[論文レビュー] A 0.042 mm^2 programmable biphasic stimulator for cochlear implants suitable for a large number of channels

Wannaya Ngamkham, Marijn N. van Dongen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2015

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、二重ループ負帰還と二段階のバイナリ重み付きトランジスタDACを用いることで、高い出力インピーダンスと低い消費電力を実現した0.042 mm²のプログラマブルな二相刺激器を、耳管インプラント用に提示する。この設計により、直流ブロッキングコンデンサを不要とし、電荷バランスを実現でき、面積を著しく削減し、多数の刺激チャンネルの統合を可能にする。

ABSTRACT

This paper presents a compact programmable biphasic stimulator for cochlear implants. By employing double-loop negative feedback, the output impedance of the current generator is increased, while maximizing the voltage compliance of the output transistor. To make the stimulator circuit compact, the stimulation current is set by scaling a reference current using a two stage binary-weighted transistor DAC (comprising a 3 bit high-voltage transistor DAC and a 4 bit low-voltage transistor DAC). With this structure the power consumption and the area of the circuit can be minimized. The proposed circuit has been implemented in AMS 0.18um high-voltage CMOS IC technology, using an active chip area of about 0.042mm^2. Measurement results show that proper charge balance of the anodic and cathodic stimulation phases is achieved and a dc blocking capacitor can be omitted. The resulting reduction in the required area makes the proposed system suitable for a large number of channels.

研究の動機と目的

• 多数の刺激チャンネルをサポートできるコンactで低消費電力の刺激器の開発を目的とする。
• チップ面積を最小限に抑えつつ、正確な電流制御と電荷バランスを維持する挑戦に応えること。
• 刺激波形に内在的な電荷バランスを確保することで、かさばる直流ブロッキングコンデンサの必要性を排除すること。
• 革新的な電流生成方式とDACアーキテクチャにより、消費電力とチップ面積を低減すること。

提案手法

• 出力トランジスタの出力インピーダンスを向上させ、電圧コンプライアンスを最大化するために、二重ループ負帰還を採用した。
• 基準電流をスケーリングするために、3ビットの高電圧段階と4ビットの低電圧段階を備えた二段階のバイナリ重み付きトランジスタDACを実装した。
• 最小限の面積と消費電力で正確でプログラマブルな刺激電流を実現するために、電流ジェネレータを設計した。
• AMS 0.18 µm高電圧CMOSプロセスを用いて、アクティブ面積がたった0.042 mm²の回路を実装した。
• 組織への損傷を防ぎ、外部の直流ブロッキングコンデンサを不要とするために、電荷バランスを考慮した二相刺激に最適化した。
• 高チャンネル数の耳管インプラントシステムに適した、コンactなフォームファクタに統合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限の面積と消費電力で、正確で電荷バランスの取れた二相刺激を実現できるコンパクトな刺激器は可能か？
• RQ2 0.05 mm²未満の面積内で、出力インピーダンスを最大化し、電圧コンプライアンスを向上させることは可能か？
• RQ3 プログラマブルな刺激器において、電荷バランスを維持しながら直流ブロッキングコンデンサを排除することは可能か？
• RQ4 高電圧CMOSプロセスにおいて、最小限の面積と消費電力で高分解能の電流制御を実現できるDACアーキテクチャは何か？
• RQ5 単一チャンネルの刺激器は、耳管インプラントシステムで多数のチャンネルを効率的にスケーリング可能か？

主な発見

• 直流ブロッキングコンデンサを不要とし、システムの複雑さと面積を削減した電荷バランスの取れた二相刺激を実現した。
• アクティブチップ面積はたった0.042 mm²であり、高チャンネル数の耳管インプラントシステムへの統合に極めて適している。
• 二重ループフィードバック構造により、出力インピーダンスが著しく向上し、出力トランジスタの電圧コンプライアンスが改善された。
• 二段階のバイナリ重み付きDACにより、最小限の面積と低消費電力で正確な電流制御が可能になった。
• 測定結果から、アノード相およびカソード相の両方で適切な電荷バランスが維持されていることが確認された。
• 消費電力とチップ面積を低減した設計により、将来のマルチチャンネル耳管インプラント用にスケーラブルな実装が可能になった。