Thèse Contribution à la Conception d'Un Circuit Intégré Faible Consommation pour la Cardiographie d'Impédance H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : Laboratoire de Génie Electrique et Electronique de Paris Direction de la thèse : Emilie AVIGNON-MESELDZIJA ORCID 0000000152689223 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-28T23:59:59 Ce sujet de thèse contribuera au développement d'un circuit intégré innovant faible consommation permettant la mesure de bio-impédance, avec un focus pour la cardiographie d'impédance. Les contextes où pourrait s'appliquer une mesure de bio-impédance intégrée faible consommation de tissus cardiaques sont : détection d'ischémie cardiaque, d'insuffisance cardiaque. Également, lorsqu'un patient porte un pacemaker, un faible courant de haute fréquence qui n'excitera pas le myocarde, permettra de mesurer de façon continue la bio-impédance entre les électrodes et le boîtier et ainsi asservir la fréquence de stimulation à l'effort ou mesurer la ventilation minute puis détecter l'apnée du sommeil. L'objectif de ce sujet de thèse sera de concevoir, en technologie CMOS 0.18µm, un circuit de mesure de bio-impédance robuste comprenant : un générateur de signaux sinusoïdaux haute linéarité et faible consommation spécifiée pour la mesure de tissus cardiaques, un amplificateur d'instrumentation, les filtres passe-bas, les mélangeurs. Chaque bloc devra être simulé en vue extraite et passer tous les pire-cas pour s'assurer de la robustesse. Les implants biomédicaux sont au coeur de l'amélioration de la qualité de vie de toutes les tranches d'âges, qu'il s'agisse d'appareils de stimulation (pacemaker, prothèse auditives), d'appareils de surveillance (rythme cardiaque, taux de glucose, hydratation, mesures de stress et d'inconfort, ...). Ces applications sont liées à la mesure de bio-impédance [1-10]. L'architecture d'un circuit de mesure de bio-impédance est généralement constitué d'une source de courant sinusoïdale de fréquence fin qui permet d'appliquer un courant à la bio-impédance à mesurer. Ensuite, un amplificateur d'instrumentation très faible bruit va permettre d'acquérir la différence de tension proportionnelle à l'impédance du milieu mesuré, avec le courant qui est connu. Enfin, une démodulation à fin permettra d'obtenir la partie réelle et la partie imaginaire de l'impédance pour en déduire tous les paramètres de son modèle équivalent.
Un bloc particulièrement critique d'un tel système de mesure est le générateur de signaux sinusoïdaux qui applique le courant ou la tension au dispositif sous-test. On utilisera dans la suite l'acronyme SSG, pour Sinusoidal Signal Generator. Plusieurs travaux de synthèse sur l'abondant état de l'art sur le sujet ont permis d'identifier les principaux verrous de ces générateurs de signaux sinusoïdaux pour les applications de mesure de bio-impédance [11].
Un premier verrou est la linéarité du signal sinusoïdal obtenu. Cette linéarité est déterminante car le reste du circuit de mesure de bio-impédance comprend un étage de démodulation, le plus souvent à base de hacheur, qui permet d'accéder à la partie réelle et la partie imaginaire de l'impédance. Si le signal pseudo-sinusoïdal à la fréquence fondamentale fin comprend des harmoniques forts à 3fin et 5fin, ces composantes seront transposées en DC lors de la démodulation, au même titre que la fondamentale, ce qui faussera la mesure. Pour cette exigence de linéarité, les générateurs de signaux sinusoïdaux sont construits sur la base d'une cascade de trois blocs : un bloc générateur de la forme d'onde sinusoïdale, un bloc d'atténuation des harmoniques (qui est le plus souvent un filtre passe-bas) et un étage de mise en forme en tension ou tension vers courant.
Le deuxième verrou identifié est le compromis bande passante/précision pour les raisons suivantes :
- Si l'on opte pour une source sinusoïdale en courant, son impédance de sortie devra être forte en comparaison des éléments environnants et constante pour toutes les fréquences délivrées. Or, il y a deux défis dans cette situation : maximiser l'impédance de sortie, mais en même temps chercher à préserver la bande passante réduite, en raison des capacités parasites. En revanche, l'avantage de délivrer un courant fixe au dispositif sous-test permet, notamment lorsque l'impédance est de forte valeur, de détecter une variation de tension significative et donc obtenir une bonne précision.
- Si l'on opte pour une source sinusoïdale en tension, il est plus facile d'obtenir une bande passante large. En revanche, pour une tension fixe de moins de 2V, si l'impédance à mesurer est forte, alors le courant sera faible et la variation de tension à détecter sera faible également et la précision du dispositif en sera impactée.
Le troisième verrou identifié est le compromis faible consommation/robustesse du générateur sinusoïdal. S'il y a, en raison des variations PVT (Process, Voltage, Température), une déviation en fréquence, en impédance de sortie, en valeur de courant/tension, alors la précision sur l'impédance mesurée est perdue. Il sera nécessaire de coupler les techniques faible consommation avec les techniques de compensation des variations PVT.
Outre le bloc SSG, d'autres problématiques sont liées à l'architecture de démodulation, comme décrit en détail dans [12].
Dans ce contexte, les techniques de conception ultra-faible consommation sont prometteuses pour revisiter des architectures existantes pour les rendre frugales énergétiquement. En faisant travailler les transistors en régime sous-seuil, il sera possible d'innover sur de nouvelles architectures de surveillance, en adoptant les stratégies nécessaires pour la robustesse des circuits.

Les objectifs de la thèse sont les suivants :
- Modéliser des architectures de mesures de bio-impédance pour le contexte de la mesure de tissus cardiaque et identifier les blocs et paramètres les plus critiques pour les spécifications de ce contexte (bande de fréquence, ordre de grandeur de courant, ...).
- Sélectionner l'architecture la plus prometteuse. Concevoir, en technologie CMOS 0.18µm, un circuit de mesure de bio-impédance comprenant : un générateur de signaux sinusoïdaux haute linéarité et faible consommation spécifié pour la mesure de tissus cardiaques, un amplificateur d'instrumentation, les filtres passe-bas... Chaque bloc devra être simulé en vue extraite et passer tous les pire-cas.

Le/la candidat(e) devra avoir un niveau M2 et une solide formation en conception de circuits intégrés.