Génération de stimuli efficaces en énergie pour la microstimulation électrique intracorticale

RÉSUMÉ Ce mémoire a comme objectif principal la mise en oeuvre de circuits dédiés à l’amélioration de l’efficacité de la stimulation électrique de tissus situés au niveau du cortex visuel primaire. Le stimulateur proposé permet la génération de nouveaux stimuli flexibles de forme exponentielle et demi-sinusoïdale dans l’optique de réduire la consommation de puissance globale de l’implant. En plus d’être potentiellement plus efficaces que les stimulations rectangulaires standard pour exciter les tissus, ces formes d’impulsions permettraient également de réduire la concentration d’ions toxiques relâchés par les électrodes. Le second objectif de ce projet est de permettre la stimulation à pleine échelle, soit au moins 150 µA, à travers l’interface microélectrode-tissus qui est caractérisée par une impédance élevée. Un étage de sortie à haute-tension a donc également été réalisé afin de générer des tensions d’alimentation d’environ ±9 V et d’augmenter ainsi l’excursion de tension des stimuli tout en étant entièrement intégré. Une architecture comportant deux circuits intégrés indépendants est proposée dans ce mémoire. Le générateur de stimuli est implémenté dans la technologie CMOS 0,18-µ m 1,8V/3,3V de TSMC afin de limiter sa consommation de puissance. Pour ce qui est de l’étage de sortie, il est intégré à l’aide du procédé C08E CMOS/DMOS 0,8-µ m 5V/20V de DALSA Semiconductors, technologie supportant les niveaux de tension requis.Les deux puces ainsi fabriquées ont été testées. L’intensité des stimuli rectangulaires couvre une plage de 1,6 à 167,2 µ A des erreurs de non-linéarité différentielle et intégrale de 0,10 et 0,16 LSB respectivement. Les impulsions exponentielles ont une plage dynamique de 34,36 dB pour une erreur de ±0,5 dB par rapport à la fonction théorique. La consommation de puissance du générateur de stimuli atteint en moyenne 29,1 µW en mode rectangulaire et de 28,5 à 88,3 µ W en mode exponentiel. Les résultats obtenus pour la demi-sinusoïde proviennent de simulations. En moyenne, 80,2 % de la durée des impulsions demi-sinusoïdales a une erreur inférieure à ±1 % par rapport à la fonction idéale. Le générateur de stimuli complet consomme de 46,7 à 199,1 µW en mode demi-sinusoïdal. En ce qui a trait à l’étage de sortie, des tensions de 8,95 et -8,46 V sont générées avec succès, permettant à l’excursion de tension d’atteindre 13,6 V à travers une charge de 100 kΩ.----------ABSTRACT This master thesis’ main objective is the implementation of circuits dedicated to electrical stimulation efficiency enhancement for tissues in the primary visual cortex. The proposed stimulator allows novel stimuli waveform generation such as flexible exponential and half-sine pulses in order to reduce the implant’s global power consumption. In addition of being potentially more efficient to excite neural tissues than standard rectangular pulse-based stimulations, these waveforms should also reduce toxic ions concentration released by the electrodes. Moreover, this project’s second objective is to allow full-scale stimulation, i.e., at least 150 µA, through high-impedance microelectrode-tissue interfaces. A high-voltage output stage has also been realized to generate ±9 V voltage supplies to increase the voltage swing while being fully-integrated. An architecture composed of two independent integrated circuits has been proposed. The stimuli generator is implemented in TSMC CMOS 0.18-µ m 1.8V/3.3V technology to limit its power consumption. On the other hand, the output stage is integrated in C08E CMOS/DMOS 0.8- µm 5V/20V process from DALSA Semiconductors as this technology supports the required voltage levels.These two fabricated chips were tested. Rectangular stimuli intensity varies from 1.6 to 167.2 µA with differential and integral nonlinearities of 0.10 and 0.16 LSB, respectively. Exponential pulses show a dynamic range of 34.36 dB for an error of ±0.5 dB with the theoretical waveform. The stimuli generator’s power consumption reaches an average of 29.1 µW in rectangular mode and from 28.5 to 88.3 µW in exponential mode. Half-sine results are obtained from simulations. An average of 80.2 % of half-sine pulse duration has an error lower than ±1 % with the ideal sine function. The whole stimuli generator consumes from 46.7 to 199.1 µW in half-sine mode. For the output stage, voltages of 8.95 and -8.46 V are successfully generated, allowing the output voltage compliance to reach 13.6 V through a 100 kΩ load. However, this chip dissipates 51.37 mW when operating normally

