En utilisant le corps humain pour transmettre des signaux, des ingénieurs du Georgia Tech (États‑Unis) ont conçu un système de réseau sans fil qui permet à de petits capteurs et actionneurs implantables de communiquer entre eux, ainsi qu’avec des dispositifs portables.
Son système, publié dans Science, permet que les dispositifs fonctionnent ensemble comme jamais auparavant, en détectant des signaux dans une partie du corps et en déclenchant une réponse thérapeutique dans une autre, telle que la libération de médicaments ou la stimulation d’un nerf. Son mode de communication est extensible pour inclure de multiples dispositifs interconnectés à travers le corps, même profondément dans l’estomac.
« Avec notre système, il est désormais possible de placer des capteurs à l’emplacement optimal pour détecter un signal biologique et des actionneurs à l’emplacement optimal pour effectuer une action thérapeutique », souligne Alex Abramson, auteur principal de l’étude et professeur adjoint à la faculté d’ingénierie chimique et biomoléculaire. « Ils n’ont pas besoin d’être connectés, alignés ni même très proches les uns des autres; ils peuvent simplement s’envoyer des signaux les uns aux autres à travers le tissu environnant ».
Les chercheurs visaient à imiter le même niveau de connectivité que le corps parvient à obtenir via le système nerveux. Ils ont baptisé leur invention SWANS, acronyme de Système Intelligent de Réseaux Sans Fil Autonomes.
Abramson explique que nos corps présentent une capacité très limitée à permettre le passage des signaux sans fil traditionnels comme le Bluetooth ou le NFC, ce qui a historiquement restreint la compatibilité entre dispositifs portables et implants. De plus, ces signaux exigent des antennes volumineuses et beaucoup d’énergie, ce qui force les implants à être de grande taille pour accueillir ces composants.
SWANS élimine ces limitations en utilisant la conductivité ionique naturelle des tissus corporels comme liaison entre les dispositifs.
Chaque implant est programmé pour répondre à des impulsions électriques de tension et de durée spécifiques qui se transmettent d’un dispositif à l’autre à travers les tissus, ce qui permet leur activation sélective. Ils peuvent aussi être programmés pour se coordonner, de sorte que les données de plusieurs capteurs, tant en surface qu’à l’intérieur du corps, se synchronisent et déclenchent une éventuelle action thérapeutique.
« J’ai toujours été passionné par la création de dispositifs qui améliorent la qualité de vie des patients », déclare Ramy Ghanim, doctorant et premier auteur de l’étude publiée dans Science. « L’automatisation améliore les résultats et simplifie les traitements pour les patients ».
Dans leur étude, les chercheurs ont démontré le contrôle moteur des deux extrémités chez un rat en coordonnant un réseau corporel complet de capteurs et d’interfaces neuronales. Leurs capteurs ont détecté le mouvement de la patte avant du rat et ont activé de manière autonome un autre dispositif pour stimuler et contracter le muscle de la patte arrière, simulant ainsi le motif de marche naturel de l’animal.
Grâce à leur réseau à faible consommation, les ingénieurs peuvent concevoir des implants de moins de 3 millimètres, suffisamment petits pour être introduits par une seringue. Ils sont fabriqués avec des composants électroniques passifs qui consomment pratiquement peu d’énergie en attendant d’être activés, mais ils se déclenchent instantanément pour effectuer une action.
La faible consommation d’énergie garantit une longue durée de vie des dispositifs : dans leurs expériences, l’équipe a constaté qu’un petit actionneur activé une fois par jour devrait durer environ un an avant d’avoir besoin d’être remplacé. De plus, ils ont signalé que de petites impulsions électriques n’ont causé aucun dommage aux échantillons de tissu.
SWANS est conçu pour transmettre de petites quantités de données entre les dispositifs : la présence ou l’absence de quelque chose ou un signal oui/non pour déclencher une action. Les échanges de données plus importants ou les calculs complexes se font dans un concentrateur externe portable qui coordonne les lectures des capteurs des implants et dirige les actions thérapeutiques d’autres dispositifs.
Ghanim et Abramson ont collaboré à l’étude avec des chercheurs en génie mécanique, biomédical et électrique du Georgia Institute of Technology, parmi lesquels W. Hong Yeo et l’ancien doctorant Yoon Jae Lee. Ils ont également travaillé avec les chercheurs en science et ingénierie des matériaux du Massachusetts Institute of Technology, Aristide Gumyusenge et Camille Cunin.
« Notre aspiration suprême est d’automatiser entièrement la santé humaine: administrer une thérapie exactement là où elle est nécessaire, quand elle est nécessaire, et de manière coordonnée dans tout le corps », résume Abramson. « Avec notre nouveau système, il devient désormais possible de coordonner plusieurs capteurs et actionneurs dans des endroits totalement distincts du corps, ce qui représente une avancée majeure dans la quête d’une médecine bioélectronique personnalisée ».
