Implantierbares System für den lang- und kurzfristigen Ladungsausgleich bei neuronaler elektrischer Stimulation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Yiannos Manoli
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315129160

Funktionelle Elektrostimulation ist eine Technik, bei deren Verwendung Nerven durch elektrische Ladung stimuliert werden. Zum Schutz vor Gewebezerstörung und Elektrodenkorrosion während der Stimulation ist das Prinzip des Ladungsausgleiches zu einem wesentlichen Bestandteil der Funktionellen Elektrostimulation geworden, insbesondere bei Langzeitbehandlungen. Gängige CE-zertifizierte Medizinprodukte sind jedoch meist lediglich mit passiven Methoden zum Ladungsausgleich ausgestattet, welche einen großen Flächenbedarf, eine lange Einschwingzeit sowie einen unkontrollierten Ladungsausgleich aufweisen. Eine vielversprechende Alternative für eine flächeneffiziente, schnelle und kontrollierte Ladungskompensation bietet der aktive Ladungsausgleich. Diese Methode weist ferner den Vorteil der Erzielung einer besseren Signalqualität bei gleichzeitiger Messung und Stimulation auf. Mit diesem Forschungsprojekt wird die Durchführung von Grundlagenforschung im Bereich Funktionelle Elektrostimulation mit aktivem Ladungsausgleich verfolgt, um zukünftig eine Verwendung der Methode des aktiven Ladungsausgleichs, insbesondere bei der Durchführung chronischer Stimulationsstudien, mit verminderten Risiken zu ermöglichen. Ziel ist es, ein CMOS integriertes, Hochspannung-kompatibles, aktives Ladungsausgleichsystem zu entwickeln und zu evaluieren, welches sich mit einer Vielzahl gängiger Stimulatoren kombinieren lässt und diese somit ergänzt. Auf Grund der Diversität der Anwendungen ergeben sich neben den allgemeinen Anforderungen an implantierbare Systeme wie beispielsweise geringe Leistungsaufnahme sowie geringer Flächenbedarf zusätzliche Anforderungen an das aktive Ladungsausgleichsystem, insbesondere hinsichtlich seiner Flexibilität. Hierzu zählen unter anderem konfigurierbare Sicherheitsgrenzbereiche, Limitierung des Kompensationsstromes sowie adaptive Versorgungsspannungen mit Hochspannungskompatibilität bis 30V. Zur Erreichung der Vorgaben werden Ansätze verfolgt, welche die komplementären Methoden des aktiven Ladungsausgleichs für Kurz- und Langzeitstimulation sowohl eigenständig als auch in Kombination betrachten, um eine sehr gute Regelung des Ladungsausgleichs zu erzielen. Insbesondere für Multi-Elektroden Systemen, welche Multiple Input Multiple Output Systeme repräsentieren, gilt es dabei, Konzepte für gekoppelte Regelsysteme zum aktiven Ladungsausgleich zu entwerfen und deren Interaktion und Stabilität zu evaluieren und zu bewerten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen