Masterproeven 2010-2011
Het ontwerp van uitleesversterkers voor neurale activiteit.
Probleemstelling:
Deze thesis verloopt in samenwerking met de onderzoeksgroep Bio-elektronische Systemen van IMEC.
Een mogelijke manier om neurale activiteit te bestuderen gaat als volgt: eerst stimuleert men de neuronen met elektrisch stroompulsen, en daarna observeert men de elektrische reactie van deze neuronen. Binnen de onderzoeksgroep Bio-elektronische Systemen van IMEC is men met deze aanpak bezig. Op dit momen worden hiervoor implanteerbare electrodes en electronische circuits ontwikkeld: zowel voor het genereren van de elektrische pulsen als voor het uitlezen van de resulterende hersenactiviteit. Voor wat betreft de uitlezing en de verwerking van de neurale activiteit zijn de volgende elektronische bouwblokken nodig: versterker, filters, multiplexering, A/D-conversie en (draadloze) transmissie. Aan het begin van deze keten zit de uitleesversterker en dit is ook het meest kritische bouwblok. Immers deze versterker moet de extreem kleine neurale signalen versterken. Daarom mag die zeer weinig ruisen, de offset moet zeer klein zijn en de common mode rejectie (CMRR) moet zeer hoog zijn. Daarenboven moet het verbruik zeer laag zijn. Meestal zijn deze eisen tegenstrijdig en ze leveren dan ook een trade-off op [1].
Doordat deze biomedische signalen zeer laag-frequent zijn wordt het ruisgedrag voornamelijk bepaald door 1/f ruis. Er bestaan verscheidene circuit-technieken om hiermee om te gaan [2]. Het is echter niet duidelijk welke technieken het beste zijn voor neurale uitleesversterkers. Sommige technieken zijn goed om het vermogenverbruik te verlagen, andere om de CMRR te verbeteren en weer ander om de ruis te verlagen [3].
[1] T. Jochum, T. Denison, and P. Wolf, "Integrated circuit amplifiers for multi-electrode intracortical recording," J. Neural Eng., vol. 6, 2009, p. 012001.
[2] Enz, C.C.; Temes, G.C., "Circuit techniques for reducing the effects of op-amp imperfections: autozeroing, correlated double sampling, and chopper stabilization," Proceedings of the IEEE , vol.84, no.11, pp.1584-1614, Nov 1996.
[3] Steyaert, M.S.J.; Sansen, W.M.C., "A micropower low-noise monolithic instrumentation amplifier for medical purposes," Solid-State Circuits, IEEE Journal of , vol.22, no.6, pp. 1163-1168, Dec 1987.
In dit afstudeerwerk is het de bedoeling om de verschillende uitleesversterkers die reeds bestaan voor biomedische toepassingen met elkaar te vergelijken om uit te maken welke methode het beste is voor het opnemen van neurale signalen. De uiteindelijke bedoeling is om een volledige neurale voorversterker te ontwerpen die gebruikt kan worden in een implanteerbare component.
Student: Niels De Backer
Promotor: Prof. Pieter Rombouts
Scriptiebegeleider: ir. Maarten De Bock