Conception de stimulateurs électriques adaptatifs pour différents contextes pathologiques : une approche globale

Design of electrical adaptive stimulators for different pathological contexts : a global approach

• Auteur / Autrice : Florian Kölbl
• Direction : Noëlle Lewis, Sylvie Renaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 01/12/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Abdelhamid Benazzouz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guy Cathébras, Eric McAdams
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andreas Demosthenous, David Guiraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception

Circuits intégrés linéaires

Électrodes

Système nerveux

Stimulation électrique

Mots clés libres

Stimulation électrique,

Système nerveux

Impédance des électrodes

Conception de circuits Intégrés analogiques

Electrical stimulation,

Nervous system

Electrodes impedance

Analog IC design

Résumé

La stimulation électrique des tissus neuronaux est une technique largement utilisée dans la recherche en neuroscience et à des fins thérapeutiques. Ce travail est une contribution à la conception des circuits et systèmes électroniques de stimulation. De tels circuits sont requis dans quatre projets multi-disciplinaires en cours dans l’équipe Elibio de l’IMS, présentés dans ce document : STN-Oscillations (ANR 08-MNPS-036) concernant l’étude de la Stimulation Cérébrale Profonde(SCP), HYRENE (ANR 2010-Blan-031601), ayant pour but le développement d’un systèmehybride de restauration de l’activité motrice dans le cas d’une lésion de la moelle épinière, BRAINBOW (European project FP7-ICT-2011-C), ayant pour objectif l’élaboration de neuro-prothèses innovantes capables de restaurer la communication autour de lésions cérébrales, CENAVEX (ANR et NSH AN13-NEUIC-0001-01), visant au développement d’un système de stimulation en boucle fermée pour le contrôle de la respiration. Cette thèse propose une approche de conception globale qui aboutira au développement d’un système multi-applications, prenant en compte les spécificités de chaque contexte.Dans un premier temps, afin d’évaluer les contraintes liées à l’expérimentation in vivo et in vitro, deux stimulateurs spécifiques ont été réalisés. Le premier permet la SCP chronique du rat,résout la contrainte énergétique à l’aide d’une gestion dynamique de l’alimentation. Ce dispositif a été fabriqué et implanté in vivo avec succès. Une expérimentation à long terme a été effectuée afin de valider ses propriétés sur l’animal. Dans un second temps, un autre stimulateur a été conçu en utilisant un FPAA (Field Programmable Analog Array). La conception de ce circuit se concentre sur l’équilibrage des charges nécessaire à l’innocuité des sytèmes. L’architecture obtenue permet une stimulation biphasique adaptative résultant en un faible courant équivalent de fuite (moins d’un nano Ampère). Afin d’aboutir à un stimulateur multi-application, un travail préliminaire de modélisation de l’impédance de l’électrode, l’élément de charge du circuit de stimulation, a été mené. Une méthode de mesure et d’identification d’un modèle non-linéaire est détaillée, basée sur une approche par multi-modèles et fractionnaire.L’approche multi-application est ensuite mise en oeuvre, basée sur un effet d’échelle pour le dimensionnement des stimulateurs. Cet effet d’échelle lie la géométrie de l’électrode, le nombre de canaux requis par application et les niveaux de courant mis en jeu : cet effet permet de proposer une architecture de circuit multi-application. Un circuit intégré démontrant la faisabilité d’un tel système a été conçu, fabriqué et testé avec succès. Un système de stimulation multi-application basé sur ce circuit a été conçu, permettant de nouvelles recherches sur les quatre contextes physiopathologiques présentés.Enfin, un critère de mérite dédié à la stimulation est proposé. Ce critère prend en compte l’efficacité énergétique et l’équilibrage des charges afin d’évaluer le degré d’optimisation d’un circuit ou d’un système. Un tel critère de mérite est un concept novateur qui devrait permettre une optimisation rationnelle des architectures de stimulation.

Electrical stimulation of neural tissues is a widely used technique for both neuroscience explorations and innovative medical devices. This work is a contribution to the design of electrical stimulation circuits and systems. Stimulators are part of the experimental setup in several multi-disciplinary projects conducted at IMS (groupElibio), presented in this document : STN-Oscillations(French ANR 08-MNPS-036), studyingDeep Brain Stimulationmecha-nisms (DBS), HYRENE(French ANR 2010-Blan-031601), aimed at developing a hybrid system couplingartificial and biological neural networks to restore locomotion after spinal cord lesion, BRAINBOW(European Project FP7-ICT-2011-C), working on designing a neuro-prosthesis capable of restoring lost communication between neuronal circuits, CENAVEX(French ANR and American NSH AN13-NEUIC-0001-01), proposing a noveldesign for a closed-loop system for respiration control. This thesis integrates the specificities of each context and considers global therapeuticapplication issues, with the aim of proposing an original, global approach to designing thearchitecture of a multi-application stimulator.First, in order to evaluate the constraints related to ourin vivoandin vitrocontexts, anembedded stimulator for chronic DBS experiments in rodents was developed and successfullyimplantedin vivo. This design was optimized for power management during long-term experi-ments. The stimulator characteristics were assessed with behavioural tests on a rat population.Then a second, specific stimulator was designed usingField Programmable Analog Arraysforaccurate charge balancing, as well as to fulfil strong constraints to ensure tissue integrity. Theproposed charge-sensing architecture produced adaptive biphasic stimulation with sub-nanoampere DC-equivalent current.With a view to a global approach to stimulator design, an accurate model of the electrodeimpedance was built, to represent the concrete load of a stimulator. A measurement protocolbased on biphasic current-controlled solicitations and a modelling procedure relying on anoriginal fractional multi-model are described.The first step in this multi-application design approach was to investigate an electrical sizingscale effect. This involves electrode geometry, the number of channels per application, and theimplied current levels. A proof-of-concept ASIC was designed and successfully tested. A boardfor adaptive stimulation was then able to be deployed in the ongoing research projects.Finally, a dedicated Figure of Merit is proposed for stimulation. This criterion takes energyefficiency and charge balancing into account to quantify the degree of optimization of a circuitor system. This Figure of Merit is a novel concept that facilitates rational optimization ofstimulation architectures.