[論文レビュー] A Sub-mm$^3$ Ultrasonic Free-floating Implant for Multi-mote Neural Recording

Mohammad Meraj Ghanbari, David K. Piech+7 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2019

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 24被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、エコーに基づくアモジュレーションと線形化信号復元を用いて、1モードあたり35 kbpsを超える上行リンクデータレートを達成する0.8 mm³の超音波駆動・フリー・フローティング神経記録インプラントを提示する。1つのトランスデューサーを用いて50 mmの深さで同時に複数モードの記録が可能であり、従来技術比で深さ/体積比が3倍向上した。同時に、1 μW未満の消費電力と低ノイズフロアを維持している。

ABSTRACT

A 0.8 mm$^3$ wireless, ultrasonically powered, free-floating neural recording implant is presented. The device is comprised only of a 0.25 mm$^2$ recording IC and a single piezoceramic resonator that is used for both power harvesting and data transmission. Uplink data transmission is performed by analog amplitude modulation of the ultrasound echo. Using a 1.78 MHz main carrier, >35 kbps/mote equivalent uplink data rate is achieved. A technique to linearize the echo amplitude modulation is introduced, resulting in <1.2\% static nonlinearity of the received signal over a $\pm$10 mV input range. The IC dissipates 37.7 $μ$W, while the neural recording front-end consumes 4 $μ$W and achieves a noise floor of 5.3 $μ$V$_{rms}$ in a 5 kHz bandwidth. This work improves sub-mm recording mote depth by >2.5x, resulting in the highest measured depth/volume ratio by $\sim$3x. Orthogonal subcarrier modulation enables simultaneous operation of multiple implants, using a single-element ultrasound external transducer. Dual-mote simultaneous power up and data transmission is demonstrated at a rate of 7 kS/s at the depth of 50 mm.

研究の動機と目的

• 6 mmを超える深部組織での動作が可能な1 mm³未満の無線神経記録インプラントの開発。従来の亜皮質または浅い深さのデバイスに限界があるのを克服する。
• 1つの低コストで焦点を合わせない外部超音波トランスデューサーを用いて、複数のフリー・フローティング神経インプラントへの同時電力供給とデータ送信を実現する。
• 超音波エコー変調を用いて上行リンク通信の高データレートと低非線形性を達成し、インプラントの小型化と消費電力低減を実現する。
• 慢性的で多部位記録が可能なアンタングルド神経インターフェースにおける、ミニチュアタイゼーションと深部組織透過の課題に取り組む。

提案手法

• インプラントは、0.25 mm²の記録ICと1つのペイロセラミック共振子を備え、超音波エネルギー収集とエコー振幅変調による上行リンクデータ送信の二重機能を実現する。
• 上行リンクデータは、アナログAMを用いて1.78 MHzのキャリア周波数でエコーの振幅を変調することで送信される。
• 静的非線形性を±10 mVの入力範囲で1.2%未満に抑えるための線形化技術が、エコー変調に適用され、信号の忠実度が向上する。
• 直交サブキャリア変調により、1つの外部トランスデューサーを用いて複数インプラントの同時動作が可能となり、ビームフォーミングや複雑なアレイシステムを回避する。
• 神経フロントエンドは、わずか4 μWの消費電力で5 kHz帯域幅で5.3 μV rmsのノイズフロアを達成し、高精度な記録が可能である。
• 2 MHzで0.5 dB/cmの減衰を示す組織ファントムを用いた実験で、50 mmの深さで動作を確認し、深部脳および末梢神経記録への実用可能性を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 mm³未満の神経記録インプラントが、超音波を用いて50 mmを超える深さで信頼性の高い高帯域上行リンクデータ送信を実現できるか？
• RQ2 変動する神経入力振幅下でも信号忠実度を維持するため、エコーに基づく振幅変調をどのように線形化できるか？
• RQ3 焦点を合わせない1つの外部超音波トランスデューサーを用いて、ビームフォーミングや複雑なアレイを用いずに、複数のフリー・フローティングインプラントを同時に駆動・監視できるか？
• RQ4 超音波駆動と通信を用いたアンタングルド・ワイヤレス神経インプラントの最大の深さ/体積比はどの程度達成できるか？
• RQ5 1 mm³未満のスケールにおいて、従来技術と比較してデータレート、消費電力、ノイズ性能の面で本システムはどのように優れているか？

主な発見

• エコーに基づく振幅変調を用いて、1モードあたり35 kbpsを超えるデータレートを達成し、従来の1 mm³未満インプラントを大きく上回った。
• 新規の線形化技術により、±10 mVの入力範囲で静的非線形性が1.2%未満に抑えられ、信号忠実度が向上した。
• 直交サブキャリア変調を用いて、50 mmの深さで2モード同時の電源供給と7 kS/sのデータ送信が成功裏に実証された。
• インプラントは、従来技術比で深さ/体積比を3倍向上させ、組織ファントムで50 mmの測定深さを達成した。
• 神経記録フロントエンドはわずか4 μWの消費電力で、5 kHz帯域幅で5.3 μV rmsのノイズフロアを達成し、SNR効率で従来技術比34倍の優位性を示した。
• 全インプラントの消費電力はわずか37.7 μWであり、周囲組織への熱的・機械的影響を最小限に抑え、長期運用が可能である。