[논문 리뷰] StimDust: A mm-scale implantable wireless precision neural stimulator with ultrasonic power and communication

David K. Piech, Benjamin C. Johnson외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 19.

Neuroscience and Neural Engineering참고 문헌 92인용 수 4

한 줄 요약

StimDust는 초음파로 구동되고 통신하는 1.7 mm³ 크기의 배터리가 없고 무선인 신경 자극 장치로, 정밀한 임플란트 신경 조절을 가능하게 한다. 초음파 백스캐터 커뮤니케이션을 통해 실시간으로 저지연 자극 제어를 구현하며, FDA가 정한 진단용 초음파 기준 이하에서 안전하게 작동하여 쥐의 체내 신경 자극에서 신뢰할 수 있는 성능을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 배터리와 도체가 내장된 최소 침습적이고 임플란트 가능한 신경 자극 장치를 개발한다.
• 초음파를 통한 에너지 공급과 통신을 통해 저지연 피드백을 제공하는 고정밀 폐쇄형 루프 신경 자극을 실현한다.
• 무선 다운링크를 통해 자극 매개변수를 시간에 따라 인코딩하여 내장 메모리와 전력 소비를 줄인다.
• 임상용 초음파 노출 기준 이내에서 안전하게 작동하면서도, 정렬 불량 상황에서도 견고한 무선 링크 성능을 유지를 보장한다.
• 마취된 쥐에서 급성 임플란트를 통해 시스템의 신뢰성과 반복 가능성을 검증한다.

제안 방법

• 자극 장치, 또는 '모트'는 초음파 에너지 수확과 双방향 통신을 위한 압전세라믹 트랜스듀서를 통합한다.
• 내장된 집적회로(IC)가 다운링크 데이터를 디코딩하여 자극 매개변수를 설정하고 전류 제어 펄스를 생성한다.
• 자극 매개변수는 초음파 캐리어 신호에 시간 도메인 변조 방식으로 인코딩되어 메모리와 전력 소비를 최소화한다.
• 활성 자극 상태를 나타내는 업링크 피드백은 초음파 신호의 백스캐터 모드를 통해 전송된다.
• 손으로 들고 사용하는 외부 트랜시iever가 동일한 초음파 링크를 통해 전력 공급과 상태 피드백 수신을 수행한다.
• 모트의 에너지는 커패시터에 저장되어 연속적인 전력 소모 없이 펄스 자극을 제공할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀리미터 크기의 배터리가 없는 신경 자극 장치가 초음파를 통해 무선으로 구동되고 제어될 수 있는가?
• RQ2 초음파 통신이 내장 메모리 없이도 복잡한 자극 매개변수를 실시간으로 저지연으로 다운링크할 수 있는가?
• RQ3 실제 정렬 불량 조건에서 백스캐터 모드를 통한 신뢰성 있는 업링크 피드백을 달성할 수 있는가?
• RQ4 FDA에서 정한 진단용 초음파 기준 이내의 음향 강도로 사용되었는가?
• RQ5 체내에서 시스템이 높은 반복성과 제어 가능성을 갖춘 신경 자극을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• StimDust 모트는 FDA 진단용 초음파 기준의 7.8% 수준의 음향 강도로 작동하여 안전성을 확보하였다.
• 실제 정렬 불량 조건에서도 초음파 무선 링크가 견고한 성능을 유지하여 안정적인 통신을 구현하였다.
• 마취된 쥐에서의 체내 실험 결과, 여러 자극 시험 간에 매우 높은 반복성 있는 생리학적 반응을 관찰하였다.
• 백스캐터 업링크를 통한 저지연 피드백을 통해 전류 제어 자극 펄스를 성공적으로 제공하였다.
• 내장된 배터리와 도체가 없어 1.7 mm³의 임플란트 형상으로 작고, 현재 임상 기기보다 크게 작아 보였다.
• 자극 매개변수의 시간 인코딩 방식은 내장 메모리와 전력 소비를 감소시켜 고시간 해상도의 복잡한 프로토콜을 가능하게 하였다.