Stimulateur cochléaire électronique
Réalisation d'un stimulateur cochléaire numérique paramétrable et de son interface Labview
I) Besoin
Le stimulateur cochléaire
La compréhension du codage de l'information transitant par le système nerveux est déterminante pour la réalisation de prothèses. Les connaissances actuelles du système nerveux auditif permettent de réaliser des implants cochléaires. Ces appareils sont capables en temps réel de capter l'environnement sonore, d'en extraire les informations importantes (la parole) et de la convertir en impulsions électriques cohérentes pour le système nerveux auditif. Les impulsions électriques stimulent le nerf auditif au niveau de la cochlée. D'autres projets de prothèses analysant l'information descendante pourraient permettre à des personnes handicapées de mouvoir des membres (réels ou artificiels).
Dans le cadre d'une étude sur le fonctionnement de l'oreille interne au LNRS (CNRS), nous avons besoin d'un dispositif de stimulation du nerf auditif. Les seuls appareils de cette catégorie sur le marché sont actuellement les implants cochléaires. Ils répondent aux deux contraintes :
- Système électriquement isolé du réseau EDF
- Impulsions biphasiques non destructives pour les tissus biologiques
Nous avons commencé les expérimentations avec un implant cochléaire de la marque cochlear. Deux raisons m'ont poussé à réaliser ce stimulateur électronique :
- Les implants cochléaires commerciaux sont peu souples pour la recherche
- Nécessité d'avoir plusieurs implants
En effet, les implants commerciaux sont conçus pour être implantés chez l'homme dans l'objectif de lui permettre de comprendre la parole. Bien que programmables, ces implants ne permettent pas toujours d'obtenir des signaux ayant les caractéristiques que l'on souhaite. De plus, les expériences en biologie nécessitent d'obtenir plusieurs fois un même résultat afin de le valider. Chaque expérience durant plusieurs semaines, il est très avantageux de réaliser les expérimentations en parallèles.
II) Fonctions
La fonction principale d'un stimulateur est de générer une impulsion électrique commandée en courant près du nerf. Cette impulsion doit être paramétrable. Les impulsions utilisées sont biphasiques afin d'éviter une polarisation des tissus biologiques et des électrodes. En plus d'entraîner une destruction des tissus, la polarisation des électrodes augmente la résistance inter électrodes et rend la stimulation difficile.
Impulsion type Cochlear
Impulsion type MXM
Les implants cochléaires pour l'homme ont des stratégies différentes pour réduire la polarisation. La marque australienne Cochlear utilise dans ces implants des impulsions bi phasiques symétriques. Son concurrent français, MXM, utilise des impulsions bi phasiques non symétriques en assurant que la même quantité d'électrons transite dans les deux sens. Le produit du temps par l'intensité constante de l'impulsion est identique pour les deux phases.
En plus de générer une impulsion commandée en courant, l'implant de cochlear permet de mesurer la résistance inter-électrodes. Il est bien utile de connaître cette résistance. En effet, les deux électrodes de stimulations sont réalisées à l'aide de deux fils de platinium iridié torsadés, dénudés et séparés de quelques dixièmes de mm à leurs extrémités. Les extrémités sont placées lors d'une opération chirurgicale dans la cochlée. Un court-circuit peut se produire si les deux électrodes (partie dénudée) sont en contact, ou le long des fils torsadés. De même, la rupture d'un fil sera caractérisée par une lecture de résistance élevée.
III) Réalisation
Le prototype du montage est alimenté avec des accumulateurs fournissant une tension de 4,8V. Mais le montage est conçu afin de pouvoir fonctionner avec une pile de montre de 3V.
Le microcontrôleur PIC 18f1320 est choisi comme élément central du circuit. Celui-ci à la charge de piloter les autres composants numériques ainsi que de réaliser l'interface avec Labview. Un panneau de contrôle
sous Labview permet de définir les paramètres de la stimulation.
L'Ad8300 permet d'effectuer la conversion numérique-analogique. Ce composant comporte une référence de voltage interne fixée à 2V. Cette référence est certifiée dans la plage d'utilisation du composant qui descend jusqu'à 2,7V. Le montage Le CNA n'est ainsi pas perturbé par la baisse de tension des accumulateurs.
La conversion tension courant est effectuée à l'aide du transistor 2n2222. La non-linéarité du transistor est annulée par l'utilisation de l'ampli-op lm358. Le biais en courant de l'ampli-Op modifie légèrement la commande. Les résistances présentes permettent de réaliser un seuil. L'intensité contrôlée est ainsi nulle tant que la tension de commande ne dépasse pas un certain seuil déterminé expérimentalement.
