Microcontrolled injectable stimulators based on electronic rectification of high frequency current bursts

Abstract

Neuroprostheses based on dense networks of wireless microstimulators have been proposed in the past for restoring movement in paralysis patients. Yet existing implantable microstimulators are too bulky and invasive for implementing such networks because of the powering approaches they employ. To overcome this limitation, it was recently proposed an innovative electrical stimulation method incorporating electronic implants. The method consist in delivering, by means of superficial textile electrodes, high frequency current bursts which innocuously flow through tissues by galvanic coupling and which are rectified by the implants, thereby transforming these bursts into low frequency currents capable of performing local stimulation. Since the implants lack bulky components for powering, such as coils and batteries, the method will enable miniaturization levels without precedents for microstimulators. The method was first demonstrated with very simple implants that could not be controlled externally, impeding independent stimulation of different target muscles. This thesis demonstrates that the method allows the development of digitally addressable microstimulators. In particular, this thesis describes the development, characterization and in vivo assay of addressable stimulators made of off-the-shelf electronic components. The developed microcontrolled and wireless stimulators are semi-rigid and can be easily implanted by injection thanks to their elongated shape (2 mm thick and almost 49 mm long). They perform charge-balanced neuromuscular stimulation in response to commands modulated in high frequency current bursts which meet safety standards. This thesis paves the way to future ultrathin stimulators based on a custom integrated circuit.

En el pasado se propusieron neuroprótesis basadas en densas redes de microestimuladores inalámbricos para restablecer el movimiento en pacientes con parálisis. Aún así, los microestimuladores implantables existentes en la actualidad son demasiado voluminosos e invasivos como para implementar dichas redes debido a los métodos de alimentación eléctrica que utilizan.

Para superar esta limitación, recientemente se propuso un método de estimulación eléctrica innovador que incorpora implantes electrónicos. El método consiste en aplicar mediante electrodos textiles superficiales, corrientes de alta frecuencia que fluyen inofensivamente por los tejidos por medio de acople galvánico, y que son rectificadas por los implantes. De esta forma las ráfagas se transforman en corrientes de baja frecuencia que pueden estimular localmente. Debido a que los implantes no contienen componentes voluminosos como bobinas y baterías para alimentarse eléctricamente, el método permitirá niveles de miniaturización sin precedentes para microestimuladores.

El método fue demostrado por primera vez con implantes muy simples que no podían ser controlados externamente, impidiendo la estimulación independiente de diferentes músculos objetivo. Esta tesis demuestra que el método permite el desarrollo de microestimuladores direccionables digitalmente. En particular, esta tesis describe el desarrollo, caracterización y ensayos in vivo de estimuladores direccionables basados en componentes electrónicos comerciales. Los estimuladores inalámbricos desarrollados son semirrígidos y pueden ser fácilmente implantados por medio de inyección gracias a su forma alargada (2 mm de diámetro y casi 49 mm de largo). Los dispositivos realizan estimulación neuromuscular con balance de carga en respuesta a comandos modulados en las ráfagas de corriente de alta frecuencia. Dichas ráfagas de corriente cumplen con estándares de seguridad. Esta tesis abre el camino hacia futuros estimuladores ultrafinos basados en circuitos integrados diseñados para este propósito.