Micro-robotisation d’un implant cochléaire

Le sujet de recherche:

Les implants cochléaires sont nécessaires pour les patients atteints de pertes auditives sévères à profondes. Un implant cochléaire se compose de (i) un processeur externe contenant un microphone, des batteries, de l'électronique et une antenne de transmission; et (ii) un stimulateur implanté contenant l'électronique de stimulation, une antenne de réception et une électrode de stimulation (ES) standard. Le processeur externe capte les sons environnants et transmet les informations au stimulateur implanté. Le stimulateur implanté les transforme en impulsions qui sont envoyées à l'ES pour stimuler le nerf auditif et permettre au patient d'entendre. Une ES standard est généralement faite de silicone avec environ 20 électrodes qui sont des bagues en platine, de 0,5 mm de diamètre, réparties sur une longueur entre 2 et 3 cm. En comparaison, la cochlée mesure environ 1 mm de diamètre. L'ES standard est conçue pour être insérée aussi loin que possible dans la structure en spirale de la cochlée, sur environ 2,5 tours.

La chirurgie d'implantation des ES standard n'est pas sans risque de dommages aux structures délicates de l'oreille interne. L'ES standard est placée dans la scala tympani, un compartiment rempli de périlymphe. À cette étape, le chirurgien n'a pas de perception de l'avancée de l'électrode dans la rampe tympanique. L'insertion de l'électrode atteint un point critique après 8 à 10 mm. À cet endroit, le rayon de courbure de la scala tympani change brusquement (de 1,6 à 2,6 mm). Un contact significatif entre l'électrode et la paroi cochléaire se produit, ce qui peut entraîner une augmentation brutale de la force d'insertion, conduisant à une déformation de l'électrode, des dommages potentiels aux tissus et aux cellules du ganglion spiral, ainsi qu'une perforation de la membrane basilaire. Les dommages et le mauvais alignement éventuel de l'électrode déclenchent une réponse inflammatoire, de la fibrose et, finalement, une mauvaise performance de l’audition après l'opération. Préserver l'intégrité des structures intra-cochléaires est crucial.

Il n’est donc pas surprenant que les efforts visant à obtenir une insertion moins traumatique des électrodes standard se soient intensifiés, et que l’industrie des implants cochléaires, les chirurgiens et les chercheurs aient exploré des modifications tant du dispositif que de la chirurgie d’implantation afin de maximiser la préservation de l’audition. L’état de l’art indique qu’actuellement aucun contrôle efficace d’une électrode de stimulation en couches minces (ESCM) existe. L’état du sujet dans le laboratoire est décrit dans l’article suivant : https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10052348

2) Les objectifs visés pour la thèse

- L’objectif premier est d’optimiser l’ESCM actuelle en remplaçant l’or par du platine ou un composé platine/iridium. Ce matériau est couramment utilisé par les industriels du secteur pour leurs ES standards (Cochlear https://www.cochlear.com/fr/fr/home ) car il dispose d’une réponse électrochimique considérée comme la plus adaptée. Ce changement de matériau nécessitera une adaptation du procédé de micro-fabrication actuel. Le(la) doctorant(e) réalisera la micro-fabrication des ESCMs à partir d’un polymère photosensible qui présente une excellente résistance à la rupture. Concernant l’interface électrode/tissu, afin de réduire l’impédance électrique et d’augmenter la capacité d’injection de charge, la possibilité d’ajouter des revêtements sur les électrodes de stimulation en platine sera étudiée. La caractérisation électrochimique des électrodes de l’ESCM sera réalisée dans un électrolyte de périlymphe artificielle. Des mesures de chronopotentiométrie seront effectuées afin de déterminer la limite de sécurité de stimulation de 216 µC/cm²/phase (définie par la norme AAMI), la capacité d’injection de charges et la capacité de stockage de charges. Enfin, la spectroscopie d’impédance électrochimique sera utilisée pour déterminer l’impédance et les variations de phase, avant et après stimulation. Ces paramètres seront optimisés afin de se rapprocher des performances des réseaux d’électrodes de stimulation standards. Un capteur sera intégré dans l’ESCM réalisée avec une procédure de micro-fabrication similaire à celle de l’ESCM. Ce capteur permettra de déterminer à chaque instant l’état de courbure de l’ESCM et de disposer d’un retour d’informations en cas de contacts/déformations trop importants exercés par l’ESCM sur les parois de la cochlée.

