Prace nad bezprzewodowymi implantami neuronowymi przyszłości
Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu IoN opracował nowatorską technologię bezprzewodowego zasilania implantów medycznych wykorzystującą ultradźwięki. Innowacyjny prototyp dowodzący słuszności założeń koncepcji, opracowany przez koordynujący projekt IoN ośrodek badawczy imec specjalizujący się w dziedzinach nanoelektroniki oraz technologii cyfrowej oraz zespół badaczy Uniwersytetu Technicznego w Delfcie (Niderlandy), stanowi pierwszy krok na drodze do rozwoju zminiaturyzowanych, minimalnie inwazyjnych i bezprzewodowych implantów neuronowych. Zespół ośrodka imec zaprezentował swoją koncepcję po raz pierwszy podczas Międzynarodowej Konferencji Obwodów Półprzewodnikowych, która odbyła się w lutym 2024 roku w San Francisco. Nowa technologia umożliwia redukcję zużycia energii o połowę w porównaniu z konwencjonalnymi rozwiązaniami, przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiarów urządzenia.
Wykorzystanie pełni potencjału implantów neuronowych
Sondy neuronowe, które są rozwiązaniem wykorzystywanym w celu badania i leczenia zaburzeń neurologicznych, charakteryzują się szeregiem problematycznych aspektów. Jednym z nich jest ich zasilanie. Jak czytamy w informacji prasowej opublikowanej przez imec, inwazyjne okablowanie może prowadzić do powstawania blizn i zakażeń, z kolei zastosowanie zintegrowanych akumulatorów w celu wyeliminowania dodatkowych przewodów wymusza zwiększenie rozmiarów urządzenia i rodzi obawy dotyczące wycieków elektrolitu. Zastosowanie nowej techniki nie wymaga przeprowadzania inwazyjnych zabiegów ani podłączania dużych akumulatorów. Pozwala bowiem na wykorzystanie technologii ultradźwiękowej w celu bezprzewodowego dostarczania energii do implantów neuronowych w korze mózgowej. „Choć jesteśmy obecnie świadkami znaczących postępów w dziedzinie technologii implantów neuronowych, obejmujących obszary wykrywania i stymulacji, interfejsy bezprzewodowe – jeden z jej kluczowych elementów – wciąż wymagają wielu ulepszeń, szczególnie pod względem efektywności energetycznej i wielkości”, zauważa Yao-Hong Liu, dyrektor naukowy imec. „Chcemy rozwiązać te problemy i umożliwić pełne wykorzystanie potencjału implantów neuronowych dzięki zastosowaniu nowatorskich technologii bezprzewodowych, rozwiązań w zakresie zasilania oraz telemetrii. Dzięki nim chcemy opracować minimalnie inwazyjne systemy bezprzewodowe dostosowane do zminiaturyzowanych implantów, których zakres zastosowań wykracza poza implanty neuronowe wszczepiane do kory mózgowej". Aby umożliwić ten przełom, zespół realizujący badania w ramach projektu IoN opracował nowatorską technikę opartą na przemianie adiabatycznej, wykorzystującą koncepcję globalnej redystrybucji ładunku. Założenia tego rozwiązania obejmują wykorzystanie właściwości pasożytniczych układu przetwornika ultradźwiękowego i ponowne przetwarzanie ładunków, dzięki czemu zewnętrzne kondensatory nie muszą być wykorzystywane w celu jego redystrybucji. Układ scalony został wykonany w technologii CMOS przy wykorzystaniu procesu technologicznego 65 nm. Został wyposażony w zintegrowaną jednostkę sterującą o wymiarach 116 μm × 116 μm, która zapewnia zużycie energii niższe o 69 procent w porównaniu z konwencjonalnymi układami sterującymi klasy D. Dzięki tej konstrukcji, ultradźwiękowa adiabatyczna jednostka stanowi najmniejsze rozwiązanie w swojej klasie, a także charakteryzuje się najniższym zużyciem energii wśród najnowocześniejszych systemów. W zastosowaniach medycznych kształtowanie wiązki o dużych kątach (> 45°) jest niezwykle ważne, aby zmaksymalizować dostarczaną moc i skompensować wszelkie mikroruchy lub niewspółosiowości, które mogą wystąpić w mózgu między innymi podczas zabiegów chirurgicznych oraz w procesie oddychania. Opracowanie kontrolera kształtującego wiązkę umożliwia rozwiązaniu opracowanemu przez imec osiągnięcie wiązki charakteryzującej się kątem 53°. „Chcemy zaprezentować praktyczne zastosowanie naszej technologii w rzeczywistych warunkach in vivo, a także przedstawić nasze postępy w obszarach takich jak integracja mikrosystemów i pakowanie. Zapraszamy w związku z tym do współpracy przedstawicieli ośrodków akademickich oraz pracowników ochrony zdrowia”, podsumowuje Liu, lider projektu IoN. Prace realizowane w ramach projektu IoN (Intranet of Neurons: A Minimally-invasive and High-capacity Transcranial Telemetry Network for Large-scale Brain-wide Neural Recordings) dobiegną końca w sierpniu 2026 roku. Więcej informacji: strona projektu ION
Słowa kluczowe
IoN, implant, wszczep, implant neuronowy, implant medyczny, ultradźwięki, mózg, neuron
