• neurostimolazione
• neurostimulation
• generatore di stimolo
• stimulus generator
• sistema impiantabile
• implantable system
• emicrania cronica
• chronic migraine

La neurostimolazione è in un processo tecnologico, reversibile e non distruttivo, che ha lo scopo di alterare l’attività neurologica di un organismo tramite l’applicazione di segnali elettrici opportuni applicati in prossimità del tessuto da stimolare.

Questa pratica è da secoli impiegata con l’intento di migliorare la qualità di vita dei soggetti affetti da disturbi neurologici. Tra i primi a ricorrere alla neurostimolazione come strumento terapeutico vi furono gli egizi e i greci, seguiti da Scribonius Largus, medico e scrittore romano che intorno alla metà del primo secolo d.C. propose di utilizzare delle torpedini (pesci cartilaginei dotati di organi elettrogeni) per il trattamento dell’emicrania e la podagra (infiammazione delle articolazioni del piede). Da allora sono stati fatti enormi progressi in ambito della neuromodulazione elettrica, specialmente negli ultimi decenni, grazie all’avvento dell’elettronica e al repentino miglioramento delle tecnologie.

Attualmente, nonostante la dimostrata efficacia della stimolazione elettrica nel trattamento dei dolori cronici, tale pratica viene adottata solo come ultima risorsa, dopo la neuromodulazione chimica (somministrazione di farmaci) e l’iniezione di blocchi nervosi. L’approccio seguito è in gran parte riconducibile al costo elevato associato ai moderni stimolatori impiantabili (notevolmente più efficaci rispetto ai loro predecessori, gli stimolatori transcutanei) e alle rispettive operazioni di impiantazione, spesso molto invasive e rischiose.

Il progetto TARA nasce con l’obiettivo di invertire questa tendenza, puntando alla realizzazione di un prodotto a basso costo, duraturo nel tempo, semplice da utilizzare ma allo stesso tempo dalle performance competitive, fina-lizzato al trattamento dell’emicrania cronica. Uno dei fattori determinanti nella riduzione del costo del dispositivo è attribuibile al sistema di impiantazione, progettato in modo da minimizzare l’invasività e dunque i rischi per il paziente.

Nel contesto del progetto TARA, l’Università di Pisa, oltre a ricoprirne il ruolo di coordinatrice, si occupa della progettazione del Neural Chip, ASIC delle dimensioni di 1.5 mm x 1.5 mm presente internamente al dispositivo impiantabile (TARA-AIR). Il Chip in questione è responsabile della generazione degli stimoli da applicare al tessuto neurale, caratterizzati da ampiezza e durata configurabili attraverso dei comandi provenienti da una centralina esterna (TARA-CONTROL).

Entrando più nello specifico, il presente lavoro di tesi si è concentrato nella progettazione del generatore di stimolo presente internamente Neural Chip. Tra le specifiche principali tenute in considerazione durante la progettazione del sistema vi sono la sicurezza del paziente, la massima libertà di configurazione da parte del medico, l’ingombro e il consumo di potenza.

Lo stimolatore proposto è frutto di una rivisitazione di una topologia di generatore di stimolo bipolare ampiamente discusso in letteratura. Quest’ultimo prevede la presenza di un singolo generatore di corrente configurabile, posto in serie ad un ponte ad H, il quale viene impiegato per indirizzare la corrente sul carico. Per buona parte della trattazione, il tessuto neurale è stato schematizzato (sotto la guida di uno dei protagonisti del consorzio nato dal progetto europeo) con una resistenza dal valore di 1 kΩ.

Sebbene il sistema progettato sia tale da consentire la gestione di una sola coppia di elettrodi, è possibile controllare più coppie mediante la creazione di più instance del generatore di stimolo.

