Un dispositif de surveillance médicale implantable communique via des ultrasons

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Au cours des dernières décennies, les techniques de surveillance physiologiques ont évolué de manière à se miniaturiser et à nécessiter une infrastructure la moins lourde possible. C’est notamment le cas des dispositifs électroniques implantables. Récemment, dans ce cadre, des chercheurs ont développé un microcircuit implantable de surveillance sans fil dont l’efficacité devrait ouvrir la voie à une meilleure optimisation du monitoring médical basé sur de tels dispositifs.

Largement utilisés pour surveiller et cartographier les signaux biologiques, pour soutenir et améliorer les fonctions physiologiques et pour traiter les maladies, les dispositifs médicaux implantables transforment les soins de santé et améliorent la qualité de vie de millions de personnes. Les chercheurs s’intéressent de plus en plus à la conception de dispositifs médicaux implantables miniaturisés sans fil pour la surveillance physiologique in vivo et in situ.

Ces dispositifs pourraient être utilisés pour surveiller les conditions physiologiques, telles que la température, la pression artérielle, le glucose et la respiration pour les procédures diagnostiques et thérapeutiques. À ce jour, l’électronique implantée conventionnelle a été très peu efficace en matière de volume — elle nécessite généralement plusieurs puces, emballages, fils et transducteurs externes, et des batteries sont souvent nécessaires pour le stockage d’énergie.

Le plus petit système de surveillance implantable

Une tendance constante en électronique a été une intégration plus étroite des composants électroniques, déplaçant souvent de plus en plus de fonctions sur le circuit intégré lui-même. Les chercheurs de Columbia Engineering rapportent qu’ils ont développé ce qu’ils déclarent être le plus petit système monopuce au monde, occupant un volume total de moins de 0.1 mm3. Le système est aussi petit qu’un acarien et visible uniquement au microscope.

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Pour ce faire, l’équipe a utilisé des ultrasons pour alimenter et communiquer avec l’appareil sans fil. « Nous voulions voir jusqu’où nous pouvions repousser les limites de la petite taille d’une puce fonctionnelle que nous pourrions fabriquer », déclare le chef de l’étude Ken Shepard, professeur de génie biomédical. L’étude a été publiée dans la revue Science Advances.

images dispositif implantable
Différentes images du dispositif implantable. © Shen Chi et al. 2021

« C’est une nouvelle idée de ‘puce en tant que système’ — c’est une puce qui seule, avec rien d’autre, est un système électronique entièrement fonctionnel. Cela devrait être révolutionnaire pour le développement de dispositifs médicaux implantables miniaturisés sans fil capables de détecter différents signaux, être utilisé dans des applications cliniques et éventuellement approuvé pour un usage humain ».

Une communication sans fil à base d’ultrasons

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Les liaisons de communication RF traditionnelles ne sont pas possibles pour un appareil aussi petit, car la longueur de l’onde électromagnétique est trop grande par rapport à la taille de l’appareil. Étant donné que les longueurs d’onde des ultrasons sont beaucoup plus petites à une fréquence donnée, car la vitesse du son est bien inférieure à la vitesse de la lumière, l’équipe a utilisé les ultrasons pour alimenter et communiquer avec l’appareil sans fil. Ils ont fabriqué « l’antenne » pour communiquer et alimenter la puce avec des ultrasons, directement sur le dessus de la puce.

« C’est un bel exemple de technologie transcendant la loi de Moore — nous avons introduit de nouveaux matériaux sur un oxyde-métal-semi-conducteur complémentaire standard pour fournir une nouvelle fonction. Dans ce cas, nous avons ajouté des matériaux piézoélectriques directement sur le circuit intégré pour transformer l’énergie acoustique en énergie électrique », explique Shepard.

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L’échographie continue de gagner en importance clinique à mesure que de nouveaux outils et techniques deviennent disponibles. Ce travail poursuit cette tendance. L’objectif de l’équipe est de développer des puces qui peuvent être injectées dans le corps avec une aiguille hypodermique et ensuite communiquer hors du corps à l’aide d’ultrasons, fournissant des informations sur quelque chose qu’elles mesurent localement. Les appareils actuels mesurent la température corporelle, mais l’équipe travaille sur de nombreuses autres possibilités.

Sources : Science Advances

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