L'évolution technologique des implants actifs les transforme en systèmes avancés miniaturisés, combinant microélectronique, traitement de signal complexe, intelligence artificielle et communications sans fil sécurisées. Pour les fabricants, cette mutation impose une redéfinition profonde des stratégies de conception R&D.

Lionel Doris (Source : Nicolas Broquedis)

Par Lionel Doris, Expert dispositifs médicaux, Carmat SAS

Les dispositifs médicaux implantables actifs (DMIA) englobent aujourd’hui une grande diversité de systèmes : implants cardiaques, neurostimulateurs, pompes implantables, implants auditifs, capteurs physiologiques ou encore implants orthopédiques instrumentés. Dans tous les cas, ce type de dispositif repose, technologiquement, sur la microélectronique.

Microélectronique et basse consommation

Les contraintes d’implantation imposent des budgets énergétiques extrêmement faibles, une intégration poussée, une fiabilité sur plusieurs années et une tolérance élevée aux dérives paramétriques. Les architectures historiques basées sur des microcontrôleurs généralistes 8 ou 16 bits montrent leurs limites face à la montée en complexité des algorithmes embarqués.

Les tendances R&D actuelles privilégient des microcontrôleurs 32 bits ultra-basse consommation et, de plus en plus, des architectures semi-custom, des ASIC dédiés, et des processeurs neuronaux. Les cœurs RISC-V personnalisables offrent une flexibilité intéressante pour intégrer des blocs matériels spécialisés : DSP pour le traitement de signaux biologiques, accélérateurs cryptographiques, contrôleurs RF et unités de gestion d’énergie avancées. La conception de systèmes sur puce (SoC) dédiés à l’implantable permet une optimisation fine des chemins critiques.

Intelligence artificielle

L’intégration de l’intelligence artificielle dans les DMIA modifie profondément les besoins microélectroniques. Les algorithmes d’IA, notamment pour l’analyse de signaux physiologiques (ECG, EEG, EMG, signaux neuronaux), nécessitent des capacités de calcul accrues tout en respectant des contraintes énergétiques exigeantes.

Les axes R&D majeurs incluent le déploiement de microcontrôleurs IA-ready intégrant notamment des accélérateurs matériels pour réseaux neuronaux et des unités de calcul optimisées pour les opérations vectorielles.

La co-conception algorithme–matériel devient essentielle : la réduction du nombre de paramètres, la compression des modèles et l’ordonnancement optimisé des calculs sont indissociables de l’architecture silicium. À terme, ces choix permettront d’avoir des DMIA capables d’adaptation thérapeutique locale, sans dépendance systématique à une communication externe.

Compatibilité électromagnétique

Les DMIA sont exposés à des environnements électromagnétiques de plus en plus denses : réseaux cellulaires multi-bandes (4G/5G/6G ), systèmes de recharge inductive, RFID, systèmes de sécurité, électronique de puissance embarquée dans les véhicules électriques, et équipements médicaux comme l’IRM. Les interférences électromagnétiques peuvent affecter les étages analogiques sensibles, perturber les boucles de contrôle ou induire des tensions et échauffements indésirables.

Du point de vue R&D, la compatibilité électromagnétique doit être abordée dès la conception. Cela inclut notamment le design robuste des circuits analogiques, l’isolation des domaines (analogiques, numériques et radio), l’intégration de filtres et de blindages localisés, et la validation par simulations multiphysiques (EMC, thermique).

Pour les fabricants, la robustesse électromagnétique devient un facteur différenciant clé, notamment face à l’essor des technologies sans fil et de la recharge inductive. En outre, l’anticipation des exigences réglementaires et normatives dès la phase R&D est essentielle afin de limiter les cycles de requalification coûteux. L’intégration des contraintes normatives dans les outils de conception, de simulation et de test constitue un levier stratégique pour accélérer la mise sur le marché.

Communication sans fil

La communication sans fil est devenue une fonction essentielle des dispositifs médicaux implantables, permettant la télémétrie, la programmation à distance, la mise à jour logicielle et l’intégration dans des écosystèmes de santé connectés. Toutefois, l’implémentation de liaisons radio dans un environnement implantable impose des contraintes sévères en matière de consommation énergétique, de latence, de fiabilité et de sécurité.

Les fabricants privilégient des protocoles à basse puissance, souvent basés sur des bandes radio ISM ou des solutions propriétaires. Par ailleurs, la coexistence avec des environnements radio de plus en plus denses renforce la nécessité de mécanismes de gestion adaptative du spectre, de filtrage dynamique et de protocoles de communication robustes face aux perturbations électromagnétiques. Du point de vue sécurité, la communication sans fil constitue également un vecteur d’attaque privilégié, ce qui impose l’intégration de protocoles de chiffrement et d’authentification.

Cybersécurité

La cybersécurité des DMIA ne peut être dissociée de leur architecture microélectronique. Les vulnérabilités liées aux communications sans fil ou à la manipulation des signaux soulignent la nécessité d’intégrer des mécanismes de sécurité au niveau matériel : stockage sécurisé des clés, accélérateurs cryptographiques basse consommation et mécanismes de détection d’anomalies embarqués.

L’enjeu R&D consiste à assurer un haut niveau de sécurité sans compromettre la durée de vie de l’implant. Les approches combinant sécurité matérielle et IA embarquée pour la détection comportementale ouvrent des perspectives prometteuses.

Conclusion

La prochaine génération de dispositifs médicaux implantables reposera sur une microélectronique hautement spécialisée, des microcontrôleurs et ASIC dédiés à l’IA embarquée, et une prise en compte renforcée de la compatibilité électromagnétique et de la sécurité.

Pour les équipes R&D, la maîtrise conjointe du silicium, de l’algorithmique et des normes réglementaires sera déterminante pour concevoir des implants plus intelligents, plus sûrs et durablement fiables.