Wszczepialny czujnik neuronowy bez baterii

Dzięki kurczącym się rozmiarom elektroniki naukowcy badają coraz bardziej wyrafinowane urządzenia do implantacji, torując drogę dla nowych protez i interfejsów mózg-maszyna. Jednak dużym wyzwaniem było doprowadzenie zasilania do elementów elektronicznych osadzonych w ciele.

Podkręć to: Ten wzmacniacz neuronowy o małej mocy zbiera sygnały elektryczne z nerwów i minimalizuje szum elektryczny.

Teraz inżynierowie elektrycy z Uniwersytetu Waszyngtońskiego opracowali wszczepialny chip neuronowy, który potrzebuje mniej energii. Inne bezprzewodowe urządzenia medyczne, takie jak implanty ślimakowe lub siatkówkowe, opierają się na sprzężeniu indukcyjnym, co oznacza, że ​​źródło zasilania musi znajdować się w odległości centymetrów. Nowa platforma czujników, zwana NeuralWISP, pobiera energię ze źródła radiowego oddalonego o metr.

Urządzenie zawiera mikroprocesor zasilany z komercyjnego czytnika częstotliwości radiowych, który pełni również funkcję urządzenia do gromadzenia danych. Ten sam sprzęt jest używany do zasilania i odczytu informacji ze znaczników identyfikacji radiowej (RFID). W eksperymentach naukowcy wykorzystali nowe urządzenie do wykrywania aktywności ośrodkowego układu nerwowego ćmy w celu zbadania jego lokomocji.

W ostatnim czasie poczyniono pewne postępy w zmniejszaniu rozmiarów implantów nerwowych, ale większość wszczepialnych urządzeń jest nadal stosunkowo nieporęczna. Urządzenia te zazwyczaj wymagają wielu komponentów – takich jak zegar do operacji taktowania oraz antena do komunikacji i zbierania energii – które są dość duże w porównaniu z tranzystorami w mikrokontrolerze, mówi Brian Otis, profesor elektrotechniki na Uniwersytecie Waszyngtońskim i główny badacz w NeuralWISP.

Możesz mieć miliony tranzystorów na chipie o objętości mniejszej niż milimetr sześcienny, ale problem tkwi w dodatkowych częściach, mówi Otis. Naszym celem jest zmniejszenie wszystkiego do jednego chipa i zmniejszenie zużycia energii przez te komponenty, aby chip mógł być zasilany bezprzewodowo.

NeuralWISP to zbiór mniejszych komponentów o mniejszej mocy, takich jak specjalistyczny wzmacniacz sygnału, na płytce drukowanej o długości nieco ponad dwóch centymetrów. Przyszła wersja zintegruje wszystkie komponenty na jednym chipie o wymiarach jeden milimetr na dwa milimetry. Obwody przekształcają użyteczną moc z czytnika – około 430 mikrowatów – na napięcie, które może włączyć mikrokontroler. Ten mikrokontroler z kolei steruje czujnikiem i jego zegarem oraz uruchamia instrukcje, które umożliwiają przesłanie danych z powrotem do czytnika.

Bez trzepotania: Ta spętana ćma jest połączona z systemem nerwowym, który rejestruje aktywność centralnego układu nerwowego, gdy trzepocze skrzydłami.

Według Otisa jednym z głównych sposobów oszczędzania energii było zmniejszenie częstotliwości pomiaru sygnałów elektrycznych wytwarzanych przez neurony przez czujnik. Naukowcy zaprogramowali mikrokontroler tak, aby wybudzał się po wystąpieniu impulsu elektrycznego i rejestrował tylko sygnały, które przekraczały określony próg. Neuronaukowcy są zainteresowani tempem wzrostu, mówi Otis. Nie digitalizujemy całej fali mózgowej.

Oprócz kilku rozważań dotyczących projektowania obwodów o niskim poborze mocy, naukowcy zbudowali mały wzmacniacz sygnału, który wzmacnia sygnał elektryczny z neuronów, jednocześnie minimalizując szum elektryczny. W tym celu podzielili przychodzący sygnał na dwie części. Ilość energii elektrycznej przychodzącej z aktywności neuronowej jest taka sama, ale rozdzielając ją między parę tranzystorów w obwodzie, ilość szumów zmniejsza się o połowę.

W eksperymencie z ćmą naukowcy przetestowali system bez baterii, zbierając dane o sygnałach elektrycznych z mięśni skrzydłowych ćmy. Testy wykazały częstotliwość, z jaką ćma trzepotała skrzydłami. Wyniki są publikowane w czasopiśmie Transakcje IEEE dotyczące obwodów i systemów biomedycznych ; Naukowcy omówili również prace na szczycie poświęconym platformom bezprzewodowej identyfikacji i wykrywania (WISP) w Berkeley w Kalifornii we wtorek. Obecny system jest zbyt duży, aby ćma mogła swobodnie latać, ale nadchodzący chip, który zostanie zaprezentowany w lutym, jest wystarczająco mały, aby umożliwić swobodny lot, mówi Otis.

Mówi się, że większość wszczepialnych urządzeń używa niższych częstotliwości Josh Smith , główny inżynier w firmie Intel i organizator Szczyt WISP . Niższa częstotliwość oznacza również, że urządzenia muszą być odczytywane z bliskiej odległości – dodaje. Korzystanie z komercyjnych czytników RFID, mówi Smith, umożliwia zasilanie urządzenia i odczyt danych z większej odległości. Twierdzi jednak, że nadal pozostaje otwarte pytanie, czy antena utrzyma duży zasięg po wszczepieniu w tkankę zwierzęcą, ponieważ sygnał może zostać pochłonięty. Jak mówi, pomiar ciem jest dobrym rozwiązaniem do tego podejścia, ponieważ antena nie musi wnikać w tkankę zwierzęcia.

Arto Nurmikko, profesor inżynierii w Brown, zgadza się, mówiąc, że pomiar aktywności neuronalnej u ciem jest przydatny, ale prawdziwe wyzwania i możliwości zastosowania pojawiają się w pracy z naczelnymi.

ukryć