Module for stimuli control of an integrated programmable current source for implantable medical devices

Abstract

Implantable Medical Devices (IMDs) have been widely deployed in both novel and established applications. Ranging from cardiac defibrillators, pacemakers and cochlear implants to gastric and neurostimulators, these devices are being improved through the developments in microelectronics, biotechnology, medicine and materials. In this work, two multipurpose integrated current generators for IMDs designed by the Microelectronics Group at the Universidad Católica del Uruguay are fully characterized and validated. These current sources are capable of extracting and delivering a wide range of outputs from hundreds of μA to tens of mA making them suitable for different clinical applications. The measured parameters include the output current range and precision, supply voltage range, output voltage range, bias current dependence, response times, current consumption and crosstalk. The second part of this project consists of the design of a calibration module to be appended to the current sources. The purpose of this module is to detect any current mismatch between the sourcing and sinking stimulation phases which can lead to tissue damage over time. Once measured, the current difference can be reduced by means of the trimming mechanism integrated in the current sources’ design. The calibration module was implemented as a Switched-Capacitor (SC) amplifier and was submitted for manufacturing in XFAB’s XT018 180nm CMOS technology. The circuit can also be easily adapted to function as an Electrode-Tissue Interface (ETI) impedance measurement device.

Los Dispositivos Médicos Implantables (IMDs, por su sigla en inglés) han tenido un amplio desarrollo en sus aplicaciones originales y en nuevas áreas. Desde desfibriladores cardíacos, marcapasos e implantes cocleares hasta neuroestimuladores y estimuladores gástricos, estos dispositivos están siendo mejorados a través de los avances en microelectrónica, biotecnología, medicina y materiales. En este trabajo se realiza la caracterización completa y validación de dos generadores de corriente integrados multipropósito para IMDs diseñados por el Grupo de Microelectrónica de la Universidad Católica del Uruguay. Las fuentes son capaces de extraer y entregar un amplio rango de corrientes desde cientos de μA hasta decenas de mA, lo que las hace adecuadas para diferentes aplicaciones médicas. Se midieron parámetros tales como el rango y precisión en la corriente de salida, rango de tensión de alimentación, rango de tensión de salida, dependencia con la corriente de polarización, tiempos de respuesta, consumo de corriente y diafonía. La segunda parte de este proyecto consiste en el diseño de un módulo de calibración para incorporar a las fuentes de corriente. El propósito de este módulo es detectar diferencias entre la corriente inyectada y extraída que con el tiempo pueda conducir a daños en el tejido biológico. Una vez medida, es posible actuar para reducirla mediante el mecanismo de ajuste fino integrado en el diseño de las fuentes de corriente. El módulo de calibración se implementó como un amplificador con Capacitores Conmutados (SC, por su sigla en inglés) y se envió a fabricar en la tecnología CMOS XT018 de 180nm de XFAB. El circuito puede ser adaptado fácilmente para funcionar como un dispositivo de medición de impedancia de la interfaz electrodo-tejido (ETI, por su sigla en inglés).