نشریه‌ی علمی مهندسی پزشکی زیستی

شماره جاری

بر اساس شماره‌های نشریه

بر اساس نویسندگان

بر اساس موضوعات

نمایه نویسندگان

نمایه کلیدواژه ها

درباره نشریه

اهداف و چشم انداز

اعضای هیات تحریریه

اصول اخلاقی انتشار مقاله

بانک ها و نمایه نامه ها

پیوندهای مفید

پرسش‌های متداول

فرایند پذیرش مقالات

اخبار و اعلانات

طراحی و شبیه‌سازی بخش کنترل‌کننده‌ی دیجیتال یک تراشه‌ی تحریک عصبی برای یک ایمپلنت مغزی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

2 استادیار، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

چکیده

در این مقاله، طراحی و شبیه­سازی یک کنترل کننده‌ی دیجیتال برای استفاده در یک سیستم تحریک الکتریکی قابل کاشت در مغز ارائه شده است. کنترل کننده‌ی دیجیتال ارائه شده در این مقاله، دارای قابلیت تولید پالس­های تحریک مربعی با امکان برنامه­ریزی مقادیر عرض پالس، دامنه‌ی پالس، تک فازی یا دو فازی بودن و تقدم فاز کاتدی بر آندی یا برعکس (در صورت دو­­­­­‌‌‌‌‌ فازی بودن آن) می‌باشد. هم‌چنین، در این سیستم امکان کنترل 16 سایت تحریک و تحریک 4 تا از آن‌ها به طور هم‌زمان فراهم شده است. عرض پالس­های تحریک، بین 4 میکروثانیه تا 4 میلی‌ثانیه و فاصله‌ی میان دو فاز، بین 4 تا 512 میکروثانیه قابل برنامه­ریزی است. هم‌چنین، دامنه‌ی پالس­ها می­تواند مقادیری بین 4 میکروآمپر تا 1 میلی‌آمپر را اختیار کند. کنترل هر 4 سایت از 16 سایت موجود، توسط یک واحد تحریک کننده‌ی محلی (LDC) صورت می­گیرد که داده­های خود را از واحد کنترل کننده‌ی سراسری (GDC) دریافت می­نماید. صحت عمل‌کرد کدهای VHDL مدار طراحی شده، ابتدا روی یک برد FPGA بررسی و سپس تراشه‌ی ASIC آن با تکنولوژی CMOS 18/0 میکرومتر جانمایی گشته است. ابعاد هر یک از بخش­های تحریک کننده‌ی محلی در تراشه‌ی طراحی شده برابر با 160/19 میکرومترمربع و ابعاد بخش تحریک کننده‌ی سراسری برابر با 246/4 میکرومترمربع می­باشد. هم‌چنین توان مصرفی بخش­های کنترل کننده­های محلی و سراسری به ترتیب برابر 12 و 2/8 میکرووات می‌باشد. به منظور سهولت در ارسال پارامترهای سیگنال­های تحریک توسط کاربر، یک واسط گرافیکی در محیط نرم‌افزار MATLAB طراحی شده است، که با ارسال متناوب دستور تولید پالس توسط آن، می­توان فرکانس پالس­ها و یا تعداد و فاصله‌ی آن‌ها را در یک قطار پالس تحریکی برنامه­ریزی کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Design and Simulation of the Digital Controller Block of a Neural Stimulation Chip for a Brain Implant

نویسندگان [English]