Prototype d'un stimulateur électrique multicanal dédié aux applications interfaces cerveau-machines

RÉSUMÉ L'objectif de ce mémoire de maitrise consiste en la réalisation d'un stimulateur électrique flexible dédié aux applications interfaces cerveau-machines. Il fait partie des efforts mis pour l'investigation du cortex visuel afin de réaliser une prothèse visuelle intracorticale. Le système conçu comporte 8 canaux de stimulation, chacun génère un signal rectangulaire biphasique en courant constant paramétrable et permet de stimuler des valeurs élevées d'impédances résultant de l’interface électrode-tissus biologiques qui peuvent atteindre les 400 kΩ, grâce à une plage de tension de sortie allant à 21 V. Le système réalisé permet de suivre l'opération de stimulation en détectant la valeur de la tension analogique développée aux bornes de l'impédance stimulée, il est aussi capable de renvoyer la valeur de l’amplitude correspondante. Le système complété, appelé µStim, a été réalisé avec des composantes électroniques commerciales et assemblé sur 3 circuits imprimés. Il est contrôlé par une interface graphique conçue en LabView. µStim possède 8 canaux de stimulation et 96 sorties pour qu'il soit possible d'injecter du courant électrique à travers une grande matrice d'électrodes tel que celle d’Utah qui comporte 96 électrodes. Chaque canal de stimulation est capable de générer un courant maximal égal à 250 µA sous forme d'une onde rectangulaire biphasique. µStim possède une matrice des commutateurs configurable qui permet à chaque canal de stimulation d'être connecté à n'importe quelle sortie parmi les 96 disponibles. Le contrôleur principal du système est réalisé à l’aide d’un composant FPGA IGLOO AGL250. Il reçoit et envoie les données depuis et vers l'interface graphique. Il existe deux voies de communication avec l'interface LabView. Une voie sans fil via le module Bluetooth et une autre filaire via le module USB. µStim fonctionne en deux modes, un mode simultané où les canaux de stimulation sont activés en même temps et un mode séquentiel ou les canaux sont activés de façon séquentielle une à la fois. En mode simultané, l’ensemble du système consomme 15,6 W, en mode séquentiel la consommation baisse à 11,3 W. En état de repos la consommation est de l’ordre de 6,5 W. Le module de monitorage mesure le niveau de tension développé sur l'impédance stimulée avec une précision de 0.5 V et la mesure du module d’impédance se fait avec une précision de 4 kΩ.---------- ABSTRACT The objective of this master's thesis is the implementation of a flexible electrical stimulation system dedicated to the stimulation of the visual cortex. It is part of efforts made for the investigation of the visual cortex in order to achieve intra cortical visual prosthesis. The designed system includes 8 channels of stimulation, each generates adjustable biphasic rectangular constant current stimuli, and allows driving high impedance load that can reach 400 kΩ values with a range of output voltage equals to 21 V. The system detects the developed voltage at the stimulated impedance; it is also able to return the value of the impedance magnitude. The proposed system, called μStim, is a platform made with commercially available electronic components. It is assembled on 3 printed circuit boards. It is controlled by a graphical user interface designed with LabView. μStim has 8 stimulation channels and 96 outputs, to be able to drive current into large electrode array as the Utah array of 96 electrode. Each stimulation channel is able to generate a maximum current of 250 µA as a biphasic square wave. μStim has a matrix of configurable switches allowing each stimulation channel to be connected to any of its 96 outputs. The control unit of the system is built around an IGLOO FPGA AGL250. It allows sending and receiving data to and from the graphical user interface. There are two ways for communicating with the interface LabView. Using a wireless link through Bluetooth, or using wired link via USB. μStim operates in two modes, the first mode where the channels are activated simultaneously, and the second one is sequential where channels are activated by switching one after another. The whole system consumes 15.6 W and 11.3 W in simultaneous and sequential mode respectively. In idle state, the power consumption is equal to 6.5 W. The monitoring module provides the level of the impedance voltage with an accuracy of 0.5 V, and the magnitude measurement part has an accuracy of 4 kΩ

