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

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.

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.