[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文展示了一款0.8 mm³的超声波供电、自由悬浮式神经记录植入物，采用基于回波的振幅调制与线性化信号恢复技术，实现每信标>35 kbps的上行链路数据速率。该设备可使用单个换能器在50 mm深度实现多信标同步记录，与以往技术相比，其深度/体积比提升了3倍，同时保持亚微瓦级功耗与低噪声底限。

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.

研究动机与目标

• 开发一款亚毫米³的无线神经记录植入物，实现超过6 mm深度的深部组织工作，克服以往皮层内或浅层设备的局限性。
• 利用单个低成本、非聚焦的外部超声换能器，实现对多个自由悬浮神经植入物的同时供电与数据传输。
• 通过超声回波调制实现高数据速率与低非线性度的上行链路通信，最大限度减小植入物尺寸与功耗。
• 解决无缆神经接口在微型化与深部组织穿透方面的挑战，实现慢性、多部位记录。

提出的方法

• 该植入物采用0.25 mm²的记录集成电路与单个压电陶瓷谐振器，实现双重功能：超声能量采集与通过回波振幅调制实现的上行链路数据传输。
• 上行链路数据通过模拟AM调制回波幅度传输，载波频率为1.78 MHz。
• 采用线性化技术处理回波调制，使±10 mV输入范围内静态非线性度降低至<1.2%，提升信号保真度。
• 通过正交子载波调制实现多个植入物在单个外部换能器下的同时工作，避免波束成形或复杂阵列系统。
• 神经前端在仅4 μW功耗下实现5 kHz带宽内5.3 μV rms噪声底限，支持高保真记录。
• 系统在组织模型中50 mm深度下工作，2 MHz频率下衰减约0.5 dB/cm，证明其在深部脑区与外周神经记录中的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 亚毫米³神经记录植入物能否在超过50 mm深度下，利用超声实现可靠、高带宽的上行链路数据传输？
• RQ2 如何对基于回波的振幅调制进行线性化，以在不同神经输入振幅下保持信号保真度？
• RQ3 能否在不使用波束成形或复杂阵列系统的情况下，利用单个非聚焦外部超声换能器同时为多个自由悬浮植入物供电并探测？
• RQ4 使用超声供电与通信技术，无缆无线神经植入物可实现的最大深度/体积比是多少？
• RQ5 在亚毫米³尺度下，该系统在数据速率、功耗与噪声性能方面与以往技术相比表现如何？

主要发现

• 该植入物通过基于回波的振幅调制技术，实现每信标>35 kbps的数据速率，显著超过以往亚毫米³植入物。
• 通过新型线性化技术，系统在±10 mV输入范围内实现<1.2%的静态非线性度，显著提升信号保真度。
• 通过正交子载波调制，在50 mm深度下成功实现双信标同时上电与7 kS/s的数据传输。
• 与以往技术相比，该植入物在深度/体积比方面提升3倍，组织模型中实测深度达50 mm。
• 神经记录前端仅消耗4 μW功耗，5 kHz带宽内实现5.3 μV rms噪声底限，信噪比效率优于以往技术34倍。
• 整个植入物总功耗仅为37.7 μW，可实现长期运行，对周围组织的热效应与机械影响极小。