WO2015140384A1 - Sistema y método de adquisición y transferencia de actividad neuronal - Google Patents

Sistema y método de adquisición y transferencia de actividad neuronal Download PDF

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WO2015140384A1
WO2015140384A1 PCT/ES2015/070201 ES2015070201W WO2015140384A1 WO 2015140384 A1 WO2015140384 A1 WO 2015140384A1 ES 2015070201 W ES2015070201 W ES 2015070201W WO 2015140384 A1 WO2015140384 A1 WO 2015140384A1
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bioelectric
signal
acquisition
transfer
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PCT/ES2015/070201
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Manuel DELGADO RESTITUTO
Alberto RODRÍGUEZ PÉREZ
Ángel RODRÍGUEZ VÁZQUEZ
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Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Universidad de Sevilla
Original Assignee
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Universidad de Sevilla
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    • A61B5/4076—Diagnosing or monitoring particular conditions of the nervous system
    • A61B5/4094—Diagnosing or monitoring seizure diseases, e.g. epilepsy

Definitions

  • the object of the present invention relates to a communications node, comprised in a system for the acquisition and transfer of neuronal activity, configured to transmit data bi-directionally between a plurality of bioelectric sensors and a wireless transceiver, both equally included in said system.
  • the communications node manages the configuration of parameters and the mode of operation of the plurality of bioelectric sensors and, in the opposite direction, collects, serious and forms the neuronal activity captured by the plurality of bioelectric sensors to that can be broadcast through the wireless transceiver.
  • the communications node offers two modes of transmission: in one case, the complete neuronal activity is captured, captured and digitized by a selection from among the plurality of bioelectric sensors; otherwise, information relating to the neuronal action potentials detected and characterized by the plurality of bioelectric sensors as a whole is transferred.
  • the transmission of information related to the neuronal action potentials is done based on events, so that information is only transferred from a bioelectric sensor in the case that said sensor verifies the appearance of a potential for neuronal action.
  • the method associated with the transfer of data between the plurality of said bioelectric sensors and the wireless transceiver of the system for the acquisition and transfer of neuronal activity is also described. Find special application in the field of physical technology industry and more, specifically, in the field of information and communications technologies applied to bioengineering. TECHNICAL PROBLEM TO BE RESOLVED AND BACKGROUND OF THE INVENTION
  • the use of implanted electrodes poses specific challenges to the acquisition and transfer systems of neuronal activity.
  • the acquisition system implanted together with the electrode array contains as many bioelectric sensors as the array electrodes, and the transfer of information to or from an extracorporeal reader is performed wirelessly through a link that must overcome the attenuation imposed by the intermediate tissues.
  • a critical aspect in the implementation of this preferred configuration of neuronal activity acquisition and transfer system is the use of design techniques with ultra-low power consumption and the use of information compression protocols to reduce the rate of data transmission through the wireless transceiver included in said system.
  • said transceiver should only send information that is clinically relevant and remain inactive as long as the captured signal does not show signs of interest.
  • any bioelectric sensor remains in a latent state and, therefore, does not transmit any information abroad, as long as it does not detect a potential for neuronal action.
  • the present invention solves the aforementioned prior art problems, providing a system that has the following advantages:
  • the wireless transceiver sends information that is clinically relevant and remains inactive as long as the captured signal does not show signs of interest. Economy of resources since every bioelectric sensor remains in a latent state and, therefore, does not transmit any information abroad, insofar as it does not detect a potential for neuronal action. Thus, the activity of the acquisition and transfer system is determined by the events of clinical interest captured from the intracranial electrode array.
  • the event-based data compression mechanism does not compromise the effectiveness of the therapeutic procedure or the brain-machine interface that makes use of the system for the acquisition and transfer of neuronal activity.
  • the occurrence of a neuronal action potential is indicated and information is provided regarding the spatio-temporal morphology of the action potentials with a view to their ordering and classification.
  • the present invention relates to a system of acquisition and transfer of neuronal activity comprising:
  • a wireless transceiver comprising a transmitter and a receiver
  • the communications node is configured to transmit data bidirectionally between the plurality of bioelectric sensors and the wireless transceiver so that:
  • the communications node manages a parameter configuration, a calibration and a mode of operation of the bioelectric sensors and,
  • bioelectric sensors or in the sense of data transmission from the bioelectric sensors to the wireless transceiver, it collects, would and forms neuronal information of a neuronal signal captured by the plurality of bioelectric sensors (20000).
  • Bioelectric sensors include:
  • the communications node includes: - a central processor that interprets and applies instructions received from the receiver, digitally processes the neural signals generated by the plurality of bioelectric sensors, and encodes the neural information collected from the plurality of bioelectric sensors for subsequent transmission through the wireless transceiver, Y
  • each signal router is associated and electrically connected to a single bioelectric sensor.
  • the central processor comprises: a coding and decoding module for the exchange of information with the wireless transceiver;
  • the coding and decoding module for exchanging information with the wireless transceiver :
  • a decoder that converts the format of said demodulated signal at the output of the data synchronizer to a binary code
  • the central processor encodes some output data provided by the central processor for later modulation by the transmitter and comprises: a parallel-serial converter that would be a signal with the output data after receiving an activation signal; and an encoder that converts the signal signal with the output data to the signal format defined in the transmitter.
  • the module for receiving and classifying data for the interpretation of the instructions received from the wireless transceiver includes:
  • a command identifier that analyzes the contents of the data record and generates a MODE digital vector representative of a mode of operation specified in the instruction received
  • Y • a plurality of data reception status machines that are selectively enabled according to a value of the digital vector MODE.
  • the memona module of instructions and parameters for storing the configuration of the neuronal activity acquisition and transfer system comprises:
  • non-volatile memory where default values are stored where the data stack loads the values stored by default in non-volatile memory, from where they are transferred to the plurality of bioelectric sensors.
  • the selection, configuration and acquisition module that serves as an interface with the signal routers that transfer the information generated by the plurality of bioelectric sensors comprises:
  • Signal routers include: a register in which neuronal information provided by the plurality of bioelectric sensors is stored, an internal memory in which neuronal information is organized into fixed-length vectors,
  • the plurality of intracranial electrodes are selected from:
  • the number of bioelectric sensors matches the number of intracranial electrodes and the number of signal routers.
  • the present invention also relates to a method of acquisition and transfer of neuronal activity that employs the previously defined system where:
  • the communications node comprises: - in the sense of data transmission from the wireless transceiver to the plurality of bioelectric sensors:
  • Bioelectric sensors in the sense of data transmission from the wireless transceiver to the plurality of bioelectric sensors comprise two modes of operation:
  • Bioelectric sensors in the sense of data transmission from the plurality of bioelectric sensors to the wireless transceiver, comprise two modes of operation:
  • the communications node comprises embedded digital processing means based on events that cyclically examine the bioelectric sensors, identify those bioelectrical sensors where a potential for neuronal action has been verified, forms a data frame for each bioelectric sensor where the event has occurred, and would be the data frames generated for its Subsequent wireless transmission through the wireless transceiver.
  • Each mode of operation comprises a frame of input data to the central processor, where each frame of data comprises six fields:
  • the core processor - interprets instructions received from the receiver
  • the present invention also relates to a use of the neuronal activity acquisition and transfer system as the head of a man-machine interface where the system comprises the acquisition of signals from a motor cortex.
  • Figure 1 Shows the complete module diagram of the neuronal activity acquisition and transfer system where you can see the plurality of bioelectric sensors, the wireless transceiver comprising the transmitter and receiver, and the communications node connected between the plurality of Bioelectric sensors and wireless transceiver.
  • Figure 2. It shows two alternative embodiments of the intracranial electrode array.
  • Figure 3. Shows the different modules that comprise the central processor included in the communications node.
  • Figure 4. Shows the DATA_DEC input data frames interpretable by the central processor to configure the neuronal activity acquisition and transfer system according to the MODE mode of operation.
  • Figure 5. Shows the SOUT output data frames generated by the central processor from the information provided by the bioelectric sensors included in the neuronal activity acquisition and transfer system according to the MODE mode of operation.
  • Figure 6. Shows the different modules comprising each signal router used to connect the bioelectric sensors to the central processor in the neuronal activity acquisition and transfer system.
  • Coding and decoding module 1 1001. Coding and decoding module.
  • Data reception and classification module 1.
  • Data frame DATA_DEC input to the central processor according to the configuration mode.
  • DATA_DEC input data frame to the central processor according to the calibration mode.
  • DATA_DEC input data frame to the central processor according to the signal tracking mode.
  • DATA_DEC input data frame to the central processor according to the data compression mode.
  • Non-volatile memory 1 1080.
  • Non-volatile memory 1 1080.
  • the communications node (10000) object of the invention is comprised in a neuronal activity acquisition and transfer system and serves as a two-way data gateway between a plurality of bioelectric sensors (20,000) and a wireless transceiver (30,000). Both the plurality of bioelectric sensors (20000) and the wireless transceiver (30000) are also included in said system (1).
  • the purpose of said system (1) is the capture, conditioning, digitization and wireless transmission of neuronal activity or some of its characteristics.
  • the plurality of bioelectric sensors (20,000) are arranged in a mattential manner, from which hereinafter, a matrix of bioelectric sensors (20,000) will be discussed.
  • the communications node In the direction of data transfer to the array of bioelectric sensors (20,000), the communications node (10,000) selectively activates, sizes and calibrates the bioelectric sensors (20000), according to the instructions received from the wireless transceiver (30000).
  • the communications node (10000) transfers the data captured by the bioelectric sensor array (20,000) to an extracranial reader, located in the patient's environment within the coverage of the wireless transceiver (30000), which decodes the signal radiated by the wireless transceiver (30000) and, which acts as a data gateway between the neuronal activity acquisition and transfer system (1) and any means of storage, visualization, computation or Dedicated communication for the analysis of captured neuronal activity.
  • the present invention does not impose any functional or architectural restriction either on the array of bioelectric sensors (20,000) or on the wireless transceiver (30,000).
  • the communications node (10000) is easily scalable with the number of bioelectric sensors (20,000) included in said matrix. Additionally, the communications node (10000) offers two modes of transmission:
  • the communications node (10000) comprises event-based digital processing means that cyclically examines the plurality of bioelectric sensors (20,000), identifies those bioelectric sensors (20,000) where A potential for neuronal action has been observed, it forms a data frame for each bioelectric sensor (20,000) where an event has occurred, and would be the data frames generated for its subsequent wireless transmission.
  • the cyclical review of the bioelectric sensors (20,000), carried out by the communications node (10,000), has a time base much lower than the reason for generating action potentials in biological neurons.
  • the combination of the data compression mode together with the event-based processing significantly decreases the volume of information provided by the neuronal activity acquisition and transfer system (1), which directly impacts a substantial saving in power consumption.
  • the communications node (10,000) is integrated into a substrate shared by the array of bioelectric sensors (20,000) and the wireless transceiver (30,000) constituting an inseparable monolithic solution. Therefore, the substrate that integrates the acquisition and transfer system (1): matrix of bioelectric sensors (20,000), communications node (10,000) and wireless transceiver (30,000), is a few millimeters, which facilitates its implementation in brain.
  • the substrate is made of a material selected from: silicon, organic, silicon on insulator, silicon-germanium, indium phosphide and gallium arsenide.
  • silicon substrate is used in order to reduce the manufacturing cost of the communications node (10000).
  • Figure 1 shows the functional diagram of the neuronal activity acquisition and transfer system (1) in which the communications node (10000) object of the present invention is observed where the neuronal activity acquisition and transfer system (1) comprises :
  • a wireless transceiver (30000) comprising a transmitter (32000) and a receiver (33000),
  • the plurality of intracranial electrodes (60000) are arranged in a matational manner, hence the term “intracranial electrode array” (60000) will be referred to hereinafter.
  • the intracranial electrode array (60000) may be selected from: - a sub-dural electrocorticographic mesh (ECOG), a formation of intracortical penetrating electrodes (intracortical matrix), and
  • the number of bioelectric sensors are preferably distributed in matrix form to reduce the consumption of system area (1) and coincides with the number of intracranial electrodes (60000), comprised in the electrode array intracranial (60000), that is, N electrodes.
  • Each bioelectric sensor (20000) is identified by a numerical code ID_CELL that distinguishes it from the rest.
  • the communications node (10000) comprises: a central processor (1000) that:
  • each signal router (12000) implements the data interface between the array of bioelectric sensors (20,000) and the central processor (1000). There are as many signal routers (12000) as there are bioelectric sensors (20,000). Each signal router (12000) is associated and, therefore, electrically connected, to a single bioelectric sensor (20,000).
  • the set of N bioelectric sensors (20,000) are structurally identical to each other and each bioelectric sensor (20,000) comprises:
  • bioelectric sensors (20,000) can offer different modes of MODE operation.
  • the flow of information from the communications node (10,000) to the bioelectric sensors (20,000) is done through a digital vector SEL and a data frame CONF.
  • the digital vector SEL is used to activate a subset of bioelectric sensors (20,000). If it is not addressed by the digital vector SEL, the bioelectric sensor (20000) remains inactive with a view to reducing the power consumption of the neuronal activity acquisition and transfer system (1).
