طراحی و شبیه‌سازی بخش‌های بازیابی داده و توان القایی برای یک سیستم تحریک الکتریکی مورد استفاده در یک ایمپلنت مغزی

نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی، گروه بیوالکتریک، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

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

10.22041/ijbme.2018.91673.1393

چکیده

امروزه استفاده از ریزسامانه‌های قابل کاشت، برای شناسایی دقیق‌تر عمل‌کرد مغز و تعامل نورون‌ها با یک‌دیگر، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این ریزسامانه‌ها، با بهره‌گیری از الکترودهایی با ابعادی در حدود اندازه‌ی یک نورون، قادر هستند تا عمل ثبت فعالیت یا تحریک یک نورون را با قدرت تفکیک بسیار بالایی انجام دهند. طراحی ریزسامانه‌های قابل کاشت تحریک الکتریکی، با چالش‌های بسیاری روبه‌رو است که از آن جمله می‌توان به نحوه‌ی بازیابی توان با بازده بالا و بازیابی داده­های ارسالی با دقت بالا، اشاره کرد. در این مقاله، یک ساختار جدید برای بلوک بازیابی توان در یک ریزسامانه‌ی تحریک الکتریکی مغز، ارائه شده است. در ریزسامانه‌ی تحریک الکتریکی مورد نظر در این مقاله، لازم است تا دو سطح ولتاژ‌ متفاوت تولید شود. ولتاژ اول، سطح پایین‌تری (8/1 وات) داشته و به عنوان منبع تغذیه‌ی مدارهای داخلی (مانند مدارهای دیجیتال)، مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای تولید این ولتاژ، از یک یک‌سوساز فعال استفاده شده است که با دریافت ولتاژ ورودی ۳ ولت، بازده توان 89% و افت ولتاژ ۱۵۰ میلی‌ولت را دارد. ولتاژ دوم، که سطح بالاتری داشته و متغیر می‌باشد، توان لازم برای منابع جریان تحریک‌کننده را تامین می‌کند. برای تولید این ولتاژ، از یک یک‌سوساز فعال کنترل شونده با فاز، استفاده می‌شود که ولتاژ خروجی آن، متناسب با میزان جریان تحریک، در بازه‌ی ۸/۱ تا 5/2 ولت تغییر کرده و از این طریق، اتلاف توان در منابع جریان تحریک را کاهش و بازده سیستم تحریک را در مواردی تا حدود ۵۰% افزایش می‌دهد. هم‌چنین در این مقاله، یک مدار دمدولاتور دامنه، جهت بازیابی داده‌های ارسالی از خارج بدن و یک مدار برای بازیابی پالس ساعت مورد نیاز برای عمل‌کرد ریزسامانه‌ی تحریکی، طراحی شده و نتایج شبیه‌سازی آن‌ها ارائه شده است. مدار دمدولاتور داده، قادر است تا داده‌ها را از ولتاژ ورودی با دامنه‌ی ۳ تا ۵ ولت و با ضریب مدولاسیون متغیر بین ۵ تا ۲۵ درصد، استخراج کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Design and Simulation of the Data and Power Recovery Blocks of an Inductively-Powered Microsystem Dedicated to a Brain Implant

نویسندگان [English]

  • Zahra-Sadat Fatemi 1
  • Mohammad Mahdi Ahmadi 2
1 M.Sc. Student, 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]

The use of smart medical implants to study the human brain and the interaction of neurons with each other has recently gained much attention. These implants contain microelectrode arrays in which the size of an electrode is in the order of the size of a neuron; therefore they allow recording signals from single neuron or stimulating a single neuron with considerable precision. Design of such implants entails many challenges, one of which is the design of power and data recovery blocks. In this paper, we describe the design of a new power and data recovery unit for an implantable neural stimulating microsystem. The power recovery unit generates two supply voltages: a 1.8-V supply for the core circuits and a higher supply voltage for the stimulation front-end. An active rectifier is used to generate the 1.8-V supply. The active rectifier achives a 89% power conversion efficiency and 150mV voltage drop with a 3-V sinusoidal input voltage. In order to maximize the efficiency of the stimulation front-end, the supply voltage of that circuit should be adaptively adjusted according to the amplitude of the stimulation current. As a result, a phase-controlled active rectifier is utilized to generate the supply voltage for the neural stimulation front-end. The phase-controlled active rectifier can generate out voltages ranging from 1.8V to 2.5V. Using phase-controlled active rectifier can increase the power conversion efficiency up to 50%. In addition to power recovery, neuroelectrical stimulation microsystems should receive stimulation data from outside of the body. Hence, this paper also circuits required for clock and daterecovery. The data recovery block is able to demodulate the ASK-modulated signal with 3-V to 5-V amplitude and 5% to 25% modulation index.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Implantable microsystems
  • electrical stimulation
  • wireless power transfer
  • active rectifier
  • phase controlled active rectifier
  • clock and data recovery
[1]     S. Sanei and J. Chambers, “introduction to EEG” in EEG signal processing, 1st ed, New York: Wiley, 2007, ch 1, pp.289.