- Le deuxième objectif consistera à réaliser des tests d’insertion des ESCMs actives sur un modèle de cochlée synthétique imprimé en 3D. Ce modèle transparent permettra l’enregistrement vidéo de l’insertion, ainsi que la vérification du comportement des électrodes, des variations de courbure et de la position finale de l’ESCM active, la réponse du capteur. Les résultats seront analysés conjointement avec l’Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria groupe defrost, https://www.inria.fr/fr/defrost ) et avec Institut de l’Audition Pasteur (IdA Pasteur, https://www.institut-audition.fr/ ) pour de premières validations cliniques.

- Le troisième objectif sera que les 20 canaux de stimulation de l’ESCM, l’actionneur et le capteur soient directement connectés au microprocesseur par la réalisation de traversées électriques. La connexion d’un film mince à une traversées filaire ʺrigideʺ constitue un défi majeur . Cette connexion devra résister aux contraintes environnementales : manipulation, chirurgie, traction, pliage, et sera soumise à plusieurs essais, notamment d’allongement, de flexion et de fuite électrique, afin de vérifier la conformité aux normes ISO/AAMI (Association for the Advancement of Medical Instrumentation) applicables aux implants cochléaires. Des essais de vieillissement accéléré seront menés pour évaluer la robustesse et observer les modes de défaillance tels que le délaminage, les fissures ou la corrosion.

Cette thèse vient en renfort des activités du projet de recherche ANR PRCE ACCESS 2024 (ACtively Controlled Electrode for Soft Surgery) validé par l’ANR fin 2024. Ce projet implique que le(la) doctorant(e) s’implique fortement avec les laboratoires partenaires en échangeant des données et des connaissances. Le projet réunit plusieurs disciplines scientifiques avec des expertises qui devront se combiner, enrichir une solution globale. Le(la) doctorant(e) aura en charge un sujet en micro-mécatronique, mais sera en lien continu avec, des doctorant(e)s, des post-doctorant(e)s, des chercheuses(rs) des laboratoires LPPI (Cergy Pontoise), Inria Villeneuve d’Ascq et IdA Pasteur Paris. Elle (Il) aura à se familiariser avec les sciences et le langage de chacune de ces disciplines. Le(la) doctorant(e) sera en contact étroit avec le end user, qui est la société NEURELEC, afin d’échanger sur la partie connexion. Elle (Il) sera en charge d’évaluer les procédés de micro-fabrications utilisés pour une bonne adéquation avec les contraintes technologiques de la fabrication industrielle pour faciliter le transfert technologique.

Directeurs de thèse : CATTAN Éric/ GRONDEL Sébastien

Laboratoire : Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie : https://www.iemn.fr/

Université Polytechnique Hauts-de-France Le Mont Houy 59313 Valenciennes cedex 9

Date d’inscription en thèse : Octobre/Novembre 2026

Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie : https://www.iemn.fr/

Université Polytechnique Hauts-de-France Le Mont Houy 59313 Valenciennes cedex 9

Compétence recherchée

Un(e) doctorant(e) avec un profil micro-mécatronique orienté dispositifs médicaux implantables, possédant des compétences en micro-fabrication, caractérisation électrochimique et mécanique des matériaux, capable d’évoluer dans un environnement interdisciplinaire académique-industrie, avec une sensibilité aux contraintes normatives et au transfert technologique. Le(la) doctorant(e) devra faire preuve d’une grande autonomie.