KR20140092238A - 이식가능 무선 신경 장치 - Google Patents

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밍 인
윌리엄 알. 패터슨
주앙 아세로스
데이비드 에이. 버튼
크리스토퍼 불
파라 라이왈라
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Abstract

신체에 대한 전기 인터페이스를 제공하는 시스템들 및 방법들이 제공된다. 일 실시예에서, 신체 내에 이식가능하고 신처에서 검출되는 전기 신호들을 전달하는 복수의 통신 채널들을 제공할 수 있는 이식가능 전극 어레이; 전극 어레이로부터 수신되는 전기 신호들을 처리하는 증폭기 회로; 증폭기 회로와 신체 외측에 배치되는 무선 수신기 사이에서 텔레메트리 데이터를 송신 및 수신하는 무선 송수신기; 증폭기 회로 및 무선 송신기를 수용하고 주변 조직과 생체적합한 밀봉 인클로저; 및 무선 송수신기에 의해 사용되는 무선 매체에 투과성인 인클로저 내의 윈도우를 포함하는 이식가능 모듈이 개시된다. 다른 실시예에서, 무선 송수신기 및 증폭기는 경피 부착 장치에 분리가능하게 결합되고, 이식가능 전극 어레이는 경피 부착 장치를 통해 인터페이스 보드에 전기적으로 결합된다.

Description

이식가능 무선 신경 장치{IMPLANTABLE WIRELESS NEURAL DEVICE}
관련 특허 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2011년 3월 17일자로 출원된 미국 특허 출원 제61/453,799호, 2011년 8월 26일자로 출원된 제61/527,956호, 및 2011년 12월 12일자로 출원된 제61/569,619호에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 상기 출원들은 여기에 그 전체가 참고문헌으로써 포함된다.
정부 지원
본 연구는 생명 공학 연구 협력 프로그램(1R01EB007401-01) 하의 국립 보건원(NIBIB 및 NCMRR/NICHD), EFRI 프로그램(#0937848) 하의 국립 과학 재단에 의해 지원되었고, 국방 첨단 과학 기술 연구소(DARPA) REPAIR(Reorganization and Plasticity to Accelerate Injury Recovery) 프로그램(N66001-10-C-2010)에 의해 지원되었다. 미국 정부는 상기 보조금의 조건에 의해 제공되는 바와 같이 일정한 권리들을 본 발명에 가질 수 있다.
본 발명은 임플란트(implant)들을 신체에 사용하는 이식가능 무선 장치들 및 방법들에 관한 것이다.
상이한 신경 센서 프로브들의 사용에 의해 동물들 및/또는 인간들의 뇌로부터 전기 또는 자기 신호들을 검색하는 다수의 접근법들이 존재한다. 이들은 피험자의 머리 외측에(EEG, MEG 및 fMRI에서와 같이), 피부와 두개골 사이의 공간 내에, 또는 뇌의 바로 위 또는 뇌에 관통되는 두개골 아래에 존재할 수 있다. 뇌 위에 존재하는 두개골 아래의 프로브들은 여기에 ECoG(electrocorticographic) 어레이들로 표시되는 한편, 개별 센서 요소들이 뇌 조직을 관통하는 것들은 멀티전극 어레이들(MEAs)로 표시된다. 침입되어 있는 동안, ECoG 및 MEA들은 EEG 기반 접근법들보다 더 상세한 신경 회로 기능들의 정보를 상세히 제공한다. 특히, MEA들은 공간 및 시간 분해능을 갖는 신경 회로 신호들의 추출을 가능하게 하는 것으로 증명되었으며, 어레이의 각각의 개별 요소(마이크로전극)는 단일 신경 세포에서 정보를 보냄으로써, 고도의 기능-특정 정보의 검색을 가능하게 한다. 일 예는 조정 동작이 팔, 손, 또는 손가락의 움직임에 대한 특정 커맨드를 발행할 수 있는 100개의 뉴런들로부터 정보를 검색하는 것이다.
인간 또는 동물 피험자의 외부 피부가 환경에 대한 보호 외피인 것을 고려하면, 피부 아래에 이식되거나 적용되는 임의의 뇌 센서들은 "침입적인" 것으로 간주된다. ECoG 및 MEA 멀티전극 임플란트들 둘 다는 칩입 프로브들의 예들이다. 그러한 프로브들의 경우, 하나의 주요 기술 도전은 여기서 디코딩으로 표시되는 추가 해석을 위한 적절한 전자 습득 계장(electronic acquisition instrumentation)에 의해 전기 임펄스들로 생성되는 뇌 신호들의 검색이다. 전자 습득 계장은 전형적으로 센서 어레이들로부터의 신호 증폭, 그의 후속 멀티플렉싱(데이터를 직렬화함), 디지털 데이터 스트림에 대한 변환(A/D 변환), 및 후속 신호 처리 및 사용에 대한 디지털 신경 데이터의 송신을 위한 아날로그 회로들을 포함한다. 신호 처리는 로봇 팔들, 타자기들, 또는 다른 외부 장치들과 같은 그런 장치들을 피험자의 뇌에 의해 발행되는 커맨드들로부터 직접 동작시킬 수 있는 뇌 신호들을 유용한 전자 커맨드들로 해석 및 변환하기 위해 수학적 모델들을 이용하는 디코딩 전략들을 포함한다.
뇌 기계 인터페이스들은 종래 기술에 존재하는 것으로 인정되고, 환자들이 뇌의 간질 영역들을 매핑하는 경막하 그리드 전극들을 사용하여 포착 활동의 평가들을 받는 간질 감시와 같은 뇌 감시를 다양한 맥락들에서 제공하기 위해 사용된다. 그러나, 데이터 텔레메트리를 무선 송신하는 능력이 없으면, 그러한 환자들은 무거운 외부 케이블들이 그들을 외부 무선 장치에 묶은 상태에서, 감시를 위해 2주까지 동안 병원 침대 구속 체류를 벗어나지 못한다. 아래에 개시된 것들과 같은 장착 무선 소형 장치는 유선 연결들을 사용하여 가능한 것 이상으로 이동성을 제공하고, 또한 환자들이 연장된 평가 기간 동안 귀가하는 것을 허용하는 능력을 제공하여, 진단 데이터가 현재 실현가능한 것보다 더 긴 시간 기간에 걸쳐 안전하게 및 안락하게 획득될 수 있게 한다.
개념 및 구현은 이하 SBNC(sub-acute Brown neural card)로 지칭되는 이식가능 무선 신경 인터페이스 장치로 설명되는데, SBNC는 뇌와 외계(external world) 사이의 통신을 가능하게 하며, "외계"는 임의의 수의 전자 제어 장치들 및 장치 시스템들로 구성된다.
신체에 대한 전기 인터페이스를 제공하는 시스템들 및 방법들이 제공된다. 일 실시예에서, 신체에 대한 전기 인터페이스를 제공하는 이식가능 시스템이 개시되며, 이식가능 시스템은 신체 내에 이식가능하고 신체에서 검출되는 전기 신호들을 전달하는 복수의 통신 채널들을 제공할 수 있는 이식가능 전극 어레이; 전극 어레이에 결합되어 전기 와이어들의 팬 아웃(fan out)을 복수의 전기 컨택트들에 제공하는 인터페이스 보드; 복수의 전기 컨택트들과 결합되어 전극 어레이로부터 수신되는 전기 신호들을 데이터 신호들로 처리하는 증폭기 회로; 증폭기 회로에 결합되어 증폭기 회로와 신체 외측에 배치되는 무선 수신기 사이에서 텔레메트리 데이터를 송신 및 수신하는 무선 송수신기; 증폭기 회로 및 무선 송신기를 수신하고 주변 조직과 생체적합한 밀봉 인클로저; 및 무선 송수신기에 의해 사용되는 무선 매체에 투과성인 인클로저 내의 윈도우를 포함하며, 무선 송수신기는 복수의 통신 채널들로부터 데이터를 송신할 수 있다.
다른 실시예에서, 신체에 대한 전기 인터페이스를 제공하는 시스템이 개시되며, 시스템은 신체 내에 이식가능하고 신체에서 검출되는 전기 신호들을 전달하는 복수의 통신 채널들을 제공할 수 있는 이식가능 전극 어레이; 이식가능 전극 어레이에 전기적으로 결합되어 이식가능 전극 어레이를 위한 복수의 전기 컨택트들을 제공하는 인터페이스 보드; 인터페이스 보드와 결합되어 전극 어레이로부터 수신되는 전기 신호들을 데이터 신호들로 처리하는 증폭기 회로; 증폭기 회로에 결합되어 증폭기 회로와 신체 외측에 배치되는 외부 무선 장치 사이에서 텔레메트리 데이터를 송신 및 수신하는 무선 송수신기; 인터페이스 보드, 증폭기 회로, 및 무선 송수신기를 수용하는 신체 외부의 하우징; 및 경피 부착 장치를 포함하며, 하우징은 경피 부착 장치에 분리가능하게 결합되고, 이식가능 전극 어레이는 경피 부착 장치를 통해 인터페이스 보드에 전기적으로 결합되고, 무선 송수신기는 복수의 통신 채널들로부터 데이터를 송신할 수 있다.
다른 실시예에서, 신체에 대한 전기 인터페이스를 제공하는 시스템이 개시되며, 시스템은 이식가능 전극 어레이에 전기적으로 결합되는 인터페이스 보드; 인터페이스 보드와 결합되어 전극 어레이로부터 수신되는 전기 신호들을 데이터 신호들로 처리하는 증폭기 회로; 증폭기 회로에 결합되어 증폭기 회로와 신체 외측에 배치되는 외부 무선 장치 사이에서 텔레메트리 데이터를 송신 및 수신하는 무선 송수신기; 및 인터페이스 보드, 증폭기 회로, 및 무선 송수신기를 수용하는 신체 외부의 하우징을 포함하며, 하우징은 경피 부착 장치에 분리가능하게 결합되고, 무선 송수신기는 복수의 통신 채널들로부터 데이터를 송신할 수 있다.
다른 실시예에서, 전기 신호를 신체에서 검출하는 방법이 개시되며, 방법은 복수의 전기 신호들을 신체에 이식되는 마이크로전극 어레이에서 검출하는 단계; 신체 내에 이식되고 마이크로전극 어레이에 전기적으로 결합되는 밀봉 인클로저에서 마이크로전극 어레이로부터 복수의 전기 신호들을 수신하는 단계; 전기 신호들을 인클로저 내에서 처리하여 증폭된 데이터 신호들의 복수의 채널들을 생성하는 단계; 및 복수의 채널들을 무선 매체에 의해 인클로저 내의 윈도우를 통해 송신하는 단계로서, 윈도우는 무선 매체에 투과성인 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 전기 신호를 신체에서 검출하는 방법은 처리 모듈을 경피 부착 장치에서 신체의 외부에 부착하는 단계; 처리 모듈을 신체에 이식되는 마이크로전극 어레이에 전기적으로 결합하는 단계; 신체 내의 마이크로전극 어레이에서 복수의 뉴런들로부터 복수의 전기 신호들을 검출하는 단계; 신체 외부의 처리 모듈에서 마이크로전극 어레이로부터 복수의 전기 신호들을 수신하는 단계; 전기 신호들을 처리 모듈 내에서 처리하여 증폭된 데이터 신호들의 복수의 채널들을 생성하는 단계; 및 복수의 채널들을 무선 매체에 의해 처리 모듈 외부의 무선 장치에 송신하는 단계를 포함한다.
도 1은 일부 실시예들에 따른 피험자의 뇌 내에 위치되는 SBNC 시스템의 절개도이다.
도 2는 일부 실시예들에 따른 피험자의 뇌 내에 위치되는 SBNC 시스템의 프로파일 절개도이다.
도 3은 일부 실시예들에 따른 외부 컴퓨터 시스템과 연동하는 SBNC 시스템의 대표도이다.
도 4는 일부 실시예들에 따른 이식가능 SBNC 모듈의 외부도이다.
도 5는 일부 실시예들에 따른 SBNC의 물리 구조의 상세한 외부도이다.
도 6은 일부 실시예들에 따른 SBNC 모듈의 주요 요소들의 분해 사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 일부 실시예들에 따른 SBNC 모듈의 단면도들이다.
도 8은 일부 실시예들에 따른 RF 전력/데이터 보드 및 전치 증폭기 보드에 대한 회로 블록도이다.
도 9는 일부 실시예들에 따른 순방향 데이터 구성 내의 RF 전력/데이터 보드 및 전치 증폭기 보드에 대한 회로 블록도이다.
도 10은 일부 실시예들에 따른 전치 증폭기 보드의 대표도이다.
도 11은 일부 실시예들에 따른 RF 전력/데이터 보드의 대표적 저면도이다.
도 12는 일부 실시예들에 따른 RF 전력/데이터 보드의 대표적 평면도이다.
도 13은 일부 실시예들에 따른 신경 센서와 통신하는 인터페이스 보드의 대표도이다.
도 14는 일부 실시예들에 따르고 도 6 및 도 7과 관련되는 신경 센서와 통신하는 전치 증폭기 보드의 대표도이다.
도 15는 일부 실시예들에 따른 제어 커맨드들을 송신하는 순방향 데이터 링크를 도시하는 시스템 내의 장치들 사이의 데이터 전송의 블록도를 도시한다.
도 16은 일부 실시예들에 따른 멀티 채널 전치 증폭기 ASIC(application-specific integrated circuit)의 회로 블록도이다.
도 17은 일부 실시예들에 따른 기록 모드 내의 전치 증폭기 ASIC의 개략도이다.
도 18은 일부 실시예들에 따른 자극 모드 내의 전치 증폭기 ASIC의 개략도이다.
도 19는 일부 실시예들에 따른 임피던스 분광 모드 내의 전치 증폭기 ASIC의 개략도이다.
도 20은 일부 실시예들에 따른 프로그램가능 전류 소스 및 싱크 유닛의 개략도이다.
도 21은 일부 실시예들에 따른 가변 주파수 사인파 발생기의 개략도이다.
도 22는 일부 실시예들에 따른 피질 유닛 및 두개골 유닛의 블록 데이터 전송 도면이다.
도 23은 일부 실시예들에 따른 외부 인터페이스 장치의 대표도이다.
도 24는 일부 실시예들에 따른 외부 장착 E-BNC 모듈의 사시도이다.
도 25는 일부 실시예들에 따른 배터리들을 갖지 않는 외부 장착 E-BNC 모듈의 사시도이다.
도 26은 일부 실시예들에 따른 외부 장착 E-BNC 모듈의 평면도이다.
도 27은 일부 실시예들에 따른 외부 장착 E-BNC 모듈의 측면도이다.
도 28은 일부 실시예들에 따른 배터리들을 갖지 않는 외부 장착 E-BNC 모듈의 절개도이다.
도 29는 일부 실시예들에 따른 배터리들을 갖지 않는 외부 장착 E-BNC 모듈의 분해 사시도이다.
도 30은 일부 실시예들에 따른 배터리들을 갖는 외부 장착 E-BNC 모듈의 분해 사시도이다.
도 31은 일부 실시예들에 따른 외부 장착 E-BNC 모듈의 평면도 분해 사시도이다.
도 32는 일부 실시예들에 따른 케이스를 갖지 않는 외부 장착 E-BNC 모듈의 저면도 분해 사시도이다.
도 33은 일부 실시예들에 따른 외부 장착 E-BNC RF 전력/데이터 보드 및 전치 증폭기 보드에 대한 회로 블록도이다.
도 34는 일부 실시예들에 따른 무선 E-BNC와 무선 통신하는 수신 장치와 대한 라디오 블록도이다.
도 35의 A, 도 35의 B, 도 35의 C, 및 도 35의 D는 일부 실시예들에 따른 외부 장착 E-BNC 모듈의 측면도, 정면도, 평면도, 및 사시도이다.
도 36의 A, 도 36의 B, 도 36의 C, 및 도 36의 D는 일부 실시예들에 따른 외부 장착 E-BNC 모듈 상에 배터리들의 설치를 도시하는 프로세스 도면들이다.
본 출원은 피험자의 머리 또는 신체의 다른 곳에 장기간의 이식을 위한 기밀 밀봉 모듈 또는 무선 데이터 통신 능력을 제공하는 외부 장착 모듈을 설명하며, 그의 둘 다는 SBNC(sub-acute Brown neural card)로 지칭된다. SBNC는 신경 신호 추출에 유용한 이식가능 무선 뇌 인터페이스들을 위한 장치 시스템을 제공한다. 신경 자극 및 원위치(in-situ) 물리/생리 감시 능력들이 더 부가될 수 있어, 뇌 회로들과 외계 내의 것들 사이의 양방향 통신을 가능하게 한다.
일 측면에서, 배터리들, 증폭기들 및 다른 회로부를 통합하는 SBNC 모듈은 기밀 밀봉되고 머리 영역 내의 피험자의 피부 아래에, 또는 신체의 다른 곳에 이식될 수 있다. 장치는 뇌 자체의 신경 회로들과 전자적으로 상호작용하는 하나 이상의 다중 요소 신경 센서들에 물리적으로 유선 또는 무선으로 링크될 수 있다. 신경 센서들은 전기 또는 광 신호들을 송신하여 뇌 회로의 활동의 척도를 제공하는 장치들일 수 있다. 이 신호들은 SBNC 모듈에 라우팅되며, SBNC 모듈은 수개의 속성들을 가지며, 피험자의(자연적으로 밀봉된) 피부를 통한 송신을 위해 뇌로부터 온보드 무선 주파수 및/또는 적외선 이미터로의 신경 신호 데이터 흐름을 증폭, 디지털화, 및 제어하는 내부 마이크로전자 칩 스케일 회로들을 포함한다.
다른 측면에서, 장치는 또한 전기적 흥분의 형태인 신경 자극이 다중 요소 신경 센서에 인가될 수 있게 하는 마이크로전자 칩 레벨 요소들을 수용할 수 있어, 현재 신경 자극기의 역할을 한다. 장치는 신경 자극의 선택되고 기하학적으로 정의된 공간 패턴들을 관련 뇌 활동에 관여되는 신경 집단들을 가로질러 적용하는 한편, 이렇게 패턴화된 멀티채널 자극을 신경 센서/자극 피질 마이크로전극 어레이 내의 각각의 개별 요소의 정기 자극에 의해 제어하는 능력을 갖는다. 최종적으로, 장치는 미소 규모 국부 온도 및 압력 변동을 포함하는 신경 회로 환경에 관한 다른 생리적 관련 정보를 동시에 전달하는 신경 센서 어레이 회로부를 포함할 수도 있음으로써, 모듈이 타겟 뉴런들의 신진대사 활동을 감시할 수 있게 한다.
일부 실시예들에서, 장치는 뉴런 활동 및 신경 자극의 둘 다의 측정을 할 수 있다.
일 실시예에서, 다기능 SBNC 장치는 기밀 밀봉 생체적합 이식가능 모듈 내에 포함되는 다수의 전용 전자 장치 어셈블리들을 포함한다.
임의의 실시예들에서, 뇌 센서들로부터 신호들을 판독하는 전자 습득 계장은 그러한 뇌 신호들을 증폭, 멀티플레싱 및 A/D 변환하고, 무선으로 피부를 통해 외부 수신기에 실시간으로 스트리밍함으로써 디지털화 신경 데이터를 송신하는 소형화된 신체 이식가능 모듈들로 구성된다. SBNC는 신호들을 피부를 통해("경피적으로(percutaneously)") 물리적으로 케이블링하는 요구 없이 디지털 신경 신호 데이터 스트림이 피부를 통해("경피적으로(transcutaneously)") 무선 송신될 수 있도록 머리 또는 신체의 다른 곳에 이식될 수 있다. 무선 송신은 또한 피험자의 비제한 이동성을 가능하게 하는 반면, 종래의 전자 케이블링은 피험자를 외부 전자 모듈들에 묶기 때문에 피험자 이동에 심각한 장애이다.
뇌 적합 전극들에 대한 다른 사용은, 가장 잘 알려져 있는 DBS(deep brain stimulation)를 이용하여, 전기 자극들을 뇌의 지정 타겟 영역들에 적용하는 것이다. SBNC는 신경 신호 검색 및 전기 자극 둘 다를 단일 기밀 밀봉 무선 모듈 내에 통합할 수 있다.
SBNC 내의 회로부는 뇌 조직의 국부 물리 및 생리 상태를 단일 뉴런 공간 분해에 이르기까지 감시하는 것을 가능하게 할 수 있다. 그러한 원위치 진단 감시는 고유 신경 회로 가변성(비정상 작용)에 기인하는 상당한 변동들에 영향을 받는 단일 신경 세포 활동, 긴 시간 기간에 걸친 신경 세포 건강, 및 이식 신경 센서(MEA, ECoG)와 뇌 및 신체 조직 사이의 가능한 생리 상호작용들의 감시를 고려하는 것과 같은 수개의 특징들을 제공한다. 전형적인 뉴런은 활성일 때 초당 10-100 스파이크들, 또는 나머지 상태에서 초당 1-10 스파이크들을 생성하며; 이 스파이크들은 뉴런을 둘러싸는 가까운 세포외 유체에 위치되는 개별 마이크로전극들에 의해 전기 활동 전위들로서 검출될 수 있다. SBNC는 광대역 신경 신호들을 캡처 및 기록할 수 있다. 이 광대역 신경 신호들은 신경 신호들의 상이한 시간적(temporal) 시그니처(signature)들에 의해 커버되는 전체 범위의 주파수들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시간적 시그니처들의 광대역 캡처는 밀리초 시간 비율에 관한 소위 활동 전위들(또는 '스파이크들'), 전형적으로 어디든 수십 밀리초에서 1 초의 몇 분의 1까지 걸치는 소위 필드 전위들, 소위 알파, 베타, 감마, 및 델타 대역들('뇌 파들')의 형태인 리듬 발진들, 뉴련들과 연관되는 신진대사 활동에 의해 유도되는 시간 변동들 등을 포함한다. 일부 실시예들에서, SBNC는 모든 신경학적으로 및 생리적으로 중요한 신호들을 광범위한 시간 시그니처들(대략 1OKHz에서 0.1 Hz까지의 주파수 단위들로 해석됨)에 걸쳐 선택적으로 캡처할 수 있다. 일부 실시예들에서의 사용에 고려되는 MEA 또는 ECoG 전극 시스템들은 50 Mb/sec까지의 실시간 데이터 속도들을 제공할 수 있고, 본 시스템은 이 데이터를 처리하는 능력을 송신 전에 높은 데이터 속도로 제공한다.
도 1은 일부 실시예들에 따른 SBNC를 포함하는 이식가능 시스템을 예시하는 절개도이다. 절개 사시도는 두개골 아래에 보여지는 뇌를 갖는 대표적 인간을 도시한다. 데이터를 두개골 외부의 장치(도시되지 않음)에 무선 송신하는 SBNC 유닛인 이식 전자 장치(101)가 도시된다. 장치(101)는 두개골 외부에 이식될 수 있다. 다른 이식 전자 장치들(103, 104, 105, 106, 107)이 또한 도시되며, 각각은 뇌(102)의 다른 부분에 이식되고 와이어들(103a, 104a, 105a, 106a, 107a)을 통해 이식 전자 장치(101)에 연결되며, 이식 전자 장치는 증폭기 장치를 포함한다. 와이어들은 개별 멀티와이어 다발들일 수 있다. 각각의 이식 장치(103, 104, 105, 106, 107)는 임플란트에 대한 뇌의 영역에서 뇌 신호들의 직접 캡처 및 기록을 위한 멀티전극 어레이를 포함한다. 이식 어레이들은 본 기술이 속하는 분야에서 알려지거나 사용되는 바와 같은 MEA 또는 ECoG 피질 센서 어레이들 또는 다른 전극 센서들일 수 있다. 멀티와이어 다발은 수에 있어서 각각의 MEA 또는 ECoG 피질 센서 어레이 내의 센서 요소들의 수에 대응하는 마이크로와이어들일 수 있고, 금과 같은 생체적합 도체로 제조될 수 있다. 와이어 다발의 근위 단부는 피험자의 피부 아래에, 머리 내에 또는 신체의 다른 곳에 이식될 수 있는 기밀 밀봉 SBNC 유닛에 연결될 수 있다. 이식 장치들(103, 104, 105, 106, 107)은 이식 SBNC 유닛(101)의 무선 송신기를 공유할 수 있음으로써, 그의 데이터를 신체의 외부에 송신할 수 있다. 이식 장치는 또한 와이어(108)가 이식 장치(106)에서 나오는 것으로 도시된 바와 같이, 외부 유선 인터페이스를 제공하는 것이 가능하다. 유선 인터페이스는 전기 또는 광일 수 있다.
도 2는 일부 실시예들에 따른 두개골 내에 이식되는 SBNC 모듈 및 센서 어레이의 프로파일 절개도를 도시한다. 피부(201), 두개골(202) 및 뇌 물질(203)이 도시된다. 또한, 멀티와이어 다발(205)을 통해 이식 SBNC 장치(206)에 연결되는 전극 어레이(204)가 도시된다. 또한, 두개골 및 피부 외부에 배치되고 이식 SBNC 장치(206)에 무선 연결되어 전력 및 데이터 연결성 둘 다를 제공하는 장치(207)가 도시된다. 멀티와이어 다발(205)은 두개골 내의 채널을 통과하고, 거부반응들을 신체 내에서 최소화하기 위해 생체적합 재료를 사용한다. 일부 실시예들에서, 외부 피부 층의 무결성을 보존하는 것 및 전력 및 데이터를 무선 송신하는 것은 신체에 대한 개방 포트의 결과인 감염의 위험을 최소화한다.
