PL229876B1 - Sposób i układ do rejestracji lokalnych potencjałów w otoczeniu dendrytów komórek nerwowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do rejestracji lokalnych potencjałów w otoczeniu dendrytów komórek nerwowych, mający zastosowanie w elektrofizjologii oraz neurofizjologii.

Stosunkowo słabe sygnały elektryczne (rzędu mikrowoltów) generowane przez komórki nerwowe wymagają stosowania precyzyjnych interfejsów pomiędzy żywym badanym obiektem, a urządzeniem pomiarowym. Specyficzną właściwością badań neurofizjologicznych jest wymagana duża ilość punktów pomiarowych, w sąsiedztwie których korzystnie winne być zlokalizowane wzmacniacze pomiarowe. Z drugiej strony, te wielokanałowe układy interfejsu, zaimplantowane w żywy organizm, nie powinny stanowić dodatkowego obciążenia dla wrażliwego układu nerwowego (np. mózgu). Ta kompilacja cech sprawia, że wielokanałowy układ interfejsu powinien nie tylko posiadać zminimalizowane wymiary geometryczne oraz masę, lecz także charakteryzować się zminimalizowanym poborem energii elektrycznej, który z jednej strony ma uniemożliwić niekorzystny lokalny wzrost temperatury badanego obiektu, a z drugiej strony, zapewnić wydłużony okres pracy implantu.

Z amerykańskiego opisu patentowego US 8,200,325 znany jest wzmacniacz sygnałów neuronowych, charakteryzujący się małym poborem mocy elektrycznej (rzędu mikrowatów). Wzmacniacz zawiera wbudowany niskoszumny stopień wzmacniający oraz przestrajane elementy pseudorezystywne, zbudowane w oparciu o tranzystory MOS, umożliwiające korekcję charakterystyki wzmacniacza oraz adaptację polaryzacji wzmacniacza.

Z amerykańskiego zgłoszenia patentowego US 2014/0180052 znany jest system rejestracji sygnałów z neuronów. Dzięki zastosowaniu wzmacniaczy o regulowanym stopniu wzmocnienia impedancja wejściowa wzmacniacza może być zwiększona przy jednoczesnym zmniejszeniu poziomu szumów. System można zaprogramować do rejestracji lokalnych potencjałów elektrycznych lub do rejestracji szybkich impulsów neuronowych. System jest wyposażony w programowalny cyfrowy moduł sterowania, który może udostępnić dla procesu rejestracji dowolny wybrany podzespół pomiarowy oraz dobrać odpowiedni czas próbkowania. System jest wyposażony w bezprzewodowy układ interfejsu.

Wartość mocy elektrycznej pobieranej przez zintegrowany zespół wzmacniaczy jest parametrem newralgicznym zwłaszcza przy badaniach neurofizjologicznych mózgu. Z drugiej strony istnieje empiryczna zależność pomiędzy wartością mocy pobieranej przez wzmacniacz, przy ustalonym paśmie przenoszenia, a wartością szumów własnych wzmacniacza, według której wartość mocy szumów własnych wzmacniacza jest odwrotnie proporcjonalna do wartości pobieranej mocy elektrycznej. Ten fakt sprawia, że minimalizacja wartości pobieranej mocy elektrycznej poprzez zmniejszenie mocy poszczególnych elementów wchodzących w skład wzmacniacza skutkuje wzrostem wartości szumów. Ten fakt nie jest korzystny dla procesu pomiarowego, ponieważ w tym przypadku, poprawa jednego parametru jest możliwa kosztem pogorszenia innego parametru.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia ominięcie tej niedogodności.

Sposób rejestracji lokalnych potencjałów w otoczeniu dendrytów komórek nerwowych, według wynalazku polega na tym, że sygnały pobrane z elektrod umiejscowionych w zadanych obszarach badanego obiektu przenosi się za pośrednictwem sterowanego pierwszego bloku komutacyjnego do wejść wzmacniaczy, po czym wzmocnione sygnały poddaje się procesowi kondycjonowania, następnie za pośrednictwem drugiego bloku komutacyjnego dokonuje się sumowań ustalonych programowo wybranych kombinacji sygnałów wyjściowych poszczególnych wzmacniaczy, po czym, kolejno, dokonuje się selekcji wybranych kombinacji sygnałów wyjściowych, które sekwencyjnie poddaje się procesowi konwersji na postać cyfrową.

Pierwszy blok komutacyjny umożliwia połączenie dowolnie wybranej elektrody z wejściami wielu wzmacniaczy.

Drugi blok komutacyjny umożliwia połączenie ze sobą wielu wyjść wzmacniaczy.

Pierwszy blok komutacyjny i drugi blok komutacyjny umożliwiają równoległe połączenie wielu wybranych programowo wzmacniaczy.