L'inversion de polarité nécessaire pour réaliser une impulsion bi phasique est effectuée à l'aide des quatre interrupteurs SPST du composant MAX4616. La résistance de ces interrupteurs lorsqu'ils sont passants est très faible.
| Fabriquant | Composant | Fonction | Vmin | Vmax |
| Maxim | MAX 4616 | Quadruple Switch SPST | 2V | 5,5V |
| Maxim | MAX 4663 | Quadruple Switch SPST | 4,5V | 36V |
| Analogue Devices | AD8300 | Convertisseur N/A avec reféence interne de 2,0475V | 2,7V | 5,5V |
| Microchip | PIC 18LF1320 | microcontrôleur | 4,2V @40MHz 2,4V @10MHz |
5,5V |
| Maxim | DS275 | Convertisseur TTL - RS232 | 4,5V | 5,5V |
| LM358 | Double ampli op | 3V | 26V | |
| 2n2222 | Transistor | |||
| Quartz 10MHz | ||||
| Principaux composants | ||||
IV) Programme du microcontrôleur
Le microcontrôleur est programmé en C puis compilé à l'aide de PICC 18 de hi tech. Le programme embarqué est soumis à une forte contrainte temps réel puisqu'il doit contrôler des composants externes afin de générer des impulsions avec une définition inférieure à la microseconde. Parallèlement à ceci, il doit assurer une liaison sure avec Labview ainsi que calculer la résistance inter électrodes.
Les parties temps réel sont donc réalisées en utilisant l'interruption d'un timer défini avec une priorité élevée. Les autres tâches sont assurées en tâches de fond ou à l'aide d'interruptions moins élevées.
La transmission d'informations entre le microcontrôleur et Labview s'effectue via le port série. Les commandes et paramètres de stimulations reçues par le microcontrôleur sont validés par un checksum avant d'être utilisés. Les informations en provenance du PIC envoyées vers Labview sont codées à l'aide du protocole Pic-matlab décrit sur ce site.
V) Interface et possibilités
Un schéma Labview est utilisé comme interface. Celle-ci permet à la fois de définir les paramètres de stimulations et de réaliser une lecture de la résistance inter électrodes.
Interface
Les cinq curseurs définissent les 5 paramètres suivants :
- attente : délai entre la fin d'une stimulation et le début de la suivante, définit dans [1000,0 26214,0] µs
- T_positif : durée de la phase positive dans [8,2 6553,5] µs
- courant_positif : intensité de la phase positive dans [0 4200] µA
- T_negatif : durée de la phase négative dans [8,2 6553,5] µs
- courant_negatif : intensité de la phase négative dans [0 4200] µA
Tous les temps sont définis en dixième de µ secondes.
Le sélecteur "simulation_type" contient les 4 items suivants :
- Direct : les 5 paramètres sont indépendants
- MXM : les paramètres sont liés ; les impulsions positives et négatives sont non symétriques, mais déplacent la même charge électrique.
- Cochlear : seuls les paramètres positifs sont pris en compte, l'impulsion est symétrique.
- constant : commande en courant continue.
Le bouton "Resistor Measurement" permet d'activer la mesure de tension entre les électrodes.
Les deux graphiques CAN+ et CAN- montrent le résultat brut de la mesure de la tension entre les électrodes, respectivement lors des phases positive et négative. La conversion étant effectuée sur 10 bits, la valeur max de 1024 correspond à la tension d'alimentation du microcontrôleur. Cette indication permet de s'assurer que le transistor n'est pas en saturation. Cela permet de s'assurer que l'intensité commandée est dans la plage de fonctionnement étant donnée la résistance inter électrode inconnue.
Connaissant l'intensité et la tension aux bornes des électrodes, la résistance inter-électrodes s'en déduit. Les deux graphiques intitulés "computed resistor" représentent le résultat du calcul des résistances, respectivement à partir de l'impulsion positive et négative. La résistance mesurée est indépendante de l'intensité de l'impulsion et de la polarisation. On trouve bien dans les deux graphiques le même résultat.
Les valeurs numériques "Current_Offset", "Current_Max" et "Valim" permettent de calibrer le montage électronique.
La transmission des données s'effectue via le port série à 115200. Une fois les paramètres de stimulation définis, le montage peut être déconnecté de l'ordinateur.
VI) Perspectives et Limitations
La limitation en tension entre les électrodes de environs 4,2V peut facilement être repoussé jusqu'à environs 35V en utilisant l'interrupteur MAX 4663 au lieu du MAX 4616 et en séparant les alimentations du circuit numérique et du circuit analogique.
typon réalisé sous ORCAD SPECTRA
Mesures en mm
Les composants utilisés dans ce montage existent en composant de surface. Il est possible de réaliser un montage miniature portable par l'animal. Deux entrées PWM disponibles sur le microcontrôleur peuvent recueillir les données des deux voies d'un accéléromètre ADXL213 ou ADXL202. Un tel montage pourrait être utilisé comme implant vestibulaire.