Conception d`un stimulateur implantable dédié à la stimulation

UNIVERSITE MONTPELLIER II
SCIENCES ET TECHNIQUES DU LANGUEDOC
T H E S E
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L'UNIVERSITE MONTPELLIER II
Discipline : Electronique, Optronique et système
Formation Doctorale : Système Automatique et Microélectronique (SyAM)
Ecole Doctorale : Information Structure et système (I2S)
présentée et soutenue publiquement
par
Jean Denis TECHER
Le 09 novembre 2005
Titre :
Conception d'un stimulateur implantable dédié à la
stimulation électrique fonctionnelle
JURY
M. Mohamad SAWAN, Professeur, Ecole polytechnique de Montréal Rapporteur
M. Pascal FOUILLAT, Professeur, ENSEIRB Bordeaux I Rapporteur
M. Yves BERTRAND, Professeur, Université Montpellier II Directeur de Thèse
M. Serge BERNARD, Chargé de recherche CNRS Examinateur
M. Guy CATHEBRAS, Maître de conférence, Université Montpellier II Examinateur
M. Denis DUPEYRON, Ingénieur, MXM technologies médicales, Vallauris Examinateur
M. David GUIRAUD, Chargé de recherche INRIA Membre invité

Table des Matières

Table des matières
- 4 -
Introduction Générale 9
Chapitre1 15
A
. Introduction physiologique ______________________________________________ 16
I. Vue macroscopique du système nerveux du corps humain___________________________16
I.1. Organisation du système nerveux ____________________________________________________ 16
I.2. Fonctionnement macroscopique du système nerveux _____________________________________ 17
II. Vue microscopique du système nerveux du corps humain __________________________21
II.1. Les neurones ___________________________________________________________________ 21
II.2. Les nerfs_______________________________________________________________________ 22
II.3. Propriétés électriques _____________________________________________________________ 23
II.4. Connexions nerveuses des muscles squelettiques _______________________________________ 25
B
. La Stimulation Electrique Fonctionnelle ___________________________________ 26
I. Principe de la réhabilitation par la SEF __________________________________________27
II. Les applications de la SEF ____________________________________________________28
III. Contraction musculaire par stimulation électrique _______________________________28
III.1. Stimulation des fibres nerveuses____________________________________________________ 29
III.2. Réponse d’un muscle à une stimulation électrique______________________________________ 33
IV. Les stimulateurs électriques __________________________________________________35
IV.1. Les différentes classes de stimulateurs _______________________________________________ 36
IV.2. Synthèse sur les stimulateurs pour application SEF _____________________________________ 39
V. Les systèmes SEF ____________________________________________________________40
V.1. Système SEF mono-implant _______________________________________________________ 41
V.2. Système SEF multi-implant ________________________________________________________ 43
C. Conclusion ___________________________________________________________ 44

Table des matières
- 5 -
Chapitre 2 47
A
. Caractéristiques idéales d’un stimulateur pour la SEF .................................................48
I. Contexte ........................................................................................................................................48
II. La stimulation sélective..............................................................................................................49
II.1. Introduction.......................................................................................................................................... 49
II.2. Sélectivité spatiale des fibres ............................................................................................................... 50
II.3. La sélectivité basée sur les caractéristiques d’excitabilité des fibres ...................................................51
III. Caractéristiques électriques .....................................................................................................55
III.1. Courant de stimulation........................................................................................................................ 55
III.2. Consommation.................................................................................................................................... 56
III.3. Différence de potentiel entre l'anode et la cathode ............................................................................. 56
IV. Contraintes propres aux applications médicales....................................................................57
IV.1. Biocompatibilité ................................................................................................................................. 57
IV.2. Fiabilité............................................................................................................................................... 58
IV.3. Sécurité de fonctionnement ................................................................................................................ 59
V. Conclusion ...................................................................................................................................60
B
. Cas d'étude .......................................................................................................................60
I. Présentation générale du projet DEMAR..................................................................................60
II. Stimulation distribuée et électrodes "intelligentes" ................................................................62
II.1. Unités de stimulation réparties............................................................................................................. 63
C. Conclusion........................................................................................................................66

Table des matières
- 6 -
Chapitre 3 67
A
. Étage de sortie ________________________________________________________ 69
I. Rôle de l'étage de sortie _______________________________________________________69
II. Etage de répartition du courant de stimulation ___________________________________71
II.1. Principe _______________________________________________________________________ 71
III. Le bloc contrôle de la décharge________________________________________________74
III.1. Décharge active ________________________________________________________________ 75
III.2. Décharge passive _______________________________________________________________ 77
III.3. Solution proposée _______________________________________________________________ 78
IV. Dessin des Masques _________________________________________________________82
B
. L’alimentation haute tension_____________________________________________ 84
I. Introduction_________________________________________________________________84
I.1. Contexte _______________________________________________________________________ 84
I.2. Cahier des charges________________________________________________________________ 84
I.3. Deux familles de convertisseurs continu-continu ________________________________________ 89
II. Convertisseur à stockage inductif ______________________________________________90
II.1. Principe de fonctionnement ________________________________________________________ 90
II.2. Structure proposée _______________________________________________________________ 93
II.3. Résultats de simulation ___________________________________________________________ 96
III. Convertisseur à stockage capacitif _____________________________________________97
III.1. Fonctionnement de la pompe de Dickson_____________________________________________ 99
III.2. Intégration de la pompe de charge sur silicium _______________________________________ 106
III.3. Les structures de pompe de charge à base de CTS. ____________________________________ 108
IV. Solution proposée __________________________________________________________111
IV.1. Critères d’optimisations _________________________________________________________ 112
IV.2. Détermination du nombre d’étage _________________________________________________ 113
IV.3. Détermination de la fréquence de découpage_________________________________________ 115
IV.4. Pompe de charge proposée _______________________________________________________ 116
V. Gestion de l'alimentation_____________________________________________________120
V.1. Dessin des masques _____________________________________________________________ 122