[2]     J. Liu, Lai Xu, A. Caprihana, and V. D. Calhoun, “Extracting principle components for discriminant analysis of FMRI images,” in 2008 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, pp. 449–452., 2008.

[3]     M. L. Hines and N. T. Carnevale, “The NEURON Simulation Environment,” Neural Comput., vol. 9, no. 6, pp. 1179–1209, Aug. 1997.

[4]     K. Bazaka and M. Jacob, “Implantable Devices: Issues and Challenges, ” Multidisciplinary Digital Publishing Institute. vol. 2, no. 1, pp: 1-34, Dec. 2012.

[5]     X. F. Wei and W. M. Grill, “Current density distributions, field distributions and impedance analysis of segmented deep brain stimulation electrodes,” Journal of Neural Engineering, vol. 2, no. 4, pp. 139–147, Dec. 2005.

[6]     Ling Su and Dongsheng Ma, “Design and optimization of integrated low-voltage low-power monolithic CMOS charge pumps,” Proc. in 2008 International Symposium on Power Electronics, pp. 43–48, 2008.

[7]     C. Peters, O. Kessling, F. Henrici, M. Ortmanns, and Y. Manoli, “CMOS Integrated Highly Efficient Full Wave Rectifier,” in 2007 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, pp. 2415–2418, 2007.

[8]     S. S. Hashemi Aghcheh Body, “High-Efficiency Low-Voltage Rectifiers for Power Scavenging Systems,” Ph.D thesis, École Polytechnique de Montréal, 2011.

[9]     H. M. Lee and M. Ghovanloo, “An integrated power-efficient active rectifier with offset-controlled high speed comparators for inductively powered applications,” IEEE Trans. Circuits Syst., vol. 58, no. 8, pp. 1749–1760, 2011.

[10] N. Tran et al., “A complete 256-electrode retinal prosthesis chip,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 49, no. 3, pp. 751–765, 2014.

[11] D. M. Merfeld and R. F. Lewis, “Replacing semicircular canal function with a vestibular implant,” Curr. Opin. Otolaryngol. Head Neck Surg., vol. 20, no. 5, pp. 386–392, Oct. 2012.

[12] Lin, Feng-Hsu. "An Integrated Rectifier/Regulator for a Wireless Battery Charging System." M.S.c Thesis, Case Western Reserve University, 2009.

[13] M. M. Ahmadi, “A Wireless Implantable Microsystem for Continuous Blood Glucose Monitoring, ” Ph.D. thesis, University of Calgary, 2007.

[14] H. Lee,  H. Park, “A Power-Efficient Wireless System With Adaptive Supply Control for Deep Brain Stimulation,” in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 48, no. 9, pp. 2203–2216, 2013.

[15] P. Favrat, P. Deval and M. J. Declercq, "A high-efficiency CMOS voltage doubler," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 33, no. 3, pp. 410-416, March 1998.

[16] N. Tran et al., “A flexible electrode driver using 65 nm CMOS process for 1024-electrode Epi-retinal prosthesis,” 2010 5th International Conference on Future Information Technology, pp. 1-5, 2010.

[17] F. Yuan, “Differential CMOS Schmitt trigger with tunable hysteresis,” Analog Integr. Circuits Signal Process., vol. 62, no. 2, pp. 245–248, 2010.

[18] G. Cai, A. Pun, D. Kwong, and K. Wang, “A 2.4pJ/bit ASK demodulator with 100% modulation rate for 13.56MHz NFC/RFID applications,” Proc. - IEEE Int. Symp. Circuits Syst., pp. 734–737, 2014.

[19] K. Noh, J. Amanor-Boadu, M. Zhang, and E. Sanchez-Sinencio, “A 13.56-MHz CMOS Active Rectifier With a Voltage Mode Switched-Offset Comparator for Implantable Medical Devices,” IEEE Trans. Very Large Scale Integr. Syst., pp. 1–11, 2018.

[20] L. Cheng,  et al., “Adaptive On/Off Delay-Compensated Active Rectifiers for Wireless Power Transfer Systems,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 51, no. 3, pp. 712–723, Mar. 2016.

[21] S. S. Hashemi, M. Sawan, and Y. Savaria, “A High-Efficiency Low-Voltage CMOS Rectifier for Harvesting Energy in Implantable Devices,” IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., vol. 6, no. 4, pp. 326–335, Aug. 2012.

[22] N. Tran et al, “A Complete 256-Electrode Retinal Prosthesis Chip,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 49, no. 3, pp. 751-765, Mar, 2014.

[23] S. S. Hashemi, M. Sawan, “A novel low-drop CMOS active rectifier for RF-powered devices: Experimental results,” Microelectronics Journal, vol. 40, no. 11, pp. 1547-1554, Nov, 2009.