v - Thèses

Université Joseph Fourier / Université Pierre Mendès France /
Université Stendhal / Université de Savoie / Grenoble INP
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Nano Electronique et Nano Technologies
Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
Florent DUPONT
Thèse dirigée par Marc BELLEVILLE et
co-encadrée par Cyril CONDEMINE, Jean-François BECHE et
Pascale PHAM
préparée au sein du Laboratoire CEA LETI
dans l'École Doctorale Electronique, Electrotechnique,
Automatique et Traitement du Signal
Intégration de la mesure d’impédance
dans un système de stimulation électrique
implantable multi-applications :
proposition d’une nouvelle stratégie de
stimulation
Thèse soutenue publiquement le 19 Juin 2014,
devant le jury composé de :
Skandar BASROUR
Professeur à l’Université Joseph Fourier, Grenoble, Président
Sylvie RENAUD
Professeur à l’Institut Polytechnique de Bordeaux, Rapporteur
Eric McADAMS
Professeur à l’INSA Lyon, Rapporteur
Ian O’CONNOR
Professeur, Ecole Centrale de Lyon, Membre
Frédéric CHAVANE
Chargé de Recherche, INT, Marseille, Membre
Marc BELLEVILLE
Directeur de Recherche au CEA LETI, Membre
Cyril CONDEMINE
Ingénieur Chercheur, CEA LETI, Membre
Jean-François BECHE
Ingénieur Chercheur, CEA LETI, Membre

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Table des matières :
Remerciements ............................................................................................................................................................................ 1
Introduction Générale .............................................................................................................................................................. 5
C ONTEXTE .................................................................................................................................................................................... 5
A PPLICATIONS ............................................................................................................................................................................. 6
L ES PROBLEMATIQUES ET AXES DE RECHERCHE ................................................................................................................ 7
P LAN DU MANUSCRIT ................................................................................................................................................................ 9
PARTIE 1 : Contexte ............................................................................................................................................................... 11
Chapitre 1: Introduction à la stimulation électrique ....................................................................................... 15
1.1 Historique ............................................................................................................................................................... 16
1.2 Bases de l’électrophysiologie ........................................................................................................................ 17
1.2.1 Excitabilité des tissus vivants .............................................................................................................17
1.2.2 Le cas du neurone ......................................................................................................................................18
1.2.3 La courbe amplitude-durée ..................................................................................................................19
1.2.4 Modèle électrique de la membrane ..................................................................................................20
1.2.5 Accoutumance du seuil de déclenchement ..................................................................................21
1.3 Synthèse ................................................................................................................................................................... 22
Chapitre 2: Impédance du système électrodes-milieu environnant : phénomènes sous-jacents
et représentation ..................................................................................................................................................................... 23
2.1 Introduction ........................................................................................................................................................... 24
2.2 Modélisation de l’impédance par des circuits électriques équivalents .................................. 25
2.2.1 Interface..........................................................................................................................................................25
2.2.1.1 Les courants capacitifs ...................................................................................................................... 25
2.2.1.2 Les courants faradiques ................................................................................................................... 27
2.2.2 Milieu environnant ...................................................................................................................................31
2.2.2.1 Le liquide extracellulaire ................................................................................................................. 31
2.2.2.2 Les membranes cellulaires ............................................................................................................. 31
2.2.3 Modèle retenu pour les expériences ................................................................................................32

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2.3 Représentation graphique de l’impédance ............................................................................................ 33
2.3.1 Généralités ....................................................................................................................................................33
2.3.2 Représentation dans le plan complexe...........................................................................................34
2.3.3 Représentation dans un diagramme de Bode .............................................................................34
2.3.4 Exemples de représentations de circuits simples ....................................................................35
2.4 Précautions dans l’utilisation des circuits électriques équivalents .......................................... 36
2.5 Synthèse ................................................................................................................................................................... 36
Chapitre 3: Problématiques liées à l’utilisation de systèmes autonomes implantés ...................... 37
3.1 Influence de l ‘impédance sur la délivrance des stimuli ................................................................. 38
3.1.1 Stimulation contrôlée en tension ......................................................................................................38
3.1.2 Stimulation contrôlée en courant......................................................................................................40
3.2 Les contraintes liées aux systèmes autonomes implantés ............................................................ 43
3.2.1 Action de l’organisme sur l’implant .................................................................................................43
3.2.2 Action de l’implant sur l’organisme .................................................................................................43
3.2.3 Quantité d’énergie embarquée limitée ...........................................................................................46
3.2.4 Opérationnalité de l’implant ................................................................................................................47
3.3 Variabilité de l’impédance du SEME ......................................................................................................... 49
3.3.1 Variation en fonction de l’électrode .................................................................................................49
3.3.2 Variation en fonction du temps ..........................................................................................................52
3.3.3 Variation en fonction du niveau de tension/courant ..............................................................53
3.4 Synthèse ................................................................................................................................................................... 54
Conclusion de la première partie ............................................................................................................................... 55
PARTIE 2 : Etude expérimentale et en simulation de l’impédance du système électrode-milieu
environnant ................................................................................................................................................................................ 57
Chapitre 4: Techniques de mesure d’impédance et potentiostats ........................................................... 61
4.1 Techniques de mesure d’impédance......................................................................................................... 62
4.1.1 Les ponts de mesure d’impédance....................................................................................................62
4.1.2 Le pont auto-équilibré ............................................................................................................................62
4.1.3 La méthode courant/tension ...............................................................................................................63

v
4.1.4 La détection synchrone ..........................................................................................................................64
4.1.5 Le potentiostat ............................................................................................................................................65
4.2 Synthèse ................................................................................................................................................................... 66
Chapitre 5: Simulation numérique et banc de mesure d’impédance ...................................................... 67
5.1 Les électrodes mises en œuvre .................................................................................................................... 68
5.2 Banc de mesure et extraction des paramètres des circuits électriques équivalents ....... 70
5.2.1 Les éléments du banc...............................................................................................................................70
5.2.1.1 Solution saline ....................................................................................................................................... 70
5.2.1.2 L’interface multiplexeuse ................................................................................................................ 70
5.2.1.3 Les potentiostats .................................................................................................................................. 70
5.2.1.4 L’interface EC-Lab
®
............................................................................................................................. 71
5.2.2 L’identification des paramètres d’un circuit électrique équivalent ................................72
5.2.3 Caractérisation des parasites du banc de mesure ....................................................................75
5.3 Modélisations et simulations numériques ............................................................................................. 77
5.3.1 Méthodologie basée sur un couplage MATLAB COMSOL Multiphysics .........................77
5.3.2 Les hypothèses dans le modèle ..........................................................................................................78
5.3.3 Equation de l’électrocinétique utilisée dans COMSOL ...........................................................80
5.3.4 Les conditions aux limites .....................................................................................................................81
5.4 Synthèse ................................................................................................................................................................... 83
Chapitre 6: Expériences en milieu salin ................................................................................................................. 85
6.1 Validation du modèle numérique avec l’électrode Medtronic 3389 ........................................ 86
6.1.1 Protocole ........................................................................................................................................................86
6.1.2 Résultats de mesure et simulation ...................................................................................................86
6.1.3 Interprétation ..............................................................................................................................................87
6.2 Comparaison simulation et expérimentation pour la MEA RETINE ........................................ 88
6.2.1 Protocole ........................................................................................................................................................88
6.2.2 Résultats de mesure et simulation ...................................................................................................88
6.2.3 Interprétation ..............................................................................................................................................89