211service.com
En batterifri implanterbar neural sensor
Takket være den skrumpende størrelse af elektronik har forskere udforsket stadig mere sofistikerede implanterbare enheder, hvilket baner vejen for nye proteser og hjerne-maskine-grænseflader. Men en stor udfordring har været, hvordan man kan levere strøm til elektroniske komponenter indlejret i kroppen.
Pumpe den op: Denne neurale forstærker med lav effekt opsamler elektriske signaler fra nerver og minimerer den elektriske støj.
Nu har elektriske ingeniører ved University of Washington udviklet en implanterbar neural sensing-chip, der har brug for mindre strøm. Andet trådløst medicinsk udstyr, såsom cochlea eller retinale implantater, er afhængige af induktiv kobling, hvilket betyder, at strømkilden skal være centimeter væk. Den nye sensorplatform, kaldet NeuralWISP, trækker strøm fra en radiokilde op til en meter væk.
Enheden indeholder en mikroprocessor drevet af en kommerciel radiofrekvenslæser, der fungerer som en dataindsamlingsenhed. Det samme udstyr bruges til at strømforsyne og læse information fra RFID-tags (radio-frequency identification). I eksperimenter brugte forskerne den nye enhed til at fornemme centralnervesystemets aktivitet i en møl for at studere dens bevægelse.
Der har været nogle fremskridt med at reducere størrelsen af neurale implantater for nylig, men størstedelen af implanterbare enheder er stadig relativt besværlige. Disse enheder kræver typisk flere komponenter – såsom et ur til timing og en antenne til kommunikation og strømindsamling – som er ret store sammenlignet med transistorerne på mikrocontrolleren, siger Brian Otis, professor i elektroteknik ved University of Washington og ledende forsker på NeuralWISP.
Du kan have millioner af transistorer på en chip mindre, der er mindre end en kubikmillimeter i volumen, men problemet er med de ekstra dele, siger Otis. Vores mål er at krympe alt på en enkelt chip og reducere strømforbruget af disse komponenter, så chippen kan forsynes trådløst.
NeuralWISP er en samling af mindre komponenter med mere lav effekt, såsom en specialiseret signalforstærker, på et printkort, der er lidt over to centimeter langt. En fremtidig version vil integrere alle komponenter på en enkelt chip, der er en millimeter gange to millimeter stor. Kredsløbet konverterer brugbar strøm fra læseren - omkring 430 mikrowatt - til en spænding, der kan tænde mikrocontrolleren. Denne mikrocontroller styrer på sin side sensoren og dens timer og kører instruktioner, der gør det muligt at sende data tilbage til læseren.
Klapfrit: Denne tøjrede møl er forbundet med det neurale sansesystem, som registrerer aktivitet fra dets centralnervesystem, mens det slår med vingerne.
En af de vigtigste måder at spare strøm på, siger Otis, var at reducere, hvor ofte sensoren målte elektriske signaler produceret af neuroner. Forskerne programmerede mikrocontrolleren til at vågne, når der opstod en elektrisk spids, og kun registrere de signaler, der var over en vis tærskel. Neurovidenskabsmænd er interesserede i stigningshastigheden, siger Otis. Vi digitaliserer ikke hele hjernebølgeformen.
Ud over en håndfuld overvejelser om laveffektkredsløbsdesign byggede forskerne en lille signalforstærker, der booster det elektriske signal fra neuroner, mens den minimerer elektrisk støj. Til dette opdeler de det indgående signal i to dele. Mængden af indkommende elektricitet fra neural aktivitet er den samme, men ved at dele den mellem et par transistorer i kredsløbet, halveres mængden af støj.
I møl-eksperimentet testede forskere det batterifrie system ved at indsamle data om elektriske signaler fra mølens vingemuskler. Testene viste den hyppighed, hvormed mølen slog med vingerne. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet IEEE-transaktioner på biomedicinske kredsløb og systemer ; forskerne diskuterede også arbejdet på et topmøde om Wireless Identification and Sensing Platforms (WISP) i Berkeley, Californien, tirsdag. Det nuværende system er for stort til at tillade møl at flyve frit, men en kommende chip, som vil blive præsenteret i februar, er lille nok til at muliggøre uhindret flyvning, siger Otis.
De fleste implanterbare enheder har brugt lavere frekvenser, siger Josh Smith , hovedingeniør hos Intel og arrangør af WISP topmøde . En lavere frekvens betyder også, at enhederne skal aflæses på tæt hold, tilføjer han. Brug af kommercielle RFID-læsere, siger Smith, gør det muligt for enheden at få strøm, og data kan læses længere væk. Han siger dog, at det stadig er et åbent spørgsmål, om antennen vil bevare den lange rækkevidde, når den først er implanteret i dyrevæv, fordi signalet kan blive absorberet. Måling af møl passer godt til denne tilgang, da antennen ikke behøver at gå ind i dyrets væv, siger han.
Arto Nurmikko, professor i ingeniørvidenskab ved Brown, er enig og siger, at det er nyttigt at måle neural aktivitet hos møl, men de virkelige udfordringer og anvendelsespotentiale dukker op i arbejdet med primater.