Des ingénieurs connectent les dispositifs médicaux portables et les implants en utilisant le corps comme réseau.
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Ramy Ghanim (à gauche), auteur principal de l’étude, et Joy Jackson, co-auteure, testent un petit dispositif implantable en compagnie du professeur adjoint Alex Abramson. Dans un article récemment publié dans la revue Science , ils décrivent un système de mise en réseau qui connecte des implants thérapeutiques et des dispositifs portables en utilisant la conductivité naturelle du corps pour transmettre de faibles signaux. Crédit : Candler Hobbs, Georgia Institute of Technology
En utilisant le corps humain comme vecteur de transmission, des ingénieurs de Georgia Tech ont créé un système de réseau sans fil permettant à de minuscules capteurs et actionneurs implantables de communiquer entre eux et avec des dispositifs portables. Grâce à ce système, les appareils peuvent fonctionner ensemble d’une manière inédite : effectuer une détection dans une partie du corps et déclencher une action thérapeutique ailleurs, par exemple en libérant un médicament ou en stimulant un nerf.
Les résultats de cette recherche sont publiés dans la revue Science .
Leur méthode de communication peut être étendue à de multiples dispositifs interconnectés répartis dans tout le corps, même profondément à l’intérieur de l’estomac.
« Grâce à notre système, vous pouvez désormais placer les capteurs au meilleur endroit possible pour détecter un signal biologique et les actionneurs au meilleur endroit possible pour réaliser une action thérapeutique », a déclaré Alex Abramson, auteur principal de l’étude et professeur adjoint à l’École de génie chimique et biomoléculaire.
« Ils n’ont pas besoin d’être connectés, alignés ou même proches les uns des autres ; ils peuvent simplement s’envoyer des signaux à travers les tissus environnants. »
Le système de réseau sans fil mis au point par les chercheurs leur permet de créer des dispositifs implantables suffisamment petits pour être insérés à l’aide d’une seringue, sans intervention chirurgicale. Crédit : Candler Hobbs, Georgia Institute of Technology
Le tissu devient le canal de communication
Les chercheurs ont cherché à reproduire le même niveau de connectivité que celui atteint le corps grâce au système nerveux. Ils ont baptisé leur invention SWANS, pour Smart Wireless Autonomous Networking System (Système de réseau autonome sans fil intelligent).
Selon Abramson, notre corps interagit très mal avec les signaux sans fil traditionnels comme le Bluetooth ou le NFC, ce qui a toujours limité la compatibilité entre les dispositifs portables et les implants. Ces signaux nécessitent également de grandes antennes et une forte consommation d’énergie, ce qui implique que les implants doivent être volumineux pour accueillir ces composants.
SWANS supprime ces limitations en utilisant la conductivité ionique naturelle des tissus corporels comme connexion entre les appareils.
Chaque implant est programmé pour répondre à des impulsions électriques de tension et de durée spécifiques, transmises d’un dispositif à l’autre à travers les tissus, permettant ainsi leur activation sélective. Ils peuvent également être programmés pour coordonner les données provenant de multiples capteurs situés sur et dans le corps et déclencher une action thérapeutique potentielle.
« J’ai toujours été passionné par la création de dispositifs qui améliorent la qualité de vie des patients », a déclaré Ramy Ghanim, doctorant et premier auteur de l’étude. « L’automatisation améliore les résultats et simplifie les protocoles de traitement pour les patients. »
Contrôle moteur avec des implants millimétriques
Dans leur étude, les chercheurs ont démontré le contrôle moteur des deux membres chez un rat grâce à la coordination d’un réseau complet de capteurs et d’interfaces neuronales couvrant tout le corps. Leurs capteurs détectaient les mouvements de la patte avant du rat et déclenchaient automatiquement un autre dispositif pour stimuler et contracter le muscle de la patte arrière, simulant ainsi la démarche naturelle de l’animal.
Grâce à leur réseau basse consommation, les ingénieurs peuvent créer des implants de moins de 3 millimètres (un huitième de pouce), suffisamment petits pour être implantés à l’aide d’une seringue. Ils sont composés de composants électroniques passifs qui ne consomment pratiquement aucune énergie lorsqu’ils sont en veille, mais qui s’activent instantanément pour exécuter une action.
La faible consommation d’énergie de ces dispositifs leur confère une longue durée de vie : lors de leurs expériences, l’équipe a constaté qu’un minuscule actionneur déclenché une fois par jour pouvait durer environ un an avant d’être remplacé. Ils ont également constaté que les faibles impulsions électriques n’endommageaient pas les échantillons de tissus.
Petits signaux, traitement coordonné
SWANS est conçu pour transmettre uniquement de petites quantités de données entre les appareils : la présence ou l’absence d’un élément, ou un signal binaire (oui/non) pour déclencher une action. Les échanges de données plus importants ou les calculs complexes sont effectués sur un concentrateur externe portable, capable de coordonner les relevés des capteurs implantés et de piloter les interventions thérapeutiques d’autres dispositifs.
Ghanim et Abramson ont collaboré à cette étude avec des chercheurs en génie mécanique, biomédical et électrique de Georgia Tech, notamment W. Hong Yeo et l’ancien doctorant Yoon Jae Lee. Ils ont également travaillé avec Aristide Gumyusenge et Camille Cunin, chercheurs en science et génie des matériaux au Massachusetts Institute of Technology.
« Notre espoir ultime est de pouvoir automatiser entièrement la santé humaine, de pouvoir administrer un traitement exactement au moment et à l’endroit où il est nécessaire, et de le faire de manière coordonnée dans tout le corps », a déclaré Abramson.
« Grâce à notre nouveau système, il est désormais possible de coordonner plusieurs capteurs et actionneurs situés à des endroits complètement différents du corps, ce qui représente un grand pas en avant dans la quête d’une médecine bioélectronique personnalisée. »