  • the CONF data frame allows the operating parameters of the different means included in those bioelectric sensors (20,000) addressed by the digital vector SEL to be serially loaded.
  • the flow of information from each bioelectric sensor (20,000), previously addressed by the digital vector SEL, and the communications node (10,000) is performed through a DCELL data frame and a DRDY logic signal.
  • the DCELL data frame constitutes the serial output provided by said bioelectric sensor (20000).
  • the structure of the DCELL data frame depends on the previously loaded CONF configuration data frame, in line with the selected mode of operation.
  • the DRDY logic signal is a control signal that enables the transfer of the DCELL data frame to the signal router (12000), associated with said bioelectric sensor (20000). Once the transfer of the DCELL data frame is completed, the DRDY logic signal is deactivated.
  • the data compression means implemented in the bioelectric sensors (20,000) contemplate the real-time detection of neuronal action potentials and the characterization of the time-tension morphology of said action potentials, although they could be performed with any other compression mechanism of data. Normally, the captured and digitized neuronal activity is transferred to a processor where the data is compressed and not in the bioelectric sensors (20,000), so that the information traffic increases and, therefore, the power consumption.
  • the wireless transceiver (30000) comprises means necessary to establish a short-range radio link with the extracranial reader. In the sense of data transmission, said wireless transceiver (30000) comprises:
  • said encoded data frame DATA_ENC is transferred via a serial connection.
  • said wireless transceiver (30000) comprises:
  • an antenna (31000), preferably the same one used in the transmission path, intended to receive signals from the extracranial reader, and;
  • a receiver (33000) to demodulate the signals coming from said antenna (31000) in order to extract the encoded data frame DATA_DEM interpretable by the communications node (10000) and necessary to correctly configure the acquisition and transfer system (1) of neuronal activity as a whole.
  • the emitted electromagnetic signals use communication protocols shared by the communications node (10000) and the wireless transceiver (30000).
  • the central processor (1000) is a processing unit where:
  • the signals representative of the neuronal activity are ordered, processed, formatted and sent to the wireless transceiver, said activity acquired by the bioelectric sensors (20,000) and transferred to the communications node (10000) through signal routers (12000).
  • the central processor (1000) operates with the CLK master clock signal provided by the power management and clock synthesis module (40000).
  • the commands interpretable by the central processor (1000) belong to one of four categories, each of these categories linked to a MODE mode of operation of the bioelectric sensors (20,000) and, by extension, of the acquisition system (1) and transfer of neuronal activity as a whole.
  • each of these categories may include more than one interpretable command.
  • the distinction between commands linked to the same category is established by qualifiers included in those commands.
  • the central processor (1000) has a default parameter configuration stored in a non-volatile memory (1 1080) that is preloaded with the start-up of the system ( 1) acquisition and transfer of neuronal activity. This allows potentially reducing the number of commands needed to configure the bioelectric sensors (20,000).
  • the distinction between the different commands linked to the Configuration Mode is established by means of CF_Q qualifiers included in these commands. According to an embodiment of the present invention, once the loading of parameters in the bioelectric sensor (20,000), said bioelectric sensor (20,000), responds with a CONFIRM confirmation code that is transferred through the frame of DCELL data.
  • CAL_PAR adjustment parameters linked to the Calibration Mode are specified in interpretable commands of the Configuration Mode and in interpretable commands of the Calibration Mode itself. In the most general case, the Calibration Mode can contemplate different vacancies of execution. These vacancies are specified by CAL_Q qualifiers included in the interpretable Calibration Mode commands.
  • the participation of calibration units (50,000), activated from the bioelectric sensors (20,000), may be necessary.
  • said calibration units (50,000) may consist of time references provided by a frequency synthesizer.
  • the bioelectric sensor (20000) responds with a CONFIRM confirmation code that is transferred through the DCELL data frame.
  • the bioelectric sensor (20000) responds with the final value of the parameters set after the calibration process is completed.
  • the DCELL data frame of the bioelectric sensor (20000) is formed by a sequence of digital vectors TR_DATA representative of the captured neural signal.
  • TR_PAR linked to the conditioning and filtering operations can be specified, either through interpretable commands of the Configuration Mode, or as a result of the application of commands in Calibration Mode.
  • the Signal Tracking Mode can contemplate different vacancies of execution. These vacancies are specified by TR_Q qualifiers included in the interpretable commands of the Signal Tracking Mode.
  • the CMP_PAR parameters linked to the Data Compression Mode are specified by interpretable commands of the Configuration Mode.
  • the Data Compression Mode can contemplate different vacancies of execution. These vacancies are specified by CMP_Q qualifiers included in the interpretable commands of the Data Compression Mode.
  • compression techniques of applicable data for the characterization of the time-tension morphology of neuronal action potentials can use approximation strategies with base functions, extraction of principal components PCA "Principal Component Analysis", calculation of parameters of a Hanning filtrate, or waveform "wavelet analysis” model.
  • the DCELL data frame of the bioelectric sensor (20000 ) comprises the concatenation of said digital vectors FE_DATA and . Note that while the detection and characterization of a neuronal action potential does not occur, the DRDY logic signal is in a low logical state and the data output of the bioelectric sensor (20,000) remains inactive.
  • FIG 3 shows the distribution of modules of the central processor (1000) included in the communications node (10000).
  • Coding and decoding module (11001).
  • the coding and decoding module (1 1001) comprises means that allow the exchange of information with the wireless transceiver (30000).
  • the encoding and decoding module (1 1001) comprises means for decoding the encoded data frame DATA_DEM provided by the receiver
  • a data synchronizer (1 1010) that aligns the edges of the DATA_DEM encoded data frame with the CLK master clock signal, provided by the power management and clock synthesis module (40000), and generates an encoded frame of DATAJN data;
  • a decoder (1 1020) that converts the format of the DATAJN encoded data frame to a DATA_DEC data frame.
  • the format of the DATAJN encoded data frame can be, for example, of the PIE type (Pulse Interval encoding).
  • the coding and decoding module (1 1001) comprises means for encoding a DOUT data frame provided by the central processor (1 1000), with a view to its subsequent modulation by the transmitter (32000) comprised on the wireless transceiver (30000).
  • Said means comprise: a parallel-series converter (1 1 120) that would be the DOUT data frame at the request of a LOAD activation logic signal and generate a SOUT data frame; Y
  • an encoder (1 1 130) that converts the binary code of the SOI / T data frame to the signal format defined in the transmitter (32000).
  • the format of the encoded frame of output data DATA_enc of the encoder (1 1 130) may be of the Manchester type.
  • the module for receiving and classifying data (1 1002) comprises means that allow the interpretation of the instructions received from the wireless transceiver (30000). These means include: - a data register (1 1030) that stores the DATA_DEC data frame of the instruction received from said code provided by the decoder (1 1020);
  • a command identifier (1 1050) that analyzes the content of said data record (1 1030) and generates a MODE digital vector representative of the mode of operation specified in the instruction received;
  • CRC validation could consist of counting and checking the number of bits with a certain logical value within a DATA_DEC data frame.
  • Figure 4 shows the DATA_DEC data frames of the instructions recognizable by the communications node (10000) where the DATA_DEC data frames are grouped according to the MODE mode of operation which are:
  • QERS qualifier of the instruction associated with the DATA_DEC data frame (depending on the mode of operation, said qualifier is characterized as CF_Q, CAL_Q, TR_Q or CMP_Q);
  • the Range parameter only contemplates selection by columns or by individual channels.
  • the Range parameter In the data frame DATA_DEC input to the central processor (1 1000) according to the Signal Tracking mode (1 1033), the Range parameter only contemplates selection by columns or rows. In addition, the TR_Q qualifier is selected from two values, 0 for the selection reading and 1 for the scan from the selection.
  • the qualifier TR_Q is selected from two values, 0 for the fixed threshold voltage and 1 for the adaptive threshold voltage.
  • QERS qualifiers can, in some cases, address parameter groupings as exemplified in the DATA_DEC data frame according to the Configuration mode (1 1031) or, in other cases, define operation options as shown in the DATA_DEC data frames according to the Signal Tracking mode (1 1033), and frames according to the Data Compression mode (1 1034).
  • the range of application can address a single bioelectric sensor (20,000), identified by the ID_CELL code, a row or a column of the array of bioelectric sensors (20,000), identified, respectively, by the ID_ROW and ID_COL code, or the array of bioelectric sensors (20000).
  • the calibration units (50,000) are shared by rows of bioelectric sensors (20,000)
  • the calibration mode could only be executed by columns or by individual sensor.
  • the range of application of the Signal Tracking Mode could also be restricted to a limited number of bioelectric sensors (20,000) (for example, those belonging to a row or column of the bioelectric sensor array (20,000)), with a view that the rate of output data of the neuronal activity acquisition and transfer system (1) does not exceed a given value.
  • DATA_DEC data frames must comprise PARAMS parameters.
  • DATA_DEC data frames of the Configuration (1 1031) and Calibration (1 1032) operating modes include said parameters.
  • PARAMS parameters for the modes of operation linked to the transmission of information that is, Signal Tracking and Data Compression.
  • reception status machines (1 1060) There are as many reception status machines (1 1060) as possible modes of operation. Only the reception status machine (1060) that is addressed by the digital vector MODE remains active; the rest is disabled with a view to reducing the power consumption of the neuronal activity acquisition and transfer system (1).
  • the purpose of said reception status machines (1060) is to identify the QERS qualifier of the command, the range of application and the PARAMS configuration parameters, if any, in the corresponding fields of the instruction received. In figure 3, the INST data frame brings together the information of said fields. Instructions and parameters memory module (11003).
  • the instructions and parameters memory module (1 1003) comprises means that store at all times the configuration of the system (1) for acquisition and transfer of neuronal activity. Said memory module of
  • Instructions and parameters (1 1003) includes:
  • the data stack (1070) loads the values stored in said non-volatile memory (1 1080), from where they are transferred to the array of bioelectric sensors (20,000), using a selection, configuration and acquisition module (1 1004).
  • a Configuration Mode command with qualifier CF_Q ⁇ 1 1 'it is possible to recharge the contents of the data stack (1 1070) in the bioelectric sensor array (20000).
  • the data reception status machines (1060) make up the OPT data frame and the SELECT digital vector from the INST data frame.
  • the OPT data frame of operation options comprises the QERS qualifier of the received command and the PARAMS configuration parameters, if any, involved in the execution of said INST data frame.
  • the digital vector SELECT designates a set of sensing channels involved in the application of the received command. Said SELECT digital vector uses the same signal format as the application range field included in the INST data frame. In accordance with this embodiment, the digital vector SELECT can identify individual bioelectric sensors (20,000), rows or columns of sensors, or all bioelectric sensors (20,000).
  • the transmission of the OPT data frame and the digital vector SELECT to the selection, configuration and acquisition module (1 1004) is done through serial connections enabled by logic activation signals, OPT_RDY and SEL_RDY (not shown in Figure 3 by simplicity). Selection, configuration and acquisition module (11004).
  • the selection, configuration and acquisition module (1 1004) comprises means that interface with the signal routers (12000) that transfer the information generated by the bioelectric sensors (20,000).
  • a timing module (1 1 1 10) for generating frequency scaled clock signals from the CLK master clock signal.
  • the timing module (1 1 130) provides specific clock signals for signal routers (12000) (CLKR signal with FTR frequency), for bioelectric sensors (20000) (CLKC signal with FTC frequency) and for calibration units (50,000) (CLKD signal with FTD frequency).
  • the selection and programming module (1 1090) verifies that the cyclic redundancy code of the instruction received is correct; takes as input the OPT data frame and the digital vector SELECT generated by the data reception status machines (1 1060) and enabled by the OPT_RDY and SEL_RDY logic activation signals; and generates a CONF data frame, a digital SEL vector and a TXON logic signal leading to define the state of the plurality of signal routers (12000), the array of bioelectric sensors (20,000) and the calibration units (50,000).
  • the CONF data frame is formed by the concatenation of the MODE mode of operation of the received command and the operation options defined in the OPT data frame (QERS qualifier and PARAMS configuration parameters, if any), excluding those options related to the command sequencing between the sensors of the matrix of bioelectric sensors (20000).
  • the CONF data frame does not contain qualifier TR_Q, since said qualifier, according to an embodiment of the present invention, controls the scan of readings within the matrix of bioelectric sensors (20000).
  • the CONF data frame only contains relevant information at the level of the individual bioelectric sensor (20000), regardless of whether said CONF data frame is transferred to more than one bioelectric sensor (20000).
  • the selection and programming module (1 1090) makes the logical TXON signal high to activate the plurality of data transmission status machines (1 1 100).
  • the CONF data frame is transferred via a serial connection to the bioelectric sensors (20,000) addressed by the digital vector SELECT.
  • the transmission rate is FTC, that is, the frequency of the CLKC clock signal. This transmission is enabled by a logical activation signal, CONF_RDY (not shown in figures 1 and 3 for simplicity).
  • the digital vector SEL Upon completion of the transmission of the CONF data frame, the digital vector SEL activates those signal routers (12000) and bioelectric sensors (20000) selected to execute the instructions received.