WIRELESS POWER MANAGEMENT CIRCUITS FOR BIOMEDICAL IMPLANTABLE SYSTEMS

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Charge Pumps for Implantable Microstimulators in Low and High-Voltage Technologies

RÉSUMÉ L'objectif principal de cette thèse est de concevoir et mettre en œuvre une pompe de charge qui peut produire suffisamment de tension afin de l’implémenter à un système de prothèse visuelle, conçue par le laboratoire PolyStim neurotechnologies. Il a été constaté que l'une des parties les plus consommatrices d'énergie de l'ensemble du système de prothèse visuelle est la pompe de charge. En raison de la nature variable du tissu nerveux et de l'interface d’électrode, la tension nécessaire par stimuler le tissu nerveux est très élevé et consomme extrêmement d’énergie. En outre, afin de fournir du courant biphasique aux électrodes il faut produire des tensions positives et négatives. La génération de tension négative est très difficile, surtout dans les technologies à faible tension compte tenu des limites de la technologie. Le premier objectif du projet est de générer la haute tension nécessaire qui va consommer une faible puissance statique. La technologie de haute tension a été utilisée dans le but d’atteindre cet objectif. Le deuxième objectif est de générer la tension requise dans la technologie de basse tension et ainsi surmonter les limites de la technologie. Dans les deux cas, une attention particulière a été portée afin que personne ne latch-up apparaît pour le cycle négatif. L'architecture de la conception proposée a été présentée dans cette thèse. La pompe de charge a été conçu et mis en oeuvre à la fois dans la technologie CMOS 0,8 μm offert par TELEDYNE DALSA et technologie 0,13 μm CMOS offert par IBM. En raison de la tension requise, 0,8 μm technologie a été utilisée pour atteindre la sortie et conçu pour minimiser la consommation de puissance statique. La même architecture a été mise en oeuvre en technologie 0,13 μm pour enquêter sur la tension de sortie obtenue avec une faible consommation électrique. Les deux puces ont été testées en laboratoire PolyStim. Les résultats testés ont montré une variation moyenne très faible de déviation inférieure à 5% par rapport au résultat de simulation. Pour la conception en 0,8 µm, nous avons été en mesure d'obtenir plus de 25 V avec une consommation électrique très faible d’énergie statique de 3,846 mW et une charge d'entraînement maximum de 2 mA avec un maximum d'efficacité de 84,2%. Pour le même processus en 0,13 µm, les resultats ont été plus que 20V, 0,913 mW, 500 µA, et 85,2% respectivement.----------ABSTRACT The main objective of the thesis is to design and implement a charge pump that can produce enough voltage required to be implemented to the visual prosthesis system, designed by the PolyStim Neurotechnologies laboratory. It has been found that one of the most power consuming parts of the whole visual prosthesis system is the charge pump. Due to the variable nature of the nerve tissue and electrode interface, the required voltage of stimulating the nerve tissue is very high and thus extremely power consuming. Also, in order to provide biphasic current to the electrodes, there is a requirement of generating both positive and negative voltages. Generating negative voltage is very hard especially in low voltage technologies considering the technology limitations. The first objective of the project is to generate required high voltage that will consume low static power. High voltage technology has been used to achieve the goal. The second objective is to generate the required voltage in low voltage technology overcoming the technology limitations. In both cases, special care has been taken so that no latch-up occurs for the negative cycle. Architecture of the proposed design has been presented in this thesis. The charge pump has been designed and implemented in both 0.8 µm CMOS technology offered by TELEDYNE DALSA and 0.13 µm CMOS technology offered by IBM. Because of the required voltage, 0.8 µm technology has been used to achieve the output and designed to minimize the static power consumption. The same architecture has been implemented in 0.13 µm technology to investigate the achievable output voltage with low power consumption. Both the chips have been tested in polyStim laboratory. The tested results have shown very low variation of less than 5% average deflection from the simulation output. For the design in 0.8 µm, we have been able to get more than 25 V output with very low static power consumption of 3.846 mW and maximum drive load of 2 mA with maximum efficiency of 84.2%. For the same design in 0.13 µm, the outputs were more than 20V, 0.913 mW, 500 µA, and 85.2% respectively

Osciladores de ultra-baixa-tensão com aplicação em circuitos de captação de energia

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2014Abstract: This thesis describes the analysis and design of oscillators and charge pumps that can operate with very low supply voltages. The focus is on operation of the MOS transistor in the triode region owing to the limited voltage options available. Special attention has been given to the properties of the zero-VT transistor due to its high drive capability at low voltage. In order to investigate the minimum supply voltage for MOSFET oscillators, three topologies were studied. Two of them, namely the enhanced swing ring and the enhanced swing Colpitts oscillators, can operate with supply voltages below the thermal voltage, kT =q. Simplified theoretical expressions for the minimum supply voltage, oscillation frequency and minimum transistor gain of the oscillators were derived. Measurement results obtained using prototypes built with zero-VT transistors verified the operation of the oscillators for a supply voltage as low as 30 mV and 3.5 mV with high swing amplitude for arrangements built with integrated and off-theshelfinductors, respectively. The application of the ultra-low-voltage oscillators to energy harvesting circuits was addressed in this work. In order to convert the ac signal of the oscillator into a dc signal, the popular Dickson charge pump converter was employed. Expressions for the output voltage, input resistance and power converter efficiency of the Dickson charge pump operating at ultra-low voltages were derived. Experimental results obtained with prototypes built with the enhanced swing ring oscillator and the Dickson charge pump confirmed the feasibility of obtaining a dc output equal to 1 V at current consumptions of 100 nA and 1 µA from input voltages of 10 mV and 23 mV, respectively.O presente trabalho apresenta a análise, projeto e experimentação de osciladores e conversores dc-dc elevadores operando a muito baixas tensões de alimentação. Devido aos baixos valores de tensão de alimentação de interesse deste trabalho, especial atenção foi dada à operação do transistor MOS na região triodo e às propriedades do transistor zero-VT, graças a sua alta capacidade de corrente para baixas tensões. Com o objetivo de investigar a mínima tensão de alimentação de osciladores a MOSFET, três topologias foram estudadas. Duas delas, chamadas de oscilador em anel com elevada excursão desinal e oscilador Colpitts com elevada excursão de sinal, podem trabalhar com tensões de alimentação inferiores à tensão térmica, kT /q. Expressões simplificadas para a mínima tensão de alimentação, frequência de oscilação e mínimo ganho do transistor foram derivadas para cada topologia. Resultados experimentais obtidos com protótipos implementados com transistores zero-VT comprovam a operação dos osciladores com tensões tão baixas quanto 30 mV e 3,5 mV em circuitos construídos com indutores integrados e discretos, respectivamente. A aplicação dos osciladores a circuitos de captação de energia (energy harvesting circuits) a partir de fontes de alimentação de ultra-baixa-tensão foi estudada neste trabalho. Com o propósito de converter tensões ac geradas pelos osciladores em sinais dc, o clássico conversor Dickson foi utilizado. Expressões para a tensão de saída, resistência de entrada e eficiência de conversão de potência do conversor Dickson operando a ultra-baixas-tensões foram derivadas. Resultados experimentais obtidos com protótipos construídos com o oscilador em anel com elevada excursão de sinal e com o conversor Dickson, provaram a possibilidade de se obter uma tensão dc na saída de 1 V para correntes de carga de 100 nA e 1 µA a partir de tensões de entrada de 10 mV e 23 mV, respectivamente

Biomedical Engineering

Biomedical engineering is currently relatively wide scientific area which has been constantly bringing innovations with an objective to support and improve all areas of medicine such as therapy, diagnostics and rehabilitation. It holds a strong position also in natural and biological sciences. In the terms of application, biomedical engineering is present at almost all technical universities where some of them are targeted for the research and development in this area. The presented book brings chosen outputs and results of research and development tasks, often supported by important world or European framework programs or grant agencies. The knowledge and findings from the area of biomaterials, bioelectronics, bioinformatics, biomedical devices and tools or computer support in the processes of diagnostics and therapy are defined in a way that they bring both basic information to a reader and also specific outputs with a possible further use in research and development