Biointegrated and wirelessly powered implantable brain devices: a review

Implantable neural interfacing devices have added significantly to neural engineering by introducing the low-frequency oscillations of small populations of neurons known as local field potential as well as high-frequency action potentials of individual neurons. Regardless of the astounding progression as of late, conventional neural modulating system is still incapable to achieve the desired chronic in vivo implantation. The real constraint emerges from mechanical and physical diffierences between implants and brain tissue that initiates an inflammatory reaction and glial scar formation that reduces the recording and stimulation quality. Furthermore, traditional strategies consisting of rigid and tethered neural devices cause substantial tissue damage and impede the natural behaviour of an animal, thus hindering chronic in vivo measurements. Therefore, enabling fully implantable neural devices, requires biocompatibility, wireless power/data capability, biointegration using thin and flexible electronics, and chronic recording properties. This paper reviews biocompatibility and design approaches for developing biointegrated and wirelessly powered implantable neural devices in animals aimed at long-term neural interfacing and outlines current challenges toward developing the next generation of implantable neural devices

Implantable Micro-Device for Epilepsy Seizure Detection and Subsequent Treatment

RÉSUMÉ L’émergence des micro-dispositifs implantables est une voie prometteuse pour le traitement de troubles neurologiques. Ces systèmes biomédicaux ont été exploités comme traitements non-conventionnels sur des patients chez qui les remèdes habituels sont inefficaces. Les récents progrès qui ont été faits sur les interfaces neuronales directes ont permis aux chercheurs d’analyser l’activité EEG intracérébrale (icEEG) en temps réel pour des fins de traitements. Cette thèse présente un dispositif implantable à base de microsystèmes pouvant capter efficacement des signaux neuronaux, détecter des crises d’épilepsie et y apporter un traitement afin de l’arrêter. Les contributions principales présentées ici ont été rapportées dans cinq articles scientifiques, publiés ou acceptés pour publication dans les revues IEEE, et plusieurs autres tels que «Low Power Electronics» et «Emerging Technologies in Computing». Le microsystème proposé inclus un circuit intégré (CI) à faible consommation énergétique permettant la détection de crises d’épilepsie en temps réel. Cet CI comporte une pré-amplification initiale et un détecteur de crises d’épilepsie. Le pré-amplificateur est constitué d’une nouvelle topologie de stabilisateur d’hacheur réduisant le bruit et la puissance dissipée. Les CI fabriqués ont été testés sur des enregistrements d’icEEG provenant de sept patients épileptiques réfractaires au traitement antiépileptique. Le délai moyen de la détection d’une crise est de 13,5 secondes, soit avant le début des manifestations cliniques évidentes. La consommation totale d’énergie mesurée de cette puce est de 51 μW. Un neurostimulateur à boucle fermée (NSBF), quant à lui, détecte automatiquement les crises en se basant sur les signaux icEEG captés par des électrodes intracrâniennes et permet une rétroaction par une stimulation électrique au même endroit afin d’interrompre ces crises. La puce de détection de crises et le stimulateur électrique à base sur FPGA ont été assemblés à des électrodes afin de compléter la prothèse proposée. Ce NSBF a été validé en utilisant des enregistrements d’icEEG de dix patients souffrant d’épilepsie réfractaire. Les résultats révèlent une performance excellente pour la détection précoce de crises et pour l’auto-déclenchement subséquent d’une stimulation électrique. La consommation énergétique totale du NSBF est de 16 mW. Une autre alternative à la stimulation électrique est l’injection locale de médicaments, un traitement prometteur de l’épilepsie. Un système local de livraison de médicament basé sur un nouveau détecteur asynchrone des crises est présenté.----------ABSTRACT Emerging implantable microdevices hold great promise for the treatment of patients with neurological conditions. These biomedical systems have been exploited as unconventional treatment for the conventionally untreatable patients. Recent progress in brain-machine-interface activities has led the researchers to analyze the intracerebral EEG (icEEG) recording in real-time and deliver subsequent treatments. We present in this thesis a long-term safe and reliable low-power microsystem-based implantable device to perform efficient neural signal recording, seizure detection and subsequent treatment for epilepsy. The main contributions presented in this thesis are reported in five journal manuscripts, published or accepted for publication in IEEE Journals, and many others such as Low Power Electronics, and Emerging Technologies in Computing. The proposed microsystem includes a low-power integrated circuit (IC) intended for real-time epileptic seizure detection. This IC integrates a front-end preamplifier and epileptic seizure detector. The preamplifier is based on a new chopper stabilizer topology that reduces noise and power dissipation. The fabricated IC was tested using icEEG recordings from seven patients with drug-resistant epilepsy. The average seizure detection delay was 13.5 sec, well before the onset of clinical manifestations. The measured total power consumption of this chip is 51 µW. A closed-loop neurostimulator (CLNS) is next introduced, which is dedicated to automatically detect seizure based on icEEG recordings from intracranial electrode contacts and provide an electrical stimulation feedback to the same contacts in order to disrupt these seizures. The seizure detector chip and a dedicated FPGA-based electrical stimulator were assembled together with common recording electrodes to complete the proposed prosthesis. This CLNS was validated offline using recording from ten patients with refractory epilepsy, and showed excellent performance for early detection of seizures and subsequent self-triggering electrical stimulation. Total power consumption of the CLNS is 16 mW. Alternatively, focal drug injection is the promising treatment for epilepsy. A responsive focal drug delivery system based on a new asynchronous seizure detector is also presented. The later system with data-dependent computation reduces up to 49% power consumption compared to the previous synchronous neurostimulator

Brain and Human Body Modeling

This open access book describes modern applications of computational human modeling with specific emphasis in the areas of neurology and neuroelectromagnetics, depression and cancer treatments, radio-frequency studies and wireless communications. Special consideration is also given to the use of human modeling to the computational assessment of relevant regulatory and safety requirements. Readers working on applications that may expose human subjects to electromagnetic radiation will benefit from this book’s coverage of the latest developments in computational modelling and human phantom development to assess a given technology’s safety and efficacy in a timely manner. Describes construction and application of computational human models including anatomically detailed and subject specific models; Explains new practices in computational human modeling for neuroelectromagnetics, electromagnetic safety, and exposure evaluations; Includes a survey of modern applications for which computational human models are critical; Describes cellular-level interactions between the human body and electromagnetic fields