[論文レビュー] StimDust: A mm-scale implantable wireless precision neural stimulator with ultrasonic power and communication

David K. Piech, Benjamin C. Johnson+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2018

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 92被引用数 4

ひとこと要約

StimDust は、超音波で駆動および通信される、1.7 mm³ のバッテリー不要で無線の神経刺激器であり、正確な埋め込み神経調節を可能にする。超音波バックスキャッタ通信により、リアルタイムで低遅延な刺激制御を実現し、FDA 診断用超音波の限度以下で安全に動作する。ラットの坐骨神経刺激において、信頼性の高い in vivo 性能を示した。

ABSTRACT

Neural stimulation is a powerful technique for modulating physiological functions and for writing information into the nervous system as part of brain-machine interfaces. Current clinically approved neural stimulators require batteries and are many cubic centimetres in size -- typically much larger than their intended targets. We present a complete wireless neural stimulation system consisting of a 1.7 mm3 wireless, batteryless, leadless implantable stimulator (the "mote"), an ultrasonic wireless link for power and bi-directional communication, and a hand-held external transceiver. The mote consists of a piezoceramic transducer, an energy storage capacitor, and a stimulator integrated circuit (IC). The IC harvests ultrasonic power with high efficiency, decodes stimulation parameter downlink data, and generates current-controlled stimulation pulses. Stimulation parameters are time-encoded on the fly through the wireless link rather than being programmed and stored on the mote, reducing power consumption and on-chip memory requirements and enabling complex stimulation protocols with high-temporal resolution and low-latency feedback for use in closed-loop stimulation. Uplink data indicates whether the mote is currently stimulating; it is encoded by the mote via backscatter modulation and is demodulated at the external transceiver. We show that the mote operates at an acoustic intensity that is 7.8% of the FDA limit for diagnostic ultrasound and characterize the acoustic wireless link's robustness to expected real-world misalignment. We demonstrate the in vivo performance of the system with motes acutely implanted with a cuff on the sciatic nerve of anesthetized rats and show highly repeatable stimulation across a wide range of physiological responses.

研究の動機と目的

• バッテリーとリードを内蔵しない最小侵襲的で埋め込み可能な神経刺激器の開発。
• 超音波による電力供給と通信を用いて、低遅延フィードバックを伴う高精度なクローズドループ神経刺激を実現。
• オンチップメモリと消費電力を低減するため、無線ダウンリンクによる時間符号化を用いて刺激パrameterを符号化。
• 臨床用超音波露出限度以下で安全に動作させつつ、ずれが生じても堅牢な無線リンク性能を維持すること。
• アノネスチージャのラットにおける急性インプラントを用いて、システムの信頼性と再現性を検証すること。

提案手法

• 刺激器（モート）は、超音波エネルギー収集と双方向通信のためのペイロードセラミック素子を統合している。
• オンチップ統合回路（IC）は、ダウンリンクデータをデコードして電流制御パulsesを生成する。
• 刺激パラメータは、超音波キャリアに時間領域変調を施して符号化され、メモリと消費電力の低減を実現する。
• 上行リンクフィードバックとして、活性な刺激を示す信号が、超音波信号のバックスキャッタ変調により送信される。
• システムは、同一の超音波リンクを通じて電力を送信し、状態フィードバックを受信するハンドヘルド外部トランスceiverを使用する。
• モートのエネルギーはコンデンサに蓄えられ、連続的な電力消費なしにパルス刺激が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mm スケールでバッテリー不要の神経刺激器を、超音波で無線駆動および制御可能か？
• RQ2 超音波通信が、オンチップメモリを用いずに、複雑な刺激パラメータのリアルタイムで低遅延なダウンリンクを可能にするか？
• RQ3 実際のずれ状況下でも、バックスキャッタ変調による信頼性の高い上行リンクフィードバックが得られるか？
• RQ4 米国食品医薬局（FDA）が定める診断用超音波の限度以内で、使用される音響強度が安全か？
• RQ5 体内で、高精度で再現性の高い神経刺激が可能か？

主な発見

• StimDust モートは、FDA 診断用超音波限度の 7.8% の音響強度で動作し、安全性が確保された。
• 実際のずれ状況下でも、超音波無線リンクが堅牢に動作し、信頼性の高い通信を維持した。
• アノネスチージャのラットを用いた in vivo 実験で、複数回の刺激試行において、極めて再現性の高い生理的反応が得られた。
• バックスキャッタ上行リンクにより、低遅延フィードバックを伴う電流制御パルス刺激が正常に実行された。
• オンチップバッテリーとリードが存在しないため、1.7 mm³ の埋め込み可能なフォームファクタが実現され、現在の臨床用デバイスよりも顕著に小型化された。
• 刺激パラメータの時間符号化により、オンチップメモリと消費電力が低減され、複雑で高時間分解能のプロトコルの実行が可能になった。