  • the digital vector SEL can vary throughout the application of a command, unlike what happens with the digital vector SELECT that remains unchanged.
  • the application of said instruction determines the scanning by rows or columns of the matrix of bioelectric sensors (20000).
  • the digital vector SEL varies cyclically so that, at all times, there is only one row active or column of said matrix of bioelectric sensors (20000).
  • the digital vector SELECT remains static during the execution of the command and only directs the row or column from where the scan begins.
  • the CONF data frame is transferred to the array of bioelectric sensors (20,000).
  • the activation of bioelectric sensors (20,000) performed by the digital vector SEL is implemented by means of row and column decoders arranged on the periphery of the matrix of said bioelectric sensors (20,000).
  • the plurality of data transmission status machines (1 1 100) receives as inputs the MODE digital vector representative of the mode of operation, the digital vector SEL indicating the active signal routers (12000) and bioelectric sensors (20,000), and the TXON logic signal generated by the selection and programming module (1 1090).
  • the digital vector SEL indicating the active signal routers (12000) and bioelectric sensors (20,000)
  • the TXON logic signal generated by the selection and programming module (1 1090) there are as many data transmission status machines (1 1 100) as possible modes of operation. Only that data transmission status machine (1 1 100) that is addressed by the digital vector MODE remains active; the rest is disabled with a view to reducing the power consumption of the neuronal activity acquisition and transfer system (1).
  • the purpose of said data transmission state machines (1 1 100) is to read, process and send to the coding means (1 1001), the digital DATA vectors stored in the signal routers (12000) addressed by the SEL digital vector.
  • the RDY logic signal provided by said signal routers (12000) when it takes a high logical value, indicates that said digital DATA vectors are ready for reading.
  • a low logical value of the RDY logic signal indicates that the signal router (12000) is either in the construction phase of the digital DATA vectors, or in the waiting phase of receiving information from the sensor Associated bioelectric
  • the procedure for reading the DATA digital vectors by that state machine for data transmission (1 1 100) enabled by the MODE digital vector is performed by means of a READ pointer that cyclically cycles through the signal routers (12000) addressed by the digital vector SEL. If the READ pointer addresses the signal router (12000) with the RDY logic signal in low logical state, the data transmission status machine (1 100) changes the value of said READ pointer to the address of the next signal router (12000) within the set of signal routers (12000) enabled by the digital vector SEL. In this case, data transfer is not performed.
  • the digital DATA vectors are transferred to the data transmission status machine (1 100) and, when the reading is finished, said data transmission machine (1 1 100) sends a PDW pulse to ⁇ signal router (12000) so that it changes the RDY logic signal to the low logical state and changes the value of the READ pointer to the address of the next signal router (12000) within the set of signal routers (12000) enabled by the digital vector SEL.
  • the time base for reading the digital DATA vectors provided by the signal routers (12000) is much lower than the generation rate of said data (said rate marked by the FTC frequency of the CLKC clock signal).
  • the data transmission status machine (1 1 100) enabled by the MODE digital vector validates the captured information, potentially combining the DATA vectors of different bioelectric sensors (20,000), and stores the set in DOUT data frames.
  • the data transmission status machine (1 1 100) sends a LOAD pulse that enables the transfer of DOUT to the parallel-series converter (1 1 120) included in the coding and decoding module (1 1001).
  • the SOUT data frame the result of the seriation, includes a preamble in the header and a cyclic redundancy code at the end of said frame.
  • said LOAD pulse is also transferred to the selection and programming module (1 1090) so that, in the event that the received command is linked to the Signal Tracking Mode and the command qualifier TR_Q is in a high logical state, the digital vector SEL addresses the next position in the row or column scan of the bioelectric sensors (20000).
  • Figure 5 shows the structure of the SOUT data frame at the output of the parallel-series converter (1 1 120), in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
  • DATA digital vectors from different bioelectric sensors (20,000) specifically those bioelectric sensors (20,000) occur; in the row or column addressed by the digital vector SEL.
  • the identifier ID_CELL refers to the first bioelectric sensor (20000) in the selected row or column.
  • the information comes from a single bioelectric sensor (20,000) from among the array of bioelectric sensors (20,000).
  • the digital DATA vectors corresponding to the Configuration and Calibration modes consist of a CONFIRM confirmation code indicating the completion of the respective operations.
  • FIG. 6 shows the structure of a signal router (12000) comprised in the communications node (10000).
  • Said signal router (12000) comprises:
  • a register (12100) in which, at the request of the DRDY write logic signal, the DCELL data frame provided by the bioelectric sensor (20000) associated with said signal router (12000) is stored;
  • control module (12300) that manages the operation of the signal router (12000);
  • a module for the transfer of information (12400) that uses a parallel bus for the orderly transmission of the digital DATA vectors to the data transmission status machines (1 1 100) comprised in the central processor (1 1000).
  • the signal router (12000) remains in active state as long as it is addressed by the digital vector SEL generated by the selection and programming module (1 1090) comprised in said central processor (1 1000). If this is not the case, the signal router (12000) remains inactive in order to reduce the power consumption of the neuronal activity acquisition and transfer system (1).
  • the clock signal that controls the operation of the module for transferring information (12400) is CLKR, said signal provided by the timing module (1 1 1 10) comprised in said central processor (1 1000).
  • the rest of the modules in the signal router (12000) operate with a CLKC clock signal.
  • the module control (12300) identifies the MODE mode of operation of the received command and establishes an internal memory load protocol (12200). According to said protocol, the control module (12300) extracts from the register (12100) each of the parameters or variables contained in said DCELL data frame, and stores them through the parallel FILL connection in the POS position of said internal memory (12200), said specific position for each parameter or variable according to the identified mode of operation.
  • the first position of the internal memory (12200) is loaded with the value of the digital vector MODE and the identification of the ID_CELL bioelectric sensor within the matrix of N bioelectric sensors (20000).
  • the control module (12300) stops the RDY logic signal to thereby enable the transfer of DATA digital vectors to via the module for the transfer of information (12400) as soon as the READ pointer generated by the data transmission status machine (1 1 100) addresses the signal router (12000).
  • said data transmission state machine (1 1 100) sends a pulse PD W to the signal router (12000) so that it changes the RDV logic signal to the low logical state.
  • the DATA digital vectors once selected by the data transmission status machine (1 1 100), combined in a DOUT data frame and concatenated by the parallel-series converter (1 1 120) comprised in the coding module and decoding (1 1001), form the SOUT data frame for subsequent encoding by the encoder (1 1 130).
  • the neuronal activity acquisition and transfer system (1) is used as the head of a man-machine interface (BMI). According to this possible application example, the system (1) would acquire the signals coming from the motor cortex and send them abroad for further processing with a view to controlling automatons or other mechanisms that would alleviate some type of motor deficiency of the patient.
  • BMI man-machine interface
  • the neuronal activity acquisition and transfer system (1) is incorporated into a closed loop system for detection and treatment of epileptic seizures using neuromodulation techniques.
  • the activation of neurostimulators would be dictated by the analysis of the signals provided by the system (1) for acquisition and transfer of neuronal activity.

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Abstract

Sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal que comprende al menos una pluralidad de sensores bioeléctricos (20000), un transceptor inalámbrico (30000), un nudo de comunicaciones (10000) conectado entre la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) y el transceptor inalámbrico (30000), y una pluralidad de electrodos intracraneales (60000), tal que el nudo de comunicaciones (10000) está configurado para transmitir datos bidireccionalmente entre la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) y el transceptor inalámbrico (30000), de forma que en el sentido de transmisión de datos desde el transceptor inalámbrico (30000) hacia los sensores bioeléctricos (20000), el nudo de comunicaciones (10000), gestiona una configuración de parámetros, una calibración y un modo de operación de los sensores bioeléctricos (20000) y, en el sentido de transmisión de datos desde los sensores bioeléctricos (20000) hacia el transceptor inalámbrico (30000), colecta, seria y conforma información neuronal de una señal neuronal capturada por la pluralidad de sensores bioeléctricos.

Description

SISTEMA Y MÉTODO DE ADQUISICIÓN Y TRANSFERENCIA DE ACTIVIDAD NEU ROÑAL
DESCRIPCIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de la presente invención se refiere a un nudo de comunicaciones, comprendido en un sistema para la adquisición y transferencia de actividad neuronal, configurado para transmitir datos bidireccionalmente entre una pluralidad de sensores bioeléctricos y un transceptor inalámbrico, ambos igualmente comprendidos en dicho sistema.
En un sentido de las comunicaciones, el nudo de comunicaciones, gestiona la configuración de parámetros y el modo de operación de la pluralidad de sensores bioeléctricos y, en sentido contrario, colecta, seria y conforma la actividad neuronal capturada por la pluralidad de sensores bioeléctricos para que pueda ser emitida a través del transceptor inalámbrico.
Adicionalmente, el nudo de comunicaciones ofrece dos modos de transmisión: en un caso, se transfiere la actividad neuronal completa, capturada y digitalizada por una selección de entre la pluralidad de sensores bioeléctricos; en otro caso, se transfiere información relativa a los potenciales de acción neuronales detectados y caracterizados por la pluralidad de sensores bioeléctricos en su conjunto.
Con vistas a reducir el ancho de banda de transmisión y así disminuir el consumo de potencia total del sistema, la transmisión de información relativa a los potenciales de acción neuronales se realiza en base a eventos, de manera que sólo se transfiere información desde un sensor bioeléctrico en el caso de que dicho sensor constate la aparición de un potencial de acción neuronal. También se describe el método asociado a la transferencia de datos entre la pluralidad de dichos sensores bioeléctricos y el transceptor inalámbrico del sistema para la adquisición y transferencia de actividad neuronal. Encuentra especial aplicación en el ámbito de la industria de las tecnologías físicas y más, en concreto, en el ámbito de las tecnologías de la información y las comunicaciones aplicadas a la bioingeniería. PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER Y ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En los últimos años, nuevos avances tecnológicos están permitiendo la monitorización de señal bioeléctrica cerebral desde dispositivos implantados en el paciente. Con estos dispositivos se consiguen niveles de detalle espaciótemporal muy superiores a los alcanzables mediante electroencefalografía, gracias al uso de matrices de electrodos con separaciones del orden de decenas de mieras y anchos de banda superiores al kilohertzio. Este incremento de resolución está permitiendo la prescripción de tratamientos más focalizados, el desarrollo de nuevos procedimientos terapéuticos o la implementación de interfaces cerebro-máquina.
El uso de electrodos implantados plantea retos específicos a los sistemas de adquisición y transferencia de actividad neuronal. Con objeto de reducir la degradación de las señales capturadas, eliminar la eventualidad de infecciones o fallos por errores de manipulación y simplificar el procedimiento quirúrgico de implantación, se ha de evitar el uso de cables desde el cerebro hacia el exterior del cuerpo. Por tal motivo, en una configuración preferente, el sistema de adquisición implantado junto con la matriz de electrodos, contiene tantos sensores bioeléctricos como electrodos la matriz, y la transferencia de información hacia o desde un lector extracorpóreo se realiza de forma inalámbrica a través de un enlace que debe superar la atenuación impuesta por los tejidos intermedios.
Un aspecto crítico en la implementación de esta configuración preferente de sistema de adquisición y transferencia de actividad neuronal es el uso de técnicas de diseño con consumos ultra-bajos de potencia y el empleo de protocolos de compresión de información para reducir la tasa de envío de datos a través del transceptor inalámbrico comprendido en dicho sistema. En una configuración preferente del protocolo de compresión, dicho transceptor sólo debe enviar aquella información que sea clínicamente relevante y permanecer inactivo mientras la señal capturada no muestre indicios de interés.
Esta estrategia destinada a la economía de recursos es particularmente evidente cuando el sistema de adquisición y transferencia se destina a la interpretación de potenciales de acción neuronales. En una configuración preferente de este tipo de sistemas, todo sensor bioeléctrico permanece en estado latente y, por tanto, no transmite ninguna información al exterior, en tanto en cuanto no detecta un potencial de acción neuronal.
Obviamente, la implementación de esta solución preferente no debe comprometer la eficacia del procedimiento terapéutico o de la interfaz cerebro- máquina que hace uso del sistema para la adquisición y transferencia de actividad neuronal. Así, en muchas aplicaciones, como la mostrada en el documento "L. R. Hochberg, et al. Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature, vol. 442, p. 164, 2006," no basta con indicar la ocurrencia de un potencial de acción neuronal sino que también hay que proporcionar información relativa a la morfología espacio-temporal de los potenciales de acción con vistas a su ordenamiento y clasificación.
Los sistemas de adquisición neuronales existentes no satisfacen completamente todos los objetivos anteriores. Por ejemplo, el documento de estado de la técnica con número de aplicación US 2010/0106041 A1 , con título "Systems and methods for multichannel wireless implantadle neural recording" presenta un sistema inalámbrico para la adquisición de actividad neuronal. Sin embargo, la ausencia de elementos de pre-procesamiento para la reducción de la tasa de datos del enlace inalámbrico hace que el consumo de potencia del implante sea alto y requiera del uso de baterías lo que acorta el tiempo de vida del mismo.
