Wielokanałowy system do rejestracji sygnałów neurobiologicznych metodami in vitro i in vivo

• Autorzy: Kmon P. , Żołądź M. , Gryboś P. , Szczygieł R.

Warianty tytułu

EN

Multichannel system for in vivo and in vitro neural signal recording

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy zaprezentowano projekt oraz pomiary niskoszumnego wielokanałowego układu scalonego przeznaczonego do pomiarów zewnątrzkomórkowych sygnałów neuronowych przeprowadzanych z wykorzystaniem matryc mikroelektrod. Prezentowany układ scalony posiada 64 kanały pomiarowe i został wykonany w technologii submikronowej CMOS 180nm. Aby zminimalizować ilość przewodów doprowadzonych do układu scalonego zastosowano multiplekser analogowy redukujący ilość wyjściowych linii danych z 64 do 1. Układ scalony został zoptymalizowany pod kątem jednorodności kluczowych parametrów analogowych w systemie wielokanałowym oraz pod kątem minimalizacji szumów. Użytkownik ma możliwość zmiany częstotliwości granicznych toru pomiarowego: dolnej w zakresie 1 – 60 Hz, górnej w zakresie 3,5 kHz - 15 kHz. Dla nominalnych ustawień zaprojektowany układ charakteryzuje się wzmocnieniem na poziomie 44 dB, poborem mocy 220. W na kanał i szumami wejściowymi na poziomie 6 .V - 11 .V rms (w zależności od ustawionego pasma częstotliwościowego). Dokonane pomiary wykazują wysoką jednorodność kluczowych parametrów układu wielokanałowego: rozrzut wzmocnienia napięciowego wynosi 4,4% a rozrzuty dolnej i górnej częstotliwości granicznej są na tym samym poziomie.

EN

This paper presents the design and measurements of a low noise multi-channel front-end electronics for recording of extra-cellular neuronal signals using microelectrode arrays. The integrated circuit contains 64 readout channels and was fabricated in CMOS 180nm technology. A single readout channel is built of an AC-coupling circuit at the input, a low noise preamplifier, a band-pass filter and a second amplifier. In order to reduce the number of output lines, 64 analog signals from readout channels are multiplexed to a single output by an analog multiplexer. The chip is optimized for low noise and good matching performance with the possibility of cut-off frequencies tuning. The low cut-off frequency can be tuned in the 1 Hz - 60 Hz range and the high cut-off frequency can be tuned in the 3,5 kHz - 15 kHz range. For the nominal gain setting of 44 dB and power dissipation per single channel of 220 �ÝW the equivalent input referred noise is in the range from 6 �ÝV - 11 �ÝV rms depending on the band-pass filter settings. The chip has good uniformity concerning the spread of its electrical parameters from channel to channel. The spread of gain calculated as standard deviation to mean value is about 4,4% and the spreads of the low and high cut-off frequencies are on the same level. The chip occupies 5„e2,3 mm2 of silicon area.

Słowa kluczowe

PL

pomiary neurobiologiczne; wielokanałowe systemy pomiarowe; zintegrowane układy scalone; VLSI

EN

VLSI; neurobiological measurements; multichannel recording systems; integrated circuits

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2010
• Tom: R. 86, nr 9
• Strony: 67--71
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., il., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kmon P.

autor

Żołądź M.

autor

Gryboś P.

autor

Szczygieł R.

• Akademia Górniczo- Hutnicza w Krakowie, Katedra Metrologii EAiIE,

Bibliografia

• [1] A.M. Litke, E.J. Chichilnisky, W. Dąbrowski, A. Grillo, P. Gryboś, S. Kachiguine, M. Rahman, G. Taylor, "Large scale imaging of retinal output activity." Nucl. Instr. and Meth., vol. 501, 2002, pp. 298-307.
• [2] H. Oka, K. Shimono, R. Ogawa, H. Sugihara, M. Takateni, "A new planar multielectrode array for extracellular recording application to hippocampal acute slice." J. Neurosci. Meth., vol. 93, 1999, pp. 61-67.
• [3] Y. Jimbo, H.P.C. Robinson, "Propagation of spontaneous synchronized activity in cortical slice cultures recorded by planar electrode arrays." Bioelectrochemistry, vol. 51, 2000, pp. 107-115.
• [4] Shawn K. Kelly, Douglas B. Shire, “Realization of a 15-Channel, Hermetically-Encased Wireless Subretinal Prosthesis for the Blind”, 31st Annual International Conference of the IEEE EMBC 2009, pp. 200-203
• [5] A. D. Dorval, N. Panjwani, R. Y. Qi, W. M. Grill, “Deep Brain Stimulation that Abolishes Parkinsonian Activity in Basal Ganglia Improves Thalamic Relay Fidelity in a Computational Circuit”, 31st Annual International Conference of the IEEE EMBC 2009, pp. 1565-1568
• [6] www.jhuapl.edu
• [7] J.J. Pancrazio, R.P. Bey, Jr., A. Loloee, S. Manne, H-C. Chao, L.L. Howard, W. Milton Gosney, D.A. Borkholder, G.T.A. Kovacs, P. Manos, D.S. Cuttino, D.A. Stenger, "Description and demonstration of a CMOS amplifier-based-system with measurement and stimulation capability for bioelectrical signal transduction." Biosensors & Bioelectronics, vol. 13, 1998, pp. 971-979.
• [8] R. F. Yazicioglu, P. Merken, R. Puers, C. Van Hoof “A 60μW 60nV/√Hz readout front-end for portable biopotential acquisition systems.” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, 2007, pp. 1100-1110.
• [9] P. Gryboś, “Low Noise Multichannel Integrated Circuits in CMOS Technology for Physics and Biology Applications.” Monography 117, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo- Dydaktyczne, Kraków 2002, available at: www.kmet.agh.edu.pl/www/asics