211service.com
Implantējams neironu sensors bez akumulatora
Pateicoties elektronikas izmēra samazinājumam, pētnieki ir izpētījuši arvien sarežģītākas implantējamas ierīces, paverot ceļu jaunām protēzēm un smadzeņu un mašīnu saskarnēm. Taču liels izaicinājums ir bijis, kā nodrošināt jaudu elektroniskajiem komponentiem, kas iegulti korpusā.
Uzsūknējiet to: Šis mazjaudas neironu pastiprinātājs savāc elektriskos signālus no nerviem un samazina elektrisko troksni.
Tagad Vašingtonas universitātes elektroinženieri ir izstrādājuši implantējamu neironu sensoru mikroshēmu, kam nepieciešams mazāk enerģijas. Citas bezvadu medicīnas ierīces, piemēram, gliemežnīcas vai tīklenes implanti, ir atkarīgas no induktīvās savienojuma, kas nozīmē, ka strāvas avotam ir jāatrodas centimetru attālumā. Jaunā sensoru platforma, ko sauc par NeuralWISP, saņem enerģiju no radio avota līdz metra attālumā.
Ierīce satur mikroprocesoru, ko darbina komerciāls radiofrekvenču lasītājs, kas darbojas arī kā datu savākšanas ierīce. To pašu aprīkojumu izmanto, lai darbinātu un nolasītu informāciju no radiofrekvences identifikācijas (RFID) marķējumiem. Eksperimentos pētnieki izmantoja jauno ierīci, lai sajustu centrālās nervu sistēmas aktivitāti kodē, lai izpētītu tās pārvietošanos.
Nesen ir veikti daži sasniegumi neironu implantu izmēra samazināšanā, taču lielākā daļa implantējamo ierīču joprojām ir salīdzinoši apgrūtinošas. Šīm ierīcēm parasti ir nepieciešami vairāki komponenti, piemēram, pulkstenis laika noteikšanai un antena saziņai un enerģijas iegūšanai, kas ir diezgan lieli, salīdzinot ar mikrokontrollera tranzistoriem, saka Braiens Otiss, Vašingtonas Universitātes elektrotehnikas profesors. NeuralWISP vadošais pētnieks.
Mikroshēmā var būt miljoniem tranzistoru, kas ir mazāks par kubikmilimetru, taču problēma ir ar papildu daļām, saka Otis. Mūsu mērķis ir visu apvienot vienā mikroshēmā un samazināt šo komponentu enerģijas patēriņu, lai mikroshēmu varētu darbināt bezvadu režīmā.
NeuralWISP ir mazāku, mazjaudas komponentu, piemēram, specializēta signāla pastiprinātāja, kolekcija uz shēmas plates, kas ir nedaudz garāka par diviem centimetriem. Nākamajā versijā visi komponenti tiks integrēti vienā mikroshēmā, kuras izmērs ir viens milimetrs reiz divi milimetri. Shēma pārvērš izmantojamo jaudu no lasītāja — aptuveni 430 mikrovati — par spriegumu, kas var ieslēgt mikrokontrolleri. Šis mikrokontrolleris savukārt kontrolē sensoru un tā taimeri, kā arī izpilda instrukcijas, kas ļauj nosūtīt datus atpakaļ lasītājam.
Bez plivināšanas: Šis piesietais naktstauriņš ir savienots ar nervu sensoru sistēmu, kas reģistrē centrālās nervu sistēmas darbību, plivinot spārnus.
Viens no galvenajiem enerģijas taupīšanas veidiem, saka Otis, bija samazināt to, cik bieži sensors mēra neironu radītos elektriskos signālus. Pētnieki ieprogrammēja mikrokontrolleri, lai tas pamostos, kad notika elektriskā smaile, un reģistrētu tikai signālus, kas pārsniedz noteiktu slieksni. Neirozinātniekus interesē smaile, saka Otis. Mēs nedigitalizējam visu smadzeņu viļņu formu.
Papildus dažiem mazjaudas ķēdes dizaina apsvērumiem pētnieki izveidoja nelielu signāla pastiprinātāju, kas pastiprina elektrisko signālu no neironiem, vienlaikus samazinot elektrisko troksni. Šim nolūkam viņi sadala ienākošo signālu divās daļās. No neironu darbības ienākošās elektrības daudzums ir vienāds, taču sadalot to starp tranzistoru pāri ķēdē, trokšņa daudzums tiek samazināts uz pusi.
Kodes eksperimentā pētnieki pārbaudīja sistēmu bez akumulatora, vācot datus par elektriskajiem signāliem no kodes spārnu muskuļiem. Pārbaudes parādīja biežumu, ar kādu kodes plivināja spārnus. Rezultāti tiek publicēti žurnālā IEEE darījumi par biomedicīnas shēmām un sistēmām ; pētnieki arī apsprieda darbu otrdien samitā par bezvadu identifikācijas un sensoru platformām (WISP) Bērklijā, Kalifornijā. Pašreizējā sistēma ir pārāk liela, lai ļautu kodei brīvi lidot, bet gaidāmā mikroshēma, kas tiks prezentēta februārī, ir pietiekami maza, lai nodrošinātu netraucētu lidojumu, saka Otis.
Lielākā daļa implantējamo ierīču ir izmantojušas zemākas frekvences, saka Džošs Smits , Intel galvenais inženieris un organizators WISP samits . Zemāka frekvence nozīmē arī to, ka ierīces ir jālasa no tuva attāluma, viņš piebilst. Komerciālo RFID lasītāju izmantošana, saka Smits, ļauj ierīci darbināt un datus nolasīt no tālākas vietas. Tomēr viņš saka, ka joprojām ir atklāts jautājums, vai antena saglabās lielu darbības rādiusu, tiklīdz tā tiks implantēta dzīvnieku audos, jo signāls var tikt absorbēts. Kožu mērīšana ir piemērota šai pieejai, jo antenai nav jāiet dzīvnieka audos, viņš saka.
Arto Nurmikko, Brauna inženierzinātņu profesors, piekrīt, sakot, ka ir lietderīgi izmērīt kožu neironu aktivitāti, taču reālās problēmas un pielietojuma potenciāls parādās darbā ar primātiem.