Preparando la strada per gli impianti neurali wireless del futuro
Il progetto IoN, finanziato dall’UE, ha sviluppato una nuova tecnica basata sugli ultrasuoni per l’alimentazione wireless degli impianti medici. Sviluppato da imec, coordinatore del progetto IoN nonché centro di ricerca sulla nanoelettronica e la tecnologia digitale insieme al Politecnico di Delft, entrambi dei Paesi Bassi, l’innovativa prova di concetto getta le basi per impianti neurali miniaturizzati, minimamente invasivi e senza fili. Imec ha presentato il nuovo concetto per la prima volta all’evento International Solid-State Circuits Conference 2024 tenutosi a San Francisco a febbraio. Questa tecnologia consuma meno della metà dell’energia di altri sistemi e ha un ingombro ridotto.
Liberare il potenziale degli impianti neurali
Le attuali sonde neurali utilizzate per studiare e curare i disturbi neurologici presentano alcuni inconvenienti per quanto riguarda l’alimentazione. Come spiegato in un comunicato stampa di imec, il loro cablaggio invasivo può causare cicatrici e infezioni, mentre l’integrazione delle batterie per eliminare la necessità di cablaggio solleva preoccupazioni sulle dimensioni e sulle perdite chimiche. La nuova tecnica invece non richiede procedure invasive o batterie ingombranti e sfrutta la tecnologia a ultrasuoni per fornire energia in modalità wireless agli impianti neurali nella corteccia cerebrale. «Sebbene molte tecnologie di impianto neurale stiano attualmente compiendo importanti passi avanti in termini di rilevamento e stimolazione, le interfacce wireless, uno dei componenti cruciali degli impianti, hanno ancora ampio margine di miglioramento, in particolare per quanto riguarda l’efficienza energetica e il fattore di forma», osserva il direttore scientifico di imec, Yao-Hong Liu. «Per colmare questo divario e sfruttare il pieno potenziale degli impianti neurali, stiamo sfruttando le nostre esclusive tecnologie wireless, di alimentazione e telemetria, per sviluppare sistemi wireless minimamente invasivi su misura per impianti miniaturizzati, con applicazioni che non si limitano agli impianti neurali intracorticali.» Per rendere possibile tutto ciò, il team IoN ha usato una tecnica di guida adiabatica unica nel suo genere, basata sul concetto di ridistribuzione globale della carica (GCR, Global Charge Redistribution). Questa tecnica utilizza i condensatori parassiti del sistema di trasduttori a ultrasuoni, e ricicla le cariche in modo che non siano più necessari condensatori esterni per ridistribuirle. Inoltre, il chip è fabbricato a 65 nm CMOS e dispone di un’unità trainante completamente integrata di 116 μm × 116 μm che consente un risparmio di potenza del 69 % rispetto al funzionamento convenzionale di classe D. Grazie a questa progettazione, l’unità di guida adiabatica a ultrasuoni è la più piccola del suo genere e ha anche il più basso consumo energetico tra i sistemi d’avanguardia. Per l’uso in ambito medico, la guida del fascio fino a grandi angoli (>45°) è di vitale importanza per massimizzare l’erogazione di potenza e compensare eventuali micromovimenti o disallineamenti che possono verificarsi nel cervello, ad esempio durante gli interventi chirurgici e la respirazione. L’introduzione di un controller consente al concetto GCR di imec di controllare il fascio fino a 53°. «Aspiriamo a mostrare l’applicazione pratica della nostra tecnologia in condizioni reali in vivo, con i nostri continui progressi, in particolare in aree come l’integrazione del microsistema e il confezionamento, e accogliamo con favore le collaborazioni con professionisti o ricercatori del settore medico», conclude Liu, dottore di ricerca, che è alla guida del progetto IoN. IoN (Intranet di neuroni: A Minimally-invasive and High-capacity Transcranial Telemetry Network for Large-scale Brain-wide Neural Recordings) terminerà nell’agosto 2026. Per maggiori informazioni, consultare: sito web del progetto ION
Parole chiave
IoN, impianto, impianto neurale, impianto medico, ultrasuoni, cervello, neurone
