 MARSEILLE, les 4, 5, 6 Mai 2004  7 ème Journées Nationales du Réseau Doctoral de Microélectronique Application : Stimulation Electrique Fonctionnelle.

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1  MARSEILLE, les 4, 5, 6 Mai 2004  7 ème Journées Nationales du Réseau Doctoral de Microélectronique Application : Stimulation Electrique Fonctionnelle Conception, vérification et test de circuits analogiques haute tension Application : Stimulation Electrique Fonctionnelle J.D Técher, G. Cathébras, S. Bernard, Y. Bertrand et D. Guiraud Département de Microélectronique du LIRMM

2 Introduction : Contexte  Restauration de la locomotion  Restauration de la locomotion : 02/16

3 Introduction : Contexte  Restauration de la locomotion  Restauration de la locomotion : 03/16

4 Introduction : Contexte  Restauration de la locomotion  Restauration de la locomotion : 03/16

5 Introduction : Contexte  Restauration de la locomotion  Restauration de la locomotion : 03/16 Lésion de la moelle épinière 300.000 paraplégiques en Europe 2/3 accidents de la route !

6 External Control Implant SEF Stimulation Electrique Fonctionnelle Introduction : Contexte  Restauration de la locomotion  Restauration de la locomotion : 03/16 Lésion de la moelle épinière 300.000 paraplégiques en Europe 2/3 accidents de la route !

7 External Control Implant SEF Introduction : Contexte Stimulation Electrique Fonctionnelle  Restauration de la locomotion  Restauration de la locomotion : 03/16 Lésion de la moelle épinière 300.000 paraplégiques en Europe 2/3 accidents de la route !

8 External Control Implant SEF Introduction : Contexte Stimulation Electrique Fonctionnelle  Restauration de la locomotion  Restauration de la locomotion : 03/16 Lésion de la moelle épinière 300.000 paraplégiques en Europe 2/3 accidents de la route !

9 External Control Implant SEF Introduction : Contexte Stimulation Electrique Fonctionnelle  Restauration de la locomotion  Restauration de la locomotion : 03/16 Lésion de la moelle épinière 300.000 paraplégiques en Europe 2/3 accidents de la route !

10 External Control Implant SEF Introduction : Contexte Stimulation Electrique Fonctionnelle  Restauration de la locomotion  Restauration de la locomotion : 03/16 Lésion de la moelle épinière 300.000 paraplégiques en Europe 2/3 accident de la route !

11 External Control Implant SEF Introduction : Contexte Stimulation Electrique Fonctionnelle  Restauration de la locomotion  Restauration de la locomotion : 03/16 Lésion de la moelle épinière 300.000 paraplégiques en Europe 2/3 accident de la route !

12  Stimulation Electrique Fonctionnelle : Contraction musculaire Phase de Stimulation I  Impulsion de courant : Introduction : Contexte Phase de compensation de charge ( éviter les effets d’électrolyse ) I/10 04/16

13  Stimulation Externe Électrodes sont en contact avec la peau Puissance : 2 W  Stimulation Interne Électrodes sont attachées sur le muscle (Epimysial) ou le nerf ( Neural ) Puissance : Neural => 2 mW Epimysial => 50 mW Meilleur contrôle du muscle Externe  Stimulation Electrique Fonctionnelle : Introduction : Contexte 05/16 Interne

14 Introduction : Contexte  Projet Stand Up And Walk : 1996-00: European Project SUAW (Stand Up And Walk) FES Technique u Technique de Stimulation Électrique Fonctionnelle u 2 patients ont été implantés 06/16

15  Projet Stand Up And Walk : Introduction : Contexte 06/16 © Pr. Rabischong – SUAW Project

16  Courant de stimulation Amplitude : 0 à 5 mA Durée : 0 à 1 ms  Intervention chirurgicale minimale Test durant l’opération Diagnostic Réparation  Sûreté de fonctionnement Test en fonctionnement Conception robuste (environnement et évolution)  Electrode Autonome Consommation minimale ASIC : Cahier des charges 07/16 © Pr. Rabischong – SUAW Project

17 ASIC : Vue d’ensemble Anode Contrôle ( VHDL ) Circuit numérique Générateur HT (Pompe de Charge) Etage de Sortie Circuit analogique K4 (Cathode4) K1 (Cathode1) K2 (Cathode2) ( Full Custom ) Convert. Numérique/ Analogique K3 (Cathode3) 08/16

18 nerfÉlectrode K1 K2 K3 K4 Anode K3 K1 K2 K4 Anode 09/16

19 nerfÉlectrode K1 K2 K3 K4 Anode K3 K1 K2 K4 Anode 09/16 I 1 = ¼.I A I 4 = ¾.I A I 2 = 0.I A I 3 = 0.I A IAIA

20 ASIC : Etage de sortie  Répartition du courant 4 pôles (1/2; 1/4 ; 3/4; 1/3; …) K4 K1 K2 K3 K4 K1 K2 K3 Etage de Sortie CAN Circuit Analogique Pompe de Charge Courant d’Anode ( I st ) I st4 K3 K1 K2 K4 Anode nerf I st4 I st I st3 I st2 I st1 10/16

21 ASIC : Etage de sortie  Décharge de l’électrode Valeur I décharge < 10% de I stimulation Décharge > 90% en 19 ms K4 K1 K2 K3 K4 K1 K2 K3 Etage de Sortie CAN Circuit Analogique Pompe de Charge Courant de compensation Courant d’Anode ( I st ) I st4 K3 K1 K2 K4 Anode nerf I st4 I st I st3 I st2 I st1 10/16

22 ASIC : Etage de sortie  Répartition du courant 4 pôles (1/2; 1/4 ; 3/4; 1/3; …)  Décharge de l’électrode Valeur I décharge < 10% de I stimulation Décharge > 90% en 19 ms  Multiplexage des Alimentations V Electrode = f (I stimulation ) K4 K1 K2 K3 K4 K1 K2 K3 Etage de Sortie CAN Circuit Analogique Pompe de Charge 10/16 Zx Vx Kx Vout Anode

23 ASIC : Prototype CNA Pompe de Charge Etage de Sortie 11/16

24 ASIC : Validation FPGA ASIC 12/16

25 ASIC : Validation I st = I st1 + I st2 + I st3 + I st4 1\2 I st4 I st3 1 2 I st3 = I st 1 2 I st4 = I st 13/16 I st4 K3 K1 K2 K4 Anode nerf I st4 I st I st3 I st2 I st1

26 ASIC : Validation 1\3 2\3 1\3 I st4 I st3 I st = I st1 + I st2 + I st3 + I st4 14/16 I st4 K3 K1 K2 K4 Anode nerf I st4 I st I st3 I st2 I st1

27 ASIC : Validation I st = I st1 + I st2 + I st3 + I st4 I st4 I/10 I 15/16 I st4 K3 K1 K2 K4 Anode nerf I st4 I st I st3 I st2 I st1

28  Circuit #1 Validation de la fonctionnalité Test In vitro ( prochaine étape ) Test In vivo ( animal )  Circuit #2 Conception : Test Fiabilité Sécurité Conclusion 16/16