Sistema Implantable para la Estimulación y Registro de Nervio Periférico

Abstract

El trabajo de investigación trata del estudio y desarrollo de sistemas de estimulación y registro que puedan ser utilizados para la implementación de implantes alimentados y controlados de forma remota. El trabajo se estructura en tres grandes temas que son: la estimulación eléctrica funcional (FES) para sistema nervioso, el registro de señales nerviosas y la telemetría inductiva para la transmisión de energía y la comunicación a distancia.<br/>En cada uno de los temas se ha tratado de investigar y analizar diferentes configuraciones que permitan el desarrollo de sistemas de bajo consumo y con el mayor número de prestaciones, que hagan posible la utilización de los circuitos diseñados en implantes biomédicos. Se ha realizado el diseño, implementación, caracterización eléctrica y experimentación "in vivo" que permite validar los diseños en aplicaciones biomédicas implantables.<br/>En el caso de la estimulación eléctrica se ha propuesto el diseño de un estimulador en una estructura modular que consigue optimizar cada uno de los bloques que lo componen. El bloque digital permite generar frecuencias de estimulación con gran precisión, mientras que el control de los estimulos hace posible realizar diferentes formas de onda, que facilitan el estudio de nuevas alternativas de estimulación más selectivas; a la vez, la estructura utilizada sirve de base para el diseño de aplicaciones al poder realizar secuencias, trenes de pulsos, etc. La etapa de salida que proporciona la corriente de estimulación se ha diseñado considerando la posibilidad de utilizar diferentes electrodos como son: sieve, cuff, tlife, microaguja, etc, que modifican las características en función de la impedancia. También se ha estudiado e implementado un sistema que junto a una secuencia de activación hace posible reducir los picos de corriente de las activaciones de los transistores y con ello reducir los errores de inyección de carga, asegurando una estimulación más precisa.<br/>En el registro, considerando el ruido como uno de los parámetros más restrictivos para conseguir detectar las señales nerviosas, se han analizado las diferentes alternativas para la etapa de entrada. Se ha escogido la alternativa lineal al estar en el rango útil de la aplicación y permitir una nueva configuración que elimina el filtro de desacoplamiento de las configuraciones tradicionales. La configuración propuesta pretende disponer el filtro en el nodo del modo común del amplificador diferencial y con ello solamente requerir una capacidad para realizar el filtrado, ello hace que el apareamiento no afecte la respuesta y por tanto se obtiene mayor CMRR; también permite un mayor rango y un ruido inferior con lo que se obtiene muy buenas prestaciones. También se ha diseñado una segunda etapa amplificadora con filtrado que no requiere de componentes externos, lo que mejora considerablemente el sistema final en cuanto a consumo y área. Ésto ha sido posible al utilizar un transistor en subumbral con un circuito de autopolarización que hacen posible la implementación de una frecuencia de corte de 100Hz. El sistema utiliza una doble realimentación con un DDA que permite una entrada diferencial y fijar la ganancia y la respuesta frecuencial. El circuito de registro hace posible el registro de varios canales con un alto CMRR (>96dB@1kHz), anchos de banda de (100Hz-5kHz), posibilidad de eliminar componentes DC superiores a 500mV y un ruido equivalente 1.5kOhms, pudiendose registrar señales de 1uV y ser utilizado en un dispositivo implantable. <br/>Finalmente y para que pueda ser utilizado como implante sin unas baterías para su alimentación, se ha trabajado sobre un sistema de transmisión-recepción inductivo con el que se puede transmitir desde una unidad externa hacía el implante (unidad interna) la energía e información y poder ser controlado desde el exterior. Para ello, se ha desarrollado un nuevo transmisor que permite una modulación OOK mediante una modulación de la carga. Ésta alternativa hace posible obtener una alta eficiencia en la transmisión de energía e información. También se ha estudiado y desarrollado un receptor en configuración serie que mejora la recepción de energía e información permitiendo eficiencias de 65% en la transmisión-recepción de energía a más de 2cm. También se ha diseñado un enlace de retorno (unidad implantable a externa) con una velocidad de comunicación muy elevada y una potencia de transmisión muy baja para la transmisión de la información de registro. Ambos sistemas han obtenido hasta una velocidad de comunicación de 1Mbps a más de 2cm funcionando simultaneamente.

This work presents the analysis and the design for a stimulator and recording system that can be used to develop biomedical implants powered and controlled remotely. The work has 3 subjects: the functional electric stimulation (FES), the nervous signal recording and the telemetric inductive link which allows to transmit the energy and the data in order to control the implant.<br/>Each subject is investigated and different configurations analysed with the goal to develop a low power system with high performances that makes the circuits useful for biomedical implants. The systems has been designed, implemented and electrically characterized besides, some experiments "in vivo" have been done to validate the design.<br/>For the nervous electrical stimulation has been designed a stimulator with a modular structure that makes possible to optimize each block. The digital block can generate independent frequencies with high precision and the stimulus control can control complex waveforms that makes possible to realise selective stimulus. To enhance the developed circuit, the output stage has been designed to work with different electrodes as sieve, cuff, micro-needle, life, etc. The output stage works with current and the maximum voltage is different and depends on the electrode used. To avoid injected charge errors in the stimulation caused by glitch in the switch on/off output power transistors, a sequence with an additional circuit (Peak Control) has been developed. Also a charge recovery, short circuiting the electrode, is implemented to avoid any accumulated charge in the electrode.<br/>For the ENG recording, has been considered the noise as an important that defines the lower input signal to be detected. For the input stage design has been analysed different configuration and a lineal option has been selected. Also a new configuration with a high pass filter in the common mode node has been designed and it makes possible to eliminate the decoupling input circuit, obtaining better performance in the CMRR and it results more interference rejection. The second stage in the recording amplifier uses a DDA with a differential input and a single output with a double feedback. The first feedback defines the stage gain and the second, using an integrator implements the low cut-off frequency. In order to obtain a very high time constant and to implement a 100Hz high pass filter, the integrator is implemented with a 20pF capacitor and a 100MOhms that is done with a subthreshold MOS transistor. The MOS transistor is biasing with an autobiasing circuit and the cut-off frequency is defined by the aspect ratio between transistors. The final ASIC developed can record 4 channel with a CMRR higher than 96dB at 1kHz and it has a band width from 100Hz to 5kHz. It can eliminate DC components higher than 500mV and it has an 1.5kOhms equivalent noise that makes possible to record ENG signal of 1uV.<br/>The telemetry inductive link developed, can be used to powering and control implants remotely. The telemetry link developed includes a transmitter that uses an OOK modulation implemented with a load modulation. This transmitter can control the transmitted power and it has a good index modulation with high transmission efficiency. In the case of the receiver, has been analysed the serial configuration between receiver coil and the resonant capacitor and load so it is possible to implement an efficient rectifier to power the implant and also it is possible to demodulate the OOK signal easily. To demodulate the signal has been designed and implemented and OOK demodulator, which is integrated in the ASIC to reduce power consumption and area. In the back channel from the implant to the external unit, has been designed a low power transmitter and an external receiver with a 3 amplifier and filter stages. This receiver allows to detect the receiver information and eliminate the interference from the direct channel. The telemetric link has been tested and an efficiency higher than 65% at 2cm has been obtained. The bit rate has been 1Mbps in both direction and powering the implant with the telemetric link. This results makes possible to use this link in biomedical implants where the powering has to be transmitted and also need a high bit rate to control the implant.