Materiály pro fotovoltaické neurostimulátory na bázi křemíkových fotodiod

Abstract

Tato práce je zaměřena na možnosti neurostimulátorů s bezdrátovým přenosem energie, konkrétně se zabývá přenosem energie pomocí světla. Běžně používané neurostimulátory zahrnují bateriově napájené implantovatelné pulzní generátory a trpí problémem objemných baterií, které vyžadují invazivnější operace a nutnost periodické výměny. V této práci je zkoumána alternativa přenosu energie s využitím fotovoltaických diod. Monokrystalické křemíkové fotovoltaické diody jsou modifikovány a používány pro přeměnu energie ze světelné na elektrickou. Tyto diody byly rozřezány na různé velikosti aktivních ploch a byly zapojeny do sériových nebo paralelních zapojení. Tyto fotovoltaické články byly spojeny s elektrodami vyrobenými z osmi různých materiálů a se čtyřmi různými velikostmi fotovoltaických diod, aby pokryly širokou škálu možných neurostimulačních aplikací. Dále byl vyroben prototyp fotovoltaického stimulátoru skládající se z flexibilních elektrod a fotovoltaické diody. Tento prototyp byl úspěšně testován na modelech malých zvířat, kterými byli Hirudo verbena a Locusta migratoria. Tato práce charakterizuje řadu kombinací jednotlivých velikostí a materiálů elektrod s fotovoltaickými diodami pro různé intenzity a frekvence světla a vytváří mapu relevantních parametrů, z nichž lze navrhnout prototyp stimulátoru pro konkrétní aplikaci. Tato práce pokládá základ pro další vývoj fotovoltaických neurostimulátorů, které umožní nové experimenty a jednoho dne možná méně invazivní klinická zařízení.This thesis is focused on the possibilities of neurostimulators with wireless energy transfer, specifically it explores optical power transfer. Commonly used neurostimulators comprise battery-powered implantable pulse generators, and suffer from the problem of bulky batteries, accounting for more invasive surgery and requirement of periodic replacement. In this work, the alternative of photovoltaic power transfer is explored. Monocrystalline silicon photovoltaic diodes are modified and used as energy transducers. These diodes were cut into different sizes of active surface area, and they were connected into series or parallel connections. These photovoltaic cells were coupled with electrodes made from eight different materials and four different sizes to cover a wide range of possible neurostimulation applications. Next, a prototype photovoltaic stimulator consisting of flexible electrodes and a photovoltaic driver was fabricated. This prototype was successfully tested on small animal models, which they were Hirudo verbena and Locusta migratoria. This work characterizes a range of combinations of individual electrode sizes and materials with photovoltaic diodes for different light intensities and frequencies, creating a map of relevant parameters which can be used to design a prototype stimulator for a specific application. This work lays a foundation for further development of photovoltaic powered neurostimulators to enable novel experiments and one day maybe less invasive clinical devices.