  • Farnaz Fahimi Hanzaee 1
  • Mohammad Mehdi Ahmadi 2

1 M.Sc, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

2 Assistant Professor, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

Nowadays, implantable electrical neural stimulation is extensively used to treat or alleviate certain brain-related health conditions, such as in deep brain stimulation (DBS) or in vagus nerve stimulation (VNS). In this paper, we present a digital controller block, designed for a neuroelectrical stimulator chip dedicated for a brain implant.The presented design is very power and area-efficient and provides a great flexibibity in programming the specifications of the stimulation pulses. The duration of each stimulation pulse can programmed to be from 4 µs to 4 ms, and the amplitude of each pulse could be from 4 µA to 1 mA. The stimulation pulses could be either monophasic or biphasic, In addition, in biphasic stimulation, the priority of the cathodic pulse over the anodic pulse, or vice versa, could be pragrammed. The interphase delay between the anodic and cathodic phases could be programmed to be between 4 µs and 512 µs. The controller controls 16 stimulation sites, four of which can be stimulated simoultaneualy. The 16 stimulation sites are divided into four groups, each of which is stimulated by a current-controlled stimulation circuit. Each stimulation circuit is controlled by a local digital controller (LDC), which receives its data from a global digital controller (GDC). The designed controller blocks have been implemented and tested on a Spartan-6 field-programmable gate array (FPGA) board, before being implemented as an application-specific integrated circuit (ASIC) layout. The ASIC circuit has been designed using 0.18-µm CMOS technology. Based on the layout, each LDC occupies an area of 19,160 µm2 and consumes 12 µW of power from a 1.8V supply. On the other hand, the GDC takes up an area of 4,246 µm2 and consumes 8.2 µW of power. We have also created a graphical user interface (GUI) to be able to program the stinulation chip.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Neuroelectrical Stimulation
  • Digital Controller
  • Application-Specific Integrated Circuit (ASIC)
  • Field-Programmable Gate Array (FPGA)
  • Graphical User Interface (GUI)
  • Brain Implant
مراجع
[1]     E. R. Kandel, J. H. Schwartz, T. M. Jessell, S. A. Siegelbaum, and A. J. Hudspeth, Principles of neural science vol. 4: McGraw-hill New York, 2000.
[2]     M. van Dongen and W. Serdijn, Design of efficient and safe neural stimulators: A multidisciplinary approach: Springer, 2016.
[3]     K. Iniewski, VLSI circuits for biomedical applications: Artech House, 2008.
[4]     S. Harkema, Y. Gerasimenko, J. Hodes, J. Burdick, C. Angeli, Y. Chen, et al., "Effect of epidural stimulation of the lumbosacral spinal cord on voluntary movement, standing, and assisted stepping after motor complete paraplegia: a case study," Lancet, vol. 377, pp. 1938-47, Jun 4 2011.
[5]     M. K. Lyons, "Deep brain stimulation: current and future clinical applications," Mayo Clin Proc, vol. 86, pp. 662-72, Jul 2011.
[6]     J. S. Perlmutter and J. W. Mink, "Deep brain stimulation," Annu Rev Neurosci, vol. 29, pp. 229-57, 2006.
[7]     P. E. Holtzheimer and H. S. Mayberg, "Deep brain stimulation for psychiatric disorders," Annu Rev Neurosci, vol. 34, pp. 289-307, 2011.
[8]     V. N. Tuan and H.-K. Cha, "A standard CMOS neural stimulator IC with high voltage compliant output current driver," in SoC Design Conference (ISOCC), 2017 International, 2017, pp. 316-317.
[9]     E. Greenwald, C. Maier, Q. Wang, R. Beaulieu, R. Etienne-Cummings, G. Cauwenberghs, et al., "A CMOS current steering neurostimulation array with integrated DAC calibration and charge balancing," IEEE transactions on biomedical circuits and systems, vol. 11, pp. 324-335, 2017.
[10] Y. Tao and A. Hierlemann, "A 15-Channel 30-V Neural Stimulator for Spinal Cord Repair," IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, pp. 1-5, 2018.
[11] M. Sivaprakasam, W. Liu, G. Wang, J. D. Weiland, and M. S. Humayun, "Architecture tradeoffs in high-density microstimulators for retinal prosthesis," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 52, pp. 2629-2641, 2005.
