchs étant situés sur un même substrat et séparés les des autres par une valeur de distance située entre 2.4 mm et 2.5 mm, les huit patchs étant aptes à exposer aux ondes entre 0.625 cm² et 1cm² d’une surface continue.

Ainsi, les patchs sont les éléments rayonnants de l’antenne. En d’autres termes, l’antenne est un réseau antennaire, chaque patch pouvant être considérée comme une antenne indivisible de ce réseau. Ces patchs sont agencés de sorte que le réseau antennaire expose aux ondes une surface continue. Les distances entre les patchs correspondent à une demi-longueur d’onde d’une onde dans le vide autour de 60 GHz, de façon à encore améliorer le rendement de l’antenne, ainsi que l’homogénéité de son rayonnement.

De préférence, afin d’améliorer l’homogénéité du rayonnement, les patchs sont agencés afin de rayonner en phase.

Avantageusement, l’antenne comprend un circuit imprimé ayant un substrat, le substrat comprenant une valeur de constante diélectrique située entre 2.9 et 3.1 et une valeur de facteur de dissipation située entre 0.0010 et 0.0020 lorsqu’une onde électromagnétique traverse l’élément à une fréquence de 61.25 GHz, une valeur d’épaisseur d’une couche du substrat étant située entre 0.1 et 0.6 mm, de préférence entre 0.2 et 0.3 mm, une épaisseur totale du substrat assemblé étant située entre 0.5 et 1.6 mm.

Ces caractéristiques permettent d’améliorer l’efficacité du rayonnement émis par l’antenne.

Avantageusement, l’antenne comprend des murs de vias au niveau de toutes les limites du substrat, les vias des murs ayant une valeur de diamètre supérieur ou égale à 175 micromètres et une valeur de distance les séparant deux à deux supérieure ou égale à 300 micromètres. De cette manière, le nombre de vias nécessaire est réduit par rapport celui correspondant à des vias qui seraient plus petits, et le coût de production est donc diminué.

De préférence, une cavité étant formée par les murs de vias, la cavité est agencée de sorte qu’une fréquence de résonnance de la cavité est en dehors d’une bande de fréquence allant de 55 à 65 GHz.

Ainsi, les ondes émises ne sont pas perturbées par la cavité. Pour réaliser cette adaptation, des ajustements de positionnement des vias sont possibles.

Brève description des figures

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :

La figure 1 est un schéma global d’un système selon un mode de réalisation de l’invention ;

La figure 2 est un schéma d’éléments de ce mode de réalisation ;

La figure 3 est une vue en perspective d’un dispositif selon ce mode de réalisation ;

La figure 4 est une illustration d’un recto d’un module d’émission d’ondes ce mode de réalisation ;

La figure 5 est une illustration du verso de ce module ;

La figure 6 est un schéma de ce module ;

La figure 7 est un schéma d’un couple circuit-antennes de ce module ;

La figure 8 est un schéma d’un circuit de ce couple ;

La figure 9 est un schéma d’une main d’un patient utilisant l’invention ;

La figure 10 est une illustration de modules connectés entre eux selon un mode de réalisation de l’invention ;

La figure 11 est un schéma de ces connexions ;

La figure 12 est un schéma d’une émission d’ondes selon un mode de mise en œuvre de l’invention ;

La figure 13 est un schéma d’un patch rayonnant selon un mode de réalisation de l’invention ;

La figure 14 est un schéma de distribution d’un réseau antennaire selon l’invention.

Description détaillée

Nous allons tout d’abord décrire des modes de réalisation et de mise en œuvre d’un module d’émission d’ondes électromagnétiques. Dans un deuxième temps, nous décrirons des modes de réalisation d’une antenne d’émission du rayonnement électromagnétique incluse dans le module. L’antenne est particulièrement adaptée au module d’émission présenté, mais elle pourrait être intégré à d’autres dispositifs et n’est donc pas intrinsèquement liée au module.

I. Le module d’émission

A - Composants

La figure 1 illustre le cadre général de l’invention. Le patient 1 est atteint de douleurs chroniques. Il porte un dispositif 10 selon un premier mode de réalisation et un premier mode de mise en œuvre de l’invention, qui traite ces douleurs en émettant des ondes électromagnétiques millimétriques vers la peau du patient 1, au niveau de son poignet. Par « ondes millimétriques », on désigne les ondes de fréquence comprise entre 30 et 300 GHz, mais l’invention peut également s’étendre aux ondes de fréquence située entre 3 et 30 GHz.

En l’espèce, ce dispositif 10 présente la forme générale d’une montre-bracelet et est fixé autour du poignet de la même manière qu’une montre. Illustré à la figure 2 de façon schématique et à la figure 3 plus en détails, le dispositif 10 comprend un module de contrôle ou commande 20 et deux modules d’émission d’ondes 22 et 24. Le dispositif 10 présentant la forme générale d’une montre, il peut s’agir d’une montre dans laquelle les modules 20, 22 et 24 auraient été intégrés. A l’inverse, les fonctionnalités d’une montre pourraient être intégrées au dispositif 10.

Le module de commande 20 contrôle les modules d’émission 22 et 24. Le module de commande 20 est activé par le patient, mais il peut aussi être programmé par le patient ou un autre utilisateur sur le dispositif 10 directement par le bouton 23 ou via un terminal tel que l’ordinateur 12. Le bouton 23 est muni de diodes lumineuses qui peuvent être activées pour signifier un événement au patient, par exemple un manque de batterie ou le fonctionnement d’un programme particulier en cours. Le module de contrôle 20 est présent dans la partie supérieure du dispositif 10 tandis que les modules millimétrique 22 et 24 d’émission d’ondes sont situés dans la partie inférieure et ont donc vocation à être en contact avec la peau inférieure du poignet.

On va maintenant décrire en détails le module d’émission d’ondes 22 intégré dans le dispositif 10. Sauf indication contraire, les caractéristiques du module 24 sont identiques, de sorte que les explications qui suivent au sujet du module 22 valent également pour le module 24. Ce module peut être intégré dans tout type de dispositif visant à émettre des ondes, et pas uniquement dans le dispositif 10 en forme de montre-bracelet. Ses applications ne se limitent d’ailleurs pas au traitement de la douleur.

Ce module d’émission 22 illustré aux figures 4 et 5, et dont le contenu est schématisé aux figures 6 à 8, présente deux couples circuit-antennes 42, un dissipateur thermique 46 et un capteur de peau 44. Il présente aussi, mais de manière non illustrée, une entrée d’alimentation, un organe de pilotage numérique, une horloge de référence et un capteur de température 49. Le module 24, identique, pourrait cependant présenter des éléments en moins. Ainsi, le capteur de peau et le capteur de température pourraient être présents dans un seul des deux modules d’émission d’ondes.

Chacun des deux couples circuit-antennes 42 présente une interface de contrôle 25 en liaison avec le module de contrôle 20, un ASIC (« application-specific integrated circuit », ou circuit intégré pour application spécifique) 26 et un réseau de huit antennes planaires (qu’on peut appeler « patchs ») 28. L’ASIC 26 est la source de rayonnement d’ondes millimétriques. C’est lui qui génère le rayonnement afin qu’il soit transmis au réseau d’antennes 28. L’une des particularités techniques de cet agencement vis-à-vis de la demande FR1758634 est le fait qu’un unique ASIC 26 est associé à huit antennes 28 différentes et à un circuit propre, comme illustré sur les figures 4 et 5 qui montrent respectivement le recto et le verso du même module 22. La perte de puissance due à la présence d’un seul ASIC au lieu de plusieurs pour alimenter ces huit antennes est compensée par le rendement amélioré de l’antenne. L’interface 25 peut être située au sein du module de contrôle 20.

L’ASIC 26, tel qu’il est illustré à la figure 7, comprend un oscillateur 32, un amplificateur de puissance 34 et une partie numérique 36 de paramétrage et de contrôle du composant. Illustré plus en détail à la figure 8, il comprend également un diviseur de fréquence 31, un bus de communication 35, un organe de pilotage en « Pulse-width modulation » (PWM) 37, un générateur de fréquence de référence 33 et un comparateur de fréquence 38. L’oscillateur 32 permet de générer la fréquence de fonctionnement des ASIC. L’amplificateur permet d’amplifier ce signal afin que la puissance souhaitée soit disponible en sortie de composant. Cette puissance est réglable entre 0 et 60 mW. Le circuit de gestion des alimentations permet d’alimenter correctement l’ensemble des fonctions du composant. L’organe de pilotage « PWM » permet d’émettre de façon continue ou discontinue le signal HF de sortie.

Le comparateur de fréquence 38 et le diviseur 31 permettent de vérifier la fréquence du rayonnement émis par l’ASIC 26. En effet, l’oscillateur 32 étant interne à l’ASIC 26, il n’est pas possible de vérifier la fréquence du rayonnement qu’il génère. Or, cette fréquence peut être modifiée involontairement par les autres éléments ou par des modifications de température. Pour la mesurer, on procède donc comme ceci : le générateur de fréquence de référence 33, qui est un oscillateur externe, génère un signal de 10MHz. Le diviseur 31, lui, génère, à partir du rayonnement de sortie de l’ASIC 26, un signal déduit, sous-multiple de celui émis vers la peau, en divisant par 3840 la fréquence du signal de sortie. Le signal de référence issu du générateur 33 et le signal déduit issu du diviseur 31 sont ensuite comparés l’un à l’autre par le comparateur 38. Comme la fréquence du signal de référence est connu (10 MHz) et que la fréquence déduite est le résultat d’une division par 3840 de la fréquence du signal de sortie, ce comparateur 38 permet de retrouver la valeur de la fréquence du signal de sortie réel, avec une précision de l’ordre de 8 MHz. Si la fréquence retrouvée diffère trop de ce qu’elle devrait être, un contrôleur externe commande l’oscillateur 32 pour qu’il réduise ou augmente légèrement sa fréquence. Ce contrôle permet ainsi de garantir que la fréquence de sortie sera dans la bande choisie, le plus souvent entre 61 et 61.5 GHz. Il permet aussi de vérifier que les fréquences des signaux de sortie de chaque ASIC sont distinctes, de manière à éviter un phénomène de franges d’interférence. En effet, dans le dispositif 10, comprenant deux modules 22 et 24 et donc quatre ASICS 26, on adapte les fréquences de sortie des ASICs pour qu’elles soient séparées d’au moins 100MHz. Ainsi, les quatre fréquences peuvent être respectivement de 61.1, 61.2, 61.3 et 61.4 GHz.

Les principes de fabrication de l’ASIC sont similaires à celle des ASICs de la demande FR1758634. Ainsi, la fabrication de cet ASIC 26 est réalisée au moyen de la technologie « CMOS » (« Complementary Metal Oxide Semiconductor »), technologie connue de l’homme du métier et qui ne sera donc pas décrite en détails. Plus spécifiquement, les transistors sont de type « CMOS 65 nanomètres ». Alternativement, ils auraient pu être développés en silicium-germanium (SiGe) ou encore en arséniure de gallium (GaAs). En revanche, les technologies de type « diode gunn » ne permettent pas d’atteindre la taille minimale ainsi que le coût souhaités. L’ASIC 26 comprend ainsi un circuit intégré en silicium dans un boitier de type BGA (« Ball Grid Array »), un type de boitier bien connu de l’homme du métier, adapté sur mesure pour l’ASIC 26, le boitier comprenant également des billes (dites « bump »). L’oscillateur 32 de fréquence est placé dans une cavité (non illustrée) au sein du boitier qui vise à ne pas perturber la fréquence générée. La taille de ce boitier BGA comprenant l’ASIC est en l’espèce de 2.2*2.2*0.9 millimètres.

