Analizy symulacyjne układów stymulacyjnych pod kątem wykorzystania w wielokanałowych układach scalonych

• Autorzy: Kmon P. , Drozd A.

Warianty tytułu

EN

Simulation analysis of stimulation circuits for implantable multichannel integrated circuits

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule dokonano przeglądu elektronicznych układów stymulacyjnych stosowanych do elektrycznej stymulacji komórek nerwowych. Pod uwagę brane były krytyczne parametry tych bloków w kontekście ich planowanej implementacji w wielokanałowym układzie scalonym. Są to m.in. rozrzuty prądów stymulacyjnych, pobór mocy tych układów, stopień komplikacji układowej czy też zajętość powierzchni krzemu. Przedstawione są podstawowe parametry i wymagania dotyczące układów stymulacyjnych oraz wyniki symulacyjne trzech powszechnie stosowanych architektur zaimplementowanych w technologii CMOS 180nm.

EN

The paper presents a review of stimulation circuits dedicated to multichannel implantable electrical stimulation of large population of neuronal cells. We take into account the main requirements of such circuits, i.e. spread of generated stimulation impulses from channel to channel, power and area consumption and architecture complexity. The paper contains analysis of the main problems that may be encountered while designing current sources able to both generating currents in a broad range and satisfying requirements referring to its output resistance, low output voltage, and uniformity of generated currents. Three most popular architectures of current stimulators are taken into consideration: solution with two independently controlled positive and negative currents and two solutions where one of the currents is generated as the copy of the second one. Simulations were carried out with use of the Cadence environment and the CMOS 180nm process was taken into account. The simulation results followed by the conclusions are presented at the end of the paper.

Słowa kluczowe

PL

stymulacja elektryczna; układy wielokanałowe; układy ASIC; CMOS

EN

electrical stimulation; multichannel circuits; ASIC; CMOS

• Wydawca: Wydawnictwo PAK
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Kontrola
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 59, nr 3
• Strony: 243--246
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., schem., tab.

Twórcy

autor

Kmon P.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Metrologii i Elektroniki, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Drozd A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Metrologii i Elektroniki, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Weiland J. D. and Humayun M. S.: Visual prosthesis, Proceedings Of the IEEE, vol. 96, no. 7, pp. 1076-1084, 2008.
• [2] Kussener E. et al.: Integrated continuous microstimulation system for deep brain stimulation in rodent models of neurological disorders, IEEE Int. New Circuits and Syst. Conf., pp. 1-4, 2010.
• [3] Xu Q., Li J. and Zhou H.: A fully implantable stimulator with wireless power and data transmission for experimental use in epidural spinal cord stimulation, in proc. IEEE Eng. in Med. and Bio. Conf., pp. 7230-7233, 2011.
• [4] Litke A. M., Bezayiff N., Chichilnisky E. J., Cunningham W., Dabrowski W., Grillo A. A., Grivich M., Grybos P., Hottowy P., Kachiguine S., Kalmar R. S., Mathieson K., Petrusca D., Rahman M. and Sher A.: What Does the Eye Tell the Brain?: Development of a System for the Large-Scale Recording of Retinal Output Activity, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 51, No. 4, pp. 1434-1440, 2004.
• [5] Heer F., Franks W., Blau A., Taschini S., Ziegler C., Hierlemann A., Baltes H.: CMOS microelectrode array for the monitoring of electrogenic cells, Biosensors and Bioelectronics, pp. 358-66, Vol. 15, 2004.
• [6] Javaheri M., Hahn D. S., Lakhanpal R. R., Weiland J. D., Humayun M. S.: Retinal Prostheses for the Blind”, Annals Academy of Medicine, Vol. 35 No. 3, 2006.
• [7] Sina Farahmand, Mohammad Hossein Maghami, and Amir M. Sodagar: Programmable High-Output-Impedance, Large-Voltage Compliance, Microstimulator for Low-Voltage Biomedical Applications, 34th Annual International Conference of the IEEE EMBS San Diego, California USA, pp. 863-866, 2012.
• [8] Farahmand S., Vahedian H., Abedinkhan Eslami M.: Wearable, Battery-Powered, Wireless, Programmable 8-Channel Neural Stimulator, 34th Annual International Conference of the IEEE EMBS San Diego, California USA, pp. 6120-6123, 2012.
• [9] Mokwa W., Goertz M., Koch C., Krisch I., Trieu H., Walter P.: Intraocular Epiretinal Prosthesis to Restore Vision in Blind Humans, 30th Annual International IEEE EMBS Conference Vancouver, British Columbia, Canada, 2008.
• [10] Wagenaar D. A., Pine J., Potter S. M.: Effective parameters for stimulation of dissociated cultures using multi-electrode arrays, Journal of Neuroscience Methods, Vol. 138, Issues 1–2, pp. 27–37, 2004.
• [11] Laotaveerungrueng N., Lahiji R. R., Garverick S. L. and Mehran Mehregany: A High-Voltage, High-Current CMOS Pulse Generator ASIC for Deep Brain Stimulation, 32nd Annual International Conference of the IEEE EMBS Buenos Aires, Argentina, pp. 1519-1522, 2010.
• [12] Chin Ch., Senior W., Sung T. Ch., Wu Y. H., Hsu Ch. H., Shmilovitz D.: A Reconfigurable 16-channel HV Stimulator ASIC for Spinal Cord Stimulation Systems, IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems (APCCAS), pp. 300-303, 2012.
• [13] Kmon P.: Wielokanałowy układ scalony do złożonych eksperymentów neurobiologicznych, Pomiary, Automatyka, Kontrola, vol. 58, nr 4, s. 376–378, 2012.
• [14] Gryboś P., Kmon P., Żołądź M., Szczygieł R., Kachel M., Lewandowski M., Błasiak T.: 64 channel neural recording amplifier with tunable bandwidth in 180 nm CMOS technology, Metrology and Measurement Systems, vol. 18, no. 4, pp. 631–643, 2011.
• [15] Kmon P., Gryboś P., Żołądź M., Szczygieł R., Otfinowski P., Kłeczek R., Rauza J.: Design and measurements of low power multichannel chip for recording and stimulation of neural activity, EMBC 2012 San Diego: 34th annual international conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society: San Diego, California, pp. 4470–4474, 2012.
• [16] Żołądź M., Kmon P., Rauza J., Gryboś P., Kowalczyk T.: System do wielokanałowej rejestracji potencjałów polowych i czynnościowych z wykorzystaniem płaskiej matrycy mikroelektrod, Pomiary, Automatyka, Kontrola, vol. 58, nr 4, s. 355–357, 2012.