[12] N. Tran, S. Bai, J. Yang, H. Chun, O. Kavehei, Y. Yang, et al., "A complete 256-electrode retinal prosthesis chip," IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 49, pp. 751-765, 2014.
[13] A. Wongsarnpigoon, J. P. Woock, and W. M. Grill, "Efficiency analysis of waveform shape for electrical excitation of nerve fibers," IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 18, pp. 319-328, 2010.
[14] T. M. Gwon, C. Kim, S. Shin, J. H. Park, J. H. Kim, and S. J. Kim, "Liquid crystal polymer (LCP)-based neural prosthetic devices," Biomedical Engineering Letters, vol. 6, pp. 148-163, 2016.
[15] E. M. van der Heide, J. R. Buitenweg, E. Marani, and W. L. Rutten, "Single pulse and pulse train modulation of cutaneous electrical stimulation: a comparison of methods," J Clin Neurophysiol, vol. 26, pp. 54-60, Feb 2009.
[16] P. Walter and K. Heimann, "Evoked cortical potentials after electrical stimulation of the inner retina in rabbits," Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol, vol. 238, pp. 315-8, Apr 2000.
[17] A. Abdi and H.-K. Cha, "A bidirectional neural interface CMOS analog front-end IC with embedded isolation switch for implantable devices," Microelectronics Journal, vol. 58, pp. 70-75, 2016.
[18] M. Ghovanloo, K. Otto, D. Kipke, and K. Najafi, "In vitro and in vivo testing of a wireless multichannel stimulating telemetry microsystem," in Engineering in Medicine and Biology Society, 2004. IEMBS'04. 26th Annual International Conference of the IEEE, 2004, pp. 4294-4297.
[19] V. K. Khanna, Implantable medical electronics: prosthetics, drug delivery, and health monitoring: Springer, 2015.
[20] M. Ghovanloo and K. Najafi, "A wireless implantable multichannel microstimulating system-on-a-chip with modular architecture," IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 15, pp. 449-457, 2007.
[21] T. G. Constandinou, J. Georgiou, and C. Toumazou, "A partial-current-steering biphasic stimulation driver for vestibular prostheses," IEEE Trans Biomed Circuits Syst, vol. 2, pp. 106-13, Jun 2008.
[22] M. H. Maghami, A. M. Sodagar, and M. Sawan, "Biphasic, energy-efficient, current-controlled stimulation back-end for retinal visual prosthesis," in Circuits and Systems (ISCAS), 2014 IEEE International Symposium on, 2014, pp. 241-244.
[23] R. Shulyzki, K. Abdelhalim, and R. Genov, "CMOS current-copying neural stimulator with OTA-sharing," in Circuits and Systems (ISCAS), Proceedings of 2010 IEEE International Symposium on, 2010, pp. 1232-1235.
[24] P. T. Bhatti and K. D. Wise, "A 32-site 4-channel high-density electrode array for a cochlear prosthesis," IEEE Journal of solid-state circuits, vol. 41, pp. 2965-2973, 2006.
[25] C. Carboni, L. Bisoni, R. Puddu, L. Raffo, and M. Barbaro, "A novel embedded system for direct, programmable stimulation of the peripheral neural system," in (NGCAS), 2017 New Generation of CAS, 2017, pp. 189-192.
[26] S. Nag and N. V. Thakor, "Implantable neurotechnologies: electrical stimulation and applications," Medical & biological engineering & computing, vol. 54, pp. 63-76, 2016.
[27] J. Couto and W. M. Grill, "Kilohertz Frequency Deep Brain Stimulation Is Ineffective at Regularizing the Firing of Model Thalamic Neurons," Front Comput Neurosci, vol. 10, p. 22, 2016.
[28] E. Noorsal, K. Sooksood, H. Xu, R. Hornig, J. Becker, and M. Ortmanns, "A neural stimulator frontend with high-voltage compliance and programmable pulse shape for epiretinal implants," IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 47, pp. 244-256, 2012.
[29] N. Tran, E. Skafidas, J. Yang, S. Bai, M. Fu, D. Ng, et al., "A prototype 64-electrode stimulator in 65 nm CMOS process towards a high density epi-retinal prosthesis," in Engineering in Medicine and Biology Society, EMBC, 2011 Annual International Conference of the IEEE, 2011, pp. 6729-6732.
[30] S. Ethier and M. Sawan, "Exponential current pulse generation for efficient very high-impedance multisite stimulation," IEEE transactions on biomedical circuits and systems, vol. 5, pp. 30-38, 2011.
نشریه‌ی علمی مهندسی پزشکی زیستی
دوره 12، شماره 2
شهریور 1397
صفحه 147-159
فایل ها
سابقه مقاله
  • تاریخ دریافت: 08 مرداد 1397
  • تاریخ بازنگری: 18 شهریور 1397
  • تاریخ پذیرش: 23 شهریور 1397
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار