211service.com
En batterifri implanterbar nervsensor
Tack vare elektronikens krympande storlek har forskare utforskat allt mer sofistikerade implanterbara enheter, vilket banat väg för nya proteser och gränssnitt mellan hjärna och maskin. Men en stor utmaning har varit hur man kan leverera kraft till elektroniska komponenter inbäddade i kroppen.
Pumpa upp det: Denna lågeffekts neurala förstärkare samlar in elektriska signaler från nerver och minimerar det elektriska bruset.
Nu har elektroingenjörer vid University of Washington utvecklat ett implanterbart neuralt avkänningschip som behöver mindre ström. Andra trådlösa medicinska apparater, såsom cochlea eller retinala implantat, är beroende av induktiv koppling, vilket innebär att strömkällan måste vara centimeter bort. Den nya sensorplattformen, kallad NeuralWISP, drar ström från en radiokälla upp till en meter bort.
Enheten innehåller en mikroprocessor som drivs av en kommersiell radiofrekvensläsare som fungerar som en datainsamlingsenhet. Samma utrustning används för att driva och läsa information från RFID-taggar (radio-frequency identification). I experiment använde forskarna den nya enheten för att känna av aktiviteten i centrala nervsystemet i en nattfjäril för att studera dess rörelse.
Det har gjorts vissa framsteg för att minska storleken på neurala implantat nyligen, men majoriteten av implanterbara enheter är fortfarande relativt besvärliga. Dessa enheter kräver vanligtvis flera komponenter – som en klocka för timing och en antenn för kommunikation och kraftutvinning – som är ganska stora jämfört med transistorerna på mikrokontrollern, säger Brian Otis, professor i elektroteknik vid University of Washington och ledande forskare på NeuralWISP.
Du kan ha miljontals transistorer på ett chip som är mindre än en kubikmillimeter i volym, men problemet ligger i de extra delarna, säger Otis. Vårt mål är att krympa allt på ett enda chip och minska strömförbrukningen för dessa komponenter så att chipet kan drivas trådlöst.
NeuralWISP är en samling mindre, mer lågeffektskomponenter, såsom en specialiserad signalförstärkare, på ett kretskort som är drygt två centimeter långt. En framtida version kommer att integrera alla komponenter på ett enda chip som är en millimeter gånger två millimeter stor. Kretsen omvandlar användbar effekt från läsaren - ungefär 430 mikrowatt - till en spänning som kan slå på mikrokontrollern. Denna mikrokontroller styr i sin tur sensorn och dess timer, och kör instruktioner som gör att data kan skickas tillbaka till läsaren.
Flappar fritt: Denna tjudrade nattfjäril är kopplad till det neurala avkänningssystemet, som registrerar aktivitet från dess centrala nervsystem när den slår med vingarna.
Ett av de viktigaste sätten att spara ström, säger Otis, var att minska hur ofta sensorn mätte elektriska signaler som produceras av neuroner. Forskarna programmerade mikrokontrollern att vakna när en elektrisk spik inträffade, och registrera bara de signaler som låg över en viss tröskel. Neuroforskare är intresserade av topphastigheten, säger Otis. Vi digitaliserar inte hela hjärnans vågform.
Förutom en handfull överväganden om lågeffektkretsdesign byggde forskare en liten signalförstärkare som förstärker den elektriska signalen från neuroner samtidigt som elektriskt brus minimeras. För detta delar de upp den inkommande signalen i två delar. Mängden inkommande elektricitet från neural aktivitet är densamma, men genom att dela den mellan ett par transistorer i kretsen halveras mängden brus.
I malexperimentet testade forskare det batterifria systemet genom att samla in data om elektriska signaler från malens vingmuskler. Testerna visade med vilken frekvens malen flaxade med vingarna. Resultaten publiceras i tidskriften IEEE-transaktioner på biomedicinska kretsar och system ; forskarna diskuterade också arbetet vid ett toppmöte om trådlösa identifierings- och avkänningsplattformar (WISP) i Berkeley, Kalifornien, på tisdagen. Det nuvarande systemet är för stort för att nattfjärilen ska kunna flyga fritt, men ett kommande chip, som kommer att presenteras i februari, är tillräckligt litet för att möjliggöra obehindrat flyg, säger Otis.
De flesta implanterbara enheter har använt lägre frekvenser, säger Josh Smith , chefsingenjör på Intel, och arrangör av WISP toppmöte . En lägre frekvens gör också att enheterna måste avläsas på nära håll, tillägger han. Genom att använda kommersiella RFID-läsare, säger Smith, kan enheten drivas och data läsas längre bort. Han säger dock att det fortfarande är en öppen fråga om antennen kommer att behålla den långa räckvidden när den väl implanterats i djurvävnad, eftersom signalen kan absorberas. Att mäta nattfjärilar är en bra passform för detta tillvägagångssätt, eftersom antennen inte behöver gå in i djurets vävnad, säger han.
Arto Nurmikko, professor i teknik vid Brown, håller med och säger att det är användbart att mäta neural aktivitet hos nattfjärilar, men de verkliga utmaningarna och tillämpningspotentialen dyker upp i arbete med primater.