應用於可植入式無線腦機介面之資訊樞紐

An Information Hub for Implantable Wireless Brain Machine Interface

葉俊毅(Chun-Yi Yeh)

指導教授 ： 馬席彬

國立清華大學/電機資訊學院/電機工程學系/碩士(2012年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2012.00701

摘要

對於改善大腦受傷或者神經異常的病人而言，腦機介面(Brain-Machine- Interface, BMI)的研究越來越受到矚目，其中最主要的原因，是BMI在高時空解析度下具有可靠刺激與紀錄多個神經細胞活動的能力，而這對神經科學進展來說，也是非常重要的。

在這篇論文中，我們提出了一個整合多通道紀錄與刺激的腦機介面，並透過電腦或Android系統來與神經細胞做溝通，藉此改善大腦受損或神經異常的病人恢復他們的生理機能。此外，我們以無線傳輸的方式來傳送資料與電源，讓使用者的行動不會受到傳輸線的限制，以增加腦機介面在使用上的便利性。

而在本篇論文所提出的腦機介面當中，Information Hub扮演著相當重要的腳色。Information Hub根據外部輸入的指令，調整系統的記錄與刺激等各項參數，並產生紀錄與刺激電路所需要的控制訊號來控制個電路的運作。此外，Information Hub亦將記錄到的神經資料作處理，以符合無線傳輸的需求。並進一步對資料做壓縮來節省無線傳輸時的功率消耗，藉由改良過的Lemp-Ziv壓縮法，達到1.8以上的壓縮率，並節省了50%左右的無線傳輸功耗。

藉由混和訊號SoC的設計流程，並透過TSMC18 1P6M製程，將此腦機介面實作出兩個版本。在第一個版本的晶片當中，晶片面積為3.3 x 2.4 mm2，而Information Hub佔了1.7 x 1 mm2的面積，並且在2 MHz的操作頻率下，有486μW的功率消耗。而在第二版本的晶片當中，進一步改良了硬體消耗，其面積大約為3.06 x 2.53 mm2，而Information Hub佔了2.6 x 0.5 mm2的面積，並且在2 MHz的操作頻率下消耗469μW的功率。

關鍵字

腦機介面 ； 生醫系統 ； 神經訊號 ； 可程式化 ； 無損壓縮

並列摘要

無資料

並列關鍵字

Brain Machine Interface ； Biomedical System ； Neural Signal ； Programmable ； Lossless Compression

參考文獻

[1] R. R. Harrison, ”A Versatile Integrated Circuit for the Acquisition of Biopotentials,” in IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC ’07), pp. 115-122, 2007.

[2] G. E. Perlin, A. M. Sodagar, and K. D. Wise, ”Neural Recording Front-End Designs for Fully Implantable Neuroscience Applications and Neural Prosthetic Microsystems,” in 2006 EMBS ’06. 28th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, , pp. 2982-2985, 2006.

[3] Y. K. Song, D. Borton, S. Park,W. Patterson, C. Bull, J. Mislow, J. Simeral, J. Donoghue, and A. Nurmikko, ”Microelectronic Neurosensor Arrays: Towards Implantable Brain Communication Interfaces,” in 2008 IEEE International Electron Devices Meeting, pp. 1-4, Dec. 2008.

[4] K. Wise, A. Sodagar, Y. Yao, M. Gulari, G. Perlin, and K. Najafi, ”Microelectrodes, Microelectronics, and Implantable Neural Microsystems,” Proceedings of the IEEE, vol. 96, no. 7, pp. 1184-1202, Jul. 2008.

[5] W. L. C. Rutten, “Selective Electrical Interfaces with the Nervous System,” Annual Review Biomedical Engineering, pp. 407-452, Apr. 2002.