Design and validation of innovative integrated circuits and

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Design and validation of innovative integrated circuits and

Transcript Of Design and validation of innovative integrated circuits and

Design and validation of innovative integrated circuits and embedded systems for neurostimulation applications
Jonathan Castelli
To cite this version:
Jonathan Castelli. Design and validation of innovative integrated circuits and embedded systems for neurostimulation applications. Electronics. Université de Bordeaux, 2017. English. ￿NNT : 2017BORD0812￿. ￿tel-01897367￿

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Submitted on 17 Oct 2018

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Thèse de Doctorat de l’Université de Bordeaux
École doctorale des Sciences Physiques et de l’Ingénieur Spécialité Électronique
Préparée au Laboratoire IMS
Par Jonathan Castelli
Design and validation of innovative integrated circuits and embedded systems for neurostimulation applications

Sous la direction de Pr. Noëlle Lewis et de Pr. Sylvie Renaud Après l’avis de Pr. Serge Bernard et de Pr. Aymeric Histace
Soutenue le 6 Décembre 2017

Devant le comité d’examen formé de:

Pr. Serge Bernard Pr. Aymeric Histace Pr. Ranu Jung Dr. Rémi Dubois Pr. Noëlle Lewis Pr. Sylvie Renaud

CNRS - LIRMM ENSEA Florida International University IHU LIRYC University of Bordeaux Bordeaux INP

Rapporteur Rapporteur Examinatrice Examinateur Directrice de Thèse Co-Directrice de Thèse

Thèse réalisée dans le laboratoire IMS au sein de l’équipe Elibio.
Université de Bordeaux Laboratoire IMS CNRS UMR-5218 351, cours de la Libération 33405 TALENCE Cedex
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Stand at the base and look up at 3,000 feet of blankness. It just looks like there’s no way you can climb it. That’s what you seek as a climber. You want to find something that looks absurd and figure out how to do it. Tommy Caldwell

Abstract
Bioelectronics is a cross-disciplinary field that studies interconnections and interactions between biological entities (cells, tissues, organs) and electronic systems, using the adequate transducer. For excitable cells or tissues (neurons, muscles, . . . ), the transducer takes the form of a simple electrode, as these tissues produce a spontaneous electrical activity or, in the opposite way, may be excited by an external electrical signal. This bi-directional communication gives rise to two experimental schemes: acquisition and stimulation. Acquisition consists in recording, processing and analyzing bio-signals whereas stimulation consists in applying the adequate electrical current to living tissues in order to trigger a reaction. This thesis focuses on the latter: two generations of stimulation systems have been developed, both being centered on an Application Specific Integrated Circuit, and adapted to different application contexts.
First, the scientific framework was given by the CENAVEX project, focusing on Functional Electrical Stimulation to rehabilitate the respiratory function, following a Spinal Cord Injury. Then, the design objectives were extended to cover new application needs: in situ electrical impedance monitoring and exploration of original stimulation waveforms. The first one could be a solution to follow the tissue reaction after electrode implantation, hence contributing to long-term biocompatibility of implants; the second one proposes to go further the conventional constant biphasic pulse and explore new waveforms that could be most efficient in terms of energy consumption, for a given physiological effect.
The work presented in this manuscript is a contribution to the design, fabrication and test of innovative stimulation devices. It leaded to the development of two integrated circuits and two stimulation devices permitting multichannel stimulation. Both electrical characterizations and biological validations, from in vitro feasibility to in vivo experiments, have been conducted and are described in this manuscript.
Keywords:
Microelectronics, FPGA, Integrated circuits, Analog IC design, Functional Electrical Stimulation, Bioelectronics, Stimulation device, Closed-loop stimulation device, Open-loop stimulation device
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Résumé
La Bioélectronique est un domaine interdisciplinaire qui étudie les interconnexions et les interactions entre entités biologiques (cellules, tissus, organes) et systèmes électroniques, par l’intermédiaire du transducteur adéquat. Pour des cellules ou des tissus excitables (neurones, muscles, ...), le transducteur prend la forme d’une simple électrode, car ces tissus produisent une activité électrique spontanée ou, dans le sens inverse, peuvent être excités par un signal électrique externe. Cette communication bidirectionnelle donne lieu à deux schémas expérimentaux : l’acquisition et la stimulation. L’acquisition consiste à enregistrer, traiter et analyser les bio-signaux alors que la stimulation consiste à appliquer le courant électrique adéquat aux tissus vivants, pour déclencher une réaction. Cette thèse se concentre sur ce dernier point : deux générations de système de stimulation ont été développées, chacune basée sur un circuit intégré spécifique et adaptée à différents contextes applicatifs.
Tout d’abord, le cadre scientifique a été celui du projet CENAVEX, axé sur la stimulation électrique fonctionnelle pour réhabiliter la fonction respiratoire, suite à une lésion de la moelle épinière. Ensuite, les objectifs de conception ont été étendus pour couvrir de nouveaux besoins d’application : la surveillance de l’impédance électrique in situ et l’exploration des formes d’onde de stimulation originales. Le premier pourrait être une solution pour suivre la réaction tissulaire après l’implantation d’une électrode, contribuant ainsi à la biocompatibilité à long terme des implants ; le second propose d’aller au-delà de la conventionnelle impulsion biphasique carrée et d’explorer de nouvelles formes d’ondes qui pourraient être plus efficaces en termes de consommation d’énergie, pour un effet physiologique donné.
Le travail présenté dans ce manuscrit contribue à la conception, à la fabrication et au test de dispositifs de stimulation innovants. Cela a conduit au développement de deux circuits intégrés et de deux dispositifs de stimulation permettant une stimulation multicanal. Les caractérisations électriques et les validations biologiques, de la faisabilité in vitro aux expériences in vivo, ont été menées et sont décrites dans ce manuscrit.
Mots-clés:
Micro-électronique, FPGA, Circuits Intégrés, Stimulation électrique fonctionelle, Bioélectronique, Système de stimulation, Boucle fermée, Boucle ouverte
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StimulationCircuitsDesignTissuesSystems