[논문 리뷰] A Sub-mm$^3$ Ultrasonic Free-floating Implant for Multi-mote Neural Recording

Mohammad Meraj Ghanbari, David K. Piech외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 19.

Neuroscience and Neural Engineering참고 문헌 24인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 0.8 mm³의 초음파로 구동되는 자유 부유형 신경 기록 임플란트를 제시하며, 에코 기반 진폭 변조와 선형화된 신호 복구를 통해 1모듈당 >35 kbps의 업링크 데이터 전송 속도를 달성한다. 단일 트ansducer를 사용해 50 mm 깊이에서 동시에 다중 모듈 기록을 가능하게 하며, 이는 이전 기술 대비 깊이/부피 비율에서 3배 향상되었고, 1마이크로와트 이하의 전력 소모와 낮은 노이즈 수준을 유지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 6 mm를 초월하는 깊은 조직에서 작동할 수 있는 1mm³ 이하의 무선 신경 기록 임플란트를 개발하여 이전의 경피질 또는 浅층 기반 장치의 한계를 극복한다.
• 단일 저비용 비집중형 외부 초음파 트랜스듀서를 사용해 다중 자유 부유형 신경 임플란트에 동시에 전력 공급과 데이터 전송을 가능하게 한다.
• 초음파 에코 변조를 통해 업링크 통신에서 고속 데이터 전송과 낮은 비선형도를 달성함으로써 임플란트의 크기와 전력 소모를 최소화한다.
• 장기간의 다중 부위 기록을 위한 타전성 신경 인터페이스에서의 소형화 및 심부 조직 침투 문제를 해결한다.

제안 방법

• 임플란트는 0.25 mm²의 기록 IC와 단일 페이조세라믹 공진기를 사용하여 초음파 에너지 수확과 에코 진폭 변조를 통한 업링크 데이터 전송의 이중 기능을 수행한다.
• 업링크 데이터는 1.78 MHz의 캐리어 주파수를 사용하는 아날로그 AM을 통해 초음파 에코의 진폭을 변조함으로써 전송된다.
• 정적 비선형도를 ±10 mV 입력 범위에서 <1.2% 이하로 줄이기 위해 에코 변조에 선형화 기법을 적용하여 신호 정밀도를 향상시켰다.
• 직교 서브캐리어 변조를 통해 단일 외부 트랜스듀서를 사용해 다중 임플란트의 동시에 작동을 가능하게 하여 빔포밍이나 복잡한 어레이 시스템을 회피하였다.
• 신경 프론트엔드는 오직 4 μW의 전력 소모로 5 kHz 대역폭에서 5.3 μV rms 노이즈 수준을 달성하여 고정밀 기록을 가능하게 하였다.
• 시스템은 2 MHz에서 약 0.5 dB/cm의 감쇠를 보이는 조직 페리프트에서 50 mm 깊이에서 작동하여 뇌 심부 및 말초 신경 기록의 실현 가능성을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1mm³ 이하의 신경 기록 임플란트가 초음파를 이용해 50 mm를 초월하는 깊이에서 신뢰성 있고 고대역폭의 업링크 데이터 전송을 수행할 수 있는가?
• RQ2 다양한 신경 입력 진폭에서 신호 정밀도를 유지하기 위해 에코 기반 진폭 변조를 어떻게 선형화할 수 있는가?
• RQ3 빔포밍이나 복잡한 어레이 시스템 없이 단일 비집중형 외부 초음파 트랜스듀서를 사용해 다중 자유 부유형 임플란트를 동시에 구동하고 쿼리할 수 있는가?
• RQ4 초음파 구동 및 통신을 사용한 타전성 무선 신경 임플란트에서 도달 가능한 최대 깊이/부피 비율은 얼마인가?
• RQ5 1mm³ 이하 크기에서 이전 기술 대비 데이터 전송 속도, 전력 소모, 노이즈 성능 측면에서 시스템 성능은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 에코 기반 진폭 변조를 통해 1모듈당 >35 kbps의 데이터 전송 속도를 달성하여 이전의 1mm³ 이하 임플란트보다 현저히 높은 성능을 보였다.
• 새로운 선형화 기법을 통해 ±10 mV 입력 범위에서 정적 비선형도를 <1.2% 이하로 낮혀 신호 정밀도를 향상시켰다.
• 직교 서브캐리어 변조를 통해 50 mm 깊이에서 7 kS/s 속도로 이중 모듈의 동시에 전원 공급 및 데이터 전송을 성공적으로 구현하였다.
• 실제 조직 페리프트에서 측정된 깊이 50 mm를 기준으로 이전 기술 대비 깊이/부피 비율에서 3배 향상된 성능을 달성하였다.
• 신경 기록 프론트엔드는 오직 4 μW의 전력 소모로 5 kHz 대역폭에서 5.3 μV rms 노이즈 수준을 달성하여 이전 기술 대비 신호대노이즈비 효율에서 34배 향상되었다.
• 전체 임플란트의 전력 소모는 단지 37.7 μW에 불과하여 주변 조직에 열적·기계적 영향을 최소화하면서 장기간 작동이 가능하다.