211service.com
Een implanteerbare neurale sensor zonder batterij
Dankzij de steeds kleiner wordende omvang van elektronica hebben onderzoekers steeds geavanceerdere implanteerbare apparaten onderzocht, wat de weg vrijmaakte voor nieuwe protheses en hersen-machine-interfaces. Maar een grote uitdaging was het leveren van stroom aan elektronische componenten die in het lichaam zijn ingebed.
Pomp het op: Deze neurale versterker met laag vermogen verzamelt elektrische signalen van zenuwen en minimaliseert de elektrische ruis.
Nu hebben elektrotechnici van de Universiteit van Washington een implanteerbare neurale detectiechip ontwikkeld die minder stroom nodig heeft. Andere draadloze medische apparaten, zoals cochlea of retinale implantaten, vertrouwen op inductieve koppeling, wat betekent dat de stroombron centimeters verwijderd moet zijn. Het nieuwe sensorplatform, NeuralWISP genaamd, haalt stroom uit een radiobron tot op een meter afstand.
Het apparaat bevat een microprocessor die wordt aangedreven door een commerciële radiofrequentielezer die ook dienst doet als gegevensverzamelingsapparaat. Dezelfde apparatuur wordt gebruikt voor het voeden en lezen van informatie van RFID-tags (radiofrequentie-identificatie). In experimenten gebruikten de onderzoekers het nieuwe apparaat om de activiteit van het centrale zenuwstelsel in een mot te detecteren om zijn voortbeweging te bestuderen.
Er zijn de laatste tijd enige vorderingen gemaakt bij het verkleinen van neurale implantaten, maar de meeste implanteerbare apparaten zijn nog steeds relatief omslachtig. Deze apparaten hebben doorgaans meerdere componenten nodig, zoals een klok voor timingbewerkingen en een antenne voor communicatie en energieoogst, die vrij groot zijn in vergelijking met de transistors op de microcontroller, zegt Brian Otis, hoogleraar elektrotechniek aan de Universiteit van Washington en hoofdonderzoeker op NeuralWISP.
Je kunt miljoenen transistors op een chip hebben die minder dan een kubieke millimeter in volume is, maar het probleem zit hem in de extra onderdelen, zegt Otis. Ons doel is om alles op één chip te verkleinen en het stroomverbruik van deze componenten te verminderen, zodat de chip draadloos kan worden gevoed.
De NeuralWISP is een verzameling kleinere componenten met een lager vermogen, zoals een gespecialiseerde signaalversterker, op een printplaat van iets meer dan twee centimeter lang. Een toekomstige versie zal alle componenten integreren op een enkele chip van één millimeter bij twee millimeter groot. Het circuit zet het bruikbare vermogen van de lezer – ongeveer 430 microwatt – om in een spanning die de microcontroller kan inschakelen. Deze microcontroller bestuurt op zijn beurt de sensor en zijn timer, en voert instructies uit waarmee gegevens naar de lezer kunnen worden teruggestuurd.
Gratis klapperen: Deze vastgebonden mot is verbonden met het neurale waarnemingssysteem, dat activiteit van zijn centrale zenuwstelsel registreert terwijl het met zijn vleugels klappert.
Een van de belangrijkste manieren om energie te besparen, zegt Otis, was om te verminderen hoe vaak de sensor elektrische signalen meet die door neuronen worden geproduceerd. De onderzoekers programmeerden de microcontroller om wakker te worden wanneer er een elektrische piek ontstond, en registreerden alleen de signalen die boven een bepaalde drempel lagen. Neurowetenschappers zijn geïnteresseerd in de pieksnelheid, zegt Otis. We digitaliseren niet de hele hersengolfvorm.
Naast een handvol overwegingen bij het ontwerpen van een laag vermogen, hebben onderzoekers een kleine signaalversterker gebouwd die het elektrische signaal van neuronen versterkt en elektrische ruis minimaliseert. Hiervoor splitsen ze het inkomende signaal in twee delen. De hoeveelheid binnenkomende elektriciteit van neurale activiteit is hetzelfde, maar door het te splitsen tussen een paar transistors in het circuit, wordt de hoeveelheid ruis gehalveerd.
In het mot-experiment testten onderzoekers het batterijloze systeem door gegevens te verzamelen over elektrische signalen van de vleugelspieren van de mot. Uit de tests bleek hoe vaak de mot met zijn vleugels klapperde. De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift IEEE-transacties op biomedische circuits en systemen ; de onderzoekers bespraken het werk dinsdag ook tijdens een top over Wireless Identification and Sensing Platforms (WISP) in Berkeley, CA. Het huidige systeem is te groot om de mot vrij te laten vliegen, maar een aankomende chip, die in februari wordt gepresenteerd, is klein genoeg om onbelast te kunnen vliegen, zegt Otis.
De meeste implanteerbare apparaten hebben lagere frequenties gebruikt, zegt Josh Smith , hoofdingenieur bij Intel, en organisator van de WISP-top . Een lagere frequentie betekent ook dat de apparaten van dichtbij moeten worden uitgelezen, voegt hij eraan toe. Door commerciële RFID-lezers te gebruiken, zegt Smith, kan het apparaat van stroom worden voorzien en kunnen gegevens van verder weg worden gelezen. Hij zegt echter dat het nog steeds een open vraag is of de antenne het lange bereik zal behouden als hij eenmaal in dierlijk weefsel is geïmplanteerd, omdat het signaal mogelijk wordt geabsorbeerd. Het meten van motten past goed bij deze aanpak, omdat de antenne niet in het weefsel van het dier hoeft te gaan, zegt hij.
Arto Nurmikko, hoogleraar engineering aan Brown, is het ermee eens en zegt dat het nuttig is om neurale activiteit bij motten te meten, maar de echte uitdagingen en het toepassingspotentieel komen naar voren in het werk met primaten.