Comme illustré sur les figures 4 et 5, chaque module d’émission d’ondes millimétriques 22 et 24 comprend deux de ces ASICs 26, chaque ASIC 26 étant associé indépendamment l’un de l’autre à un réseau de huit patchs rayonnants 28 au sein d’un circuit qui lui est propre. Les ASICs 26 et les réseaux d’antennes 28 associées sont disposés de part et d’autre d’un substrat 39. La connexion des ASIC 26 aux antennes 28 se fait au moyen de « balls » au travers du substrat 39. Cet ensemble de composants permet de réduire au maximum les pertes d’ondes électromagnétiques. Ce sont les antennes 28, ayant reçu le rayonnement généré par l’ASIC 26 auquel elles sont associées, qui émettent des ondes électromagnétiques à destination de la peau du patient 1. On décrira plus en détails le substrat 39 et les antennes (ou patchs rayonnants) 28 plus bas.

Au final, chacun des deux modules 22 et 24 d’émission d’ondes comprend deux ASICs 26 et seize antennes 28 situés sur un substrat 39 via deux circuits distincts. La taille totale de chacun de ces modules est de 16.5 mm * 17 mm * 2 mm, soit une surface totale pour chaque module de 2.8 cm carré de circuit et de 0.56 centimètres cubes, soit moins de 3 centimètres carrés de surface et moins de 0.6 centimètres cubes de volume. Si on considère que le radome 52 du réseau antennaire (que l’on décrira plus bas) en fait partie, alors le module fait 16.5 mm*17 mm* 2.8 mm, il présente donc un volume inférieur à 0.8 centimètres cubes. Enfin, si l’on considère un ensemble intégré dans le bracelet 10, formé d’un module d’émission 22 ou 24, d’un radome 52 et d’un gap pad thermique (classique pour l’homme du métier), cet ensemble fait 22*20*6 mm, soit moins de 2.7 centimètres cubes. Le fait que ces modules soient plus petits que ceux de l’état de l’art permet de les intégrer plus facilement au dispositif 10, et d’améliorer l’efficacité du rayonnement des antennes 28, comme expliqué ci-après. Un autre avantage important de cette division d’un module en deux modules plus petits est décrit ci-après.

B - Intégration par morceau

Comme l’illustre la figure 3, les modules 22 et 24 sont placés sur des endroits distincts du bracelet 10. Le rayonnement d’ondes millimétriques émis est donc dirigé vers deux portions séparées du poignet du patient, illustrées schématiquement aux points 6 de la figure 9. Étant donné que ces modules 22 et 24, rigides, sont plus petits que celui de la demande FR1758634, ils épousent mieux la forme arrondie du poignet humain. Ainsi, on évite la formation de gaps d’air entre le poignet et les modules 22 et 24, de sorte que le rayonnement émis par les seize antennes 28 de chaque module est plus efficace. En d’autres termes, en comparaison avec l’unique module de la demande FR1758634, le rendement total des deux modules 22 et 24 est amélioré.

L’intégration mécanique des modules d’émission d’ondes 22 et 24 est illustrée aux figures 10 et 11. Le module de contrôle 20, qui est lui intégré au sommet du bracelet 10, est connecté aux modules d’émissions 22 et 24 par un « flex » souple » 40. Par « flex », on désigne un circuit imprimé souple, appelé également « circuit imprimé flexible », qui est bien connu de l’homme du métier, et qui permet de générer des connexions électriques soumises à des torsions ou à d’autres types de pliages. Sur la figure 10, le flex 40 comprend une partie unique, qui se divise ensuite en deux parties de flex, chacune de ces parties étant connectée à l’un des deux modules d’émission d’ondes 22 et 24. De cette manière, les deux modules d’émission 22 et 24 peuvent être intégrés indépendamment l’un de l’autre au sein du bracelet 10, et en particulier aux deux positions distinctes 6.