El documento de estado de la técnica con número de publicación US 2013/0090706 Al y de título "Methods and associated neural prosthetic devices for bridging brain áreas to improve function", también emplea detectores de potenciales de acción neuronales pero la transmisión de datos no contempla ni la descripción morfológica del potencial de acción ni la compresión por eventos, con lo que el transceptor inalámbrico permanece activo en todo momento tanto si se detectan potenciales de acción como si no. En ninguno de los casos anteriores la interfaz entre la matriz de sensores bioeléctricos y el transceptor inalámbrico es bidireccional.
Por tanto, la presente invención viene a solucionar los problemas del estado de la técnica anteriormente mencionados, proporcionando un sistema que presenta las siguientes ventajas:
1 Posee un sistema de comunicación inalámbrico que permite eliminar los cables desde la corteza cerebral al exterior del cuerpo.
2 Existen elementos de pre-procesamiento y protocolos de compresión para la reducción de la tasa de envío de datos del enlace inalámbrico lo que permite consumos ultra-bajos de potencia.
3 interfaz entre la matriz de sensores bioeléctricos transceptor inalámbrico es bidireccional.
4 El transceptor inalámbrico envía aquella información que sea clínicamente relevante y permanece inactivo mientras la señal capturada no muestre indicios de interés. Economía de recursos ya que todo sensor bioeléctrico permanece en estado latente y, por tanto, no transmite ninguna información al exterior, en tanto en cuanto no detecta un potencial de acción neuronal. De este modo, la actividad del sistema de adquisición y transferencia está determinada por los eventos de interés clínico capturados desde la matriz de electrodos intracraneales.
El mecanismo de compresión de datos basado en eventos no compromete la eficacia del procedimiento terapéutico o de la interfaz cerebro-máquina que hace uso del sistema para la adquisición y transferencia de actividad neuronal.
Se indica la ocurrencia de un potencial de acción neuronal y se proporciona información relativa a la morfología espacio- temporal de los potenciales de acción con vistas a su ordenamiento y clasificación.
Evita el uso de baterías.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema de adquisición y transferencia de actividad neuronal que comprende:
- una pluralidad de sensores bioeléctricos,
- un transceptor inalámbrico que comprende un transmisor y un receptor,
- un nudo de comunicaciones conectado entre la pluralidad de sensores bioeléctricos y el transceptor inalámbrico,
- una pluralidad de electrodos intracraneales, que capturan actividad neuronal, conectados a la pluralidad de sensores bioeléctricos,
- una pluralidad de unidades de calibración conectadas a la pluralidad de sensores bioeléctricos para ajusfar unas características de transferencia de la pluralidad de sensores bioeléctricos, y - un módulo de gestión de potencia y síntesis de reloj para la gestión del nudo de comunicaciones,
tal que: - el nudo de comunicaciones está configurado para transmitir datos bidireccionalmente entre la pluralidad de sensores bioeléctricos y el transceptor inalámbrico de forma que:
o en el sentido de transmisión de datos desde el transceptor inalámbrico hacia los sensores bioeléctricos, el nudo de comunicaciones, gestiona una configuración de parámetros, una calibración y un modo de operación de los sensores bioeléctricos y,
o en el sentido de transmisión de datos desde los sensores bioeléctricos hacia el transceptor inalámbrico, colecta, seria y conforma información neuronal de una señal neuronal capturada por la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000).
Los sensores bioeléctricos comprenden:
- unos medios de amplificación y filtración de la señal neuronal capturada desde los electrodos intracraneales,
- unos medios de calibración automática de unos niveles máximos de tensión y una banda de frecuencia de la señal neuronal acondicionada por los medios de amplificación y filtración;
- unos medios de conversión de la señal neuronal acondicionada del dominio analógico al digital;
- unos medios de compresión de la información neuronal capturada; y
- unos medios de almacenamiento temporal de dicha información neuronal capturada. El nudo de comunicaciones comprende: - un procesador central que interpreta y aplica unas instrucciones recibidas desde el receptor, procesa digitalmente las señales neuronales generadas por la pluralidad de sensores bioeléctricos, y codifica la información neuronal recopilada desde la pluralidad de sensores bioeléctricos para su posterior transmisión a través del transceptor inalámbrico, y
- una pluralidad de enrutadores de señal que implementan una interfaz de datos entre la pluralidad de sensores bioeléctricos y el procesador central, donde cada enrutador de señal está asociado y conectado eléctricamente a un único sensor bioeléctrico.
El procesador central comprende: · un módulo de codificación y decodificación para el intercambio de información con el transceptor inalámbrico;
• un módulo de recepción y clasificación de datos para la interpretación de las instrucciones recibidas desde el transceptor inalámbrico ;
• un módulo de memoria de instrucciones y parámetros para almacenar la configuración del sistema de adquisición y transferencia de actividad neuronal; y
• un módulo de selección, configuración y adquisición que sirve de interfaz con los enrutadores de señal que transfieren la información generada por la pluralidad de sensores bioeléctricos.
El módulo de codificación y decodificación para el intercambio de información con el transceptor inalámbrico:
- en un sentido de las comunicaciones, decodifica una señal demodulada proporcionada por el receptor y comprende: • un sincronizador de datos que alinea unos flancos de la señal demodulada con una señal de reloj maestra generada por el módulo de gestión de potencia y síntesis de reloj; y
« un decodificador que convierte el formato de dicha señal demodulada a la salida del sincronizador de datos a un código binario,
- en otro sentido de las comunicaciones, codifica unos datos de salida proporcionados por el procesador central para su posterior modulación por el transmisor y comprende: un convertidor paralelo-serie que seria una señal con los datos de salida tras recibir una señal de activación; y un codificador que convierte la señal senada con los datos de salida al formato de señal definido en el transmisor.
El módulo de recepción y clasificación de datos para la interpretación de las instrucciones recibidas desde el transceptor inalámbrico comprende:
• un registro de datos que almacena una trama de datos DATA_DEC de una instrucción recibida por el decodificador;
• un módulo de validación CRC para verificar la integridad de la trama de datos DATA_DEC;
• un identificador de comando que analiza el contenido del registro de datos y genera un vector digital MODE representativo de un modo de operación especificado en la instrucción recibida; y • una pluralidad de máquinas de estado de recepción de datos que se habilitan selectivamente de acuerdo con un valor del vector digital MODE.
El módulo de memona de instrucciones y parámetros para almacenar la configuración del sistema de adquisición y transferencia de actividad neuronal comprende:
• una pila de datos en la que se vuelcan, sobrescribiendo datos previos, un cualificador QERS, un rango de aplicación y unos parámetros de configuración, si los hubiere, identificados por las máquinas de estado de recepción de datos; y
una memoria no volátil en donde se almacenan unos valores por defecto donde la pila de datos carga los valores almacenados por defecto en la memoria no volátil, desde donde se transfieren a la pluralidad de sensores bioeléctricos.
El módulo de selección, configuración y adquisición que sirve de interfaz con los enrutadores de señal que transfieren la información generada por la pluralidad de sensores bioeléctricos comprende:
• un módulo de selección y programación;
• una pluralidad de máquinas de estado de transmisión de datos; y
• un bloque de temporización para una generación de señales de reloj escaladas en frecuencia a partir de la señal de reloj maestra.
Los enrutadores de señal comprenden: un registro en el que se almacena la información neuronal proporcionada por la pluralidad de sensores bioeléctricos, una memoria interna en la que se organiza la información neuronal en unos vectores de longitud fija,
- un módulo de control que gestiona cada enrutador de señal, y un módulo para la transferencia de información que comprende un bus paralelo para transmitir ordenadamente los vectores de longitud fija a las máquinas de estado de transmisión de datos. La pluralidad de electrodos intracraneales están seleccionados entre:
- unos electrodos electrocorticográficos sub-durales,
- unos electrodos penetrantes intracorticales,
- una sonda cerebral profunda con puntos de sensado, y
- una combinación de los anteriores.
El número de sensores bioeléctricos coincide con el número de electrodos intracraneales y con el número de enrutadores de señal.
La presente invención se refiere también a un método de adquisición y transferencia de actividad neuronal que emplea el sistema previamente definido donde:
El nudo de comunicaciones comprende: - en el sentido de transmisión de datos desde el transceptor inalámbrico hacia la pluralidad de sensores bioeléctricos:
• activar, dimensionar y calibrar la pluralidad de sensores bioeléctricos, de acuerdo con unas instrucciones recibidas desde el transceptor inalámbrico, para la captura y compresión de actividad neuronal, • corregir las desviaciones de unos circuitos analógicos de amplificación y filtrado comprendidos en los sensores bioeléctricos, y - en el sentido de transmisión de datos desde la pluralidad de sensores bioeléctricos hacia el transceptor inalámbrico:
• transferir los datos capturados por la pluralidad de sensores bioeléctricos al transceptor inalámbrico para monitorizar externamente la actividad neuronal mediante un lector extracraneal.
Los sensores bioeléctricos, en el sentido de transmisión de datos desde el transceptor inalámbrico hacia la pluralidad de sensores bioeléctricos comprenden dos modos de operación:
• un Modo de Configuración mediante el que se definen los parámetros de operación de los sensores bioeléctricos para capturar y comprimir la actividad neuronal, y · un Modo de Calibración mediante el que se corrigen de forma automática las desviaciones de los medios de amplificación y filtrado comprendidos en los sensores bioeléctricos.
Los sensores bioeléctricos, en el sentido de transmisión de datos desde la pluralidad de sensores bioeléctricos hacia el transceptor inalámbrico, comprenden dos modos de operación:
- un Modo de Seguimiento de Señal: se transfiere la actividad neuronal completa, capturada y digitalizada desde la pluralidad de electrodos intracraneales , - un Modo de Compresión de Datos: se transfiere actividad neuronal relativa a unos potenciales de acción neuronales detectados desde la pluralidad de electrodos intracraneales, donde en dicho modo de compresión de datos, el nudo de comunicaciones comprende unos medios de procesamiento digital empotrado basado en unos eventos que examinan cíclicamente los sensores bioeléct cos, identifica aquellos sensores bioelécthcos en donde se ha constatado un potencial de acción neuronal, conforma una trama de datos por cada sensor bioeléctrico en donde se ha producido el evento, y seria las tramas de datos generadas para su posterior transmisión inalámbrica a través del transceptor inalámbrico.
Cada modo de operación comprende una trama de datos de entrada al procesador central, donde cada trama de datos comprende seis campos:
- un primer campo que define un preámbulo;
- un segundo campo que define el modo de operación de los sensores bioelécthcos;
- un tercer campo que define un rango de aplicación entre los sensores bioelécthcos;
- un cuarto campo que define un cualificador particularizado para cada modo de operación, que direcciona agrupaciones de parámetros o define variables de ejecución de los modos de operación,
- un quinto campo que define un conjunto de parámetros de configuración para los sensores bioelécthcos seleccionados por dicho rango de aplicación, y
- un sexto campo que define un código de redundancia cíclica CRC.
El procesador central: - interpreta instrucciones recibidas desde el receptor,
- gestiona los modos de operación de la pluralidad de sensores bioeléctricos,
- ordena, procesa, formatea y envía al transceptor inalámbrico las señales neuronales transmitidas por la pluralidad de sensores bioeléctricos y transferidas al nudo de comunicaciones a través de los enrutadores de señal, y
- opera con una señal de reloj maestra proporcionada por el módulo de gestión de potencia y síntesis de reloj.
La presente invención se refiere también a un uso del sistema de adquisición y transferencia de actividad neuronal como cabecera de una interfaz hombre- máquina donde el sistema comprende la adquisición de unas señales provenientes de un córtex motor.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para completar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a esta memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un conjunto de dibujos en dónde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1 .- Muestra el diagrama de módulos completo del sistema de adquisición y transferencia de actividad neuronal donde se puede observar la pluralidad de sensores bioeléctricos, el transceptor inalámbrico que comprende al transmisor y al receptor, y el nudo de comunicaciones conectado entre la pluralidad de sensores bioeléctricos y el transceptor inalámbrico.
Figura 2.- Muestra dos alternativas de realización de la matriz de electrodos intracraneales. Figura 3.- Muestra los diferentes módulos que comprende el procesador central comprendido en el nudo de comunicaciones.
Figura 4.- Muestra las tramas de datos de entrada DATA_DEC interpretables por el procesador central para configurar el sistema de adquisición y transferencia de actividad neuronal de acuerdo con el modo de operación MODE.
Figura 5.- Muestra las tramas de datos de salida SOUT generadas por el procesador central a partir de la información proporcionada por los sensores bioeléctricos comprendidos en el sistema de adquisición y transferencia de actividad neuronal de acuerdo con el modo de operación MODE.
Figura 6.- Muestra los diferentes módulos que comprende cada enrutador de señal utilizado para conectar los sensores bioeléctricos al procesador central en el sistema de adquisición y transferencia de actividad neuronal.
A continuación se proporciona una lista de los distintos elementos
representados en las figuras que integran la invención:
1 . Sistema de adquisición y transferencia de actividad neuronal.