Układ do rejestracji lokalnych potencjałów w otoczeniu dendrytów komórek nerwowych według wynalazku ma blok komunikacyjny, połączony z pierwszym blokiem komutacyjnym oraz drugim blokiem komutacyjnym, przy czym pierwszy blok komutacyjny dołączony jest do wejść wzmacniaczy, natomiast drugi blok komutacyjny dołączony jest do wyjść wzmacniaczy.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania ujawniono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia blokowy schemat zintegrowanego monolitycznego układu dla rejestracji sygnałów, w którym ustaPL 229 876 Β1 wienie łączników umożliwia wykorzystanie wszystkich kanałów pomiarowych, Fig. 2 przedstawia przykład ustawienia łączników dla pomiaru średniej wartości potencjału w otoczeniu neuronu, natomiast Fig. 3 przedstawia przykład ustawienia łączników umożliwiający poprawę selektywności, poprzez zwiększenie stosunku wzmocnionego sygnału do wartości szumów generowanych w obwodzie wzmacniaczy.

Zintegrowany zespół wzmacniaczy zrealizowany w ramach jednej struktury monolitycznej zawiera dwa bloki pomiarowe, z których każdy blok pomiarowy ma pierwszy blok komutacyjny 1 połączony z blokiem wzmacniaczy zawierającym niskoszumne wzmacniacze 2 o dużej wartości impedancji wejściowej. Każdy wzmacniacz 2 połączony jest z osobnym obwodem filtrującym umieszczonym w zespole filtrów 6. Zespół filtrów 6 połączony jest z drugim blokiem komutacyjnym 3, który z kolei połączony jest z konwerterem analogowo-cyfrowym 4. Sygnały wyjściowe z obu konwerterów analogowo-cyfrowych 4 pierwszego bloku pomiarowego i drugiego bloku pomiarowego są doprowadzone do bloku komunikacyjnego 5, który umożliwia konwersję i transfer sygnałów pobranych z obu konwerterów analogowocyfrowych 4 do zewnętrznego urządzenia rejestrującego. Blok komunikacyjny 5 połączony jest także z pierwszym blokiem komutacyjnym 1 i drugim blokiem komutacyjnym 3 każdego bloku pomiarowego. Ponadto połączony jest także z zespołami filtrów 6. Dzięki połączeniu bloku komunikacyjnego 5 z pozostałymi blokami możliwe jest zdalne programowe ustawienie bloków komutacyjnych pierwszego 1 i drugiego 3 oraz ustawienie zakresu przenoszonych częstotliwości dla zespołów filtrów 6. Możliwość programowego ustawienia łączników pierwszego bloku komunikacyjnego 1 i drugiego bloku komunikacyjnego 3 pozwala na przekonfigurowanie monolitycznego zespołu w czasie realizacji pomiarów, które zapewni, dla pomniejszonej aktywnej liczby kanałów, większy sygnał w stosunku do poziomu szumów.

Możliwe jest ustawienie następujących trybów pracy:

1. Tryb wielokanałowy - umożliwia dołączenie wszystkich wejść wzmacniaczy do elektrod pomiarowych (w trybie jeden wzmacniacz do jednej elektrody), a następnie sekwencyjne dołączanie każdego wyjścia wzmacniacza do konwertera analogowo-cyfrowego.

2. Tryb pomiaru wartości średniej dla wybranych pól w otoczeniu neuronu - realizuje się poprzez połączenie wejść wzmacniaczy do wybranych elektrod pomiarowych, natomiast wyjścia tychże wzmacniaczy doprowadzone do wspólnego węzła i połączone z konwerterem analogowo-cyfrowym.

3. Tryb zwiększonej selektywności - realizuje się poprzez dołączenie do wybranych elektrod pomiarowych po kilka wzmacniaczy oraz połączenie wyjść tychże wzmacniaczy z konwerterem analogowo-cyfrowym.

4. Tryb mieszany - wykorzystuje kombinacje trybu drugiego i trzeciego oraz w ograniczonym zakresie trybu pierwszego.

Opcja pierwsza wykorzystuje sygnały wszystkich elektrod pomiarowych.

Opcja druga umożliwia wyznaczenie średniej wartości sygnału kilku elektrod pomiarowych umiejscowionych w otoczeniu pojedynczego neuronu.

Opcja trzecia umożliwia poprawę stosunku sygnału do szumu. Kosztem ograniczenia ilości kanałów pomiarowych.

Poprawa stosunku sygnału do szumu wynika z faktu, że równoległe połączenie wzmacniaczy, czyli połączenie wejść wzmacniaczy jak również wyjść wzmacniaczy sprawia, że możliwe jest zsumowanie amplitud wzmocnionych sygnałów wyjściowych, co przekłada się na odpowiednio większą wartość mocy sygnału wyjściowego.

Jeżeli dla pojedynczego wzmacniacza oznaczymy jego napięciową gęstość szumów jako:

dv ² —- to dla n połączonych równolegle wzmacniaczy prawdziwa jest relacja na wypadkową gędf stość szumów:

^dv L i ₌ df df n ²

Powyższa zależność opiera się na założeniu, że wzmocnione sygnały posiadają tę samą fazę, a szumy wnoszone przez poszczególne wzmacniacze nie są ze sobą skorelowane. Ostatecznie mając na uwadze powyższe zależności możemy zapisać relację na wartość skuteczną szumów napięciowych n równolegle połączonych wzmacniaczy

PL 229 876 Β1 _ V, __{0 5} ^VoutRMS ~ ~Ί⁼ — V ⁿ yjn gdzie: vi oznacza wartość skuteczną szumów napięciowych pojedynczego wzmacniacza.

Stosunek sygnał/szum (SNR) wyraża formuła:

SNR= P(sygnał) / P(szum), lut) SNR= A (sygnał) ! A (szum) gdzie: P - oznacza wartość mocy, natomiast A - oznacza wartość skuteczną sygnału (szumów)

Dla układu zawierającego n jednakowych wzmacniaczy otrzymamy:

SNR(n)= (A(sygnał) ) ! (A(_szum)/(n) ) = Π X P(sygnał) / P(szum)

Zatem, równoległe połączenie n wzmacniaczy poprawia stosunek sygnału do szumu proporcjonalnie do ilości zastosowanych wzmacniaczy.

Zastosowane bloki komutacyjne pierwszy 1 i drugi 2, sterowane poprzez blok komunikacyjny 5, umożliwiają, na bieżąco, czyli w czasie realizacji pomiarów, dołączenie dodatkowych wzmacniaczy 2 do wyselekcjonowanych elektrod w celu poprawy jakości odbieranego sygnału w stosunku do szumu. Innymi słowy, jeżeli w czasie realizacji pomiarów, sygnały odebrane dla niektórych neuronów okażą się niemożliwe do interpretacji, z uwagi na wysoki poziom szumów, możliwa jest zmiana konfiguracji układu mierzącego w celu lepszego wyeksponowania sygnału.

Przykład wykonania

Prototypowy 64 kanałowy obwód do rejestracji lokalnych potencjałów w otoczeniu neuronów zaprojektowano w technologii CMOS 180 nm. Pojedyncza struktura monolityczna zawiera dwa bloki pomiarowe, z których każdy blok ma 32 wzmacniacze 2 wyposażone w filtr dolnopasmowy, wejściowy pierwszy blok komutacyjny 1, wyjściowy drugi blok komutacyjny 3, oraz konwerter analogowo-cyfrowy 4 o rozdzielczości 8 bitów. Oba bloki pomiarowe są sterowane za pośrednictwem bloku komunikacyjnego 5, który umożliwia zdalne ustawienie łączników oraz transfer danych z przetwornika analogowocyfrowego 4.

Ważniejsze parametry prototypu układu do rejestracji lokalnych potencjałów w otoczeniu dendrytów komórek nerwowych:

- częstotliwość zegara 1,3 MHz

- częstotliwość próbkowania wynosi 20 kHz

- wymiary struktury monolitycznej wynoszą 5x5 mm²

- pobierana moc elektryczna przez pojedynczy kanał jest na poziomie 10 pW.

Claims (5)

1. Sposób rejestracji lokalnych potencjałów w otoczeniu dendrytów komórek nerwowych, mierzonych względem wspólnego pola referencyjnego za pomocą elektrod oraz dołączonych do nich wzmacniaczy sygnałów elektrycznych, które następnie sekwencyjnie przetwarza się na postać cyfrową, znamienny tym, że sygnały pobrane z elektrod umiejscowionych w zadanych obszarach badanego obiektu przenosi się za pośrednictwem sterowanego pierwszego bloku komutacyjnego (1) do wejść wzmacniaczy (2), po czym wzmocnione sygnały poddaje się procesowi kondycjonowania, następnie za pośrednictwem drugiego bloku komutacyjnego (3) dokonuje się sumowań ustalonych programowo wybranych kombinacji sygnałów wyjściowych poszczególnych wzmacniaczy (2), po czym, kolejno, dokonuje się selekcji wybranych kombinacji sygnałów wyjściowych, które sekwencyjnie poddaje się procesowi konwersji na postać cyfrową.

2. Sposób rejestracji według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy blok komutacyjny (1) umożliwia połączenie dowolnie wybranej elektrody z wejściami wielu wzmacniaczy.

3. Sposób rejestracji według zastrz. 1, znamienny tym, że drugi blok komutacyjny (3) umożliwia połączenie ze sobą wielu wyjść wzmacniaczy (2).

PL 229 876 Β1

4. Sposób rejestracji według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy blok komutacyjny (1) i drugi blok komutacyjny (3) umożliwiają równoległe połączenie wielu wybranych programowo wzmacniaczy (2).

5. Układ do rejestracji lokalnych potencjałów w otoczeniu dendrytów komórek nerwowych zwierający, dwa bloki komutacyjne, blok wzmacniaczy oraz co najmniej jeden konwerter analogowo-cyfrowy, znamienny tym, że ma blok komunikacyjny (5), połączony z pierwszym blokiem komutacyjnym (1) oraz drugim blokiem komutacyjnym (3), przy czym, pierwszy blok komutacyjny (1) dołączony jest do wejść wzmacniaczy (2), natomiast drugi blok komutacyjny (3) dołączony jest do wyjść wzmacniaczy (2).