La connexion entre les flex et les trois éléments – le module de contrôle 20, les modules d’émission d’ondes 22 et 24 - est réalisée au moyen de connecteurs électriques 29 jouant le rôle d’intermédiaires entre le circuit flexible 40 et les circuits rigides des trois modules 20, 22 et 24. Par ailleurs, le module de contrôle 20 est connecté à une batterie 21. Cette batterie permet ainsi, en passant par le module 20, d’alimenter en électricité l’ensemble des éléments du bracelet 10.

L’intégration dans le dispositif 10 de deux petits modules d’émissions d’ondes 22 et 24, connectés de manière souple au module de contrôle 20, est plus aisée que celle du module d’émission d’ondes de la demande FR1758634, dont les dimensions totales sont celles d’un ensemble formé des deux modules 22 et 24 qui seraient adjacents. En d’autres termes, l’intégration mécanique, pour un même « volume de module » est plus facile par morceaux.

Pour rappel, comme évoqué précédemment, la division du module en deux petits modules 22 et 24 permet également d’éviter la présence de gaps d’air, puisque de plus petites surfaces de modules épousent mieux la forme arrondie du poignet qu’une plus grande surface rigide. Ainsi, quels que soient les éléments rayonnants 28 des modules, cette division en deux parties du module améliore le rendement et facilite l’intégration mécanique des éléments.

Toutefois, les éléments rayonnants 28 du module décrit et illustré ont eux aussi été améliorés vis-à-vis des éléments rayonnants du dispositif précédent de la demanderesse, de sorte que leur propre rendement est également plus important. On va maintenant décrire ces éléments rayonnants 28 améliorés.

II. Le réseau antennaire

Vis-à-vis du réseau antennaire divulgué dans la demande FR1758634, celui de la présente invention a été amélioré sur plusieurs points de façon à augmenter son rendement et sa testabilité (la facilité de tester l’antenne), et de réduire son coût de fabrication. Pour une même quantité d’énergie apportée à la peau, il est donc possible d’émettre moins d’énergie au niveau de la source de rayonnement.

A - Le substrat

Chaque ASIC 26 est soudé sur deux couches de substrat « HF » en MT77 (du fabriquant ISOLA), ce qui permet de limiter au maximum les pertes de rayonnement électromagnétique à haute fréquence. Le choix du MT77 vient de ses caractéristiques : une constante diélectrique de 3 et un facteur de dissipation de 0.0017, à une fréquence de 61.25 GHz. De manière générale, il est préférable que le matériau de ces couches de substrat ait une constante diélectrique d’une valeur située entre 2.9 et 3.1, et un facteur de dissipation d’une valeur située entre 0.0010 et 0.0020. Les deux couches de substrat sont épaisses de 0.254 mm et permettent, à l’égard du dispositif de l’état de l’art fabriqué au moyen de couches plus épaisses, d’améliorer l’efficacité du rayonnement de l’antenne de l’ordre de 20%. Il est ainsi avantageux qu’une telle couche fasse entre 0.1 et 0.6 mm d’épaisseur, de préférence entre 0.2 et 0.3. Elles sont séparées par deux couches de Prepreg Astra-MT77 ainsi que par des couches de cuivre. En outre, des vias effectuent les liaisons entre les différentes couches du substrat. Une fois assemblé, l’ensemble des couches formant le substrat mesure 0.8 mm d’épaisseur. Bien entendu, les types de couches et leur nombre pourraient être différents.

B - Les patchs

Dans la suite comme dans l’ensemble de la description détaillée, on parlera indifféremment d’antenne ou de patch, pour désigner un élément rayonnant 28 du réseau antennaire.