다른 측면에서, 전자 장치를 포함하는 소형 유닛은 예를 들어 두개골 장착 페데스탈(pedestal) 또는 다른 경피 부착 장치 위에 결합으로써 피험자의 머리 외부에 부착될 수 있다. 이 측면은 E-BNC(External Brown Neural Card)로 지칭될 수 있다. 페데스탈은 결과적으로 와이어링을 위한 관통 포트를 피험자의 피부 아래로부터 두개골을 통해 이식 피질 내 또는 피질 멀티전극 어레이로 제공한다. 이식 어레이는 뇌 마이크로회로들 및 그의 전기 임펄스들로부터 와이어링 포트에 통과되는 물리 와이어들을 통해 데이터의 수신, 송신 및 기록을 할 수 있다. 장치는 기록 및 자극(<1 Hz에서 10 kHz까지)에서 신경 광대역 데이터를 위한 100개의 채널들을 수용할 수 있고, 수백의 그러한 독립 신경 데이터 채널들로 확장가능할 수 있다. 장치는 이동성을 가능하게 하기 위해 다른 외부 장치들과 무선으로 인터페이스할 수 있다. 경량이고, 배터리로 전원 공급되며, 쉽게 분리가능한 모듈식 유닛을 사용하여 뇌 회로들에 액세스하기 위해 동물 및 인간 피험자들에 의해 이용될 수 있는 특정 소형 구성이 또한 개시된다.
E-BNC 시스템은 두개골 장착 페데스탈을 전자 장치 어셈블리 및 배터리 어레이/배터리 팩에 결합하는 "스크루 탑(screw-top)" 인터페이스를 이용할 수 있다. 다른 메커니즘들은 스크류 스레딩(threading) 메커니즘, 예컨대 텅 앤 그루브(tongue-and-groove) 메커니즘, 자성유체 씰(magnetic seal), 스프링 하중 래치 메커니즘, 또는 다른 것들에 더하여 또는 대신에 사용될 수 있다. 전자 장치 어셈블리는 다른 구성요소들 중에서 증폭기 인쇄 회로 기판(PCB) 및 무선 송신기 보드를 포함할 수 있다. 배터리 팩은 하우징에 제공될 수 있다. 배터리 팩은 분리가능할 수 있다. 배터리 어레이는 압입 볼 로킹 어셈블리가 빠른 부착/분리를 제공하는 전자 장치 어셈블리에 결합되도록 구성되는 상태에서, 링 구성 내의 일련의 배터리들로 구현될 수 있다. 로킹 어셈블리는 중심에 지향되는 전자 장치 어셈블리 및 전자 장치 어셈블리를 둘러싸는 배터리 팩으로 구성된다. 다수의 배터리 팩들은 장치에 함께 부착되어 연장된 동작 시간을 제공할 수 있다. 시스템은 기밀 밀봉될 필요는 없으며, 이는 비용 및 제작 공차들과 같은 요인들에 유리할 수 있다.
도 3은 일부 실시예들에 따른 외부 컴퓨터 시스템과 연동하는 SBNC 시스템의 대표도를 도시한다. SBNC 시스템(300)은 본 명세서의 다른 곳에 설명되는 바와 같이, 뇌 활동을 샘플링하는 이식 전극 어레이(도시되지 않음)를 포함한다. 이식 전극 어레이는 멀티와이어 다발 또는 무선 데이터 연결을 통해 머리 장착 SBNC 모듈(301)에 연결될 수 있으며, 머리 장착 SBNC 모듈은 이식 전극 어레이에 연결되는 증폭기들을 포함하는 이식 SBNC 모듈, 또는 외부신경 인터페이스 모듈일 수 있다. 모듈(301)은 이식 SBNC 모듈(도시되지 않음)과 인터페이스하는 무선 충전 및 통신 능력을 포함할 수 있다. 모듈(301)은 블루투스, 또는 802.11 WiFi와 같은 단거리 무선 인터페이스, 또는 다른 무선 인터페이스를 통해 컴퓨터(302)와 통신하는 무선 통신 능력을 포함한다. 컴퓨터(302)는 정보를 SBNC 모듈들에 및 SBNC 모듈들로부터 수신 또는 송신하는 소프트웨어를 실행할 수도 있다.
도 4는 일부 실시예들에 따른 이식가능 SBNC 모듈의 외부도를 도시한다. 센서 어레이(401)는 대뇌 피질로의 이식을 위해, 와이어 다발(402)의 원위 단부에 부착된다. 와이어 다발(402)의 근위 단부는 임의의 실시예들에 따른 "Ti-can"으로 지칭되는 기밀 밀봉 티타늄 용접 인클로저(403)에 연결된다. 다른 금속들 또는 구조 재료들이 사용될 수도 있다. Ti-can(403)의 상단은 전자기 및 광 투과성을 위한 기밀 밀봉 단결정 사파이어 윈도우(404)를 가질 수 있다. 앵커들(405a, 405b, 405c, 405d)은 Ti-can(403)를 뇌 또는 신체 내의 다른 구조들에 고정하기 위해 사용될 수 있다.
도 5는 일부 실시예들에 따른 SBNC의 물리 구조의 상세한 외부도를 도시한다. 기밀 밀봉 티타늄 용접 인클로저(501)는 SBNC에 포함되는 구성요소들을 포함한다. 모든 능동 아날로그 및 디지털 회로들뿐만 아니라 무선 송신기 및 배터리를 포함하는 그의 기밀 밀봉 티타늄 인클로저에서, 시스템은 주기적 간격들로, 예를 8 시간마다, 또는 필요에 따라 무선으로 수행되는 배터리 재충전에 의해 연속적으로 동작할 수 있다. 도면의 우측 상에는 MEA 어레이/피질 센서 어레이를 위한 보호 홀더가 있다. 무선 재충전 전력을 SBNC에 제공하는 두개골의 외부 상에 사용되는 어셈블리는 도시되지 않는다.
인클로저는 여기서 상단(503) 및 하단(504)으로 지칭되는 2개의 부분들을 포함한다. Ti-can의 상단(503)은 전자기 및 광 투과성을 위한 기밀 밀봉 단결정 사파이어 윈도우(502)를 가질 수 있다. 이 윈도우(502)는 전자기 및 광 투과성을 SBNC 내의 구성요소들에 제공한다. 폴리머 덮개 또는 케이스는 상호 연결 와이어링을 포함하는 다양한 구성요소들에 사용될 수 있다. 윈도우(502)는 이하 중 하나 이상을 용이하게 할 수 있다: (i) 라디오/마이크로웨이브 및/또는 적외선 반송파-인코딩된 신경 및 다른 감시 데이터의 SBNC로부터의 무선 저손실 송신; (ii) 내장 배터리 소스를 재충전하기 위해 유도 결합을 통해 무선 주파수 전력을 SBNC에 송신하는 것; 및 (iii) 신경 자극을 위해 커맨드 신호들을 무선 주파수 링크를 통해 SBNC에 송신하는 것. Ti-can의 내부에 있는 RF 송신 안테나(505)는 신호 출력 능력을 제공할 수 있고, RF 수신 코일(506)은 일부 실시예들에서 신호를 제공할 수 있는 능력이 있고/있거나 전력을 제공할 수 있는 능력이 있다. 가요성(flexible) 기판들 상의 2개의 적층 PCB 보드들, 즉 PCB-A(507) 및 PCB-B(508)는 전자 장치를 제공한다. 전력은 1개, 또는 2개 또는 다른 수의 재충전가능 배터리 모듈들(509)에 의해 제공될 수 있으며, 재충전가능 배터리 모듈들은 Quallion QL0200I-A 리튬 이온 200mA 배터리들일 수 있다. 와이어 다발(510)은 상단(503)과 하단(504) 사이에 삽입되고 센서 어레이(401)(도시되지 않음)에 연결된다.
Ti-can의 하단은 그의 밀도(예를 들어 100-요소 MEA 또는 ECoG 센서에 대해)가 공간 어레이 핀들을 위한 대응하는 수의 밀봉 차단들을 이용가능 제조 기술들 내에 수용할 수 있는 방식으로 레이아웃되는 금속-세라믹 피드스루 핀들의 어레이를 포함할 수 있다.
도 6은 일부 실시예들에 따른 SBNC 모듈의 다른 실시예의 제 2 분해 사시도이다. 이 구성요소들은 밀집화, 계층화, 및 개재화 폼 팩터(form factor)로 상호 연결되고 네스팅된다(nested). 구성요소들의 배열은 동물 및 인간 피험자들로의 외과 이식을 위한 SBNC 피하 임플란트의 전체 두께에 대한 낮은 프로파일을 가능하게 할 수 있다. 또한 Ti-can 내부의 구조 및 구성요소 배치 및 통합은 SBNC 장치가 이식되는 것을 허용할 수도 있다.
도 6에서, 외부 정착 엘리트들(elites)(601)은 기밀 밀봉 티타늄 캐니스터(canister)(Ti-can)(603)의 상단에 연결되며, 또한 광 및 무선 주파수 신호들 둘 다에 투과성인 사파이어 윈도우(602)를 포함한다. Ti-can(603)은 상단 네스팅 구조(604)와 결합된다. 네스팅 구조 아래에 RF 송수신기 및 안테나 및 유도 충전 코일을 유지하며, 결과적으로 중간 네스팅 구조(606) 상에 위치되는 RF 전력/데이터 인쇄 회로 기판(PCB)(605)이 있다. 의료 등급 Li-폴리머 재충전가능 배터리(608)는 PCB-B로도 불려지는 RF 보드(605), 및 PCB-A로도 불려지는 증폭기 보드(609) 둘 다에 결합되며, 이는 구리 또는 다른 적합한 재료로 제조될 수 있는 전기/전자기 스페이서(spacer)/실드(shield)(607) 아래에 위치된다. 스페이서(607)는 PCB-A와 PCB-B 사이에서 불필요한 누화(crosstalk)를 방지한다. 배터리는 하단 네스팅 구조(610)와 결합되며, 결과적으로 하단 Ti-can(611) 상에 위치된다. 하단 Ti-can(611)은 와이어들이 하단 Ti-can(611) 바로 아래에 있는 병렬 상호 연결 플레이트(PIP)(612)에 통과되는 것을 허용하는 피드 스루 구멍들을 갖는다. Ti-인클로저는 상기와 같은 모든 전기 기능 요소들의 밀집한 네스팅 패킹을 용이하게 하기 위해 부가 미소 기계 지지 구조들을 포함할 수 있다. 부가 전기 와이어링이 제공될 수도 있다. 단일 리튬 폴리머 재충전가능 배터리(608)가 도 6에 도시되지만, 2개 이상의 배터리들이 제공될 수도 있다.
또한 도 6에 도시된 바와 같이, 병렬 인터페이스 플레이트(PIP)(610)는 인커밍 번들(incoming bundle)(611)의 개별 와이어들로부터 전기 도관을 가능하게 할 수 있다. PIP(610)는 캡톤(Kapton)과 같은 얇은 가요성 폴리머 기판 재료로 제조될 수 있으며, 그 내에 팬 아웃 와이어링이 내장된다(도 13의 매우 얇은 다수의 트레이스들을 참조). Ti-can은 용접 방법들에 의해 기밀 밀봉될 수 있을지라도, PIP는 이온 전도 체액으로부터의 그의 내부 와이어링의 보호를 위해 실리콘 또는 유사한 생체적합 폴리머에 의해 오버몰딩될 수 있다. 다발로부터의 와이어들은 정렬에 상응하는 구멍들에서 특정 PIP 부위들에 개별 와이어들을 와이어본딩함으로써, 및 PIP를 하단 Ti-can 위에 압축하여 전기 컨택트를 피드스루 핀들에 제공함으로써 PIP 위에 팬 아웃할 수 있다. 와이어 다발은 금 또는 다른 도전 금속들로 코팅되거나, 이들로 제조될 수 있다. 백금, 이리듐, 또는 다른 생체적합 도체들로 제조되는 기준 와이어들이 제공될 수도 있다.
증폭기 보드(609)는 PCB-A로 라벨링된 가요성 인쇄 회로 기판일 수 있으며, PCB-A는 매핑된 입력들로서의 착신 신경 신호들의 전기 라우팅 및 와이어링을 주문 제작 아날로그 마이크로전자 칩들에 가능하게 하고, 또한 전용 디지털 칩들로서 제어 및 통신 및 아날로그 디지털 변환을 상호 연결하고, 출력하며 취급한다. RF 보드(605)는 PCB-B로 라벨링된 다른 가요성 인쇄 회로 기판일 수 있으며, PCB-B는 라디오, 마이크로웨이브, 적외선, 전자기, 또는 다른 무선 통신 및 전력 공급(powering)을 경피적으로 처리하며, 캡톤으로 제조될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 일부 실시예들에 따른 SBNC 모듈의 단면도들이다. Ti-can(701 및 706)은 RF 보드(702, 707) 및 증폭기 보드(703, 708)를 포함하는 다수의 구성요소들 외부에 있다. 스페이서 포스트들(705, 710)은 단면도들에 도시된다. 도 7a는 이중 배터리 구성을 도시하며, 이중 배터리 구성은 EEMB Co., Ltd.로부터의 120 mAh를 갖는 한 쌍의 주문 제작 배터리들(704)을 사용할 수 있다. 도 7b는 단일 배터리 구성을 도시하며, 단일 배터리 구성은 200 mAh의 용량을 갖는 Quallion QL0200IA를 사용할 수 있다. 대안적으로, 최소 배터리 용량 및 최대 물리적 크기 요건들을 충족시키는 다른 배터리들이 사용될 수 있다. 배터리가 완전히 이식될 때, 거의 7 시간의 배터리 수명을 제공하는 배터리가 제공될 수 있다. 24 시간까지 및 24시간 이상의 배터리 수명을 갖는 배터리가 또한 일부 실시예들에서 가능하다.