10000. Nudo de comunicaciones.
1 1000. Procesador central.
1 1001 . Módulo de codificación y decodificación.
1 1002. Módulo de recepción y clasificación de datos.
1 1003. Módulo de memoria de instrucciones y parámetros.
1 1004. Módulo de selección, configuración y adquisición.
1 1010. Sincronizador de datos. 1 1020. Decodificador.
1 1030. Registro de datos.
1 1031 . Trama de datos de entrada DATA_DEC al procesador central según el modo de configuración.
1 1032. Trama de datos de entrada DATA_DEC al procesador central según el modo de calibración.
1 1033. Trama de datos de entrada DATA_DEC al procesador central según el modo de seguimiento de señal.
1 1034. Trama de datos de entrada DATA_DEC al procesador central según el modo de compresión de datos.
1 1040. Módulo de validación CRC.
1 1050. Identificador de comando.
1 1060. Máquinas de estado de recepción de datos.
1 1070. Pila de datos.
1 1080. Memoria no volátil.
1 1090. Módulo de selección y programación.
1 1 100. Máquinas de estado de transmisión de datos.
1 1 1 10. Bloque de temporización.
1 1 120. Convertidor paralelo-serie.
1 1 121 . Trama de datos SOUTde salida hacia procesador según el modo de operación.
1 1 130. Codificador.
12000. Enrutadores de señal.
12100. Registro.
12200. Memoria interna.
12300. Módulo de control. 12400. Módulo para la transferencia de información.
20000. Pluralidad de sensores bioeléctricos.
30000. Transceptor inalámbrico.
31000. Antena.
32000. Transmisor.
33000. Receptor.
40000. Bloque de gestión de potencia y síntesis de reloj.
50000. Unidades de calibración.
60000. Pluralidad de electrodos intracraneales.
DESCRIPCION DETALLADA
El nudo de comunicaciones (10000) objeto de la invención está comprendido en un sistema de adquisición y transferencia de actividad neuronal y sirve de pasarela de datos bidireccional entre una pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) y un transceptor inalámbrico (30000). Tanto la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) como el transceptor inalámbrico (30000) están igualmente comprendidos en dicho sistema (1 ).
El propósito de dicho sistema (1 ) es la captura, acondicionamiento, digitalización y transmisión inalámbrica de actividad neuronal o de algunas de sus características.
En una realización preferente la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) están dispuestos de forma matncial por lo que de aquí en adelante se hablará de matriz de sensores bioeléctricos (20000).
En el sentido de transferencia de datos hacia la matriz de sensores bioeléctricos (20000), el nudo de comunicaciones (10000) selectivamente activa, dimensiona y calibra los sensores bioeléctricos (20000), de acuerdo con las instrucciones recibidas desde el transceptor inalámbrico (30000).
En el sentido de transferencia de datos hacia el transceptor inalámbrico (30000), el nudo de comunicaciones (10000) transfiere los datos capturados por la matriz de sensores bioeléctricos (20000) a un lector extracraneal, situado en el entorno del paciente dentro de la cobertura del transceptor inalámbrico (30000), que decodifica la señal radiada por el transceptor inalámbrico (30000) y, que actúa como pasarela de datos entre el sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal y cualquier medio de almacenamiento, visualización, cómputo o comunicación dedicado para el análisis de la actividad neuronal capturada.
La presente invención no impone ninguna restricción funcional o arquitectural ni sobre la matriz de sensores bioeléctricos (20000) ni sobre el transceptor inalámbrico (30000). En particular, el nudo de comunicaciones (10000) es fácilmente escalable con el número de sensores bioeléctricos (20000) comprendidos en dicha matriz. Adicionalmente, el nudo de comunicaciones (10000) ofrece dos modos de transmisión:
- Modo de seguimiento de señal: se transfiere la actividad neuronal completa, capturada y digitalizada desde una selección de sensores bioeléctricos (20000) de entre la pluralidad comprendida en la matriz de sensores bioeléctricos (20000);
- Modo de compresión de datos: se transfiere información relativa a potenciales de acción neuronales detectados y caracterizados por los sensores bioeléctricos (20000). En el caso de transmisión en modo de compresión de datos, el nudo de comunicaciones (10000) comprende unos medios de procesamiento digital empotrado basado en eventos que examina cíclicamente la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000), identifica aquellos sensores bioeléctricos (20000) en donde se ha constatado un potencial de acción neuronal, conforma una trama de datos por cada sensor bioeléctrico (20000) en donde se ha producido un evento, y seria las tramas de datos generadas para su posterior transmisión inalámbrica. La revisión cíclica de los sensores bioeléctricos (20000), realizada por el nudo de comunicaciones (10000), tiene una base de tiempos muy inferior a la razón de generación de potenciales de acción en neuronas biológicas.
La combinación del modo de compresión de datos junto con el procesamiento basado en eventos disminuye sensiblemente el volumen de información proporcionado por el sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, lo que repercute directamente en un ahorro sustancial en el consumo de potencia. El nudo de comunicaciones (10000) se integra en un substrato compartido por la matriz de sensores bioeléctricos (20000) y el transceptor inalámbrico (30000) constituyendo una solución monolítica inseparable. Por lo tanto, el substrato que integra al sistema (1 ) de adquisición y transferencia: matriz de sensores bioeléctricos (20000), nudo de comunicaciones (10000) y transceptor inalámbrico (30000), es de pocos milímetros, lo que facilita su implantación en el cerebro.
El sustrato está fabricado de un material seleccionado entre: silicio, orgánico, silicio sobre aislante, silicio-germanio, fosfuro de indio y arseniuro de galio. Preferentemente, con vistas a reducir el coste de fabricación del nudo de comunicaciones (10000), se usa substrato de silicio.
La figura 1 muestra el diagrama funcional del sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal en el que se observa el nudo de comunicaciones (10000) objeto de la presente invención donde el sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal comprende:
- una pluralidad de sensores bioeléctricos (20000),
- un transceptor inalámbrico (30000) que comprende un transmisor (32000) y un receptor (33000),
- un nudo de comunicaciones (10000) conectado entre la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) y el transceptor inalámbrico (30000),
- una pluralidad de electrodos intracraneales (60000), que capturan actividad neuronal, conectados a la pluralidad de sensores bioeléctricos
(20000),
- una pluralidad de unidades de calibración (50000) conectadas a la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) para ajusfar unas características de transferencia de la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000), y
- un módulo de gestión de potencia y síntesis de reloj (40000) para la gestión del nudo de comunicaciones (10000).
En una realización preferente la pluralidad de electrodos intracraneales (60000) están dispuestos de forma matncial por lo que de aquí en adelante se hablará de matriz de electrodos intracraneales (60000).
La matriz de electrodos intracraneales (60000) puede estar seleccionada entre: - una malla electrocorticográfica sub-dural (ECOG), una formación de electrodos penetrantes intracorticales (matriz intracortical), y
una sonda cerebral profunda con múltiples puntos de sensado. Tal y como se comentó anteriormente, el número de sensores bioeléctricos (20000) están distribuidos preferentemente de forma matricial para reducir el consumo de área del sistema (1 ) y coincide con el número de electrodos intracraneales (60000), comprendidos en la matriz de electrodos intracraneales (60000), esto es, N electrodos.
No obstante, podría existir la posibilidad de que una pluralidad de microelectrodos esté multiplexada sobre un mismo sensor bioeléctrico (20000) y que la disposición de los sensores bioeléctricos (20000) no fuese de forma matricial.
Cada sensor bioeléctrico (20000) está identificado por un código numérico ID_CELL que lo distingue del resto.
El nudo de comunicaciones (10000) comprende: un procesador central (1 1000) que:
interpreta y aplica los comandos recibidos desde el transceptor inalámbrico (30000), procesa digitalmente las señales generadas por la matriz de sensores bioeléctricos (20000), y codifica la información recopilada desde dichos sensores bioeléctricos (20000) para su posterior transmisión a través del transceptor inalámbrico (30000), y unos enrutadores de señal (12000) que:
implementan la interfaz de datos entre la matriz de sensores bioeléctricos (20000) y el procesador central (1 1000). Hay tantos enrutadores de señal (12000) como sensores bioeléctricos (20000). Cada enrutador de señal (12000) está asociado y, por tanto, conectado eléctricamente, a un único sensor bioeléctrico (20000). El conjunto de N sensores bioeléctricos (20000) son estructuralmente idénticos entre sí y cada sensor bioeléctrico (20000) comprende:
- unos medios para amplificar y filtrar la señal neuronal capturada desde la matriz de electrodos intracraneales (60000),
- unos medios para calibrar de forma automática los niveles máximos de tensión y la banda de frecuencia de la señal acondicionada por los referidos medios de amplificación y filtrado;
- unos medios para convertir la señal neuronal acondicionada del dominio analógico al digital;
- unos medios para comprimir la información capturada; y
- unos medios para almacenar temporalmente la citada información.
De acuerdo con estos medios, los sensores bioeléctricos (20000) pueden ofrecer distintos modos de operación MODE. El flujo de información desde el nudo de comunicaciones (10000) a los sensores bioeléctricos (20000) se realiza a través de un vector digital SEL y una trama de datos CONF. El vector digital SEL se usa para activar un subconjunto de sensores bioeléctricos (20000). Caso de no ser direccionado por el vector digital SEL, el sensor bioeléctrico (20000) permanece inactivo con vistas a reducir el consumo de potencia del sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal. Por otro lado, la trama de datos CONF permite cargar serialmente los parámetros de operación de los diferentes medios comprendidos en aquellos sensores bioeléctricos (20000) direccionados por el vector digital SEL. Adicionalmente, el flujo de información desde cada sensor bioeléctríco (20000), previamente direccionado por el vector digital SEL, y el nudo de comunicaciones (10000) se realiza a través de una trama de datos DCELL y una señal lógica DRDY. La trama de datos DCELL constituye la salida serial proporcionada por dicho sensor bioeléctrico (20000). La estructura de la trama de datos DCELL depende de la trama de datos de configuración CONF previamente cargada, en consonancia con el modo de operación seleccionado. La señal lógica DRDY es una señal de control que habilita la transferencia de la trama de datos DCELL al enrutador de señal (12000), asociado con dicho sensor bioeléctrico (20000). Una vez concluida la transferencia de la trama de datos DCELL, la señal de lógica DRDY se desactiva.
Los medios de compresión de datos implementados en los sensores bioeléctricos (20000) contemplan la detección en tiempo real de potenciales de acción neuronales y la caracterización de la morfología tiempo-tensión de dichos potenciales de acción, aunque podrían realizarse con cualquier otro mecanismo de compresión de datos. Normalmente la actividad neuronal capturada y digitalizada se transfiere a un procesador donde se comprimen los datos y no en los sensores bioeléctricos (20000), de forma que el tráfico de información aumenta y, por tanto, el consumo de potencia.
El transceptor inalámbrico (30000) comprende unos medios necesarios para establecer un enlace por radio de corto alcance con el lector extracraneal. En el sentido de transmisión de datos, dicho transceptor inalámbrico (30000) comprende:
una antena (31000) o, en general, cualquier dispositivo diseñado para enviar mediante ondas electromagnéticas la información recopilada por el sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, y; - un transmisor (32000) para definir el tipo de modulación, la tasa de datos, la potencia radiada y, en general, todos aquellos parámetros necesarios para emitir de forma inalámbrica la trama codificada de datos DATA_ENC proporcionada por el nudo de comunicaciones (10000). En una realización preferente, dicha trama codificada de datos DATA_ENC se transfiere mediante una conexión serie.
En el sentido de recepción de datos, dicho transceptor inalámbrico (30000) comprende:
- una antena (31000), preferentemente la misma empleada en el camino de transmisión, destinada a recibir las señales provenientes del lector extracraneal, y;
- un receptor (33000) para demodular las señales provenientes de dicha antena (31000) con objeto de extraer la trama codificada de datos DATA_DEM interpretable por el nudo de comunicaciones (10000) y necesaria para configurar correctamente el sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal en su conjunto.
Tanto en el camino de transmisión como en el de recepción, las señales electromagnéticas emitidas usan protocolos de comunicación compartidos por el nudo de comunicaciones (10000) y el transceptor inalámbrico (30000).
El procesador central (1 1000) es una unidad de procesamiento en donde:
- se interpretan los comandos recibidos desde el receptor (33000) del transceptor inalámbrico (30000);
- se gestionan los modos de operación MODE de la matriz de sensores bioeléctricos (20000); y
- se ordenan, procesan, formatean y envían al transceptor inalámbrico (30000) las señales representativas de la actividad neuronal, dicha actividad adquirida por los sensores bioeléctricos (20000) y transferida al nudo de comunicaciones (10000) a través de los enrutadores de señal (12000).
Salvo que se indique expresamente lo contrario, el procesador central (1 1000) opera con la señal de reloj maestra CLK proporcionada por el módulo de gestión de potencia y síntesis de reloj (40000).
Los comandos interpretables por el procesador central (1 1000) pertenecen a una de cuatro categorías, cada una de dichas categorías vinculada a un modo de operación MODE de los sensores bioeléctricos (20000) y, por extensión, del sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal en su conjunto.
