Optimising the outcome of neuromodulation for faecal incontinence and constipation

This thesis begins with a summary of the general management of faecal incontinence and constipation. This is followed by a review of the literature to support the use of neuromodulation for these conditions. The first study reports the effect of alteration of pulse width and frequency on sacral nerve stimulation for constipation. The next study investigates the outcome of transcutaneous stimulation of the sacrum for faecal incontinence. The outcome of pudendal nerve stimulation is reported for those who have failed to improve with sacral nerve stimulation. Lastly the effect of unilateral transcutaneous posterior tibial nerve stimulation is studied and applied to bilateral stimulation.Open Acces

A Wireless, High-Voltage Compliant, and Energy-Efficient Visual Intracortical Microstimulator

RÉSUMÉ L’objectif général de ce projet de recherche est la conception, la mise en oeuvre et la validation d’une interface sans fil intracorticale implantable en technologie CMOS avancée pour aider les personnes ayant une déficience visuelle. Les défis majeurs de cette recherche sont de répondre à la conformité à haute tension nécessaire à travers l’interface d’électrode-tissu (IET), augmenter la flexibilité dans la microstimulation et la surveillance multicanale, minimiser le budget de puissance pour un dispositif biomédical implantable, réduire la taille de l’implant et améliorer le taux de transmission sans fil des données. Par conséquent, nous présentons dans cette thèse un système de microstimulation intracorticale multi-puce basée sur une nouvelle architecture pour la transmission des données sans fil et le transfert de l’énergie se servant de couplages inductifs et capacitifs. Une première puce, un générateur de stimuli (SG) éconergétique, et une autre qui est un amplificateur de haute impédance se connectant au réseau de microélectrodes de l’étage de sortie. Les 4 canaux de générateurs de stimuli produisent des impulsions rectangulaires, demi-sinus (DS), plateau-sinus (PS) et autres types d’impulsions de courant à haut rendement énergétique. Le SG comporte un contrôleur de faible puissance, des convertisseurs numérique-analogiques (DAC) opérant en mode courant, générateurs multi-forme d’ondes et miroirs de courants alimentés sous 1.2 et 3.3V se servant pour l’interface entre les deux technologies utilisées. Le courant de stimulation du SG varie entre 2.32 et 220μA pour chaque canal. La deuxième puce (pilote de microélectrodes (MED)), une interface entre le SG et de l’arrangement de microélectrodes (MEA), fournit quatre niveaux différents de courant avec la valeur maximale de 400μA par entrée et 100μA par canal de sortie simultanément pour 8 à 16 sites de stimulation à travers les microélectrodes, connectés soit en configuration bipolaire ou monopolaire. Cette étage de sortie est hautement configurable et capable de délivrer une tension élevée pour satisfaire les conditions de l’interface à travers l’impédance de IET par rapport aux systèmes précédemment rapportés. Les valeurs nominales de plus grandes tensions d’alimentation sont de ±10V. La sortie de tension mesurée est conformément 10V/phase (anodique ou cathodique) pour les tensions d’alimentation spécifiées. L’incrémentation de tensions d’alimentation à ±13V permet de produire un courant de stimulation de 220μA par canal de sortie permettant d’élever la tension de sortie jusqu’au 20V par phase. Cet étage de sortie regroupe un commutateur haute tension pour interfacer une matrice des miroirs de courant (3.3V /20V), un registre à décalage de 32-bits à entrée sérielle, sortie parallèle, et un circuit dédié pour bloquer des états interdits.----------ABSTRACT The general objective of this research project is the design, implementation and validation of an implantable wireless intracortical interface in advanced CMOS technology to aid the visually impaired people. The major challenges in this research are to meet the required highvoltage compliance across electrode-tissue interface (ETI), increase lexibility in multichannel microstimulation and monitoring, minimize power budget for an implantable biomedical device, reduce the implant size, and enhance the data rate in wireless transmission. Therefore, we present in this thesis a multi-chip intracortical microstimulation system based on a novel architecture for wireless data and power transmission comprising inductive and capacitive couplings. The first chip is an energy-efficient stimuli generator (SG) and the second one is a highimpedance microelectrode array driver output-stage. The 4-channel stimuli-generator produces rectangular, half-sine (HS), plateau-sine (PS), and other types of energy-efficient current pulse. The SG is featured with low-power controller, current mode source- and sinkdigital- to-analog converters (DACs), multi-waveform generators, and 1.2V/3.3V interface current mirrors. The stimulation current per channel of the SG ranges from 2.32 to 220μA per channel. The second chip (microelectrode driver (MED)), an interface between the SG and the microelectrode array (MEA), supplies four different current levels with the maximum value of 400μA per input and 100μA per output channel. These currents can be delivered simultaneously to 8 to 16 stimulation sites through microelectrodes, connected either in bipolar or monopolar configuration. This output stage is highly-configurable and able to deliver higher compliance voltage across ETI impedance compared to previously reported designs. The nominal values of largest supply voltages are ±10V. The measured output compliance voltage is 10V/phase (anodic or cathodic) for the specified supply voltages. Increment of supply voltages to ±13V allows 220μA stimulation current per output channel enhancing the output compliance voltage up to 20V per phase. This output-stage is featured with a high-voltage switch-matrix, 3.3V/20V current mirrors, an on-chip 32-bit serial-in parallel-out shift register, and the forbidden state logic building blocks. The SG and MED chips have been designed and fabricated in IBM 0.13μm CMOS and Teledyne DALSA 0.8μm 5V/20V CMOS/DMOS technologies with silicon areas occupied by them 1.75 x 1.75mm2 and 4 x 4mm2 respectively. The measured DC power budgets consumed by low-and mid-voltage microchips are 2.56 and 2.1mW consecutively

