Construction of injectable wireless microstimulators based on rectification of volume conducted high frequency currents

Abstract

Functional neuromuscular stimulation (FNS) refers to the delivery of electrical stimuli to nerves or muscles to enhance, modify or restore motor functions. Despite their invasiveness, implantable systems for FNS offer key advantages over surface and percutaneous systems in terms of selectivity and safety. Most implantable FNS systems consist of a relatively bulky subcutaneous pulse genera-tor connected through leads to electrodes at the target stimulation sites. In the case of FNS systems for restoring motor functions in patients with paralysis, the leads are long and the electrodes are distributed over large and mobile body parts, thus making them highly invasive and prone to failure. Miniaturized wireless implantable stimulators represent a safer and more reliable alternative. By integrating all the components in the same device, long leads are avoided and minimally invasive implantation procedures are enabled. In this thesis, architectures and construction methods were devised to implement thin (diameter < 1 mm), flexible and biocompatible wireless microstimulators whose operation principle is based in rectifying high frequency currents delivered to tissues by volume conduction. These threadlike devices, which were successfully in vivo assayed, are intended to be deployed by injection forming a dense network of intramuscular addressable stimulators for the development of motor neuroprostheses. They were implemented adapting techniques well accepted in industry to facilitate early clinical adoption. A noteworthy feature of their construction is the inclusion of a biterminal hermetic metallic capsule housing the sophisticated microelectronic circuitry required for their operation. The applicability of the same technology and operation methods to an alternative clinical field was also explored in the scope of this thesis through the development and in vivo assay proof-of-concept novel leadless microstimulators. Furthermore, this thesis has contributed to the development of refined computer models to characterize the stimulation method previously described.

La estimulación neuromuscular funcional (FNS) se refiere a la aplicación de estímulos eléctricos a nervios o músculos para mejorar, modificar o restaurar fun-ciones motoras. A pesar de ser invasivos, los sistemas implantables para FNS ofrecen ventajas en selectividad y seguridad sobre los superficiales y percutáneos. La mayoría de los sistemas FNS implantables consisten en un generador de pulsos subcutáneo relativamente voluminoso conectado por cables a electrodos en los puntos de estimulación. En el caso de sistemas FNS para restaurar funciones motoras en pacientes con parálisis, los cables son largos y los electrodos están distribuidos por partes del cuerpo grandes y móviles, haciéndolos altamente invasivos y propensos a fallar. Estimuladores implantables inalámbricos miniaturizados representan una alternativa más segura y confiable. Al integrar todos los componentes en el mismo dispositivo, se evitan los cables largos y se habilitan procedimientos de implantación mínimamente invasivos. En esta tesis se han diseñado arquitecturas y métodos de construcción para implementar microestimuladores inalámbricos delgados (diámetro < 1 mm), flexibles y biocompatibles basados en la rectificación de corrientes de alta frecuencia aplicadas a los tejidos por conducción volumétrica. Estos dispositivos filiformes, ensayados con éxito in vivo, serían implantados mediante inyección formando una densa red de estimuladores direccionables intramusculares para desarrollar neuroprótesis motoras. Éstos se han implementado adaptando técnicas bien aceptadas en la industria para facilitar la adopción clínica temprana. Una característica notable de su construcción es la inclusión de una cápsula metálica hermética biterminal que aloja los sofisticados circuitos microelectrónicos necesarios para su funcionamiento. La aplicabilidad de la misma tecnología y métodos de operación a un campo clínico alternativo también se ha explorado en esta tesis mediante el desarrollo y prueba de concepto in vivo de novedosos microestimuladores sin cables. Además, esta tesis ha contribuido al desarrollo de modelos informáticos refinados para caracterizar el método de estimulación descrito anteriormente.