En el caso más general, cada una de dichas categorías puede contemplar más de un comando interpretable. La distinción entre comandos vinculados a una misma categoría se establece mediante cualificadores incluidos en dichos comandos.
Los sensores bioeléctricos (20000), al ser eléctricamente programables desde el exterior, permiten modificar su configuración ofreciendo los distintos modos de operación MODE.
Los modos de operación MODE, representativos de las categorías de comandos interpretables, son:
Modo de Configuración (MODE = Ό 0') mediante el que se definen los parámetros de operación de los sensores bioeléctricos (20000) con vistas a la captura y compresión de actividad eléctrica neuronal. Como se verá más adelante, de acuerdo con la presente invención, el procesador central (1 1000) dispone de una configuración de parámetros por defecto almacenada en una memoria no-volátil (1 1080) que se precarga con la puesta en funcionamiento del sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal. Ello permite reducir potencialmente el número de comandos necesarios para configurar los sensores bioeléctricos (20000). La distinción entre los diferentes comandos vinculados al Modo de Configuración se establece mediante unos cualificadores CF_Q incluidos en dichos comandos. De acuerdo con un ejemplo de realización de la presente invención, una vez concluida la carga de parámetros en el sensor bioeléctrico (20000), dicho sensor bioeléctrico (20000), responde con un código de confirmación CONFIRM que se transfiere a través de la trama de datos DCELL.
Modo de Calibración (MODE = Ό 1 ') mediante el que se corrigen de forma autónoma las desviaciones de los circuitos analógicos de amplificación y filtrado comprendidos en los sensores bioeléctricos (20000). Unos parámetros de ajuste CAL_PAR vinculados al Modo de Calibración se especifican en comandos interpretables del Modo de Configuración y en comandos interpretables del propio Modo de Calibración. En el caso más general, el Modo de Calibración puede contemplar diferentes vanantes de ejecución. Dichas vanantes se especifican mediante cualificadores CAL_Q incluidos en los comandos interpretables del Modo de Calibración. Dependiendo de dichas variantes, puede ser necesaria la participación de unidades de calibración (50000), activadas desde los sensores bioeléctricos (20000). A modo de ejemplo, dichas unidades de calibración (50000) pueden consistir en referencias temporales proporcionadas por un sintetizador de frecuencias. De acuerdo con un ejemplo de realización de la presente invención, una vez concluida la calibración de la característica de transferencia del sensor bioeléctrico (20000), dicho sensor bioeléctrico (20000), responde con un código de confirmación CONFIRM que se transfiere a través de la trama de datos DCELL. En otro posible ejemplo de la presente invención, el sensor bioeléctrico (20000) responde con el valor final de los parámetros ajustados tras concluir el proceso de calibración. Modo de Seguimiento de Señal (MODE = Ί 0') mediante el que se adquiere, acondiciona, filtra y digitaliza la actividad cerebral capturada desde los electrodos intracraneales (60000). En este modo de operación, la trama de datos DCELL del sensor bioeléctrico (20000), está formada por una secuencia de vectores digitales TR_DATA representativos de la señal neuronal capturada. Unos parámetros
TR_PAR ligados a las operaciones de acondicionamiento y filtrado pueden venir especificados, bien mediante comandos interpretables del Modo de Configuración, o bien como resultado de la aplicación de comandos en Modo de Calibración. En el caso más general, el Modo de Seguimiento de Señal puede contemplar diferentes vanantes de ejecución. Dichas vanantes se especifican mediante cualificadores TR_Q incluidos en los comandos interpretables del Modo de Seguimiento de Señal. Modo de Compresión de Datos (MODE = Ί 1 ') mediante el que se extraen y procesan algunas de las características de la actividad cerebral capturada desde los electrodos intracraneales (60000) con vistas a reducir el ancho de banda de la señal transmitida hacia el transceptor inalámbrico (30000). Los parámetros CMP_PAR vinculados al Modo de Compresión de Datos se especifican mediante comandos interpretables del Modo de Configuración. En el caso más general, el Modo de Compresión de Datos puede contemplar diferentes vanantes de ejecución. Dichas vanantes se especifican mediante cualificadores CMP_Q incluidos en los comandos interpretables del Modo de Compresión de Datos. A modo de ejemplo, las técnicas de compresión de datos aplicables para la caracterización de la morfología tiempo- tensión de potenciales de acción neuronales pueden usar estrategias de aproximación con funciones base, extracción de componentes principales PCA "Principal Component Analysis", cálculo de parámetros de un filtrado Hanning, o la conformación con ondas modelo "wavelet analysis". En un caso genérico, la caracterización de los potenciales de acción neuronales comprende K vectores digitales FE_DATAy, donde y = 1 ··· K. Una vez concluida la caracterización del potencial de acción detectado, la trama de datos DCELL del sensor bioeléctrico (20000) comprende la concatenación de dichos vectores digitales FE_DATAy. Nótese que mientras no se produce la detección y caracterización de un potencial de acción neuronal, la señal lógica DRDY está en estado lógico bajo y la salida de datos del sensor bioeléctrico (20000) permanece inactiva.
La figura 3 muestra la distribución de módulos del procesador central (1 1000) comprendido en el nudo de comunicaciones (10000).
1. Módulo de codificación y decodificación (11001 ).
El módulo de codificación y decodificación (1 1001 ) comprende unos medios que permiten el intercambio de información con el transceptor inalámbrico (30000).
En un sentido de las comunicaciones, el módulo de codificación y decodificación (1 1001 ) comprende unos medios para decodificar la trama codificada de datos DATA_DEM proporcionada por el receptor
(33000) comprendido en el transceptor inalámbrico (30000). Dichos medios comprenden:
- un sincronizador de datos (1 1010) que alinea los flancos de la trama codificada de datos DATA_DEM con la señal de reloj maestra CLK, proporcionada por el módulo de gestión de potencia y síntesis de reloj (40000), y genera una trama codificada de datos DATAJN; y
un decodificador (1 1020) que convierte el formato de la trama codificada de datos DATAJN a una trama de datos DATA_DEC.
En una posible configuración, el formato de la trama codificada de datos DATAJN puede ser, por ejemplo, de tipo PIE (Pulse Interval encoding).
En otro sentido de las comunicaciones, el módulo de codificación y decodificación (1 1001 ) comprende unos medios para codificar una trama de datos DOUT proporcionada por el procesador central (1 1000), con vistas a su posterior modulación por el transmisor (32000) comprendido en el transceptor inalámbrico (30000). Dichos medios comprenden: un convertidor paralelo-serie (1 1 120) que seria la trama de datos DOUT a instancias de una señal lógica de activación LOAD y genera una trama de datos SOUT; y
un codificador (1 1 130) que convierte el código binario de la trama de datos SOI/T al formato de señal definido en el transmisor (32000). En una posible configuración, el formato de la trama codificada de datos de salida DATA_enc del codificador (1 1 130) puede ser de tipo Manchester.
Módulo de recepción y clasificación de datos (11002).
El módulo de recepción y clasificación de datos (1 1002) comprende unos medios que permiten la interpretación de las instrucciones recibidas desde el transceptor inalámbrico (30000). Dichos medios comprenden: - un registro de datos (1 1030) que almacena la trama de datos DATA_DEC de la instrucción recibida de dicho código proporcionado por el decodificador (1 1020);
- un módulo de validación CRC (Cyclic redundancy check) (1 1040) para verificar la integridad de dicha trama de datos DATA_DEC;
- un identificador de comando (1 1050) que analiza el contenido de dicho registro de datos (1 1030) y genera un vector digital MODE representativo del modo de operación especificado en la instrucción recibida; y
- una pluralidad de máquinas de estado (1 1060) para la recepción de datos que se habilitan selectivamente de acuerdo con el valor del vector digital MODE.
En una posible implementación, la validación CRC podría consistir en el recuento y comprobación del número de bits con un determinado valor lógico dentro de una trama de datos DATA_DEC.
La figura 4 muestra las tramas de datos DATA_DEC de las instrucciones reconocibles por el nudo de comunicaciones (10000) donde las tramas de datos DATA_DEC aparecen agrupadas según el modo de operación MODE que son:
- tramas de datos DATA_DEC de entrada al procesador central según el modo de Configuración (1 1031 ),
- tramas de datos DATA_DEC de entrada al procesador central según el modo de Calibración (1 1032),
- tramas de datos DATA_DEC de entrada al procesador central según el modo de Seguimiento de Señal (1 1033), y
- tramas de datos DATA_DEC de entrada al procesador central según el modo Compresión de Datos (1 1034). Como se puede observar en la figura 4, en el caso más general, dichas tramas de datos comprenden unos vectores digitales vinculados a seis campos:
- un preámbulo;
- el modo de operación MODE definido para los sensores bioeléctricos (20000);
- un parámetro rango de aplicación de dicha instrucción entre los sensores bioeléctricos (20000);
- un cualificador QERS de la instrucción asociada a la trama de datos DATA_DEC (dependiendo del modo de operación, dicho cualificador se particulariza como CF_Q, CAL_Q, TR_Q o CMP_Q);
- un conjunto de parámetros de configuración PARAMS para los sensores bioeléctricos (20000) seleccionados por dicho rango de aplicación, y
- un código de redundancia cíclica CRC.
En la trama de datos DATA_DEC de entrada al procesador central (1 1000) según el modo de Calibración (1 1032) el parámetro Rango solo contempla selección por columnas o por canales individuales.
En la trama de datos DATA_DEC de entrada al procesador central (1 1000) según el modo de Seguimiento de Señal (1 1033), el parámetro Rango solo contempla selección por columnas o por filas. Además el cualificador TR_Q se selecciona entre dos valores, 0 para la lectura de la selección y 1 para el barrido desde la selección.
En la trama de datos DATA_DEC de entrada al procesador central (1 1000) según el modo Compresión de Datos (1 1034) el cualificador TR_Q se selecciona entre dos valores, 0 para la tensión de umbral fija y 1 para la tensión de umbral adaptativa. Nótese que los cualificadores QERS pueden, en unos casos, direccionar agrupaciones de parámetros tal como se ejemplifica en la trama de datos DATA_DEC según el modo de Configuración (1 1031 ) o, en otros casos, definir opciones de operación tal como se muestra en las tramas de datos DATA_DEC según el modo de Seguimiento de Señal (1 1033), y tramas según el modo Compresión de Datos (1 1034).
Obsérvese también que, en el caso más general, el rango de aplicación puede direccionar un único sensor bioeléctrico (20000), identificado por el código ID_CELL, una fila o una columna de la matriz de sensores bioeléctricos (20000), identificadas, respectivamente por los código ID_ROW e ID_COL, o la matriz de sensores bioeléctricos (20000). Sin embargo, dependiendo del modo de operación, no todos los rangos de aplicación están permitidos. Por ejemplo, si como ¡lustra la figura 1 , las unidades de calibración (50000) se comparten por filas de sensores bioeléctricos (20000), la ejecución del Modo de Calibración sólo se podría realizar por columnas o por sensor individual. En otro ejemplo, también se podría restringir el rango de aplicación del Modo de Seguimiento de Señal a un número limitado de sensores bioeléctricos (20000) (por ejemplo, aquellos pertenecientes a una fila o columna de la matriz de sensores bioeléctricos (20000)), con vistas a que la tasa de datos de salida del sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal no supere un valor dado.
Igualmente nótese que no todas las tramas de datos DATA_DEC deben comprender parámetros PARAMS. De hecho, de acuerdo con esta posible realización de la presente invención, solo las tramas de datos DATA_DEC de los modos de operación de Configuración (1 1031 ) y Calibración (1 1032) incluyen dichos parámetros. Así pues, de acuerdo con este ejemplo de realización, no existen parámetros PARAMS para los modos de operación ligados a la transmisión de información, esto es, Seguimiento de Señal y Compresión de Datos.
Existen tantas máquinas de estado de recepción (1 1060) como posibles modos de operación. Sólo la máquina de estado de recepción (1 1060) que es direccionada por el vector digital MODE permanece activa; el resto se deshabilita con vistas a reducir el consumo de potencia del sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal. El propósito de dichas máquinas de estado de recepción (1 1060) es identificar el cualificador QERS del comando, el rango de aplicación y los parámetros de configuración PARAMS, si los hubiere, en los correspondientes campos de la instrucción recibida. En la figura 3, la trama de datos INST aglutina la información de dichos campos. Módulo de memoria de instrucciones y parámetros (11003).
El módulo de memoria de instrucciones y parámetros (1 1003) comprende unos medios que almacenan en todo momento la configuración del sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal. Dicho módulo de memoria de
instrucciones y parámetros (1 1003) comprende:
- una pila de datos (1 1070) en la que se vuelcan, sobrescribiendo datos previos, el cualificador QERS, el rango de aplicación y los parámetros de configuración, si los hubiere, identificados por las máquinas de estado de recepción de datos (1 1060); y
- una memoria no volátil (1 1080) en donde se almacenan valores por defecto.
