1. Ce stimulateur neuronal implantable testé en direct comprend des fonctions de capture / conversion de puissance et une électronique de stimulation, mais il est plus petit qu'un grain de riz.

La collaboration avec les fournisseurs est essentielle au développement de dispositifs médicaux

Cet article a paru dans Electronic Design et a été publié ici avec permission.

Fournir de l’énergie aux dispositifs médicaux implantés est un défi majeur. Des approches évidentes telles que l’utilisation d’une batterie rechargeable ou d’un supercondensateur et la charge «sans fil», voire des fils externes, posent divers problèmes en plus de la taille. La charge sans fil utilisant l’énergie RF, les ultrasons ou les champs magnétiques pose des problèmes d’inefficacité dus à l’absorption, au chauffage localisé perturbateur, à la taille du transducteur et à la fiabilité.

Désormais, dans le cadre d’une recherche soutenue par la National Science Foundation et les National Institutes of Health, une équipe de l’Université Rice a développé ce qu’ils disent être le premier appareil de capture et de conversion d’énergie entraîné par des champs magnétiques externes d’une manière largement non atténuée par le corps. masse tissulaire. Ils l’ont testé en l’implantant avec les circuits d’entraînement nécessaires dans le cerveau d’un rongeur pour invoquer divers types de stimulation neurale. Différentes formes d’onde et modèles de telles stimulations sont déjà utilisés pour traiter ou réduire des conditions telles que la maladie de Parkinson, la dépression, la douleur et les troubles obsessionnels-compulsifs.

Le transfert de puissance magnétique est une technique qui a été utilisée, mais elle ne fonctionne pas dans les gammes cliniques de «haute fréquence» au-dessus de 50 Hz. Le projet Neuroengineering Initiative permet des stimulateurs neuronaux miniatures alimentés magnétiquement pouvant fonctionner jusqu’à des fréquences élevées cliniquement pertinentes. Le résultat du projet était une combinaison de capture / conversion d’énergie magnétique et d’électronique de stimulation de la taille d’un grain de riz qui a été implanté et testé chez des rongeurs. (Fig. 1) (nous ignorerons également comment et ce qu’ils ont testé en direct).

1. Ce stimulateur neuronal implantable testé en direct comprend des fonctions de capture / conversion de puissance et une électronique de stimulation, mais il est plus petit qu’un grain de riz.Université Rice

La technique de transfert de puissance évite les problèmes d’absorption par le corps ou les différences d’impédance aux interfaces entre l’air, les os et les tissus associés à l’utilisation de RF, d’ultrasons, de lumière et même de bobines magnétiques. Ceux-ci ont été évalués dans d’autres projets et produits pour alimenter de minuscules implants sans fil, mais ils ont des difficultés en raison du fait que les tissus vivants agissent comme un obstacle au chemin ou produisent des quantités nocives de chaleur.

Le projet Rice, étroitement intégré, comporte deux aspects électroniques: le transducteur de puissance et la fonction de source ainsi que l’électronique de stimulation neurale. Nous allons nous concentrer sur la première fonction ici et contourner le sujet physiologique compliqué de la stimulation neurale elle-même, quels modèles de stimulus affectent quelles conditions, et leurs tests cliniques réels basés sur les rongeurs. Leur article très détaillé et très lisible « Matériaux magnétoélectriques pour la stimulation neurale sans fil miniature à des fréquences thérapeutiques »couvre tous ces aspects, avec une explication intéressante des défis posés par les techniques alternatives de transfert de puissance (publié dans Neurone mais derrière un paywall; heureusement, le même pré-impression est affiché).

L’agencement de transfert de puissance fusionne deux phénomènes physiques divers: le magnétostrictif effet et l’effet piézoélectrique pour transformer un champ magnétique en un champ électrique et une tension. Plutôt que d’utiliser une bobine implantée, ils ont utilisé un matériau qui génère une tension via un couplage mécanique entre des couches magnétostrictives et piézoélectriques dans un film mince. Le champ magnétique variable imposé crée une contrainte dans la couche magnétostrictive lorsque les dipôles magnétiques s’alignent avec le champ appliqué. Cette contrainte, à son tour, exerce une force sur la couche piézoélectrique, ce qui génère une tension. La magnétoélectronique combinée (ME) ne souffre pas des mêmes problèmes de miniaturisation qui affectent les bobines et peut être entraînée par de faibles champs magnétiques de l’ordre de quelques millitesla (Fig. 2).

2. Les films magnétostrictifs (ME) convertissent les champs magnétiques alternatifs en une tension: (a) Schéma d'un dispositif ME sur un rat en mouvement libre pour une stimulation neurale sans fil.  L'élément actif ME est constitué d'un film piézoélectrique de difluorure de polyvinylidène (PVDF) (bleu) et d'un stratifié Metglas (gris) encapsulé par Parylene-C.  L'encart montre le principe de fonctionnement selon lequel la contrainte produite lors de la magnétisation de la couche magnétostrictive grise est transférée à la couche piézoélectrique bleue, créant une tension à travers le film.  (b) Exemple d'une courbe de réponse de résonance pour un film ME montrant que la tension maximale est produite lorsque la fréquence du champ magnétique correspond à une résonance acoustique à 171 kHz.  L'encart photographique montre un exemple d'un stimulateur ME assemblé.  L'encart «profil de contrainte» montre une vue de dessus de la contrainte produite dans un film ME tel que calculé par une simulation par éléments finis sur et hors résonance (COMSOL).  (c) Installation de test de l'appareil avec un aimant permanent pour appliquer un champ de polarisation et une bobine électromagnétique pour appliquer un champ magnétique alternatif (barres d'échelle: supérieure = 1 cm, inférieure = 2 mm)2. Les films magnétostrictifs (ME) convertissent les champs magnétiques alternatifs en une tension: (a) Schéma d’un dispositif ME sur un rat en mouvement libre pour une stimulation neurale sans fil. L’élément actif ME est constitué d’un film piézoélectrique de difluorure de polyvinylidène (PVDF) (bleu) et d’un stratifié Metglas (gris) encapsulé par Parylene-C. L’encart montre le principe de fonctionnement selon lequel la contrainte produite lors de la magnétisation de la couche magnétostrictive grise est transférée à la couche piézoélectrique bleue, créant une tension à travers le film. (b) Exemple d’une courbe de réponse de résonance pour un film ME montrant que la tension maximale est produite lorsque la fréquence du champ magnétique correspond à une résonance acoustique à 171 kHz. L’encart photographique montre un exemple d’un stimulateur ME assemblé. L’encart «profil de contrainte» montre une vue de dessus de la contrainte produite dans un film ME tel que calculé par une simulation par éléments finis sur et hors résonance (COMSOL). (c) Installation de test de l’appareil avec un aimant permanent pour appliquer un champ de polarisation et une bobine électromagnétique pour appliquer un champ magnétique alternatif (barres d’échelle: supérieure = 1 cm, inférieure = 2 mm)Université Rice

Pour améliorer encore l’efficacité du transfert d’énergie, un champ à polarisation constante avec un aimant permanent ou un électroaimant a été appliqué. Étant donné que la déformation dans le matériau magnétostrictif est une fonction sigmoïdale de l’intensité du champ magnétique, le changement de tension produit par le champ alternatif est plus grand lorsque le champ oscille autour du point médian du sigmoïde. (Fig. 3).

3. Tension de sortie du film en fonction du champ de polarisation: la tension de résonance de crête est significativement augmentée par un champ de polarisation modeste qui peut être produit par un aimant permanent.3. Tension de sortie du film en fonction du champ de polarisation: La tension de résonance de crête est significativement augmentée par un champ de polarisation modeste qui peut être produit par un aimant permanent.Université Rice

Ce champ de polarisation produit un décalage du champ magnétique près du centre de la courbe de réponse magnétostrictive en forme de S et permet la génération de niveaux de tension utiles tout en appliquant le champ magnétique alternatif millitesla. Ils ont utilisé une bobine électromagnétique et des circuits personnalisés pour contrôler la fréquence et la synchronisation du champ magnétique alternatif (Fig. 4).

4. Pilote de champ magnétique: (a) Schéma des principaux composants du pilote de champ magnétique.  La ligne pointillée indique les composants rendus en (b).  (c) Forme d'onde de sortie pour la stimulation monophasique et les paramètres qui peuvent être contrôlés par le logiciel d'entraînement.  (d) Forme d'onde de sortie pour la stimulation biphasique, et les paramètres qui peuvent être contrôlés par le logiciel pilote.4. Pilote de champ magnétique: (a) Schéma des principaux composants du pilote de champ magnétique. La ligne pointillée indique les composants rendus en (b). (c) Forme d’onde de sortie pour la stimulation monophasique et les paramètres qui peuvent être contrôlés par le logiciel d’entraînement. (d) Forme d’onde de sortie pour la stimulation biphasique, et les paramètres qui peuvent être contrôlés par le logiciel pilote.Université Rice

Si le «côté» puissance du projet représentait un effort majeur, il était étroitement lié au stimulateur et aux parties électroniques. Caleb Kemere, co-auteur de l’article et membre de la Neuroengineering Initiative, a dirigé l’effort avec l’étudiante en physique appliquée Amanda Singer, en plus d’une grande équipe de projet (comme le montre la liste des auteurs de l’article). Dans l’ensemble, le projet a pris plus de cinq ans, en grande partie parce que Singer devait pratiquement tout faire «à partir de zéro», et des tests cliniques ont également dû être effectués.

Comme l’explique Kemere, «Il n’y a pas d’infrastructure pour cette technologie de transfert d’énergie. Si vous utilisez des fréquences radio (RF), vous pouvez acheter des antennes RF et des générateurs de signaux RF. Si vous utilisez l’échographie, ce n’est pas comme si quelqu’un disait: ‘Oh, au fait, vous devez d’abord construire l’échographe.’ «

Il a noté que «Amanda devait construire l’ensemble du système, de l’appareil qui génère le champ magnétique aux films en couches qui convertissent le champ magnétique en tension et aux éléments de circuit qui le modulent et le transforment en quelque chose qui est cliniquement utile. Elle a dû tout fabriquer, l’emballer, le mettre dans un animal, créer les environnements de test et les montages pour les expériences in vivo, et réaliser ces expériences. Mis à part la feuille magnétostrictive et les cristaux piézoélectriques, il n’y avait rien dans ce projet qui pouvait être acheté auprès d’un fournisseur.

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