Les éléments rayonnant 28, dont l’un est illustré schématiquement à la figure 13, sont des patchs plats dont la surface fait 1*1.6 mm. Les dimensions de leur ouverture centrale sont de 0.9 *0.18 mm. Illustrés sur la figure 14, ils sont espacés les uns des autres de 2.4 mm selon l’axe longitudinal du module, soit la demi-longueur d’onde à une fréquence de 61.25 GHz, et de 2.6 mm en largeur. En effet, un écart proche de la demi-longueur d’onde dans le vide permet d’améliorer l’homogénéité du rayonnement ainsi que son efficacité. Bien entendu, de petites variations de distance n’ont pas d’effet significatif. Mais on considère qu’il est préférable que les antennes 28 soient séparées d’une distance allant de 2.3 à 2.5 mm.

Sur un circuit imprimé comprenant un ASIC 26 et huit antennes 28, ces antennes sont ainsi aptes à exposer aux ondes entre 0.625 et 1 cm² de la surface de la peau. Etant donné que chaque module 22 (ou 24) comprend deux circuits et donc seize antennes, un module d’émission d’ondes est apte à émettre sur une surface allant de 1.25 à 2 cm². Étant donné que le dispositif 10 comprend deux modules (22 et 24), il peut exposer aux ondes au moins 2.5 centimètres carrés de la peau, ce qui est une surface suffisante pour générer un effet thérapeutique d’après la littérature scientifique, en particulier pour le traitement des douleurs chroniques. En outre, un des deux modules 22 ou 24 peut être désactivé afin de déterminer si l’effet thérapeutique peut persister chez le patient tout en économisant de l’énergie. Dans ce cas, seul 1.25 centimètres carrés de peau sont ainsi exposés aux ondes. On peut envisager une exposition minimale de 1 centimètre carré, à partir de laquelle un effet thérapeutique peut être ressenti.

En outre, comme illustré sur la figure 14, des vias 43 sont présents le long des extrémités du circuit, formant ainsi des murs de vias 43. Leur diamètre est de 200 micromètres chacun, et leur pitch – la distance séparant les centres respectifs de chaque via – est de 400 micromètres. Ces murs de vias 43 forment une cavité dont la fréquence de résonance peut tomber dans la bande de fréquence utilisée par le module. Pour éviter cela, il peut être nécessaire de faire varier la localisation de certains vias, ce que saura faire l’homme du métier. Il est en particulier utile que la fréquence de résonance de la cavité diffère de la bande de fréquence allant de 55 à 65 GHz, qui est une bande de fréquence particulièrement utile dans le cadre de l’invention.

C - Le radome

En référence à la figure 12, chaque patch 28 rayonne des ondes vers une peau 60 du patient, à travers un radome 52. Par radome, on entend tout élément d’une antenne, d’un réseau antennaire ou d’un patch rayonnant, ayant une surface destinée à couvrir une peau d’un utilisateur. On pourrait aussi bien parler de capot. Dans le domaine des antennes, les radomes sont ainsi les capots des éléments rayonnants. Dans le cadre de l’invention, il est avantageux que ce radome soit réalisé dans un matériau bio-compatible, étant donné qu’il est amené à être en contact avec la peau du patient. Ce radome 52 est ici en polycarbonate et sa particularité est qu’il est conçu pour adapter l’impédance de l’antenne à celle de la peau 60. Voici pourquoi : par défaut, sans radome, l’antenne est conçue pour rayonner dans l’air. Lorsqu’on teste l’antenne, on le fait dans l’air et elle est donc, sans radome 52, adaptée à ces tests. Mais dans le cadre de l’invention, l’antenne a vocation à rayonner vers la peau humaine. Le radome, présent dans le dispositif de l’état de l’art uniquement pour protéger l’antenne, joue ici le rôle d’adaptateur d’impédance. Ainsi, il vise à adapter l’impédance de l’antenne, conçue pour rayonner dans l’air (dont l’impédance est de l’ordre de 377 ohms qui est l’impédance dans l’espace vide), à celle de la peau, dont la permittivité complexe est de l’ordre de 8 - 11 j. La permittivité du matériau du radome, ainsi que l’épaisseur choisie, permettent d’adapter l’antenne à l’impédance de la peau afin de maximiser l’énergie transmise de l’antenne à la peau. C’est ce qui est décrit ci-après.

