Design of an optically-powered neurostimulation retinal prosthesis for the treatment of retinitis pigmentosa and age-related macular degeneration

Abstract

La dégénérescence maculaire liée à l'âge et la rétinite pigmentaire représentent deux causes majeures de pertes de vision, avec des options thérapeutiques limitées. Des prothèses récemment approuvées pour ces affections ont prouvé leur capacité notable à générer des perceptions visuelles artificielles en stimulant électriquement les neurones. Cependant, les implants de première génération nécessitent des câbles traversant le globe oculaire pour l'alimentation et les données, entraînant une chirurgie coûteuse, complexe et susceptible aux infections. L'acuité visuelle rétablie deumeure également limitée, car les méthodes de stimulation utilisées traitent la rétine de manière simplifiée, négligeant l'organisation complexe de cette membrane sensorielle. Pour pallier les défis reliés aux câble percutanés et à l'acuité visuelle, cette thèse présente l'optimisation de l'architecture électronique des implants rétiniens pour la neurostimulation et le neuroenregistrement. Elle présente : 1) la conception d'un circuit intégré optimisé spécifiquement pour une liaison sans-fil infrarouge transpupillaire, 2) l'intégration de ce circuit dans une prothèse rétinienne et sa validation ex vivo, 3) la conception d'un circuit d'enregistrement à fort taux de compression pour cartographier les cellules ganglionnaires. Ces systèmes tiennent compte des contraintes chirurgicales, de biocompatibilité et des limites des liaisons sans fil en termes de bande passante et d'énergie pour un dispositif implantable. La thèse présente une architecture d'implant épirétinien numérique alimenté par un lien optique infrarouge et la première démonstration de la génération d'une réponse des cellules ganglionnaires avec une telle architecture. Elle introduit également le premier système de neuroenregistrement intégrant un convertisseur analogique événementiel et un algorithme de compression numérique, offrant un taux de compression élevé tout en maintenant une faible consommation énergétique. La réalisation de ce projet de recherche supporte non seulement la technologie utilisée pour une prochaine génération d'implants épirétiniens plus sûrs, accessibles et efficaces, mais soutiendra également le développement d'une meilleur compréhension du système neuronal et apportera des traitements pour des maladies neurologiques et sensorielles intraitables à ce jour.Abstract : Age-related macular degeneration and retinitis pigmentosa represent two major causes of vision loss, with limited treatment options. Recently-approved prostheses for these conditions have demonstrated their notable ability to generate artificial visual perceptions by electrically stimulating neurons. However, first-generation implants require cables crossing the eyeball for power and data, resulting in expensive, complex and infection-prone surgery. Restorable visual acuity is also limited, as the existing stimulation methods treat the retina in a simplified manner, neglecting the complex organization of this sensory membrane. To overcome the challenges of percutaneous wiring and visual acuity, this thesis presents the optimization of the electronic architecture of retinal implants for neurostimulation and neurorecording. It presents: 1) the design of an integrated circuit optimized specifically for a transpupillary infrared wireless link, 2) the integration of this circuit into a retinal prosthesis and its ex vivo validation, and 3) the design of a high compression rate recording circuit for ganglion cell mapping. These systems take into account surgical constraints, biocompatibility and the bandwidth and energy limitations of wireless links for an implantable device. The thesis presents a digital epiretinal implant architecture powered by an infrared optical link, and the first demonstration of ganglion cell stimulation with such an architecture. It also introduces the first neuro-recording system integrating an event-driven analog converter and a digital compression algorithm, offering high compression rates while maintaining low energy consumption. The completion of this research project not only supports the technologies used for the next generation of safer, more accessible and effective epiretinal implants, but will also underpin the development of a better understanding of the neural system, and provide treatments for neurological and sensory diseases that have been untreatable to date