In serie ad ogni coppia di elettrodi è presente un condensatore (discreto) da 4.7 µF. Questo elemento, oltre a costituire un blocco per le componenti DC, ritenute pericolose in quanto potrebbero portare ad un danneggiamento del tessuto neurale e degli elettrodi, può essere sfruttato per monitorare la carica residua a fine periodo di stimolazione con l’obiettivo di programmare l’attuazione delle strategie di bilanciamento di carica (attive o passive) in caso di necessità.

Date le specifiche richieste dall’applicazione, in termini di ampiezza e durata degli impulsi, la tensione tra i due elettrodi può raggiungere valori ben oltre la decina di Volt. Per riuscire a gestire tali tensioni, pur garantendo una buona qualità degli impulsi, è stata di fondamentale importanza la disponibilità un processo BCD che mettesse a disposizione sia dispositivi HV (LDFET), più robusti alle tensioni elevate ma meno accurati, sia dispositivi MV e LV, meno robusti dei primi ma molto più accurati. La disponibilità di tali dispositivi ha reso possibile l’implementazione di topologie ibride, in cui la generazione delle correnti è delegata ai dispositivi più precisi e la gestione delle tensioni elevate è affidata ai transistori più robusti.

Entrando più nel dettaglio della struttura, a monte dello stimolatore è presente uno specchio di corrente a larga dinamica di precisione p-type, implementato con transistori MV (5 V). Quest’ultimo consente la generazione di impulsi di corrente con elevata precisione (caratterizzati da errori relativi, calcolati rispetto al valore nominale della corrente di uscita, inferiori al 2 %) su tutto il range di ampiezze richiesto (100 µA ÷ 10 mA). Come già anticipato, il segno della corrente sul carico è controllato tramite il pilotaggio del ponte ad H e la durata degli impulsi è configurabile da 10 µs fino a 2 ms (con tempi di salita e di discesa inferiori ad 1 µs).

Il sistema è stato validato tramite le seguenti simulazioni:

- Simulazioni DC: per la verifica dei punti di riposo dei dispositivi;
- Simulazioni in transitorio: per l’analisi dinamica del segnale stimolante e per una quantificazione della qualità degli impulsi e della precisione del sistema al variare della corrente di uscita;
- Simulazioni al variare del carico e della tensione di alimentazione: per stabilire la minima tensione di alimentazione e il carico massimo per cui il sistema opera correttamente;
- Simulazioni in temperatura: per la verifica del corretto funzionamento del sistema al variare della temperatura di esercizio;
- Simulazioni Monte Carlo: per la verifica del corretto funzionamento del sistema anche in presenza di errori di matching e di processo;
- Simulazioni corner (per diverse T).

Dalle simulazioni transitorie (Fig. ab. 5) è emersa la presenza di significativi spike di corrente in corrispondenza dei fronti di transizione del segnale stimolante (oltre il 700 % del valore nominale). In riferimento a questo problema, è stata proposta una strategia di pilotaggio dei transistori del ponte ad H che ha portato ad una notevole riduzione degli spike, adesso inferiori al 190 % del valore nominale della corrente a regime.

Attuando delle configurazioni di stimolazione in linea con quelle descritte in sistemi simili presenti in letteratura, la struttura proposta è risultata essere in grado di operare correttamente fino a tensioni di alimentazione inferiori a 4 V (limite inferiore) e carichi di 5 kΩ (limite superiore).

Da uno studio approfondito delle simulazioni transitorie, sono emerse delle criticità sulla sicurezza del paziente, correlate alla presenza del condensatore di blocco. L’analisi dei dati ha rivelato che, in presenza di stimolazioni potenzialmente pericolose, sussiste il rischio di iniezione di una corrente indesiderata sul carico. Tale corrente è da ricondursi all’ingresso in conduzione delle giunzioni drain-substrato dei transistori della parte bassa del ponte ad H. Per escludere ogni possibile rischio di danneggiamento irreversibile ai tessuti o al sistema, è risultato sufficiente sostituire gli switch della parte bassa del ponte con degli opportuni specchi semplici di corrente.