Wireless tools for neuromodulation

Epilepsy is a spectrum of diseases characterized by recurrent seizures. It is estimated that 50 million individuals worldwide are affected and 30% of cases are medically refractory or drug resistant. Vagus nerve stimulation (VNS) and deep brain stimulation (DBS) are the only FDA approved device based therapies. Neither therapy offers complete seizure freedom in a majority of users. Novel methodologies are needed to better understand mechanisms and chronic nature of epilepsy. Most tools for neuromodulation in rodents are tethered. The few wireless devices use batteries or are inductively powered. The tether restricts movement, limits behavioral tests, and increases the risk of infection. Batteries are large and heavy with a limited lifetime. Inductive powering suffers from rapid efficiency drops due to alignment mismatches and increased distances. Miniature wireless tools that offer behavioral freedom, data acquisition, and stimulation are needed. This dissertation presents a platform of electrical, optical and radiofrequency (RF) technologies for device based neuromodulation. The platform can be configured with features including: two channels differential recording, one channel electrical stimulation, and one channel optical stimulation. Typical device operation consumes less than 4 mW. The analog front end has a bandwidth of 0.7 Hz - 1 kHz and a gain of 60 dB, and the constant current driver provides biphasic electrical stimulation. For use with optogenetics, the deep brain optical stimulation module provides 27 mW/mm2 of blue light (473 nm) with 21.01 mA. Pairing of stimulating and recording technologies allows closed-loop operation. A wireless powering cage is designed using the resonantly coupled filter energy transfer (RCFET) methodology. RF energy is coupled through magnetic resonance. The cage has a PTE ranging from 1.8-6.28% for a volume of 11 x 11 x 11 in3. This is sufficient to chronically house subjects. The technologies are validated through various in vivo preparations. The tools are designed to study epilepsy, SUDEP, and urinary incontinence but can be configured for other studies. The broad application of these technologies can enable the scientific community to better study chronic diseases and closed-loop therapies

Neurostimulateur hautement intégré et nouvelle stratégie de stimulation pour améliorer la miction chez les paraplégiques

RÉSUMÉ Une lésion de la moelle épinière est un problème dévastateur médicalement et socialement. Pour la population des États-Unis seulement, il y a près de 10 000 nouveaux cas chaque année. A cause des nombreux types de lésions possibles, divers degrés de dysfonctionnement du bas appareil urinaire peuvent en découler. Une lésion est dite complète lors d’une perte totale des fonctions sensorielles et motrices volontaires en dessous du niveau de la lésion. Une lésion incomplète implique que certaines activités sensorielles et/ou motrices soient encore présentes. Si la lésion se produit au dessus du cône médullaire, la vessie développera une hyperréflexie qui se manifeste par des contractions réflexes non-inhibées. Ces contractions peuvent être accompagnées d’une augmentation de l’activité du sphincter externe. Par conséquent, cela mène à un état d’obstruction fonctionnelle de la vessie, qui induit une forte pression intravésicale à chacune des contractions réflexes et qui peut potentiellement endommager le haut appareil urinaire. Dans ce contexte, la neurostimulation est l'une des techniques les plus prometteuses pour la réhabilitation de la vessie chez les patients ayant subi une lésion de la moelle épinière. Le seul neurostimulateur implantable commercialisé, ciblant l'amélioration de la miction et ayant obtenu des résultats satisfaisants, nécessite une rhizotomie (section de certains nerfs) afin de réduire la dyssynergie entre la vessie et le sphincter. Cependant, la rhizotomie est irréversible et peut abolir les réflexes sexuels, de défécation ainsi que les sensations sacrales si encore présents dans le cas de lésions incomplètes. Afin d'éviter la rhizotomie, nous proposons une nouvelle stratégie de stimulation multi-site appliquée aux racines sacrées, et basée sur le blocage de la conduction des nerfs à l'aide d'une stimulation à haute fréquence comme alternative à la rhizotomie. Cette approche permettrait une meilleure miction en augmentant sélectivement la contraction de la vessie et en diminuant la dyssynergie. Huit expériences en phase aigüe ont étés menées sur des chiens pour vérifier la réponse de la vessie et du sphincter urétral externe à la stratégie de stimulation proposée. Le blocage à haute-fréquence (1 kHz) combiné à la stimulation basse-fréquence (30 Hz), a augmenté la différence de pression intra-vésicale/intra-urétrale moyenne jusqu'à 53 cmH2O et a réduit la pression intra-urétrale moyenne jusqu'à hauteur de 86 % relativement au niveau de référence. Dans l’objectif de tester la stratégie de neurostimulation proposée avec des expériences animales en phase chronique, un dispositif de neurostimulation implantable est requis. Un prototype discret implémentant cette stratégie de stimulation a été réalisé en utilisant uniquement des composants discrets disponibles commercialement. Ce prototype est capable de générer des impulsions à une fréquence aussi basse que 18 Hz tout en générant simultanément une forme d’onde alternative à une fréquence aussi haute que 8.6 kHz, et ce sur de multiples canaux. Lorsque tous les étages de stimulation et leurs différentes sorties sont activés avec des fréquences d’impulsions (2 mA, 217 μs) et de sinusoïdes de 30 Hz et 1 kHz respectivement, la consommation de puissance totale est autour de 4.5 mA (rms). Avec 50 mW de puissance inductive disponible par exemple et 4.5 mA de consommation de courant, le régulateur haute-tension peut être réglé à 10 V permettant ainsi une stimulation de 2 mA avec une impédance nerf-électrode de 4.4 kΩ. Le nombre effectif de sorties activées et le maximum réalisable des paramètres de stimulation sont limités par l’énergie disponible fournie par le lien inductif et l’impédance des interfaces nerf-électrode. Cependant, une plus grande intégration du neurostimulateur devient de plus en plus nécessaire à des fins de miniaturisation, de réduction de consommation de puissance, et d’augmentation du nombre de canaux de stimulation. Comme première étape vers une intégration totale, nous présentons la conception d’un neurostimulateur hautement intégré et qui peut être assemblé sur un circuit imprimé de 21 mm de diamètre. Le prototype est basé sur trois circuits intégrés, dédiés et fabriqués en technologie CMOS haute-tension, ainsi qu’un FPGA miniature à faible puissance et disponible commercialement. En utilisant une approche basée sur un abaisseur de tension, où la tension induite est laissée libre jusqu’à 20 V, l’étage d’entrée de récupération de puissance inductive et de données est totalement intégré.----------ABSTRACT Spinal cord injury (SCI) is a devastating condition medically and socially. For the population of USA only, the incidence is around 10 000 new cases per year. SCI leads to different degrees of dysfunction of the lower urinary tract due to a large variety of possible lesions. With a complete lesion, there is a complete loss of sensory and motor control below the level of lesion. An incomplete lesion implies that some sensory and/or motor activity is still present. Most patients with suprasacral SCI suffer from detrusor over-activity (DO) and detrusor sphincter dyssynergia (DSD). DSD leads to high intravesical pressure, high residual urine, urinary tract infection, and deterioration of the upper urinary tract. In this context, neurostimulation is one of the most promising techniques for bladder rehabilitation in SCI patients. The only commercialized implantable neurostimulator aiming for improved micturition and having obtained satisfactory results requires rhizotomy to reduce DSD. However, rhizotomy is irreversible and may abolish sexual and defecation reflexes as well as sacral sensations, if still present in case of incomplete SCI. In order to avoid rhizotomy, we propose a new multisite stimulation strategy applied to sacral roots, and based on nerve conduction blockade using high-frequency stimulation as an alternative to rhizotomy. This approach would allow a better micturition by increasing bladder contraction selectively and decreasing dyssynergia. Eight acute dog experiments were carried out to verify the bladder and the external urethral sphincter responses to the proposed stimulation strategy. High-frequency blockade (1 kHz) combined with low-frequency stimulation (30 Hz) increased the average intravesical-intraurethral pressure difference up to 53 cmH2O and reduced the average intraurethral pressure with respect to baseline by up to 86 %. To test the proposed neurostimulation strategy during chronic animal experiments, an implantable neurostimulateur is required. A discrete prototype implementing the proposed stimulation strategy has been designed using commercially available discrete components. This prototype is capable of generating a low frequency pulse waveform as low as 18 Hz with a simultaneous high frequency alternating waveform as high as 8.6 kHz, and that over different and multiple channels

