Intégration de la mesure d'impédance dans un système de stimulation électrique implantable multi-applications : proposition d'une nouvelle stratégie de stimulation

Impedance measurement integration into a multi-application implantable electrical stimulation system : proposition of an innovative stimulation strategy

• Auteur / Autrice : Florent Dupont
• Direction : Marc Belleville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 19/06/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Skandar Basrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Belleville, Ian O'connor, Frédéric Chavane, Cyril Condemine, Jean-François Beche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric McAdams, Sylvie Renaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Mots clés libres

Systèmes implantés

Modélisation

Stimulation rétinienne

Architecture

Caractérisation in vivo

Implanted systems

Modeling

Retinal stimulation

Architecture

In vivo characterization

Résumé

Cette thèse traite de l’architecture d’un stimulateur électrique multi applications implantable intégrant la mesure d’impédance du système électrode/tissu. Une large part du travail a concerné l’optimisation de la forme des stimuli générés par le circuit pour minimiser la consommation énergétique, garantir la forme d’onde des stimuli vue par les tissus et améliorer les analyses d’expériences fonctionnelles. En effet, l’interfaçage du stimulateur et des électrodes avec le milieu in vivo génère des contraintes sur la délivrance des stimuli électriques. Les stimuli délivrés par le générateur s’ils sont non adaptés à l’impédance du système électrode milieu environnant sont déformés par filtrage ou saturation.Une modélisation numérique du système électrode-milieu environnant a permis de mettre en évidence que ces différentes contraintes sont adressables si l’on utilise les informations données par la spectroscopie d’impédance. Une méthode basée sur une mesure d’impédance,suivie d’une identification sur un circuit électrique équivalent a été proposée ; elle permet d’estimer les contributions de l’interface électrode/milieu et du milieu. Ces fonctions de transfert sont ensuite utilisées pour la génération des stimuli électriques afin de garantir la forme d’onde définie par l’expérimentateur, au niveau des cibles de la stimulation. La preuve de concept de cette méthode a été faite en trois étapes : avec des composants électroniques équivalents, en milieu salin, puis en milieu in-vivo allant jusqu’à des tests fonctionnels permettant de démontrer l’intérêt d’une telle méthode.Ce travail s’est terminé par la proposition, la spécification haut-niveau et la simulation d’une architecture intégrée multi-applications innovante, basée sur le traitement des données d’impédance afin d’adapter la stimulation.

This thesis involves the research, design, developement and assessment of a novelelectrostimulation device capable of taking into account, and compensate for, the distorsion ofthe therapeutic signal due to the presence of the electrode-electrolyte interface, thus ensuringthat the desired signal waveform is in fact transmitted to the targeted tissues. This should resultin more effective and energy-efficient stimulation and also enable fundamental research on theeffects of signal waveforms on excitable tissue stimulation.The modelling of the electrode-tissu system enabled the demonstration that the electricalstimuli distorsion, due to frequential filtering or stimulator saturation, can be avoided by usingdatas extracted from a prior impedance spectroscopy. An equivalent electrical circuit is used tofit those data enabling the separation of electrode-electrolyte interface and tissu components.Based on the equivalent circuit, a transfer function is then defined and used in order to ensurethe delivery of the user defined waveform to the stimulation targets. A proof of concept hasbeen achieved with three steps : first on electronical components representing an in vivoimpedance, then into a saline solution and finally into an actual animal for in vivo validation.Those tests leaded to functionnal experiments prooving the interest of this novel method.The work is concluded by the specification and the simulation of an innovative multiapplicationsintegrated architecture using impedance data in order to adapt stimuli waveforms.