Con la puesta en funcionamiento del sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, la pila de datos (1 1070) carga los valores almacenados en dicha memoria no volátil (1 1080), desde donde se transfieren a la matriz de sensores bioeléctricos (20000), usando un módulo de selección, configuración y adquisición (1 1004). Así mismo, mediante un comando del Modo de Configuración con cualificador CF_Q = Ί 1 1 ' es posible recargar el contenido de la pila de datos (1 1070) en la matriz de sensores bioeléctricos (20000).
Las máquinas de estado de recepción de datos (1 1060) conforman la trama de datos OPT y el vector digital SELECT a partir de la trama de datos INST. La trama de datos OPT de opciones de operación comprende el cualificador QERS del comando recibido y los parámetros de configuración PARAMS, si los hubiere, implicados en la ejecución de dicha trama de datos INST.
El vector digital SELECT designa un conjunto de canales de sensado implicados en la aplicación del comando recibido. Dicho vector digital SELECT usa el mismo formato de señal que el campo de rango de aplicación comprendido en la trama de datos INST. De acuerdo con esta realización, el vector digital SELECT puede identificar sensores bioeléctricos (20000) individuales, filas o columnas de sensores, o la totalidad de sensores bioeléctricos (20000).
La transmisión de la trama de datos OPT y el vector digital SELECT al módulo de selección, configuración y adquisición (1 1004), se realiza mediante conexiones serie habilitadas por unas señales lógicas de activación, OPT_RDY y SEL_RDY (no mostradas en la figura 3 por simplicidad). Módulo de selección, configuración y adquisición (11004).
El módulo de selección, configuración y adquisición (1 1004) comprende unos medios que sirven de interfaz con los enrutadores de señal (12000) que transfieren la información generada por los sensores bioeléctricos (20000).
Dichos medios comprenden:
un módulo de selección y programación (1 1090);
una pluralidad de máquinas de estado de transmisión de datos (1 1 100); y
un módulo de temporización (1 1 1 10) para la generación de señales de reloj escaladas en frecuencia a partir de la señal de reloj maestra CLK.
En un caso general, el módulo de temporización (1 1 130) proporciona señales de reloj específicas para los enrutadores de señal (12000) (señal CLKR con frecuencia FTR), para los sensores bioeléctricos (20000) (señal CLKC con frecuencia FTC) y para las unidades de calibración (50000) (señal CLKD con frecuencia FTD).
El módulo de selección y programación (1 1090) verifica que el código de redundancia cíclica de la instrucción recibida es correcto; toma como entradas la trama de datos OPT y el vector digital SELECT generadas por las máquinas de estado de recepción de datos (1 1060) y habilitadas por las señales lógicas de activación OPT_RDY y SEL_RDY; y genera una trama de datos CONF, un vector digital SEL y una señal lógica TXON conducentes a definir el estado de la pluralidad de enrutadores de señal (12000), la matriz de sensores bioeléctricos (20000) y las unidades de calibración (50000).
La trama de datos CONF está formada por la concatenación del modo de operación MODE del comando recibido y las opciones de operación definidas en la trama de datos OPT (cualificador QERS y parámetros de configuración PARAMS, si los hubiere), excluyendo aquellas opciones relacionadas con la secuenciación del comando entre los sensores de la matriz de sensores bioelectricos (20000). Así, por ejemplo, en el Modo de Seguimiento de Señal, la trama de datos CONF no contiene cualificador TR_Q, puesto que dicho cualificador, de acuerdo con un ejemplo de realización de la presente invención, controla el barrido de lecturas dentro de la matriz de sensores bioeléctricos (20000). En otras palabras, la trama de datos CONF sólo contiene información pertinente a nivel de sensor bioeléctrico (20000) individual, independientemente, de si dicha trama de datos CONF se transfiere a más de un sensor bioeléctrico (20000).
Una vez construido dicha trama de datos CONF, el módulo de selección y programación (1 1090) pone en valor lógico alto la señal lógica TXON para activar la pluralidad de máquinas de estado de transmisión de datos (1 1 100). Con la puesta en alto de dicha señal lógica TXON, la trama de datos CONF se transfiere mediante una conexión serie a los sensores bioeléctricos (20000) direccionados por el vector digital SELECT. La tasa de transmisión es FTC, esto es, la frecuencia de la señal de reloj CLKC. Dicha transmisión está habilitada por una señal lógica de activación, CONF_RDY (no mostrada en las figuras 1 y 3 por simplicidad).
Una vez concluida la transmisión de la trama de datos CONF, el vector digital SEL activa aquellos enrutadores de señal (12000) y sensores bioeléctricos (20000) seleccionados para ejecutar las instrucciones recibidas. En un caso general, el vector digital SEL puede variar a lo largo de la aplicación de un comando, a diferencia de lo que ocurre con el vector digital SELECT que permanece inalterado. Por ejemplo, en una posible realización de la presente invención cuando el comando recibido está vinculado al Modo de Seguimiento de Señal y el cualificador de comando TR_Q está en estado lógico alto, la aplicación de dicha instrucción determina el barrido por filas o columnas de la matriz de sensores bioeléctricos (20000). En este caso, el vector digital SEL varía cíclicamente de forma que, en todo momento, sólo hay activa una fila o columna de dicha matriz de sensores bioelectricos (20000). Por el contrario, el vector digital SELECT permanece estático durante la ejecución del comando y solo direcciona la fila o columna desde donde comienza el barrido. En este caso, la trama de datos CONF se transfiere a la matriz de sensores bioeléctricos (20000).
En una configuración preferente, la activación de sensores bioeléctricos (20000) realizada por el vector digital SEL se implementa mediante decodificadores de filas y columnas dispuestos en la periferia de la matriz de dichos sensores bioeléctricos (20000).
La pluralidad de máquinas de estado de transmisión de datos (1 1 100) recibe como entradas el vector digital MODE representativo del modo de operación, el vector digital SEL que indica los enrutadores de señal (12000) y sensores bioeléctricos (20000) activos, y la señal lógica TXON generada por el módulo de selección y programación (1 1090). De acuerdo con la presente invención existen tantas máquinas de estado de transmisión de datos (1 1 100) como posibles modos de operación. Sólo aquella máquina de estado de transmisión de datos (1 1 100) que es direccionada por el vector digital MODE permanece activa; el resto se deshabilita con vistas a reducir el consumo de potencia del sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal. El propósito de dichas máquinas de estado de transmisión de datos (1 1 100) es el de leer, procesar y enviar a los medios de codificación (1 1001 ), los vectores digitales DATA almacenados en los enrutadores de señal (12000) direccionados por el vector digital SEL. La señal lógica RDY proporcionada por dichos enrutadores de señal (12000), cuando toma un valor lógico alto, indica que dichos vectores digitales DATA están listos para lectura. En caso contrario, un valor lógico bajo de la señal lógica RDY indica que el enrutador de señal (12000) está, o bien, en fase de construcción de los vectores digitales DATA, o bien, en fase de espera de recibir información desde el sensor bioeléctrico asociado. El procedimiento de lectura de los vectores digitales DATA por parte de aquella máquina de estado para la transmisión de datos (1 1 100) habilitada por el vector digital MODE se realiza por medio de un puntero READ que recorre cíclicamente los enrutadores de señal (12000) direccionados por el vector digital SEL. Si el puntero READ direcciona el enrutador de señal (12000) con la señal lógica RDY en estado lógico bajo, la máquina de estado de transmisión de datos (1 1 100) cambia el valor de dicho puntero READ a la dirección del siguiente enrutador de señal (12000) dentro del conjunto de enrutadores de señal (12000) habilitados por el vector digital SEL. En este caso, no se realiza transferencia de datos. Por el contrario, si la señal lógica RDY del enrutador de señal (12000) direccionado por el puntero READ está en estado lógico alto, los vectores digitales DATA son transferidos a la máquina de estado de transmisión de datos (1 1 100) y, cuando finaliza la lectura, dicha máquina de transmisión de datos (1 1 100) envía un pulso PDW a\ enrutador de señal (12000) para que este cambie la señal lógica RDY al estado lógico bajo y cambia el valor del puntero READ a la dirección del siguiente enrutador de señal (12000) dentro del conjunto de enrutadores de señal (12000) habilitados por el vector digital SEL. De acuerdo con la presente invención, la base de tiempos para la lectura de los vectores digitales DATA proporcionados por los enrutadores de señal (12000) (dicha base de tiempos marcada por la señal de reloj CLKR) es muy inferior a la tasa de generación de dichos datos (dicha tasa marcada por la frecuencia FTC de la señal de reloj CLKC).
Una vez realizada la lectura de los vectores digitales DATA, la máquina de estado de transmisión de datos (1 1 100) habilitada por el vector digital MODE valida la información capturada, potencialmente combina los vectores DATA de diferentes sensores bioeléctricos (20000), y almacena el conjunto en tramas de datos DOUT. Cuando dichas tramas digitales están formadas, la máquina de estado de transmisión de datos (1 1 100) envía un pulso LOAD que habilita la transferencia de DOUT al convertidor paralelo-serie (1 1 120) comprendido en el módulo de codificación y decodificación (1 1001 ). Junto con la trama de datos DOUT, la trama de datos SOUT, resultado de la seriación, incluye un preámbulo en la cabecera y un código de redundancia cíclica al final de dicha trama.
En una posible realización de la presente invención ¡lustrada en la figura 3, dicho pulso LOAD también se transfiere al módulo de selección y programación (1 1090) para que, en el caso de que el comando recibido esté vinculado al Modo de Seguimiento de Señal y el cualificador de comando TR_Q esté en estado lógico alto, el vector digital SEL direccione la siguiente posición en el barrido por filas o columnas de los sensores bioeléctricos (20000).
La figura 5 muestra la estructura de la trama de datos SOUT a la salida del convertidor paralelo-serie (1 1 120), de acuerdo con un ejemplo de realización de la presente invención. Sólo en el caso de operación en el Modo de Seguimiento de Señal se produce la combinación de vectores digitales DATA procedentes de diferentes de sensores bioeléctricos (20000) concretamente de aquellos sensores bioeléctricos (20000); en la fila o columna direccionada por el vector digital SEL. Dichos vectores digitales DATA se han denotado como TR_DATAX, donde x = 1 ··· F, siendo F el número de sensores bioeléctricos (20000) comprendidos en dicha fila o columna. En este caso, el identificador ID_CELL hace referencia al primer sensor bioeléctrico (20000) en la fila o columna seleccionada. En el resto de modos de operación, la información procede de un único sensor bioeléctrico (20000) de entre la matriz de sensores bioeléctricos (20000). Así, los vectores digitales FE_DATAy, donde y = 1 ■■■ K, representan los valores representativos de la compresión de datos realizada por el sensor bioeléctrico (20000) identificado por el código ID_CELL. También, de acuerdo con este ejemplo de realización, los vectores digitales DATA correspondientes a los modos de Configuración y Calibración consisten en un código de confirmación CONFIRM que indica la finalización de las respectivas operaciones.
La figura 6 muestra la estructura de un enrutador de señal (12000) comprendido en el nudo de comunicaciones (10000). Dicho enrutador de señal (12000) comprende:
un registro (12100) en el que se almacena, a instancias de la señal lógica de escritura DRDY, la trama de datos DCELL proporcionada por el sensor bioeléctrico (20000) asociado a dicho enrutador de señal (12000);
una memoria interna (12200) en la que se organiza dicha información en vectores digitales DATA de longitud fija;
un módulo de control (12300) que gestiona la operación del enrutador de señal (12000); y
un módulo para la transferencia de información (12400) que emplea un bus paralelo para la transmisión ordenada de los vectores digitales DATA a las máquinas de estado de transmisión de datos (1 1 100) comprendidas en el procesador central (1 1000).
El enrutador de señal (12000) permanece en estado activo en tanto esté direccionado por el vector digital SEL generado por el módulo de selección y programación (1 1090) comprendido en dicho procesador central (1 1000). Si no es así, el enrutador de señal (12000) se mantiene inactivo para así reducir el consumo de potencia del sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal. La señal de reloj que controla el funcionamiento del módulo para la transferencia de información (12400) es CLKR, dicha señal proporcionada por el módulo de temporización (1 1 1 10) comprendido en el referido procesador central (1 1000). El resto de módulos en el enrutador de señal (12000) opera con una señal de reloj CLKC.
A partir del momento en que la trama de datos DCELL proporcionada por el sensor bioeiectrico (20000) asociado al enrutador de señal (12000) está completamente almacenada en el registro (12100) y la señal lógica DRDY pasa a estado lógico bajo, el módulo de control (12300) identifica el modo de operación MODE del comando recibido y establece un protocolo de carga de la memoria interna (12200). Según dicho protocolo, el módulo de control (12300) extrae del registro (12100) cada uno de los parámetros o variables contenidos en dicha trama de datos DCELL, y los almacena a través de la conexión paralelo FILL en la posición POS de dicha memoria interna (12200), dicha posición específica para cada parámetro o variable de acuerdo con el modo de operación identificado. Independientemente, del contenido específico de la trama de datos DCELL, la primera posición de la memoria interna (12200) está cargada con el valor del vector digital MODE y la identificación del sensor bioeiectrico ID_CELL dentro de la matriz de N sensores bioeléctricos (20000). Cuando el contenido de la trama de datos DCELL se ha volcado por completo en la memoria interna (12200), el módulo de control (12300) pone en alto la señal lógica RDY para, de este modo, habilitar la transferencia de vectores digitales DATA a través del módulo para la transferencia de información (12400) en cuanto el puntero READ generado por la máquina de estado de transmisión de datos (1 1 100) direccione al enrutador de señal (12000). Tal como se mencionó con anterioridad, cuando se completa la transferencia de datos dicha máquina de estado de transmisión de datos (1 1 100) envía un pulso PD W al enrutador de señal (12000) para que este cambie la señal lógica RDV al estado lógico bajo.