보드들(PCB-A 및 PCB-B)을 각각 차지하는 전자 회로들은 그의 하위 요소 회로들 및 마이크로전자 칩들 및 그의 대응하는 기능성에 관해 설명된다.
도 8은 임의의 실시예들에 따른 SBNC Ti-인클로저(도시되지 않음)의 내측에 있는 PCB-A(801), PCB-B(802), 및 배터리(803)에 대한 회로 블록도(800)를 도시한다. 전자 장치의 신호 흐름은 다음과 같다. 전극 어레이에 의해 습득되는 착신 신경 신호(804)는 와이어 다발, PIP, 및 Ti-인클로저의 하단 상의 피드스루들을 통해 PCB-A에 전달된다. PCB-A에 진입한 후에, 신경 신호들은 전치 증폭기 ASIC 칩(805)에 의해 증폭된다. 그 다음, 증폭 신경 신호들은 하나 이상의 연속 근사 아날로그 디지털 변환기들(ADC들)(806) 및 컨트롤러 ASIC 칩(807) 각각에 의해 디지털화되고 패키징된다. 컨트롤러 칩은 패키징 디지털 데이터를 TTL 또는 VCSEL 구동 포맷(808)으로 송신하며, 이는 신경 데이터를 외부 수신 유닛에 무선 전송하기 위해 RF 송신기(809) 또는 적외선 레이저(도시되지 않음)를 PCB-B 보드 상에서 구동할 수 있다. 송신기 VCO(810) 및 버퍼(811)는 무선 데이터 안테나(809)에 사용된다. 이러한 2개의 연결들을 제외하고, PCB-A 및 PCB-B는 공통 접지 및 3V 공급 전압을 공유할 수도 있다. PCB-B는 SBNC를 위해 외부 충전 유닛으로부터 RF 전력을 수확하는 무선 Li-이온 배터리 재충전 회로를 통합할 수도 있다. 이 목적을 위해 2차 코일(812), 전파 정류기(813), 스위칭 충전기(814) 및 3V 선형 레귤레이터(815), 배터리 모니터(816), 및 배터리 PCM(protection circuit module)(817)이 도시된다. 또한 24MHz 클록 소스(818)가 제공된다.
도 9는 임의의 실시예들에 따른 SBNC Ti-인클로저(도시되지 않음)의 내부에 있는 PCB-A(901), PCB-B(902), 및 배터리(903)에 대한 회로 블록도(900)를 도시한다. 도 9의 회로 블록도(900)는 데이터가 외부 무선 연결로부터 수신되고 전류 자극 출력들로서 전치 증폭기 보드 PCB-A(901)를 통해 전극 마이크로어레이(도시되지 않음)에 송신되는 것을 허용하는 순방향 데이터 경로의 추가에 의해, 도 9의 회로 블록도(900)와 유사하다. 신경 신호들(904)은 착신 신호들 또는 발신 전류 자극 출력들일 수 있으며, 이들은 각각 전극 어레이로부터 수신되거나 전극 어레이에 출력된다. 전치 증폭기 ASIC 칩(905)은 수신된 신경 신호들의 전치 증폭을 수행하는 것에 더하여, 전기 신호들을 신경 신호 출력들로 변조하는 것을 허용하기 위해 수정된다. ADC들(906) 및 주문 제작 설계 컨트롤러 ASIC 칩(907)은 수신된 신경 데이터에 대한 신호 변환을 수행한다. 순방향 데이터(920)는 PCB-B로부터 전치 증폭기 ASIC 칩(905)으로 직접 제공된다. TTL 또는 VCSEL 구동 포맷(908)은 그것이 RF 송신기(909) 또는 적외선 레이저(도시되지 않음)를 PCB-B 상에서 구동할 수 있으므로, 수신된 신경 데이터를 PCB-A로부터 PCB-B로 송신하는데 사용된다. 송신기 VCO(99) 및 버퍼(911)는 무선 데이터 안테나(909)에 사용된다. 배터리 재충전 회로 구성요소들은, 2차 코일(912), 전파 정류기(913), 스위칭 충전기(914) 및 3V 선형 레귤레이터(915), 배터리 모니터(916), 및 배터리 PCM(917)을 포함하는데, 상술한 바와 같은 재충전 능력을 제공한다. 일부 실시예들에서, ASK 수신기(919)는 2차 코일(912)에 연결되고, 2차 코일을 사용하여 외부 소스들로부터 데이터를 수신하기 위해 사용된다. 그 후에, 이 데이터는 순방향 데이터 연결을 통해 전류 자극 출력들(904)로서 마이크로전극 어레이에 송신될 수 있다. 다른 실시예들에서, ASK 수신기(919)는 RF 데이터 안테나(909)에 연결될 수 있다. 클록 소스(918)가 또한 제공된다.
상술한 부가 순방향 데이터 특징들을 제공하기 위해, SBNC는 일부 실시예들에서, 멀티채널 프로그램가능 신경 자극; MEA들 및 ECoG들 상의 원위치 임피던스 스펙트럼 분석; 생리 지시기들의 계측; 동일한 기록 전극들을 통한 각각의 채널에 대한 전류 자극; 각각의 채널이 각각의 전극의 임피던스 변경을 감시하는 임피던스 스펙트럼 분석; 자극 및 임피던스 스펙트럼 분석 커맨드들을 수신하는 무선 수신기 중 하나 이상을 구현할 수도 있다.
도 10은 일부 실시예들에 따른 PCB-A 상의 기능 회로 요소들 및 마이크로칩들의 레이아웃을 도시한다. 집적 회로 보드(PCB-A)는 착신 채널들 각각을 위한 광대역 신경 신호들에 대한 극 저전력 전치 증폭기들을 수용하여, 각각의 채널이 MEA(micro-electrode array) 또는 ECoG(electrocorticographic) 개별 전극들에 대응하는 상태에서, 적어도 100개의 채널들의 총 수를 일부 실시예들에서 제공한다. 광대역 신경 신호들은 주파수 영역 콘텐츠가 0.1Hz 내지 10 kHz에 걸치는 신호들을 지칭한다. 이 신호들은 활동 전위들, 필드 전위들, 및 저주파 활동과 같은 이벤트들을 뇌에서 캡처하기 위해 사용될 수 있다.
PCB-A 유닛은 또한 멀티플렉싱 회로부를 단일 칩 상에 수용하여 그의 후속 전기 라우팅을 위한 데이터를 PCB-B에 직렬화하며, 이는 본 기술에 알려진 타입일 수 있다. 극저전력 아날로그 전치 증폭기들은 R.R. Harrison 및 C. Charles, "A low-power low-noise CMOS amplifier for neural recording applications", IEEE Journal of Solid-State Circuits, 38: 958-965, June 2003; 및 R.R. Harrison, P. T. Watkins, R. J. Kier, R. O. Lovejoy, D. J. Black, B. Greger, F. Solzbacher, "A low-power integrated circuit for a wireless 100-electrode neural recording system", IEEE J Solid-State Circuits.; 42(1): 123-133 Jan 2007에 의해 보고될 뿐만 아니라, 독립적으로 Y. -K. Song, W. R. Patterson, C. W. Bull, J. Beals, N. Hwang, A. P. Deangelis, C. Lay, J. L McKay, A. V. Nurmikko, M. R. Fellows, J. D. Simeral, J. P. Donoghue, 및 B. W. Connors의 브라운 대학교 팀, "Development of a chipscale integrated microelectrode/microelectronic device for brain implantable neuroengineering applications", IEEE Trans Neural Syst 및 Rehabil Eng, 13(2): 220-226, 2005; 및 Y. Song, W.R. Patterson, C.W. Bull, D.A. Borton, Y. Li, A.V. Nurmikko, J. D. Simeral, 및 J. P. Donoghue, "A brain implantable microsystem with hybrid RF/IR telemetry for advanced neuroengineering applications", Proc. 29th Ann. Int. Conf. IEEE EMBS, pp. 445-448, August 2007.; "CMOS ICs for Brain Implantable Neural Recording Microsystems", William R. Patterson III, Y.K Song, C. Bull, F. Laiwalla, Arto Nurmikko, 및 J.P. Donoghue, in Applications of CMOS circuits in Biology, R. Westervelt 및 H. Lee Eds. (Springer 2007), pp. 259-29에 의해 보고되는 것과 같은 전치 증폭기들일 수 있다. 마찬가지로, 멀티플렉서 칩은 이전에 보고된 것(상술한 Y.K. Song)과 같은 집적 회로일 수 있다. 이 인용들은 여기에 참고문헌에 의해 통합된다.
PCB-A(1000) 내에 포함되는 내부 레이아웃 와이어링은 전기 신경 신호들이 소형 전치 증폭기 칩(1102)의 입력들에 집중되도록 전기 절연 핀들(1001)의 피드스루 어레이를 통해 기밀 밀봉 Ti-인클로저에 진입하는 신경 센서(MEA, ECoG)의 요소들로부터의 독립 신호들이 팬아웃 및 라우팅 패턴으로 재분배되는 방식으로 설계되고 물리적으로 실시된다. 클록 소스(1003)가 또한 도시된다.
PCB-A 내의 다른 마이크로전자 회로 칩들은 도착 아날로그 신호들을 PCB-A에 또한 내장되는 하나 이상의 아날로그 디지털 변환기 칩들(A/D 회로)(1005)의 입력들에 준비하고 전송하면서 증폭 신경 신호들의 타이밍 및 분배를 제공할 수 있는 특수 설계 디지털 제어 및 커맨드 유닛(1004)을 포함한다. 예시적 커맨드 및 제어 칩은 Y. -K. Song, W. R. Patterson, C. W. Bull, J. Beals, N. Hwang, A. P. Deangelis, C. Lay, J. L McKay, A. V. Nurmikko, M. R. Fellows, J. D. Simeral, J. P. Donoghue, 및 B. W. Connors, "Development of a chipscale integrated microelectrode/microelectronic device for brain implantable neuroengineering applications", IEEE Trans Neural Syst 및 Rehabil Eng, 13(2): 220-226, 2005; Y. Song, W.R. Patterson, C.W. Bull, D.A. Borton, Y. Li, A.V. Nurmikko, J. D. Simeral, 및 J. P. Donoghue, "A brain implantable microsystem with hybrid RF/IR telemetry for advanced neuroengineering applications", Proc. 29th Ann. Int. Conf. IEEE EMBS, pp. 445-448, August 2007.; "CMOS ICs for Brain Implantable Neural Recording Microsystems", William R. Patterson III, Y.K Song, C. Bull, F. Laiwalla, Arto Nurmikko, 및 J.P. Donoghue, in Applications of CMOS circuits in Biology, R. Westervelt 및 H. Lee Eds. (Springer 2007), pp. 259-29에 의해 설명되는 바와 같은 마이크로전자 회로 설계를 포함한다. 이 인용들은 여기에 참고문헌에 의해 통합된다.
A/D 칩은, 그의 설계 및 내부 구성에서 다른 이전 최신식 고성능 12 또는 16 비트 A/D 변환기들을 따르는데, PCB-A와 PCB-B 사이의, 및 PCB-A 자체 내의 중간 통신 및 신호 흐름으로 디지털 컨트롤러 칩과 협력하여 동작할 뿐만 아니라, 외부(신체) 전자 장치로부터 외부 제어 신호들을 수신하며, 그러한 외부 커맨드 신호들은 먼저 무선으로 PCB-B 내에 통합되는 다른 텔레메트리 회로 요소들에 의해 수신된다(아래 참조). 그것은 12 비트 또는 16 비트 분해능, 및 채널 당 매초 20000 및 40000 샘플들 사이의 샘플링 속도들(20-40 kSps/Ch)을 제공할 수 있다. 결합되면, 전체 시스템은 초당 24 내지 64 메가비트(Mbps)를 처리할 수 있다.
일부 실시예들에서, SBNC는 특히 SBNC 내의 다른 기능 요소들과 일치하는 연결성의 맥락에서, 개별 구성요소들의 전자 기능, 통합 및 공간 배열을 PCB-A 상에 제공한다. 이 다른 기능 요소들은 PIP, Ti-can 피드스루 핀 레이아웃, 및 전기 연결성을 PCB-B 및 배터리에 제공하는 다른 특징들을 포함할 수 있다. SBNC는 또한 예를 들어 도 5, 도 6, 및 도 7에 도시된 바와 같은 SBNC를 구성하는 모든 전기 기능 유닛들의 전체 네스팅된 배열에 대한 기하학적으로 평면의 얇은 구성 층으로서 PCB-A의 적층 호환성을 고려한다. SBNC는 또한 PCB-B의 요소들 및 기능들을 제공한다.
도 11은 일부 실시예들에 따른 내장 설계 내부 와이어링을 갖는 제 2 가요성 평면 집적 회로 보드(PCB-B)의 저면도(1100)를 도시한다. PCB-B는 캡톤과 같은 재료로 제조될 수 있다. PCB-B의 역할은 한편 무선 통신 링크의 역할이고 다른 한편 SBNC에 유도 결합되는 전기 전력을 수신하는 능력이다. PCB-B의 저면도(1100)는 다음의 구성요소들을 포함할 수 있다: 스위칭 충전기(1101), 배터리 PCM(1102), 레귤레이터(1103), 배터리 모니터(1104), RF 송신기(1105), 테스팅 회로부(1106), 및 전파 정류기(1107).
도 12는 일부 실시예들에 따른 회로 보드(PCB-B)의 평면도(1200)를 도시한다. PCB-B의 평면도는 다음의 구성요소들을 포함할 수 있다: RF 전력 코일(1201), 3개의 충전기 지시기들(1202), 적외선(IR) 데이터 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)(1203), 배터리 로우 지시기(1204), 및 RF 데이터 안테나(1205).
PCB-B에 내장되며, 피험자의 머리 외측("외계")의 전자 장치 및 시스템들과 무선 통신하도록 설계되는 텔레메트리 회로들은 미국 식품 의약국 규정에 따라 생의학적으로 안전하고, 미국 연방 통신 위원회 규정에 따라 통신 허용가능하며, 고정될 수 있는 주파수 및 전력 범위에서 동작하는 라디오/마이크로웨이브(RF) 주파수 송신기(1205)로 구성된다. 일 실시예에서, RF 링크는 FSK 변조 방식을 사용하여 3.2 GHz의 반송 주파수에서 동작될 수 있어, 초당 24 메가비트(Mbps)까지의 데이터 전송 능력을 제공한다. PCB-B의 설계와 호환되는 RF 신호 변조에 대한 다른 대안적 선택은 초광대역 변조 방식이다. RF 기술에 대한 다른 대안적 선택은 WiFi 또는 블루투스와 같은 산업 표준 무선 기술일 수 있다. 송신기들은 PCB-B 내에 통합되는 전용 안테나 구조들에 연결된다. RF 송신은 대략 1-10 mW의 전형적인 RF 송신 전력을 갖는 특수 구성 RF 전자 송수신기들에 대한 대략 1-10 미터의 단거리 텔레메트리 또는 데이터 전송을 위해 의도된다. RF 안테나들은 2-5 GHz 라디오 송신에 적절한 크기일 수 있다. 이것은 더 작은 이식가능 장치들이 물리 공간을 결핍시켜 RF 송신에 이상적으로 적합해지는 안테나 구조들을 제공하므로, 비교적 큰 크기의 SBNC 유닛에 의해 가능해진다.
PCB-B는 또한 적외선 또는 근적외선 스펙트럼 내의 850 nm 파장 근처에서 동작하는 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)(1203)일 수 있는 적외선 미세 결정 반도체 레이저를 수용하며, 여기에서 영장류의 피부는 비교적 투과성이다. 이것은 레이저 광을 투과성 윈도우 및 사용자의 피부를 통해 피부 경계의 타측 바로 위에 위치되는 광 수신 장치에 송신함으로써, 피험자로부터 거의 10-100 cm의 매우 짧은 거리 무선 통신에 대한 부가 양상을 가능하게 한다. PCB-B는 장치의 상태를 광 윈도우를 통해 나타내기 위해 사용될 수 있는 LED들(light-emitting diodes)을 포함할 수도 있으며, 광 윈도우는 정보를 텔레메트리 송신 채널 외측에 제공하거나 조정하는데 유용할 수 있다. 배터리 로우 지시기(1204) 및 충전 지시기들(1202)은 이 방식으로 구성되는 LED들일 수 있다.
수신 코일(1201)은 재충전이 요구될 때, 온보드 배터리를 재충전하는 신체-외부 유닛으로부터 송신되는 RF 전력을 캡처하는 것이다. 수신 코일은 전자기 유도의 공지된 원리들에 따라, 유도 결합의 원리로 동작한다. 그의 시변 플럭스는 배터리를 위한 DC 전기 전력을 표준 정류기 회로부를 통해 제공할 수 있는 한편, RF 주파수는 그의 데이터 관리, 상호 동기, 및 피험자의 신체 외측의 전자 장치와의 동기에 관하여 PCB-B 및 PCB-A 중 어느 하나 또는 둘 다를 위해 타이밍 기준("클록")으로서 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, PCB-B 상의 상기 열거된 개별 구성요소들의 전자 기능, 통합 및 공간 배열은 상기 도면들에 이미 도시된 바와 같은 SBNC를 구성하는 모든 전기 기능 유닛들의 전체 네스팅된 배열에 대한 기하학적으로 평면의 얇은 구성 층으로서 PCB-B의 적층 호환성을 보장하면서, 병렬 인터페이스 플레이트(PIP)와 같은 SBNC 내의 다른 기능 요소들과 일치하는 연결성, Ti-can 피드스루 핀 레이아웃, PCB-A 및 배터리로의 전기 연결성을 제공한다.
일부 실시예들에서, RF 전력을 캡처하는 RF 수신 코일(1201)은 표준 RF 안테나에 대한 대안으로서 사용될 수 있고, 더 높은 대역폭을 가질 수 있다. 이것은 양방향 통신을 마이크로전극 어레이(MEA)에 의해 SBNC 회로부를 통해 가능하게 한다.
SBNC의 물리적 어셈블리 및 제조 및 용접에 의한 그의 최종 기밀 밀봉은 다양한 물리 장치 처리 제조 도구들 및 방법들을 이용한다.
도 13은 일부 실시예들에 따른 신경 센서와 통신하는 인터페이스 보드의 대표도이다. 병렬 상호 연결 플레이트(PIP)로도 불려지는 인터페이스 보드(1300)는 도 6의 플레이트(607)에 대응한다. PIP(1300)는 캡톤으로 제조될 수 있는 기판(1301)을 갖는다. PIP 기판(1401)은 인터페이스 핀들(도시되지 않음)에 연결되는 구멍들(1302)을 포함하며; 이 인터페이스 핀들은 마이크로전극 어레이(도시되지 않음)에 연결되는 와이어 다발로 PIP(1300) 아래에 연결된다. PIP 테스팅 기판(1303)은 참조 번호 1304로 더 상세히 도시된다. 구멍들(1302)로부터의 모든 연결들은 테스팅 기판(1303)에서 수집되고 아래에 도시된 전치 증폭기 보드에 전달된다.
도 14는 일부 실시예들에 따른 신경 센서와 통신하는 전치 증폭기 보드의 대표도이다. 전치 증폭기 보드(1400)는 어레이(1401)로 배열되는 개별 증폭기 회로들(1402)을 포함한다. 하나의 증폭기는 마이크로전극 어레이 내의 각각의 전극을 위해 제공된다. 100개 이상의 증폭기들이 제공될 수 있다. 특정 수의 증폭기들이 전치 증폭기 보드(1400)에 의해 제공될 수 있을지라도, 멀티전극 어레이에 제공되는 연결들은 제공된 증폭기들의 수와 상이한 채널들의 수로 멀티플렉싱될 수 있다.
전류 자극 및 임피던스 스펙트럼 분석 둘 다는 100-채널 전치 증폭기 칩에 통합될 수 있어, 모든 채널은 3개의 상이한 모드들에서 동작할 수 있다: 기록 모드, 전류 자극 모드, 및 임피던스 분광 모드. 어느 채널이 어느 모드에 사용되는지의 판단은 외부 유닛으로부터 무선 송신되는 커맨드들에 의해 제어된다. 다음의 도면 세트는 이들을 순차적으로 설명한다.
도 15는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전류 자극 및 임피던스 스펙트럼 분석을 위한 제어 커맨드들을 송신하는 순방향 데이터 링크를 도시하는 시스템 내의 장치들 사이의 데이터 전송의 블록도를 도시한다. 전류 자극을 통합하는 임의의 이식가능 장치들에 대해, 자극 전류를 조정하여 유연하고, 안전하며, 강력한 자극 프로토콜을 제공하는 제어 신호들이 요구될 수 있다. SBNC가 완전히 이식가능한 장치일 수 있는 것을 고려하면, 커맨드 신호는 무선 송신 및 수신될 수 있다. 그러므로, 무선 순방향 데이터 링크가 부가될 수 있다. 링크를 구현하는 하나의 방법은 전력 캐리어/코일을 이용하는 것이다.
도 15에 도시된 바와 같이, SBNC 시스템(1500)은 환자의 신체 외측에 위치되는 외부 유닛(1601), 및 환자의 신체 내측에 위치되는 임플란트(1502)를 포함할 수 있다. SBNC는 3개의 무선 링크들을 가질 수 있다: 외부 유닛(1504) 내의 전원과 임플란트 내의 전력 회로(1505) 사이의 유도 전력 링크(1503); 외부 유닛 상의 RF 수신기(1507) 및 내부 유닛 내의 RF 송신기(1508)에 의해 제공되는 광대역 RF 데이터 링크(1506); 및 외부 유닛 내의 다른 RF 수신기, 즉 수신기 1(1510), 및 임플란트 내의 다른 RF 수신기, 즉 수신기 2(1511)에 의해 제공되는 제어 링크(1509). 임의의 실시예들에서, 부가 무선 링크들이 부가될 수 있다. 제어 신호를 송신하는 제어 링크는 ASK(amplitude-shift-keying) 변조 방식 또는 다른 유사한 변조 방식을 사용함으로써 전력 링크 상에 멀티플렉싱될 수 있다. 디지털 제어 데이터는 순방향 전력 캐리어 진폭을 소규모로 변조하기 위해 사용될 수 있는 한편, 임플란트에서 구현되는 ASK 수신기는 전력 캐리어 변경을 수신하고 디지털 제어 신호를 추출할 수 있으며, 디지털 제어 신호는 디코딩되고 전류 자극 및 임피던스 스펙트럼 분석의 파라미터들(어드레스, 전류 진폭, 자극 펄스 주파수, 펄스 폭, 펄스들의 수 등과 같음)을 제어하는데 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 이 ASK 수신기는 SBNC 컨트롤러 ASIC 칩에 구현될 수 있다. 직렬 디지털 제어 신호의 포맷의 일 예는 아래의 표 1에 나타낸다:
표 1. 전류 자극/임피던스 스펙트럼 분석 제어 데이터 패키지의 일 예
64 비트
8 비트 1 비트 2 비트 8 비트 10 비트 10 비트 12 비트 4 비트 8 비트
개시
동기		 방전 모드 제어(기록/자극/임퍼던스 스펙트럼 분석) 어드레싱(채널 #)(1~100) 정의 자극 전류 진폭(10㎂~5㎃) 및 임피던스 스펙트럼 분석 주파수 제어 부의 자극 전류 진폭(10㎂~5㎃) 자극 펄스 주파수(1Hz~1kHz) 각각의 세션 내의 자극 펄스의 #(1~16) 종료
동기
도 16은 일부 실시예들에 따른 기록, 전류 자극, 및 임피던스 스펙트럼 분석을 구현하는 SBNC 100-채널 전치 증폭기 ASIC 칩의 회로 블록도를 도시한다. 각각의 채널은 그의 전극을 ASIC 상의 상이한 회로 조직으로 스위칭함으로써 3개의 상이한 모드들로 스위칭될 수 있다. 각각의 채널에 대해, 전극과 ASIC 사이의 인터페이스에서 구현되는 2개의 아날로그 스위치들이 있을 수 있다. 회색 대시 기호 원 내에 도시되는 스위치들(1601 및 1602)은 기록 전극(1603)을 전치 증폭기 입력에, 또는 전류 자극 소스, 또는 임피던스 스펙트럼 분석 회로부의 가변 주파수 사인파 발생기에 연결할 수 있어, 채널이 기록, 또는 자극, 또는 임피던스 분광 모드에 있는 것을 허용한다.
블록도(1604)는 전치 증폭기 ASIC를 제어하는데 사용되는 제어 로직의 일부를 도시한다. 순방향 데이터 신호를 자극 소스로 사용되는 전기 신호 위에 변조할 때, 가변 주파수 사인파 발생기(1605)가 사용될 수 있고 그의 신호는 전기 자극 및 전극 재생(refreshing)을 위한 전류 소스(1606)의 출력 위에 변조될 수 있다.
도 17은 일부 실시예들에 따른 기록 모드 내의 전치 증폭기 ASIC의 회로도이다. 이 모드에서, 전치 증폭기 입력(1701)이 기록 전극(1702)에 연결되고 신호 소스가 디스에이블되어, 시스템은 모든 기록 전극들에 대한 신경 신호들을 기록할 수 있다. 다이오드들(1703)은 ESD(electrostatic discharge) 보호를 제공한다.
도 18은 일부 실시예들에 따른 자극 모드 내의 전치 증폭기 ASIC의 회로도이다. 이 모드에서, 신호 소스(1801)가 인에이블되고 이상 전류 자극 신호를 생성하며, 그의 프로파일 및 주파수는 순방향 데이터 링크를 통해 송신되는 제어 데이터에 의해 결정된다. 어드레스된 기록 전극(1802)은 전류 자극을 위한 신호 소스에 연결된다. 전치 증폭기 입력(1803)은 반대 상황들 및 손상으로부터 전치 증폭기를 보호하기 위해 접지된다.
도 19는 일부 실시예들에 따른 임피던스 분광 모드 내의 전치 증폭기 ASIC의 회로도이다. 이 모드에서, 신호 소스(1901)가 인에이블되고 가변 주파수 사인파 신호를 생성하며, 신호 소스는 전역 기준 전극(1902)에 연결된다. 전치 증폭기 입력(1903)은 기록 전극(1902)에 연결된다. 따라서, 모든 채널들의 입력들은 수신기 측 상의 파형들로서 기록되는 가변 주파수 사인파를 "인지"할 수 있다. 이것은 전극 임피던스들 대 주파수들의 추출, 즉 전극들에 대한 임피던스 스펙트럼 분석을 고려한다. 이 특징이 임플란트의 전치 증폭기 칩 상에 구현될 수 있으므로, 그것은 이식 후에 전극들의 임피던스 변경들의 감시를 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예들에서 이 기능을 제공하기 위해 사용될 수 있는 2개의 블록들은 자극에 대한 프로그램가능 전류 소스 및 임피던스 스펙트럼 분석에 대한 가변 주파수 사인파 발생기이다. 이들은 도면에 참조 번호 1901로 표시된다.
도 20은 일부 실시예들에 따른 이상 전류 자극 신호들을 생성하는 프로그램가능 전류 소스 및 싱크 유닛의 일 예를 도시한다. 그러한 실시예는 대전압 컴플라이언스 디지털 프로그램가능 전류 소스/싱크 유닛을 포함할 수 있다. 프로그램가능 전류 소스/싱크는 디지털 비트 DN0-DN3(2001) 및 DP0-DP3(2002)에 의해 제어될 수 있으며, 이들은 직렬 제어 비트들로부터 추출된다. 전류 소스/싱크는 거의 레일 투 레일(rail-to-rail) 컴플라이언스 전압을 가질 수도 있어, 전류 소스/싱크를 위한 고출력 임피던스를 공급 전압 범위에 걸쳐 제공하고, 따라서 전극들 및 조직 인터페이스의 부하 변조 효과를 최소화하고, 파인 그레인드 제어(fine-grained control)를 자극 전류에 걸쳐 제공한다.
도 21은 일부 실시예들에 따른 임피던스 스펙트럼 분석을 위한 가변 주파수 사인파 발생기(2100)의 일 예를 도시한다. 도시된 특정 방식은 윈 브리지 발진기 (Wien Bridge Oscillator)방식이지만, 다른 방식들이 사용될 수도 있다. 출력 사인파 주파수가 1/RC에 의해 결정되므로, 저항값(R)을 디지털로 D0-D4를 통해 변화시킴으로써, 사인파는 관심있는 대역을 커버하는 주파수 대역에서 생성될 수 있다.
도 22는 일부 실시예들에 따른 피질 유닛 및 두개골 유닛의 블록 데이터 전송 도면이다. 피질 유닛(2201)은 피질 내 마이크로어레이(2205), 전치 증폭기들(2204), 및 멀티플렉서(2203)를 포함한다. 두개골 유닛(2202)은 아날로그 디지털 변환기(ADC)(2207), 디지털 컨트롤러 IC(2208), 및 수신 코일(2209)을 포함한다. 피질 유닛(2201)은 본 출원의 다른 곳에서 마이크로전극 어레이(MEA)로 지칭되고, 뇌 자체에 이식된다. 일부 실시예들에서, 피질 유닛(2201)은 뇌 데이터를 샘플링하고, 그것을 전치 증폭기(2204)를 사용하여 증폭하고, 모든 뇌 시그널링을 멀티플렉서(2203)에서 멀티플렉싱하며, 아날로그 신경 신호(2206)를 인터페이스를 통해 사용자의 두개골 외부의 두개골 모듈에 송신한다. 그 다음, 이 신경 신호는 IC(2208)와 함께 ADC(2207)에서 디지털 신호로 처리된다. 두개골 유닛(2202)은 적외선 데이터 출력(2211)을 제공하는 VCSEL 광 데이터 인터페이스 및 RF 신호들을 수신하는 수신 코일(2209) 중 하나 또는 둘 다를 통해 무선 데이터 송신 및 수신을 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 수신 코일(2209)은 RF 데이터를 수신하는 것일 수 있고; 일부 실시예들에서, 수신 코일(2209)은 RF 전력 및 클록 입력들(2212)을 수신하는 것일 수도 있다.
도 23은 일부 실시예들에 따른 외부 인터페이스 장치의 대표도이다. 장치(2306)는 이전 도면의 두개골 유닛(2302)과 쌍을 이루고, 여기서 2302로 라벨링되며 뇌(2301)에 이식되는 "헤드 허깅(head-hugging)" 외부 두개골 유닛이다. 외부 두개골 유닛(2306)은 전력 송신기, 데이터 송수신기, 또는 둘 다의 역할을 하는 RF 1차 코일(2303)을 포함한다. 외부 두개골 유닛(2306)은 또한 데이터를 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL) 적외선 연결을 사용하여 수신 및 송신하는 것에 사용하기 위해 광 도파관(2304)을 포함한다. 포토다이오드 및 전치 증폭기 회로(2305)는 광 도파관(2304)으로부터 데이터를 수신한다. 전기 및 자기 차폐는 또한 외부 두개골 유닛(2306)에 의해 제공된다. DC 전력 연결(2307) 및 RF 구동 입력(2308)은 또한 외부 두개골 유닛(2306)을 위해 제공된다.
전반적으로, 이전 단락에서 언급된 방법 및 회로부를 사용함으로써, SBNC 장치는 기록, 자극, 및 임피던스 스펙트럼 분석 능력들을 단일 이식가능 장치에 통합하는 방식으로 구축될 수 있다.
다른 측면에서, 신경 인터페이스 장치는 뇌에 이식되는 전극 어레이로부터 수신되는 데이터를 수집하여 외부 장치들에 무선 송신하는 이식 두개골 모듈에 유선 연결을 통해 통신하는 외부 장착 신경 인터페이스 모듈을 포함한다. 이 시스템은 E-BNC(external Brown Neural Card)로 불려질 수 있다. 외부 장착 신경 인터페이스 모듈은 피험자의 머리 외부에 부착되고 두개골 장착 페데스탈 위에 결합된다. 페데스탈은 E-BNC 텔레메트리 모듈에 부착되고 E-BNC 텔레메트리 모듈로부터 분리될 수 있는 경피 부착 장치이다. 페데스탈은 결과적으로 와이어링을 위한 관통 포트를 피험자의 피부 아래로부터 두개골을 통해 이식 피질 내 또는 피질 멀티전극 어레이로 제공한다. 이식 어레이는 뇌 마이크로회로들 및 그의 전기 임펄스들로부터 무선으로 또는 물리 와이어들을 통해 데이터 수신, 송신 및 기록을 할 수 있다. 경량이고, 배터리 전원 공급되며, 쉽게 분리가능한 모듈러 유닛을 사용하여 뇌 회로들에 액세스하기 위해 동물 및 인간 피험자들에 의해 이용될 수 있는 특정 소형 구성이 또한 개시된다. 일부 실시예들에서, 결합 페데스탈을 포함하는 장치는 Φ31mm x 9mm의 프로파일을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 장치는 고대역폭 무선 데이터 전송을 할 수 있다. 장치는 기록 및 자극(0.1 Hz에서 10 kH까지)에서 신경 광대역 데이터를 위한 100개의 채널들을 수용할 수 있고, 수백의 그러한 독립 신경 데이터 채널들로 확장가능할 수 있다. 12 비트 또는 16 비트 ADC 분해능 및 채널 당 매초 20000-40000 샘플들(kSps/Ch)은 각각의 채널을 위해 제공될 수 있다. 무선 주파수(RF) 무선 데이터 텔레메트리는 맨체스터 FSK 인코딩 또는 다른 인코딩들을 사용하여 인코딩되는 24 Mbps 데이터의 처리량을 제공할 수 있다. RF 출력 전력은 3 dBm의 범위에 있을 수 있다. 1 미터 거리에서 및 1.5 dBi 안테나를 사용하여, 측정가능 출력 전력은 일부 실시예들에서 -40 dBm의 범위에 있을 수 있다. 무선 기술들은 이 능력을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 개시된 E-BNC는 외부 전자 장치에 유선 연결되는 상업용 신경 기록 시스템들보다 물리적으로 더 작으면서 콤팩트(compact), 웨어러블(wearable), 무선 통신들의 장점들을 제공한다. 유선 시스템들의 예들은 블랙록 세레부스 시스템즈(BlackRock Cerebus Systems), 플렉슨 신경기술 리처치 시스템즈(Plexon Neurotechnology Research Systems), 및 턱커-데이비스 테크놀로지스(Tucker-Davis Technologies)의 멀티 채널 신경생리 워크스테이션(Multi-Channel Neurophysiology Workstation)에 의해 제조된 것들을 포함한다. 트라이앵글 바이오시스템즈(Triangle BioSystems)의 무선 기록 시스템 및 스탠포드의 에르메스(Hermes) 시스템들과 같은 무선 기록 시스템들과 비교하면, 개시된 실시예들은 다수의 광대역 신경 신호 채널들을 제공하는 것을 통해 더 경량 및 부가 성능을 제공한다. 게다가, 개시된 실시예들은 원위치 임피던스 스펙트럼 분석을 위한 부가 능력을 마이크로전극 어레이-뇌 조직 인터페이스에 대한 진단 방법으로서 제공할 수 있다. 게다가, 일부 실시예들은 전기 미세 자극을 이식 마이크로전극 어레이를 가로질러 뇌에 수신하는 능력을 제공하여, 자극에 고도의 패턴화 공간 및 시간 분해를 제공할 수 있다.
E-BNC 시스템은 두개골 장착 페데스탈을 전자 장치 어셈블리 및 배터리 어레이/배터리 팩에 결합하는 "스크루 탑" 인터페이스를 이용할 수 있다. 다른 메커니즘들은 스크류 스레딩 메커니즘, 예컨대 텅 앤 그루브 메커니즘, 자성유체 씰, 스프링 하중 래치 메커니즘, 또는 다른 것들에 더하여 또는 대신에 사용될 수 있다. 전자 장치 어셈블리는 다른 구성요소들 중에서 증폭기 인쇄 회로 기판(PCB) 및 무선 송신기 PCB를 포함할 수 있다. 배터리 어레이는 압입 볼 로킹 어셈블리가 빠른 부착/분리를 제공하는 전자 장치 어셈블리에 결합되도록 구성되는 상태에서, 링 구성 내의 일련의 배터리들로 구현될 수 있다. 로킹 어셈블리는 중심에 지향되는 전자 장치 어셈블리 및 전자 장치 어셈블리를 둘러싸는 배터리 팩으로 구성된다. 다수의 배터리 팩들은 장치에 함께 부착되어 연장된 동작 시간을 제공할 수 있다. 배터리 시스템은 그것이 신체의 외측에 배치되므로, 기밀 밀봉되어야 하는 것 없이 안전하다.
도 24는 일부 실시예들에 따른 외부 장착 E-BNC 모듈의 사시도이다. 페데스탈(2407) 및 배터리 팩들(2402, 2403, 2404)을 갖는 외부 장착 신경 인터페이스(2400)가 도시된다. 각각의 배터리 팩 또는 배터리 어레이는 다수의 배터리들(2405a, 2405b, 2405c)을 포함하고 장치 코어(2401)로부터 독립적으로 제거가능하다. 배터리 팩(2402)의 내부 원주 내에 배치되는 원통부는 장치 코어(2401)의 상단면을 도시한다. RF 안테나(2406)가 보여진다. 장치 코어(2401)의 하단은 아래에 도시되는 바와 같이, 페데스탈(2407)에 결합된다.
도 25는 일부 실시예들에 따른 배터리들을 갖지 않는 외부 장착 E-BNC 모듈의 사시도이다. 장치 코어(2501)는 그의 페데스탈로부터 장착되지 않고 그의 배터리들로부터 분리되는 것으로 도시된다. 전술한 이식가능 실시예에 논의된 전자 구성요소들은 장치 코어 A 내에 포함될 수 있다. 이것은 신체를 외과적으로 재개방하는 것 없이 즉시 액세스가능한 장점을 가져서, 사용자가 업그레이된 하드웨어 및 전자 장치를 필요에 따라 획득하는 것을 허용한다. 장치 코어(2501)는 또한 그의 페데스탈로부터 분리될 수 있다. 배터리 어레이들을 장치 코어(2501)의 외부에 고정하는 부착 볼 로크(ball lock)들(2503)의 3개의 행들이도시되며; 일부 실시예들에서, 이 로크들은 전기 컨택트들로서 사용될 수 있다. 볼 로크들은 배터리 어레이들을 위한 신속 해제 메커니즘을 제공한다. RF 안테나(2502)가 보여진다.
도 26은 일부 실시예들에 따른 외부 장착 E-BNC 모듈의 평면도이다. 일부 실시예들에서, 배터리 팩들(2603)의 외부 원주(2602)는 31 mm일 수 있고, 배터리 팩들의 내부 원주(2604)는 17.3 mm일 수 있다. 장치 코어(2601)는 내부 원주 내에 포함된다. 배터리 팩(2602)을 고정하는 볼 로크(2606)는 위에서부터 도시된다. 일부 실시예들에서, RF 안테나(2605)는 장치 코어(2601)의 상단에 위치되어 그것은 데이터를 블루투스 또는 WiFi 기술을 통해 연결되는 랩톱과 같은 근처의 컴퓨터에 무선 송신할 수 있다.
