Magnetstyret bioelektronisk implantat kunne lindre smerte

Et hold af Rice University-ingeniører har introduceret det første neurale implantat, der både kan programmeres og oplades eksternt med et magnetfelt.

Deres gennembrud kan muliggøre indlejrede enheder som en rygmarvsstimulerende enhed med en batteridrevet magnetisk sender på et bærbart bælte.

Det integrerede mikrosystem, kaldet MagNI (til magnetoelektriske neurale implantater), inkorporerer magnetoelektriske transducere. Disse gør det muligt for chippen at høste strøm fra et vekslende magnetfelt uden for kroppen.

Systemet er udviklet af Kaiyuan Yang, en assisterende professor i elektro- og computerteknik; Jacob Robinson, en lektor i elektro- og computerteknik og bioteknik; og co-lead forfattere Zhanghao Yu, en kandidatstuderende, og kandidatstuderende Joshua Chen, alle på Rice's Brown School of Engineering.

Yang introducerede projektet på International Solid-State Circuits Conference i San Francisco.

MagNI retter sig mod applikationer, der kræver programmerbare, elektrisk stimulering af neuroner, for at hjælpe patienter med epilepsi eller Parkinsons sygdom.

"Dette er den første demonstration af, at du kan bruge et magnetfelt til at drive et implantat og også til at programmere implantatet, " sagde Yang. "Ved at integrere magnetoelektriske transducere med CMOS (komplementære metal-oxid-halvleder) teknologier, vi leverer en bioelektronisk platform til mange applikationer. CMOS er kraftfuldt, effektiv og billig til sansnings- og signalbehandlingsopgaver."

Han sagde, at MagNI har klare fordele i forhold til nuværende stimuleringsmetoder, inklusive ultralyd, elektromagnetisk stråling, induktiv kobling og optiske teknologier.

"Folk har demonstreret neurale stimulatorer i denne skala, og endnu mindre, "Yang sagde. "Den magnetoelektriske effekt, vi bruger, har mange fordele i forhold til almindelige metoder til strøm og dataoverførsel."

Han sagde, at væv ikke absorberer magnetiske felter, som de gør andre typer signaler, og vil ikke opvarme væv som elektromagnetisk og optisk stråling eller induktiv kobling. "Ultralyd har ikke opvarmningsproblemet, men bølgerne reflekteres ved grænseflader mellem forskellige medier, som hår og hud eller knogler og andre muskler."

Fordi magnetfeltet også transmitterer styresignaler, Yang sagde, at MagNI også er "kalibreringsfri og robust."

"Det kræver ikke nogen intern spænding eller timing reference, " han sagde.

Komponenter af prototypenheden sidder på et fleksibelt polyimidsubstrat med kun tre komponenter:en 2 x 4 millimeter magnetoelektrisk film, der omdanner magnetfeltet til et elektrisk felt, en CMOS-chip og en kondensator til midlertidigt at lagre energi.

Holdet testede med succes chippens langsigtede pålidelighed ved at dyppe den i en opløsning og teste i luft og gelélignende agar, som efterligner vævsmiljøet.

Forskerne validerede også teknologien af ​​spændende Hydra vulgaris, et lille blækspruttelignende væsen studeret af Robinsons laboratorium. Ved at begrænse hydra med laboratoriets mikrofluidiske enheder, de var i stand til at se fluorescerende signaler forbundet med sammentrækninger i væsenerne udløst af kontakt med chipsene. Holdet udfører i øjeblikket in vivo-test af enheden på forskellige modeller.

I den nuværende generation af chips, energi og information flyder kun én vej, men Yang sagde, at holdet arbejder på tovejskommunikationsstrategier for at lette dataindsamling fra implantater og muliggøre flere applikationer.