Pour réaliser cette adaptation d’impédance, on peut réaliser le radome en polycarbonate comme ici, mais on pourrait également utiliser d’autres matériaux biocompatibles et ayant une impédance adéquate, tels que le copolymère de polyoxyméthylène. Le choix dépend notamment des valeurs de facteur de dissipation et de la constante diélectrique du matériau, à la fréquence la plus utilisée par le module. Ainsi, pour adapter au mieux l’impédance de l’antenne à celle de la peau sèche, des tests ont montré que l’épaisseur d’un radome en polycarbonate devait être de 0.6 mm ou de 2.0 mm, étant donné que, à 61.25 GHz, sa constante diélectrique est de 2.8 et son facteur de dissipation de 0.01. Avec le copolymère de polyoxyméthylène, l’épaisseur du radome devrait être soit de 0.5 mm, soit de 1.7 mm, la constante diélectrique étant de 3.8, le facteur de dissipation situé entre 0.006 et 0.18. D’autres valeurs sont bien sûr possibles : de manière plus générale, il est avantageux que ce radome présente une valeur de constante diélectrique inférieure ou égal à 4, et un facteur de dissipation inférieur ou égal à 0.2, de façon à approcher une adaptation d’impédance optimale. Plus faible est l’épaisseur, plus les pertes en transmission sont faibles. Ici, on a donc choisi le polycarbonate avec une épaisseur de 0.6 mm, cette épaisseur étant également adaptée aux techniques de moulage par injection. Par ailleurs, il serait possible, tout en conservant la même adaptation d’impédance, d’ajouter à ce radome une épaisseur de l’ordre d’un multiple de 1.4, correspondant à la demi-longueur d’onde au sein du polycarbonate à une fréquence de 61.25 Ghz. En effet, dans ce cas, l’adaptation d’impédance reste identique.

L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier.

En particulier, le module d’émission d’ondes décrit peut être utilisé dans des dispositifs autres qu’un bracelet, ou dans un bracelet adapté à une autre zone que le poignet, par exemple une cheville ou tout autre endroit. Par ailleurs, on peut intégrer à ce dispositif un autre type d’antenne que celui décrit ici.

Symétriquement, les éléments antennaires décrits ici peuvent être intégrés dans tout autre type de module ou dispositif, et pas seulement le module d’émission d’ondes décrit.

Cependant, l’association de module avec ce réseau antennaire permet d’améliorer de façon importante le rendement du dispositif d’émission d’ondes qui les intègre.

Enfin, le module peut être destiné à d’autres applications que le traitement de la douleur. En effet, cet envoi d’ondes millimétriques peut notamment être destiné à diminuer le stress ou l’anxiété ou à plus généralement engendrer une sensation de bien-être.

Claims (19)