Los vectores digitales DATA, una vez seleccionados por la máquina de estado de transmisión de datos (1 1 100), combinados en una trama de datos DOUT y concatenados por el convertidor paralelo-serie (1 1 120) comprendido en el módulo de codificación y decodificación (1 1001 ), forman la trama de datos SOUT para su posterior codificación por el codificador (1 1 130).
La conexión tanto de las señales lógicas RDY y PDW como del bus de salida DATA desde la pluralidad de enrutadores de señal (12000) a la máquina de estado de transmisión de información (1 1 100) comprendida en el procesador central (1 1000) se realiza mediante buffers tri-estado controlados por el puntero READ, tal como se muestra en la figura 1 . De este modo se simplifica notablemente el número de rutas necesarias para comunicar los citados elementos de circuito.
En una posible aplicación de la presente invención, el sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal se emplea como cabecera de una interfaz hombre-máquina (BMI, "brain-machine interface"). Según este posible ejemplo de aplicación, el sistema (1 ) adquiriría las señales provenientes del córtex motor y las enviaría al exterior para su posterior procesado con vistas a controlar autómatas u otros mecanismos que permitieran paliar algún tipo de deficiencia motora del paciente.
En otro posible ejemplo de aplicación de la presente invención, el sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal se incorpora en un sistema en lazo cerrado para la detección y tratamiento de ataques epilépticos mediante técnicas de neuromodulación. En esta aplicación, la activación de los neuroestimuladores estaría dictada por el análisis de las señales proporcionadas por el sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal.
La presente invención no debe verse limitada a la forma de realización aquí descrita. Otras configuraciones pueden ser realizadas por los expertos en la materia a la vista de la presente descripción. En consecuencia, el ámbito de la invención queda definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . Sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal que comprende:
- una pluralidad de sensores bioeléctricos (20000),
- un transceptor inalámbrico (30000) que comprende un transmisor (32000) y un receptor (33000),
- un nudo de comunicaciones (10000) conectado entre la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) y el transceptor inalámbrico (30000), - una pluralidad de electrodos intracraneales (60000), que capturan actividad neuronal, conectados a la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000),
- una pluralidad de unidades de calibración (50000) conectadas a la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) para ajusfar unas características de transferencia de la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000), y
- un módulo de gestión de potencia y síntesis de reloj (40000) para la gestión del nudo de comunicaciones (10000), caracterizado por que:
- el nudo de comunicaciones (10000) está configurado para transmitir datos bidireccionalmente entre la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) y el transceptor inalámbrico (30000) de forma que:
o en el sentido de transmisión de datos desde el transceptor inalámbrico (30000) hacia los sensores bioeléctricos (20000), el nudo de comunicaciones (10000), gestiona una configuración de parámetros, una calibración y un modo de operación de los sensores bioeléctricos (20000) y, o en el sentido de transmisión de datos desde los sensores bioeléctricos (20000) hacia el transceptor inalámbrico (30000), colecta, seria y conforma información neuronal de una señal neuronal capturada por la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000).
2. Sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según la reivindicación 1 , caracterizado por que los sensores bioeléctricos (20000) comprenden:
- unos medios de amplificación y filtración de la señal neuronal capturada desde los electrodos intracraneales (60000),
- unos medios de calibración automática de unos niveles máximos de tensión y una banda de frecuencia de la señal neuronal acondicionada por los medios de amplificación y filtración;
- unos medios de conversión de la señal neuronal acondicionada del dominio analógico al digital;
- unos medios de compresión de la información neuronal capturada; y
- unos medios de almacenamiento temporal de dicha información neuronal capturada.
3. Sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el nudo de comunicaciones (10000) comprende:
- un procesador central (1 1000) que interpreta y aplica unas instrucciones recibidas desde el receptor (33000), procesa digitalmente las señales neuronales generadas por la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000), y codifica la información neuronal recopilada desde la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) para su posterior transmisión a través del transceptor inalámbrico (30000), y
- una pluralidad de enrutadores de señal (12000) que implementan una interfaz de datos entre la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) y el procesador central (1 1000), donde cada enrutador de señal (12000) está asociado y conectado eléctricamente a un único sensor bioeléctrico (20000).
4. Sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el procesador central (1 1000) comprende:
• un módulo de codificación y decodificación (1 1001 ) para el intercambio de información con el transceptor inalámbrico (30000);
• un módulo de recepción y clasificación de datos (1 1002) para la interpretación de las instrucciones recibidas desde el transceptor inalámbrico (30000);
• un módulo de memoria de instrucciones y parámetros (1 1003) para almacenar la configuración del sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal; y
• un módulo de selección, configuración y adquisición (1 1004) que sirve de interfaz con los enrutadores de señal (12000) que transfieren la información generada por la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000).
5. Sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según la reivindicación 4, caracterizado por que el módulo de codificación y decodificación (1 1001 ) para el intercambio de información con el transceptor inalámbrico (30000) comprende: en un sentido de las comunicaciones:
• un sincronizador de datos (1 1010) que alinea unos flancos de una señal demodulada proporcionada por el receptor (33000) con una señal de reloj maestra generada por el módulo de gestión de potencia y síntesis de reloj (40000); y
• un decodificador (1 1020) que decodifica dicha señal demodulada mediante la conversión de la señal demodulada a un código binario,
en el otro sentido de las comunicaciones:
• un convertidor paralelo-serie (1 1 120) que seria una señal con unos datos de salida proporcionados por el procesador central (1 1000), tras recibir una señal de activación; y
• un codificador (1 1 130) que codifica la señal senada con los datos de salida a un formato de señal definido en el transmisor (32000) para su posterior modulación por dicho transmisor (32000).
6. Sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según la reivindicación 4 o 5, caracterizado por que el módulo de recepción y clasificación de datos (1 1002) para la interpretación de las instrucciones recibidas desde el transceptor inalámbrico (30000) comprende:
• un registro de datos (1 1030) que almacena una trama de datos DATA_DEC de una instrucción recibida por el decodificador (1 1020);
• un módulo de validación CRC (1 1040) para verificar la integridad de la trama de datos DATA_DEC;
• un identificador de comando (1 1050) que analiza el contenido del registro de datos (1 1030) y genera un vector digital MODE representativo de un modo de operación especificado en la instrucción recibida; y
• una pluralidad de máquinas de estado de recepción de datos (1 1060) que se habilitan selectivamente de acuerdo con un valor del vector digital MODE.
7. Sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según la reivindicación 4, 5 o 6, caracterizado por que el módulo de memona de instrucciones y parámetros (1 1003) para almacenar la configuración del sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal comprende:
• una pila de datos (1 1070) en la que se vuelcan, sobrescribiendo datos previos, un cualificador QERS, un rango de aplicación y unos parámetros de configuración, si los hubiere, identificados por las máquinas de estado de recepción de datos (1 1060); y
• una memoria no volátil (1 1080) en donde se almacenan unos valores por defecto,
donde la pila de datos (1 1070) carga los valores almacenados por defecto en la memoria no volátil (1 1080), desde donde se transfieren a la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000).
8. Sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según la reivindicación 4,5,6 o 7, caracterizado por que el módulo de selección, configuración y adquisición (1 1004) que sirve de interfaz con los enrutadores de señal (12000) que transfieren la información generada por la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) comprende:
• un módulo de selección y programación (1 1090);
• una pluralidad de máquinas de estado de transmisión de datos (1 1 100); y • un bloque de temporización (1 1 1 10) para una generación de señales de reloj escaladas en frecuencia a partir de la señal de reloj maestra.
9. Sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los enrutadores de señal (12000) comprenden: un registro (12100) en el que se almacena la información neuronal proporcionada por la pluralidad de sensores bioeléctricos
(20000),
una memoria interna (12200) en la que se organiza la información neuronal en unos vectores de longitud fija,
un módulo de control (12300) que gestiona cada enrutador de señal (12000), y
un módulo para la transferencia de información (12400) que comprende un bus paralelo para transmitir ordenadamente los vectores de longitud fija a las máquinas de estado de transmisión de datos (1 1 100).
10. Sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la pluralidad de electrodos intracraneales (60000) están seleccionados entre:
- unos electrodos electrocorticográficos sub-durales,
- unos electrodos penetrantes intracorticales,
- una sonda cerebral profunda con puntos de sensado, y
- una combinación de los anteriores.
1 1 . Sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el número de sensores bioeléctricos (20000) coincide con el número de electrodos intracraneales (60000) y con el numero de enrutadores de señal (12000).
12. Método de adquisición y transferencia de actividad neuronal que emplea el sistema (1 ) definido en las reivindicaciones 1 a 1 1 , caracterizado por que el nudo de comunicaciones (10000) comprende:
- en el sentido de transmisión de datos desde el transceptor inalámbrico (30000) hacia la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000):
• activar, dimensionar y calibrar la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000), de acuerdo con unas instrucciones recibidas desde el transceptor inalámbrico (30000), para la captura y compresión de actividad neuronal,
· corregir las desviaciones de unos circuitos analógicos de amplificación y filtrado comprendidos en los sensores bioeléctricos (20000), y
- en el sentido de transmisión de datos desde la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) hacia el transceptor inalámbrico (30000):
• transferir los datos capturados por la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) al transceptor inalámbrico (30000) para monitorizar externamente la actividad neuronal mediante un lector extracraneal.
13. Método de adquisición y transferencia de actividad neuronal según la reivindicación 12, caracterizado por que los sensores bioeléctricos (20000), en el sentido de transmisión de datos desde el transceptor inalámbrico (30000) hacia la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) comprenden dos modos de operación: • un Modo de Configuración mediante el que se definen los parámetros de operación de los sensores bioeléctricos (20000) para capturar y comprimir la actividad neuronal, y
• un Modo de Calibración mediante el que se corrigen de forma automática las desviaciones de los medios de amplificación y filtrado comprendidos en los sensores bioeléctricos (20000).
14. Método de adquisición y transferencia de actividad neuronal según la reivindicación 12 o 13, caracterizado por que los sensores bioeléctricos (20000), en el sentido de transmisión de datos desde la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) hacia el transceptor inalámbrico (30000), comprenden dos modos de operación:
- un Modo de Seguimiento de Señal: se transfiere la actividad neuronal completa, capturada y digitalizada desde la pluralidad de electrodos intracraneales (60000), - un Modo de Compresión de Datos: se transfiere actividad neuronal relativa a unos potenciales de acción neuronales detectados desde la pluralidad de electrodos intracraneales (60000).
15. Método de adquisición y transferencia de actividad neuronal según la reivindicación 14, caracterizado por que en el modo de compresión de datos, el nudo de comunicaciones (10000) comprende:
- detectar unos eventos mediante unos medios de procesamiento digital empotrado realizando un examen cíclico de los sensores bioeléctricos (20000), - identificar aquellos sensores bioeléctricos (20000) en donde se ha constatado un potencial de acción neuronal,
- conformar una trama de datos por cada sensor bioeléctrico (20000) en donde se ha producido el evento, y
- seriar las tramas de datos generadas para su posterior transmisión inalámbrica a través del transceptor inalámbrico (30000).
16. Método de adquisición y transferencia de actividad neuronal según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que cada modo de operación comprende una trama de datos de entrada al procesador central, donde cada trama de datos comprende seis campos:
- un primer campo que define un preámbulo;
- un segundo campo que define el modo de operación de los sensores bioeléctricos (20000);
- un tercer campo que define un rango de aplicación entre los sensores bioeléctricos (20000);
- un cuarto campo que define un cualificador particularizado para cada modo de operación, que direcciona agrupaciones de parámetros o define variables de ejecución de los modos de operación,
- un quinto campo que define un conjunto de parámetros de configuración para los sensores bioeléctricos (20000) seleccionados por dicho rango de aplicación, y
- un sexto campo que define un código de redundancia cíclica CRC.
17. Método de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el procesador central (1 1000): - interpreta instrucciones recibidas desde el receptor (33000), - gestiona los modos de operación de la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000),
- ordena, procesa, formatea y envía al transceptor inalámbrico (30000) las señales neuronales transmitidas por la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) y transferidas al nudo de comunicaciones (10000) a través de los enrutadores de señal (12000), y
- opera con una señal de reloj maestra proporcionada por el módulo de gestión de potencia y síntesis de reloj (40000).
18. Uso del sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal definido en las reivindicaciones 1 a 1 1 como cabecera de una interfaz hombre- máquina.
19. Uso del sistema (1 ) de adquisición y transferencia de actividad neuronal según la reivindicación 18 donde el sistema (1 ) comprende la adquisición de unas señales provenientes de un córtex motor.
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