도 27은 일부 실시예들에 따른 외부 장착 E-BNC 모듈의 측면도이다. 측면도에서, 장치 코어는 보여지지 않는다. 그 대신에, 측면도는 프로파일(2702, 2703, 2704) 내의 3개의 배터리 어레이들, 및 페데스탈(2701)에 의해 지배된다. 페데스탈 C는 하나 이상의 기계 가공 생체적합 금속, 또는 일부 다른 생체적합 재료일 수 있다. 페데스탈은 스크류들을 사용하여 스크류 구멍들(2705)을 통해 사용자의 두개골에 고정 부착되도록 구축될 수 있다. 또한, 페데스탈에는 스레딩(2706)이 구비되어 장치 코어 A가 그의 상단에 나사 고정되는 것을 허용한다. 다른 메커니즘들은 스크류 스레딩 메커니즘, 예컨대 텅 앤 그루브 메커니즘, 자성유체 씰, 스프링 하중 래치 메커니즘, 또는 다른 것들에 더하여 또는 대신에 사용될 수 있다. 페데스탈은 중공일 수 있고, 페데스탈의 내부는 장치 코어를 뇌 및/또는 중앙 신경 시스템과 직접 접촉하는 이식 마이크로전극 어레이와 연결하는 와이어 다발을 수용할 수 있다. 페데스탈 하우징의 생체적합성은 페데스탈이 감염 또는 자기 면역 거부의 위험을 감소시키면서 경피적으로 외과 이식되는 것을 허용한다.
도 28은 일부 실시예들에 따른 배터리들을 갖지 않는 외부 장착 E-BNC 모듈의 절개도이다. 절개도에서, 장치 코어(2801) 및 페데스탈(2802)이 도시된다. 페데스탈(2802)의 하단은 스크류들을 사용하여 사용자의 피부 아래의 스크류 구멍들(2804)을 통해 두개골 또는 머리에 고정되는 한편, 페데스탈의 상단은 장치 코어(2801)에 의해 덮여진다. 장치 코어(2801)는 페데스탈(2802)의 상단에 스레딩될 수 있는 스크류 결합 어셈블리를 갖는다. 장치의 개략 치수들은 도면에서 배터리 부위들 사이의 5mm 피치와 함께, 17.3mm의 직경 및 9mm의 높이로 주어진다. 일부 실시예들에서, 3개의 배터리 부위들이 제공되며; 대체 실시예들에서, 다소의 배터리 부위들이 생각될 수 있다.
도 29는 일부 실시예들에 따른 배터리들을 갖지 않는 외부 장착 E-BNC 모듈의 분해 사시도이다. 2개의 회로 보드들, 즉 무선 송수신기 보드(2901) 및 증폭기 보드(2902)를 포함하는 장치 코어(2900)가 도시된다. 페데스탈(2903)은 평면 사시도로 도시되고, 장치 코어(2900)와 결합하는 스크류 스레드들을 제공한다. 볼 로크들(2906)은 페데스탈(2903)의 측면 상에 도시된다. 일부 실시예들에서, 장치 코어(2900)는 배터리를 충전하는데 적절한 회로를 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 증폭기 보드(2902)는 후술되는 바와 같이, 외부 마이크로전극 어레이와 연결되는 증폭기 회로를 포함하고, 본 개시의 PCB-A 상에서 발견되는 모든 또는 실질적으로 모든 구성요소들의 유사한 것들을 포함할 수 있다.
증폭기 보드(2902)의 하단 측은 수에 있어서 전극 어레이 내의 전극들의 수와 같으며, 각각의 증폭기의 입력들에 연결되는 복수의 금속 패드들을 갖는다. 수직 방향으로 단지 안내되고 수평 방향으로 개방되는 이방성 폴리머 커넥터는 금속 패드들을 금속 페데스탈의 표면 상의 결합 금속 패드들에 연결하기 위해 사용될 수 있다. 폴리머 커넥터는 저저항 전기 경로를 제공한다. 신경 신호들은 이식 피질 전극 어레이로부터 멀티와이어 다발을 통해 이동하고 페데스탈 상의 금속 패드들로 이동한다. 그 다음, 신호들은 폴리머 커넥터를 통과하고 결국 증폭기 보드(2902)의 금속 패드들에 도착한다. 일부 실시예들에서, 상이한 수의 채널들 또는 이식 전극들이 제공될 수 있으며, 그 경우에 신경 신호들을 전달하기 위해 사용되는 와이어들의 수가 변화될 수 있다.
증폭기 보드(2902)의 상단 측은 멀티 채널 전치 증폭기 ASIC(2907), 컨트롤러 ASIC, 2개의 ADC들, 및 클록 소스를 포함할 수 있다. 증폭기 보드(2901)의 상단 측은 금속 패드들로부터 수신되는 신경 신호들을 증폭하고 디지털화한다. 각각의 채널로부터의 디지털화 신호들은 컨트롤러 ASIC에 의해 신호 직렬 비트 스트림에 멀티플렉싱되어 패키징된 다음에, 이는 전원 및 접지 신호들과 함께 소형 스프링 하중 3핀 커넥터를 통해 무선 송수신기 보드(2901)로 공급될 수 있다.
무선 송수신기 보드(2901)는 RF 안테나(2905)를 포함하고 내부 코인 배터리, 배터리 PCM, 배터리 모니터, 및 송신기 VCO를 포함하는 본 개시의 PCB-B 상에서 발견되는 모든 또는 실질적으로 모든 구성요소들의 유사한 것들을 포함할 수 있다. 무선 송수신기 보드(2901)는 전압 제어 발진기 및 3.2/3.8GHz 주파수 편이 방식 변조 디지털 신경 신호들을 브로드캐스팅할 수 있는 소형 안테나를 통합한다. 무선 데이터는 수 미터의 거리에서, SBNC 장치에 사용되었던 것과 유사한 주문 제작 설계 수신기 유닛에 의해 수신될 수 있다.
도 30은 일부 실시예들에 따른 배터리들을 갖는 외부 장착 E-BNC 모듈의 분해 사시도이다. 장치 코어(3005)는 다수의 배터리 어레이들(3001, 3003, 3004)과 함께 도시된다. 이 배터리 어레이들은 15 시간 동안 연속적으로 작동시키기에 충분한 전력을 시스템에 공급할 수 있다. 일부 실시예들에서, RF 안테나 및 신호 처리 보드들을 포함하는 시스템의 전력 소모는 27 mA 범위일 수 있다. 다수의 팩들은 장치 코어(3005)에 연결될 수 있다. 전력 팩들은 팩을 볼 로크들(3006)쪽의 상단으로부터 중앙 장치 코어쪽의 아래로 프레스함으로써 부가될 수 있다. 설계는 특별히 상단 팩이 제거되는 한편 하단 팩이 여전히 부착되는 것을 허용하고 전력을 제공하여, 더 많은 팩들은 실행 시간을 연장하기 위해 사용될 수 있다. 대안적 실시예들에서, 3개보다 많은 배터리 팩들이 부착될 수 있다.
배터리 어레이들(3001, 3003, 3004)의 측면 상에 압입 볼 플런저 로킹 메커니즘들(3002)이 도시된다. 볼 플런저들은 각각의 배터리 어레이의 내부 상에 배치되고 장치 코어(3005)의 외부 상의 볼 로크들과 접촉하는 로킹 구성요소들(도시되지 않음)에 기계적으로 결합된다. 로킹 메커니즘들(3002)은 사용자가 그것들을 설정된 멈춤력에 의해 누르는 것을 요구하도록 구성되며, 그것에 따라 스프링 하중 메커니즘은 배터리 어레이들의 내부 상의 로킹 구성요소들이 후퇴되는 것을 야기하여, 개별 배터리 어레이를 해방시킨다. 2개의 볼 로크들은 직경상으로 대향되는 구성으로 배치되어, 사용자가 양 로크들을 엄지손가락 및 손가락을 사용하여 후퇴시킬 수 있게 한다. 배터리 어레이들을 고정 부착하는 스프링 하중 래치 및 자기 래치를 포함하는 다른 로킹 메커니즘들이 생각될 수 있다. 링 형상의 배터리 어레이들은 부가 안전을 제공한다.
도 31은 일부 실시예들에 따른 케이스를 갖는 외부 장착 E-BNC 모듈의 평면도 분해 사시도이다. 무선 송수신기 보드(3101), 증폭기 보드(3102), 상호 연결 보드(3103) 및 페데스탈(3104)은 위에서부터 도시된다. 무선 안테나(3105)는 무선 송수신기 보드(3103)의 상단에서 보여진다. 상호 연결 보드(3103)는 상기 개시된 것과 같은 폴리머 커넥터이다. 폴리머 커넥터의 패드들은 페데스탈의 외부 상단 상의 패드들과 결합하도록 설계되며, 이는 결과적으로 페데스탈의 내부 상의 와이어 다발에 피드스루(feed through)되고 이식 마이크로전극 어레이에 피드스루된다.
도 32는 일부 실시예들에 따른 케이스를 갖지 않는 외부 장착 E-BNC 모듈의 저면도 분해 사시도이다. 무선 송수신기 보드(3201), 증폭기 보드(3202), 상호 연결 보드(3203) 및 페데스탈(3204)은 아래로부터 도시된다. 페데스탈의 하단은 중공이다. 증폭기 보드(3202)의 하단은 상호 연결 보드(3203)의 것들과 결합하는 패드들을 갖는 것으로 도시된다. 무선 송수신기 칩(3205)은, 무선 안테나 칩(3105)과 연통되는데, RF 보드의 하단 상에서 보여진다.
도 33은 일부 실시예들에 따른 외부 장착 E-BNC RF 전력/데이터 보드 및 전치 증폭기 보드에 대한 회로 블록도이다. 회로도(3301)는 E-BNC 내의 모든 필요한 회로 보드들 및 구성요소들을 나타낸다. 회로도(3301)의 하단에는 이식 마이크로전극 어레이로부터 착신 신경 신호들을 나타내는 화살표(3302)가 있다. 이것은 결과적으로 전치 증폭기 ASIC(3303), ADC(3304), 컨트롤러 ASIC(3305), 및 맨체스터 인코더(3306)로 공급된다. 다른 인코더들이 제공될 수 있다. 수신된 데이터가 인코딩되었다면, 그것은 송신기 VCO(3307)에 송신되며, 송신기 VCO는 그것을 발룬(balun)(3308)에 송신하며, 발룬은 신호를 무선 주파수 안테나(3309)를 통해 송신한다. 신호의 전력은 1 미터에서 2 밀리와트(3dBm)이고, 신호는 3.2/3.8 GHz FSK이다. 접지(3310), 배터리(3311), 선형 레귤레이터(3312), 클록 분할기(3313), 및 클록(3314)과 같은 기능에 필요한 다른 구성요소들이 제공된다.
도 34는 일부 실시예들에 따른 무선 E-BNC와 무선 통신하는 수신 장치에 대한 라디오 블록도이다. 신호가 안테나(3401)에서 E-BNC로부터 수신되면, 그것은 스플리터(3409)에 전달되기 전에 저잡음 증폭기(3402), 멀티플렉서(3403), 발룬(3404), 이득 컨트롤(3405), 대역 통과 필터(3406), 발룬(3407), 및 증폭기(3408)에 전달된다. 분할되는 2개의 신호들은 멀티플렉서(3410)에서 재결합되며, 한 신호는 지연되어 그의 위상은 다른 신호로부터 오프셋된다. 신호 경로는 저역 통과 필터들(3411 및 3412)을 통해 연속되어, 연산 증폭기(3413)에 들어간다. 신호의 일부는 적분기(3414) 및 합산기(3415)에 의해 발진기(3416)를 통해 피드백되어, 멀티플렉서(3403)에서 신호 경로에 진입한다. 주요 신호는 데이터 리커버리(3417)를 통해 연속되고 마이크로컨트롤러(3417), FPGA(3418), SDRAM(3419), 및 USB 인터페이스(3420)를 포함하는 직렬 장치에 진입하여, 컴퓨터(3421)에 연결된다. 마이크로컨트롤러(3417)의 출력은 DAC(3422)에 송신되어 합산기(3415)를 통해 신호로 피드백된다.
도 35의 A, 도 35의 B, 도 35의 C, 및 도 35의 D는 일부 실시예들에 따른 인간 머리 상에 외부 장착되는 E-BNC 모듈의 측면도, 정면도, 평면도, 및 사시도이다. 도면들에 도시된 바와 같이, 장치 코어(3501) 및 배터리들(3502)은 신체의 외부에 있고, 장치 코어(3501)는 피부 아래에 일부 또는 전부 이식되는 페데스탈 및 마이크로전극 어레이(도시되지 않음)에 연결된다. 도 35의 A 및 도 35의 B에서 분명한 바와 같이, 장치 코어(3501)는 사용자가 장치 코어를 페데스탈과 결합하는 그의 스크류로 조이는 정도에 두피가 의존하는 상태에서 변화하는 레벨의 클리어런스를 갖는 두피 상에 위치된다.