1. Module (22, 24) d’émission d’ondes électromagnétiques, caractérisé en ce que son volume total est inférieur à 1 centimètre cube, le module comprenant au moins une source de rayonnement (26) d’ondes électromagnétiques connectée à au moins une antenne (28) d’émission du rayonnement, l’antenne d’émission étant apte, lorsque le module (22, 24) est disposé au niveau d’une surface, à émettre des ondes électromagnétiques présentant une densité surfacique de puissance d’au moins 0.5 milliwatts par centimètre carré de surface.
2. Module (22, 24) selon la revendication précédente, dans lequel, la surface étant une peau, l’antenne (28) d’émission comprend un élément (52) ayant une surface destinée à recouvrir la peau.
3. Module (22, 24) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les ondes présentent une valeur de densité surfacique de puissance comprise entre 5 et 35 milliwatts par centimètre carré de surface.
4. Module (22, 24) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les ondes présentent une valeur de fréquence comprise entre 3 et 120 gigahertz, de préférence entre 55 et 65 gigahertz.
5. Module (22, 24) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la source de rayonnement (26) est un circuit intégré spécialisé (ASIC) présentant une valeur de volume total inférieure à 5 millimètres cubes, et étant apte, lorsqu’il est alimenté électriquement, à générer le rayonnement émis par l’antenne (28) d’émission.
6. Module (22, 24) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’antenne d’émission (28) du rayonnement comprend une antenne planaire (28) ou un réseau d’antennes planaires, une valeur d’une surface de l’antenne planaire (28) ou du réseau d’antennes planaires étant située entre 0.5 et 2 cm², l’antenne planaire ou le réseau d’antennes planaires étant apte, lorsqu’elle ou lorsqu’il est alimenté par le rayonnement généré par la source de rayonnement (26), à émettre le rayonnement en direction de la surface.
7. Module (22, 24) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la source de rayonnement (26) est connectée à au moins quatre antennes d’émission (28) distinctes.
8. Module (22, 24) selon la revendication précédente, dans lequel la source de rayonnement (26) est connectée à huit antennes (28) d’émission distinctes.
9. Module (22, 24) selon la revendication précédente, comprenant deux sources de rayonnements (26) distinctes connectées chacune à huit antennes (28) distinctes.
10. Module (22, 24) selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel au moins certaines des antennes (28) forment un réseau d’antennes connectées entre elles.
11. Module (22, 24) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant :
    - un générateur de fréquence (33) apte à générer une fréquence de référence,
    - un dispositif de mesure de fréquence (38) apte à mesurer une fréquence déduite de la fréquence du rayonnement émis par la source de rayonnement, et
    - un comparateur (31) de fréquence apte à comparer la fréquence déduite à la fréquence de référence.
12. Dispositif (10) portatif d’émission d’ondes électromagnétiques, comprenant au moins deux modules (22, 24) selon l’une quelconque des revendications précédentes et une source d’alimentation électrique (21) pour alimenter électriquement les modules.
13. Dispositif (10) selon la revendication précédente, dans lequel les modules (22, 24) sont agencés de façon à exposer aux ondes des zones respectives de la surface non adjacentes.
14. Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 12 à 13, apte à exposer aux ondes simultanément au total au moins 1 centimètre carré de la surface, de préférence au moins 2.5 centimètres carrés de la surface.
15. Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel chaque module (22, 24) est connecté électriquement à la source d’alimentation électrique (21) par des moyens respectifs souples (29, 40) de connexion électrique.
16. Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 12 à 15, comprenant un module de contrôle (20) des modules d’émission distinct de la source d’alimentation électrique (21) et distinct de chaque module d’émission (22, 24), le module de contrôle (20) étant connecté électriquement à la source d’alimentation (21) électrique et à chaque module d’émission par des moyens respectifs souples de connexion électrique.
17. Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 15 à 16, dans lequel au moins certains des moyens souples (40) de connexion électrique sont des circuits imprimés flexibles.
18. Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 12 à 17, dans lequel, le dispositif comprenant un bracelet souple, les modules d’émission (22, 24) sont agencés au sein du bracelet souple de manière à exposer aux ondes différentes parties (6) d’une surface d’un poignet.
19. Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 12 à 18, apte à être porté au moins à l’un des endroits suivants :
    - sur le visage ;
    - autour d’un poignet ;
    - à une jambe ;
    - à une cheville ;
    - à un dos ;
    - à une oreille ; ou
    - dans une paume d’une main.