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MARSEILLE, les 4, 5, 6 Mai 2004
7ème Journées Nationales du Réseau Doctoral de Microélectronique
Conception, vérification et test de circuits analogiques haute tension
Application : Stimulation Application : Stimulation Electrique FonctionnelleElectrique Fonctionnelle
J.D Técher, G. Cathébras, S. Bernard, Y. Bertrand et D. Guiraud
Département de Microélectronique du LIRMM
Introduction : ContexteIntroduction : Contexte
RestaurationRestauration de la locomotion de la locomotion :
02/16
Introduction : ContexteIntroduction : Contexte
RestaurationRestauration de la locomotion de la locomotion :
03/16
Introduction : ContexteIntroduction : Contexte
RestaurationRestauration de la locomotion de la locomotion :
03/16
Introduction : ContexteIntroduction : Contexte
RestaurationRestauration de la locomotion de la locomotion :
03/16
Lésion de la moelle épinière
300.000 paraplégiques en Europe
2/3 accidents de la route !
External Control
Implant
SEF
Stimulation Electrique Fonctionnelle
Introduction : ContexteIntroduction : Contexte
RestaurationRestauration de la locomotion de la locomotion :
03/16
Lésion de la moelle épinière
300.000 paraplégiques en Europe
2/3 accidents de la route !
External Control
Implant
SEF
Introduction : ContexteIntroduction : Contexte
Stimulation Electrique Fonctionnelle
RestaurationRestauration de la locomotion de la locomotion :
03/16
Lésion de la moelle épinière
300.000 paraplégiques en Europe
2/3 accidents de la route !
External Control
Implant
SEF
Introduction : ContexteIntroduction : Contexte
Stimulation Electrique Fonctionnelle
RestaurationRestauration de la locomotion de la locomotion :
03/16
Lésion de la moelle épinière
300.000 paraplégiques en Europe
2/3 accidents de la route !
External Control
Implant
SEF
Introduction : ContexteIntroduction : Contexte
Stimulation Electrique Fonctionnelle
RestaurationRestauration de la locomotion de la locomotion :
03/16
Lésion de la moelle épinière
300.000 paraplégiques en Europe
2/3 accidents de la route !
External Control
Implant
SEF
Introduction : ContexteIntroduction : Contexte
Stimulation Electrique Fonctionnelle
RestaurationRestauration de la locomotion de la locomotion :
03/16
Lésion de la moelle épinière
300.000 paraplégiques en Europe
2/3 accident de la route !
External Control
Implant
SEF
Introduction : ContexteIntroduction : Contexte
Stimulation Electrique Fonctionnelle
RestaurationRestauration de la locomotion de la locomotion :
03/16
Lésion de la moelle épinière
300.000 paraplégiques en Europe
2/3 accident de la route !
Stimulation Electrique Fonctionnelle : Contraction musculaire
Phase de Stimulation
I
Impulsion de courant :
Introduction : ContexteIntroduction : Contexte
Phase de compensation de charge
( éviter les effets d’électrolyse )
I/10
04/16
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 muscleExterne
Stimulation Electrique Fonctionnelle :
Introduction : ContexteIntroduction : Contexte
05/16
Interne
Introduction : ContexteIntroduction : Contexte
Projet Stand Up And Walk :Projet Stand Up And Walk :
1996-00: European Project SUAW (Stand Up And Walk)
FES Technique
Technique de Stimulation Électrique Fonctionnelle
2 patients ont été implantés
06/16
Projet Stand Up And Walk :Projet Stand Up And Walk :
Introduction : ContexteIntroduction : Contexte
06/16
© Pr. Rabischong – SUAW Project
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 chargesASIC : Cahier des charges
07/16
© Pr. Rabischong – SUAW Project
ASIC : Vue d’ensembleASIC : 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
nerf
ÉlectrodeÉlectrode
K1K1
K2K2
K3K3
K4K4
Ano
de
K3
K1
K2
K4
Anode
09/16
nerf
ÉlectrodeÉlectrode
K1K1
K2K2
K3K3
K4K4
Ano
de
K3
K1
K2
K4
Anode
09/16
I1 = ¼.IAI4 = ¾.IA
I2 = 0.IA I3 = 0.IA
IA
ASIC : Etage de sortieASIC : Etage de sortie
Répartition du courant 4 pôles (1/2; 1/4 ; 3/4; 1/3; …)
K4
K1K2K3
K4
K1K2K3
Etagede
Sortie
CAN
Circuit Analogique
Pompede
Charge
Courant d’Anode
( Ist )
Ist4
K3
K1
K2
K4
Anode
nerf
Ist4Ist
Ist3Ist2
Ist1
10/16
ASIC : Etage de sortieASIC : Etage de sortie
Décharge de l’électrode Valeur Idécharge < 10% de Istimulation
Décharge > 90% en 19 ms
K4
K1K2K3
K4
K1K2K3
Etagede
Sortie
CAN
Circuit Analogique
Pompede
Charge
Courant de
compensation
Courant d’Anode
( Ist )
Ist4
K3
K1
K2
K4
Anode
nerf
Ist4Ist
Ist3Ist2
Ist1
10/16
ASIC : Etage de sortieASIC : Etage de sortie
Répartition du courant 4 pôles (1/2; 1/4 ; 3/4; 1/3; …)
Décharge de l’électrode Valeur Idécharge < 10% de Istimulation
Décharge > 90% en 19 ms
Multiplexage des Alimentations VElectrode = f (Istimulation)
K4
K1K2K3
K4
K1K2K3
Etagede
Sortie
CAN
Circuit Analogique
Pompede
Charge
10/16
Zx
Vx
Kx
Vout
Anode
ASIC : PrototypeASIC : Prototype
CNAC
NA
Pompe de Charge
Etage de
Sortie
Etage de
Sortie
11/16
ASIC : ValidationASIC : Validation
FPGA
ASIC
12/16
ASIC : ValidationASIC : Validation
Ist = Ist1 + Ist2 + Ist3 + Ist4
1\2
1\2
Ist4
Ist3
12Ist3 = Ist
12Ist4 = Ist
13/16
Ist4
K3
K1
K2
K4
Anode
nerf
Ist4Ist
Ist3Ist2
Ist1
ASIC : ValidationASIC : Validation
1\3
2\3
2\3
1\3
Ist4
Ist3
Ist = Ist1 + Ist2 + Ist3 + Ist4
14/16
Ist4
K3
K1
K2
K4
Anode
nerf
Ist4Ist
Ist3Ist2
Ist1
ASIC : ValidationASIC : Validation
Ist = Ist1 + Ist2 + Ist3 + Ist4
Ist4
I/10
I
15/16
Ist4
K3
K1
K2
K4
Anode
nerf
Ist4Ist
Ist3Ist2
Ist1
Circuit #1 Validation de la fonctionnalité Test In vitro ( prochaine étape ) Test In vivo ( animal )
Circuit #2Conception :
• Test• Fiabilité• Sécurité
ConclusionConclusion
16/16