도 36의 A, 도 36의 B, 도 36의 C, 및 도 36의 D는 일부 실시예들에 따른 외부 장착 E-BNC 모듈 상에 배터리들의 설치를 도시하는 프로세스 도면들이다. 도 36의 A는 장치 코어 모듈을 갖지 않는 페데스탈(3601)을 도시한다. 도 36의 B는 장치 코어 모듈(3602)에 부착되는 페데스탈(3601)을 도시한다. 도 36의 C는 장치 코어 모듈(3602)에 부착되는 페데스탈(3601)을 도시하며, 이는 또한 3개의 배터리 팩들(3603a, 3603b, 3603c)에 부착된다. 도면의 화살표들은 배터리 팩들을 설치하는데 요구되는 힘들을 나타낸다. 일부 힘은 배터리 팩들의 외측으로부터 볼 로크들을 후퇴시키기 위해 요구되고, 작은 힘은 배터리 팩을 장치 코어 모듈(3602) 위에 슬라이딩시키기 위해 요구된다. 도 36의 D는 배터리 팩을 사용자의 안락에 도움이 되는 피부 또는 두피에 대한 높이에 위치시키기 위해 배터리 팩(3603d)의 높이의 조정을 도시한다.
상술한 것은 발명 대상의 더 적절한 특징들 중 일부의 개요를 설명했다. 이 특징들은 단지 예시적인 것으로 해석되어야 한다. 많은 다른 유익한 결과들은 개시된 발명 대상을 상이한 방식으로 적용함으로써 또는 설명된 바와 같은 발명 대상을 수정함으로써 획득될 수 있다. 예를 들어, SBNC의 요소들은 E-BNC 시스템의 일 실시예에 제공될 수 있거나, 그 역도 또한 같다.

Claims (35)

  1. 신체에 대한 전기 인터페이스를 제공하는 이식가능 시스템으로서,
    신체 내에 이식가능하고, 신체에서 검출되는 전기 신호들을 전달하는 복수의 통신 채널들을 제공할 수 있는 이식가능 전극 어레이;
    상기 전극 어레이에 결합되어 전기 와이어(wire)들의 팬 아웃(fan-out)을 복수의 전기 컨택트(contact)들에 제공하는 인터페이스 보드;
    상기 복수의 전기 컨택트들과 결합되어 상기 전극 어레이로부터 수신되는 전기 신호들을 데이터 신호들로 처리하는 증폭기 회로;
    상기 증폭기 회로에 결합되어 상기 증폭기 회로와 상기 신체 외측에 배치되는 무선 수신기 사이에서 텔레메트리(telemetry) 데이터를 송신 및 수신하는 무선 송수신기;
    상기 증폭기 회로 및 상기 무선 송신기를 수용하고, 주변 조직과 생체적합한(biocompatible) 밀봉 인클로저(enclosure); 및
    상기 무선 송수신기에 의해 사용되는 무선 매체에 투과성인 상기 인클로저 내의 윈도우를 포함하며,
    상기 무선 송수신기는 상기 복수의 통신 채널들로부터 데이터를 송신할 수 있는 이식가능 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 무선 송수신기는 무선 주파수 송수신기 및 광 송수신기 중 하나를 포함하는 이식가능 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 무선 송수신기는 무선 주파수 송수신기 및 광 송수신기 둘 다를 포함하는 이식가능 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 무선 송수신기는 상기 복수의 채널들 각각으로부터 실시간 데이터를 송신할 수 있는 이식가능 시스템.
  5. 청구항 1 내지 4에 있어서, 상기 증폭기 회로는 0.1 Hz 내지 10 kHz의 범위 내의 검출된 전기 신호들을 상기 무선 송수신기에 의한 송신을 위해 처리할 수 있는 이식가능 시스템.
  6. 청구항 1 내지 5에 있어서, 상기 무선 송수신기는 외부 무선 장치로부터 데이터를 수신하는 것이고, 상기 이식가능 시스템은 상기 수신된 데이터를 상기 전극 어레이에 적용하여 뉴런들을 자극하는 자극 회로를 더 포함하는 이식가능 시스템.
  7. 청구항 1 내지 6에 있어서, 상기 투과성 윈도우를 통해 관찰할 수 있는 적어도 하나의 발광 다이오드를 더 포함하는 이식가능 시스템.
  8. 청구항 1 내지 7에 있어서, 상기 이식가능 전극 어레이는 뇌 내로의 삽입을 위한 것이고, 복수의 뉴런들에 의해 생성되는 전기 신호들을 검출할 수 있는 이식가능 시스템.
  9. 청구항 1 내지 8에 있어서, 상기 이식가능 전극 어레이는 전기 신호들을 0.1 Hz 내지 10 kHz의 범위에서 검출할 수 있는 이식가능 시스템.
  10. 청구항 1 내지 9에 있어서, 상기 밀봉 인클로저 내에 수용되는 재충전가능 배터리를 더 포함하는 이식가능 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서, 무선 전력을 수신하는 안테나 및 상기 배터리를 상기 수신된 무선 전력에 의해 충전하는 충전 회로를 더 포함하는 이식가능 시스템.
  12. 청구항 1 내지 11에 있어서, 상기 이식가능 시스템 외부에 배치되는 전력 소스로부터 상기 이식가능 시스템에 무선으로 전력을 공급하는 수단을 더 포함하는 이식가능 시스템.
  13. 청구항 1 내지 12에 있어서, 상기 전극 어레이는 적어도 10개의 전극들을 포함하는 이식가능 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 전극 어레이는 적어도 50개의 전극들을 포함하는 이식가능 시스템.
  15. 청구항 12에 있어서, 전력 및 데이터 중 하나를 무선 송신을 통해 상기 기밀 밀봉 인클로저에 송신하는 외부 충전 어셈블리(assembly)를 더 포함하는 이식가능 시스템.
  16. 신체에 대한 전기 인터페이스를 제공하는 시스템으로서,
    신체 내에 이식가능하고, 신체에서 검출되는 전기 신호들을 전달하는 복수의 통신 채널들을 제공할 수 있는 이식가능 전극 어레이;
    상기 이식가능 전극 어레이에 전기적으로 결합되어 상기 이식가능 전극 어레이를 위한 복수의 전기 컨택트들을 제공하는 인터페이스 보드;
    상기 인터페이스 보드와 결합되어 상기 전극 어레이로부터 수신되는 전기 신호들을 데이터 신호들로 처리하는 증폭기 회로;
    상기 증폭기 회로에 결합되어 상기 증폭기 회로와 상기 신체 외측에 배치되는 외부 무선 장치 사이에서 텔레메트리 데이터를 송신 및 수신하는 무선 송수신기;
    상기 인터페이스 보드, 상기 증폭기 회로, 및 상기 무선 송수신기를 수용하는 상기 신체 외부의 하우징; 및
    경피(percutaneous) 부착 장치를 포함하며,
    상기 하우징은 상기 경피 부착 장치에 분리가능하게 결합되고,
    상기 이식가능 전극 어레이는 상기 경피 부착 장치를 통해 상기 인터페이스 보드에 전기적으로 결합되고, 및
    상기 무선 송수신기는 상기 복수의 통신 채널들로부터 데이터를 송신할 수 있는 시스템.
  17. 신체에 대한 전기 인터페이스를 제공하는 시스템으로서,
    이식가능 전극 어레이에 전기적으로 결합되는 인터페이스 보드;
    상기 인터페이스 보드와 결합되어 상기 전극 어레이로부터 수신되는 전기 신호들을 데이터 신호들로 처리하는 증폭기 회로;
    상기 증폭기 회로에 결합되어 상기 증폭기 회로와 상기 신체 외측에 배치되는 외부 무선 장치 사이에서 텔레메트리 데이터를 송신 및 수신하는 무선 송수신기; 및
    상기 인터페이스 보드, 상기 증폭기 회로, 및 상기 무선 송수신기를 수용하는 상기 신체 외부의 하우징을 포함하며,
    상기 하우징은 경피 부착 장치에 분리가능하게 결합되고,
    상기 무선 송수신기는 상기 복수의 통신 채널들로부터 데이터를 송신할 수 있는 시스템.
  18. 청구항 16 내지 17에 있어서, 상기 무선 송수신기는 상기 복수의 채널들 각각으로부터 실시간 데이터를 송신할 수 있고, 상기 증폭기 회로는 0.1 Hz 내지 10 kHz의 범위 내의 검출된 전기 신호들을 상기 무선 송수신기에 의한 송신을 위해 처리할 수 있는 시스템.
  19. 청구항 16 내지 18에 있어서, 상기 하우징과 전기 접촉하고 전력을 상기 증폭기 회로 및 상기 무선 송신기에 제공하는 하나 이상의 배터리들을 더 포함하는 시스템.
  20. 청구항 16 내지 19에 있어서, 상기 하나 이상의 배터리들은 상기 하우징으로부터 개별적으로 분리가능한 하나 이상의 배터리 어레이들로 배열되는 시스템.
  21. 청구항 16 내지 20에 있어서, 상기 하우징을 측면으로 둘러싸는 링 구성으로 배열되는 하나 이상의 배터리 어레이들을 더 포함하는 시스템.
  22. 청구항 16 내지 21에 있어서, 압입 볼 로킹 시스템(press-fit ball locking system)을 사용하여 상기 하우징에 결합되는 하나 이상의 배터리 어레이들을 더 포함하는 시스템.
  23. 청구항 16 및 청구항 18 내지 21에 있어서, 상기 경피 부착 장치는 스크류 인 메커니즘(screw-in mechanism)을 사용하여 상기 하우징과 결합하도록 구성되는 시스템.
  24. 청구항 16 및 청구항 18 내지 22에 있어서, 상기 경피 부착 장치는 상기 두개골에 고정되는 중공 금속 페데스탈(hollow metal pedestal)인 시스템.
  25. 청구항 16 및 청구항 18 내지 23에 있어서, 상기 경피 부착 장치는 상기 하우징에 분리가능하게 결합되는 상부 부분 및 신체의 피하 부재에 부착을 위한 앵커링 요소(anchoring element)들을 포함하는 하부 부분을 포함하는 시스템.
  26. 청구항 25에 있어서, 상기 상부 부분은 상기 하우징 상의 상보적 스레드(threaded) 부분과 결합하는 스레드 부분을 포함하는 시스템.
  27. 청구항 25 내지 26에 있어서, 상기 상부 부분은 상기 하우징에 분리가능하게 결합하는 스냅들, 링들, 클립들 및 래치들을 포함하는 시스템.
  28. 청구항 25 내지 27에 있어서, 상기 상부 부분은 상기 이식가능 전극 어레이 및 상기 인터페이스 보드를 전기적으로 결합하는 전기 컨택트 포인트들을 포함하는 시스템.
  29. 청구항 16 내지 28에 있어서, 상기 무선 송수신기는 외부 무선 장치로부터 데이터를 수신하는 것이고, 자극 회로는 상기 수신된 데이터를 상기 전극 어레이에 적용하여 뉴런들을 자극하는 것임으로써, 양방향 무선 통신을 상기 시스템을 통해 제공하는 시스템.
  30. 신체 내의 전기 신호를 검출하는 방법으로서,
    신체에 이식된 마이크로전극 어레이에서 복수의 전기 신호들을 검출하는 단계;
    상기 신체 내에 이식되고 상기 마이크로전극 어레이에 전기적으로 결합된 밀봉 인클로저에서 상기 마이크로전극 어레이로부터 상기 복수의 전기 신호들을 수신하는 단계;
    상기 전기 신호들을 상기 인클로저 내의 처리 모듈에서 처리하여 증폭된 데이터 신호들의 복수의 채널들을 생성하는 단계; 및
    상기 복수의 채널들을 무선 매체에 의해 상기 인클로저 내의 윈도우를 통해 송신하는 단계로서, 상기 윈도우는 상기 무선 매체에 투과성인, 단계를 포함하는 방법.
  31. 신체 내의 전기 신호를 검출하는 방법으로서,
    경피 부착 장치에서의 신체의 외부에 처리 모듈을 부착하는 단계;
    상기 처리 모듈을 상기 신체에 이식된 마이크로전극 어레이에 전기적으로 결합하는 단계;
    상기 신체 내의 상기 마이크로전극 어레이에서 복수의 뉴런들로부터 복수의 전기 신호들을 검출하는 단계;
    상기 신체 외부의 상기 처리 모듈에서 상기 마이크로전극 어레이로부터 상기 복수의 전기 신호들을 수신하는 단계;
    상기 전기 신호들을 상기 처리 모듈 내에서 처리하여 증폭된 데이터 신호들의 복수의 채널들을 생성하는 단계; 및
    상기 복수의 채널들을 무선 매체에 의해 상기 처리 모듈 외부의 무선 장치에 송신하는 단계를 포함하는 방법.
  32. 청구항 30 내지 31에 있어서, 상기 처리 모듈 외부의 무선 장치에서 상기 신호를 수신하는 단계를 더 포함하는 방법.
  33. 청구항 30 내지 32에 있어서, 상기 복수의 뉴런들을 상기 처리 모듈로부터의 자극 신호들에 의해 자극하는 단계를 더 포함하는 방법.
  34. 청구항 33에 있어서, 상기 처리 모듈 외부의 무선 장치로부터 자극 명령들을 수신하는 단계를 더 포함하는 방법.
  35. 청구항 30 내지 34에 있어서, 상기 마이크로전극 어레이 내의 하나 이상의 전극들의 임피던스들을 복수의 주파수들로 측정하는 단계를 더 포함하는 방법.
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