A BIONIC EYEBLINK: MANAGEMENT OF FACIAL PALSY

This thesis highlights the current gold-standard surgical procedures for the rehabilitation of mimicry in individuals with facial paralysis and explores the potential application of functional electrical stimulation (FES) as a novel treatment restoring the face mimicry. Closed-loop facial pacing represents an innovative solution for prosthetically assisted movements. In particular, blinking is typically symmetrical, enabling healthy eye blink on one side of the face to serve as a trigger to pace assisted blinks on the contralateral side, in case of unilateral peripheral facial palsy. The goals of this research are developing an eyeblink detection system and advancing the understanding of performing surface FES of the facial nerve in order to elicit artificial eyeblinks. The application of a biomimetic device to individuals with acute reversible facial palsy would provide immediate restoration of the periocular function and could be used until either the patient recovers sufficient function to no longer require assistance for eye closure, or the decision is made to proceed with further surgery

Investigation and Quantification of FES Exercise – Isometric Electromechanics and Perceptions of Its Usage as an Exercise Modality for Various Populations

Functional Electrical Stimulation (FES) is the triggering of muscle contraction by use of an electrical current. It can be used to give paralyzed individuals several health benefits, through allowing artificial movement and exercise. Although many FES devices exist, many aspects require innovation to increase usability and home translation. In addition, the effect of changing electrical parameters on limb biomechanics is not entirely understood; in particular with regards to stimulation duty cycle. This thesis has two distinct components. In the first (public health component), interview studies were conducted to understand several issues related to FES technology enhancement, implementation and home translation. In the second (computational biomechanics component), novel signal processing algorithms were designed that can be used to measure mechanical responses of muscles subjected to electrical stimulation. These experiments were performed by changing duty cycle and measuring its effect on quadriceps-generated knee torque. The studies of this thesis have presented several ideas, toolkits and results which have the potential to guide future FES biomechanics studies and the translatability of systems into regular usage for patients. The public health studies have provided conceptual frameworks upon which FES may be used in the home by patients. In addition, they have elucidated a range of issues that need to be addressed should FES technology reach its true potential as a therapy. The computational biomechanics studies have put forward novel data analysis techniques which may be used for understanding how muscle responds to electrical stimulation, as measured via torque. Furthermore, the effect of changing the electrical stimulation duty cycle on torque was successfully described, adding to an understanding of how electrical stimulation parameter modulation can influence joint biomechanics

Application of angular rate gyroscopes as sensors in electrical orthoses for foot drop correction

EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo