WO2016030560A1 - Canal de sensado neuronal y procedimiento de sensado neuronal - Google Patents

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WO2016030560A1
WO2016030560A1 PCT/ES2015/070622 ES2015070622W WO2016030560A1 WO 2016030560 A1 WO2016030560 A1 WO 2016030560A1 ES 2015070622 W ES2015070622 W ES 2015070622W WO 2016030560 A1 WO2016030560 A1 WO 2016030560A1
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WO
WIPO (PCT)
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signal
sensing channel
neuronal
discrimination
module
Prior art date
Application number
PCT/ES2015/070622
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manuel DELGADO RESTITUTO
Alberto RODRÍGUEZ PÉREZ
Ángel RODRÍGUEZ VÁZQUEZ
Original Assignee
Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic)
Univesidad De Sevilla
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic), Univesidad De Sevilla filed Critical Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic)
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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements

Definitions

  • the present invention discloses a neuronal sensing channel whose function is the acquisition, digitization and processing of neuronal signals captured by an intracranial micro-electrode and associated procedures.
  • the sensing channel object of the present invention comprises means of real-time data compression that allow to obtain a simplified representation of the detected action potentials.
  • neuronal data acquisition and transfer systems have the task of monitoring and transferring the electrical activity captured from a plurality of intracranial micro-electrodes.
  • these systems comprise a plurality of sensing channels, also referred to as bioelectric sensors, which individually amplify and condition the neural signal captured from each of the intracranial micro-electrodes.
  • These analog signals are subsequently subjected to a scanning process and, once digitized, are processed in the digital domain and coded with a view to their subsequent transmission, preferably by wireless means.
  • the implantable systems for acquiring and transferring known neuronal data comprise means and procedures for the compression of information with a view to reducing the rate of sending data abroad and thus reducing the power consumption of the system in its set.
  • SoC micro-electronic
  • the sensing channels included in said system do not include all the necessary functionality.
  • the sensing channels comprise an analog header amplification and signal conditioning, but do not contemplate the implementation of means for data conversion and compression.
  • documents US2010106041 “Systems and methods for multichannel wireless implantable neural recording” and US2012302856 “Distributed, minimally-invasive neural interface for wireless epidural recording” describe implantable neural data acquisition and transfer systems where data conversion It is performed locally on the sensing channels.
  • none of these proposals contemplates the use of data compression techniques.
  • a sensing channel for an implantable neuronal data acquisition and transfer system comprising means for amplifying and filtering the neural signal captured from an intracranial micro-electrode, means for automatically adjusting the levels voltage maximums and the frequency band of the signal conditioned by said amplification and filtering means; means for converting the conditioned neuronal signal from analog to digital domain; means for detecting in real time the appearance of neuronal impulses; means for characterizing the time-voltage morphology of the detected impulses to thereby compress the captured information; and, preferably, means for temporarily storing said information.
  • the present invention may comprise various methods for data compression such as, for example, the extraction of main components (PCA), the calculation of parameters derived from a Hanning filtering, or the conformation with model waves (in English, "wavelet analysis"), in a preferred configuration of the present invention, the compression of the neuronal impulses is carried out in real-time and uses techniques of linear approximation to sections in the digital domain.
  • PCA main components
  • Hanning filtering the calculation of parameters derived from a Hanning filtering
  • conformation with model waves in English, "wavelet analysis”
  • a sensing channel offers four modes of operation: i. Configuration Mode, by means of which the operating parameters of the different means included in said channel are defined and the boundary conditions for the execution of the other modes of operation are established.
  • I. Calibration mode by which the deviations of the means involved in the amplification and filtering of the neuronal signal captured from an intracranial electrode are automatically corrected.
  • i. Signal Tracking Mode through which brain activity acquired through the sensing channel is acquired, conditioned, filtered and digitized. This mode of operation is, in fact, the only one available in the Most bioelectric sensors reported in the literature.
  • the sensing channel remains in a dormant state and, therefore, does not transmit any information abroad, as long as it does not detect a neuronal impulse.
  • the activity of the data compression means is determined by the events that occur.
  • the compression means operate at the same speed as the data rate of the data converter included in the sensing channel.
  • the sensing channel offers a modular solution that facilitates the integration of implantable neuronal data acquisition and transfer systems with an arbitrary number of intracranial micro-electrodes and simplifies data serialization procedures.
  • the sensing channel does not incur a substantial increase in area and power consumption.
  • the complete sensing channel occupies an area of 0.016 mm 2 and the dissipation of the specific circuitry for data compression, when active, is of the order of 200 nW.
  • a neuronal sensing channel comprising:
  • connection means to at least one electrode
  • the local data processor comprises a data compression module and wherein said data compression module comprises a first signal discrimination sub-module that discriminates the sections of the neuronal signal or the digitized neuronal signal that they fall within a range of discrimination determined and a second digital compression sub-module comprising means for parameterization of at least part of the digitized neuronal signal having a compressed signal as output.
  • said compressed signal is a binary and / or serial signal.
  • the parameterization means parameterize the part of the digitized neuronal signal that has not been discriminated by the signal discrimination sub-module.
  • the expression "parametrization” must be interpreted in its broadest sense, that is, to convert a set of data into a smaller amount of data that are representative of that set. For example, it is possible to parameterize a set of values taken in different time spaces in a linear manner by means of the lowest value data, the highest value data, and the time that has elapsed between the taking of said data. In this way, less information is used to define the data set.
  • parametrization techniques in the art that could be applied analogously to the invention without departing from the inventive concept described herein.
  • the signal discrimination sub-module has an upper threshold and a lower threshold that define the aforementioned discrimination range.
  • said discrimination sub-module confirms the existence of an action potential or, in other words, parts of the neuronal signal that have information of interest to the sensing channel and that contain information that must be transmitted.
  • These thresholds can be analog thresholds (the discrimination sub-module operates with analog signals prior to the analog-digital converter) or digital thresholds (the discrimination sub-module operates with digital signals after the analog-digital converter).
  • the signal discrimination sub-module operates in the digital domain
  • said signal discrimination sub-module has the digitized neuronal signal at its input and the digital compression sub-module provides the signal at its input output of the signal discrimination sub-module.
  • the signal discrimination sub-module operates in the analog domain for which the neuronal signal and its output would be arranged at its input It would be connected to the digital analog converter which, after its conversion to the digital neural signal, would proceed to transmit this signal to the digital compression sub-module for parameterization.
  • the parameterization means are sections of linear parameterization in sections and, preferably, the signal compressed by means of the parameterization means contains amplitude values and temporal values. These values correspond to the coordinates in the time-tension plane of significant milestones for the linear representation of action potentials such as voltage peaks or threshold crossings.
  • said milestones may be amplitude values.
  • a first amplitude value for example, a maximum peak
  • a second amplitude value for example, a minimum peak
  • a time-dependent value, or temporal value may be the elapsed time. between the maximum peak and the minimum peak.
  • the amplitude values do not necessarily have to be amplitude peaks, in fact, in embodiments of the present invention, some of the amplitude values may be one of the threshold values that define the discrimination range.
  • the temporal values of a linear parameterization along sections of an action potential are calculated by counting the pulses of a clock associated with the sensing channel.
  • the compressed signal can be sent to a signal receiving device by wireless means for which the sensing channel must comprise wireless transmission means or be connected to wireless transmission means external to the channel.
  • the present invention discloses a method of sensing neuronal activity comprising the steps of:
  • step b) digitization, by means of an analog-digital converter, of at least part of the signal acquired and conditioned in step b);
  • step e) discrimination of at least part electrical signals of stages b) or c) that are in a previously defined range of discrimination; said method further comprising a step e) in which the digitized signal obtained after the completion of steps c) or d) is compressed by means of a parameterization giving as output a compressed signal.
  • This parameterization can be a real-time parameterization.
  • the discrimination of the electrical signals of step d) can be performed in the analog or digital domain.
  • the parameterization of step e) is a linear parameterization in sections in the time-voltage plane.
  • the parameterization has as input the digitized signal and the compressed signal comprises amplitude values (such as, for example, maximum and minimum peak values) and at least one time-related value (such as time elapsed between the maximum and minimum peak values) that approximate the morphology in the time-tension plane of the detected action potential.
  • the amplitude values do not necessarily have to be amplitude peaks, in fact, in embodiments of the present invention, some of the amplitude values may be one of the threshold values that define the range of discrimination.
  • the time dependent value may be a value associated with the time elapsed to the amplitude value object of the parameterization and the discrimination range
  • the time dependent value is calculated by the pulse count of a clock of the channel of the sensing channel.
  • the present invention contemplates the possibility of including a step f) in which the compressed signal is sent to at least one device external to the sensing channel.
  • Figure 1 shows the structure of a sensing channel for capture , digitization and processing of neural signals according to the present invention.
  • Figure 2 shows an exemplary embodiment of a data processor of the type comprised by the sensing channel of Figure 1.
  • Figure 3 shows an embodiment of the data compression module of the type included in the data processor of a sensing channel, in accordance with the present invention.
  • Figure 4 shows the linear representation in sections in the time-tension plane of a neuronal action potential.
  • Figures 5a, 5b and 5c show a flow chart of an example of the data compression procedure that could be carried out in an example of a sensing channel compression module according to the present invention.
  • the flowchart does not fit completely on a single page, so, for clarity, a first phase is shown in Figure 5a, as well as a second phase, following the first phase, in Figure 5b and a third phase, following the second phase, in Figure 5c.
  • Figure 6a shows an example of a neuronal signal obtained by an electrode as well as a graphic representation of said compressed neuronal signal.
  • Figure 6b shows examples of possible compressed signals obtained by a device according to the present invention.
  • FIG. 1 shows a sensing channel (10000) for the capture, digitization and processing of neural signals, in accordance with the present invention.
  • Said channel of sensing (10000) comprises a low noise amplifier (1000) (called LNA, for its acronym in English, “Low Noise Amplifier”) to amplify the potential difference between the electrical signals coming, on the one hand, from an electrode reference (30000) and a biopotential electrode (20000); a circuit (12000) to estimate artifacts due, for example, to alterations in the impedance of the interface between tissue and electrode or to the application of electromodulation therapies, which can potentially contaminate the signal captured by the low noise amplifier (1 1000 ); a variable gain amplification element (13000) to adjust the voltage levels of the signal provided by the low noise amplifier (1000) once the signal generated by the circuit (12000) has been subtracted for the estimation of artifacts; an analog-to-digital converter (14000) (called ADC), “Analogue-to-Digital Converter”) to digitize the signal provided
  • header should be interpreted as the subset of elements of a sensing channel comprising a low noise amplifier (1000) a variable gain amplification element (13000).
  • variable gain amplification element (13000) this can be comprised of a programmable gain amplifier (13001) (of the type known as PGA, for its acronym in English, “Programmable Gain Amplifier”) and a cancellation loop of offset (13002) (called OCL, for its acronym in English, “Offset Cancellation Loop”) to eliminate the components in direct current at the input of the analog-digital converter (14000) caused by the imbalances at the inputs of both the amplification element variable gain (13000) as of the low noise amplifier (1 1000).
  • PGA programmable gain amplifier
  • OCL for its acronym in English, "Offset Cancellation Loop
  • the output signal of the biopotential electrode (20,000) is the electrical response captured by said biopotential electrode (20,000), which serves as an interface between the tissue whose electrical activity is to be monitored and the sensing channel (10,000).
  • the output signal of the reference electrode (30000) is a voltage extracted from said reference electrode (30000) that offers a lower input impedance than the biopotential electrode (20000) and serves as a reference for the operation of the bass amplifier noise (1 1000) and circuit for estimating artifacts (12000).
  • the sensing channel (10000) includes electrostatic discharge protection elements (called ESD) at the connection points with the electrode biopotential (20000) and the reference electrode (30000).
  • ESD electrostatic discharge protection elements
  • the means and procedures associated with the calibration of a sensing channel (10000) according to the present invention can be activated by changing the state of an internal signal, so that the inputs of the low noise amplifier (1000) are they disconnect from the biopotential (20000) and reference (30000) electrodes, and connect to analog calibration signals with preset characteristics.
  • Such calibration means and procedures are widely known in the prior art.
  • both the low frequency cutoff frequency and the high frequency cutoff frequency of the head of the sensing channel (10000), as well as the gain of the variable gain amplification element (13000) are programmable in the sense that they can be modified electronically, for example, by means of a configuration module and / or by an instruction reading module that will be explained in greater detail by referring to Figure 2.
  • the output of the analog-digital converter (14000) is a digitized signal (14001) in the form of a vector and stored in an internal register of said analog-digital converter (14000) . With each update of said register, corresponding to a new digitalization of the output signal of the variable gain amplifier (13000), the converter (14000) emits an end pulse (14002), representative of the end of the conversion process.
  • inputs such as a periodic pulse train can be highlighted to sequence the operation of said sensing channel (10000) (i.e. clock pulses), a programming input for sequential loading of a configuration vector, an enable signal to execute said configuration vector once loaded, a data vector for selecting and activating the sensing channel (10000), etc.
  • the sensing channel (10000) can have a serial data output (10002) of the sensing channel (10000).
  • the structure of said serial data output signal (10002) may depend on the mode of operation specified in the configuration vector.
  • a sensing channel (10000) offers four modes of operation, according to the type of instruction received through the configuration vector: i. Configuration Mode, by means of which the operating parameters of the different means included in the sensing channel (10000) are defined and the boundary conditions for the execution of the other modes of operation are established.
  • Signal Tracking Mode through which brain activity acquired through the sensing channel (10,000) is acquired, conditioned, filtered and digitized.
  • FIG. 2 shows the block diagram of an example of a local data processor (15000) comprised in a sensing channel (10000).
  • Said local data processor (15000) comprises: an instruction reading module (15100); a parameter store (15200) where the configuration parameters (15101) of the sensing channel (10000) contained in the instructions received by said instruction reading module (15100) are archived; a configuration module (15300); a data compression module (15400); and a data transmission module (15500) that has various outputs of the sensing channel (10000) and generates, among others, an enable signal.
  • the instruction reading module (15100) can have an input for a vector for the activation of the sensing channel (10000).
  • the instruction reading module (15100) disaggregates the contents of an example configuration vector, on the one hand, identifying the mode of operation of the sensing channel (10000) among the four possible modes, on the other, identifying the qualifiers (15102) of said commands and, on the other, identifying the associated configuration parameters (15101).
  • the qualifiers (15102) are particularized depending on the mode of operation of the sensing channel (10000) being different for the Configuration Mode, Calibration Mode or Data Compression Mode (151021) (illustrated in Figure 2).
  • the Signal Tracking Mode has no qualifiers (15102) associated.
  • only the frames associated with Configuration and Calibration operation modes contain configuration parameters (15101) in that, for example, the Data Compression Mode (151021) is an enablement instruction of said module.
  • the configuration module (15300) is enabled when the instruction reading module (15100) identifies a command linked to the configuration mode in which case an enable signal (15301) of the configuration module (15300). In any other mode of operation, said configuration module (15300) remains disabled.
  • the purpose of the configuration module (15300) is the validation of the correct writing in the parameter store (15200) of the parameters contained in the configuration vector. Once the instruction reading module (15100) registers in the parameter store (15200) the configuration parameters (15101) associated with the received command, the configuration module (15300) receives a validation signal (15302) and conforms a vector representative of the configuration mode and a specific pattern that informs the correct writing of said configuration parameters (15101) in the parameter store (15200).
  • the local data processor (15000) comprises an additional calibration module (not shown) that is enabled when the instruction reading block (15100) identifies a command linked to the Calibration Mode that can be activated and deactivated by signals from the instruction reading module (15100) in a manner similar to the data compression module (15400).
  • the purpose of the calibration module is the automatic programming of the set of values of cut-off frequencies and variable gain so that the passing band of the header of the sensing channel (10000) only includes the spectral content of the signal being monitored and that The amplification level provided by the variable gain amplifier (13000) is set to the desired value.
  • An example of automatic cut-off frequency calibration can be performed using a closed loop system that uses a frequency synthesizer such as reference unit
  • the programming of the tone frequency generated by said synthesizer is done through representative digital words.
  • the generated tone is matched to the desired value for the cutoff frequency.
  • the calibration process of said cut-off frequency begins after the time necessary to stabilize the feedback loop.
  • the automatic adjustment can be made by monitoring, for a period of time, of the amplitude peaks of the signal provided by the variable gain amplifier.
  • the purpose of the data compression module (15400) is the extraction and processing of some of the characteristics of brain activity with a view to reducing the bandwidth of the signal transmitted by the sensing channel (10000).
  • the data compression module (15400) is responsible for the detection and characterization of the time-tension morphology of the neuronal action potentials captured by the head of the sensing channel (10000).
  • the transfer of information from the data compression module (15400) through the compressed output (15401) only occurs when the extraction of the characteristics of an action potential has been detected and completed. Under any other circumstance, said compressed output (15401) remains inactive. Consequently, the data transfer is based on events, linked to the presence of action potentials in the captured neuronal signal, and is not carried out continuously. This implies, in comparison with the Signal Tracking mode of operation, a considerable reduction in the rate of data sent from a sensing channel (10,000) in accordance with the present invention.
  • the data compression module (15400) monitors the digitized signal (14001) generated by the analog-digital converter (14000) comprised in the sensing channel (10000) and identifies the presence of neuronal action potentials by the detection of the moments in which said sequence exceeds the band of values between an upper threshold (15563) and a lower threshold (15564) that define a range of discrimination.
  • the module of Data compression (15400) activates a real-time procedure whereby the voltage values and time intervals necessary to construct the linear representation are determined by sections of the detected potential.
  • the present invention has, on the one hand, a discrimination sub-module in charge of verifying the presence of action potentials in the captured neuronal signal, which happens when said signal exceeds a defined discrimination range by an upper threshold (15563) and a lower threshold (15564); and said discrimination sub-module can be digital, as explained above, or analog, by means of a preprocessing to the analog-digital converter (14000).
  • the discrimination sub-module is responsible for eliminating signals that do not correspond to action potentials from the compression process (or discriminate).
  • two thresholds are defined that define said discrimination range and that can be previously configured by the user or come defined by automatic calibration techniques known in the art.
  • the present invention has a digital compression sub-module in which a digital compression of data is performed by compression techniques, for example, by linear approach to sections.
  • These sub-modules are contained in the block of linear approximation to sections (15570).
  • a register (15580) the data of the linear approximation to sections made by said block of linear approximation to sections (15570) are temporarily stored; and two structurally identical entities, a positive threshold adaptation structure (15501) and a negative threshold adaptation structure (15502), which when enabled allow the dynamic adjustment of said threshold voltages against potential variations in the noise background of the signal captured by the header of the sensing channel (10000).
  • the data compression module (15400) may additionally comprise a configuration sub-module for the activation and establishment of the operating parameters of the different elements of the structure.
  • an SPD parameter that indicates the number of clock periods comprising the estimated duration of a neuronal action potential can be available, said parameter can be used by the linear approach block section (15570) for the detection and linear approach to action potential sections.
  • the threshold adaptation structures (15501, 15502), they operate, respectively, with the positive and negative values of the digitized signal (14001) provided by the analog-digital converter (14000).
  • the distinction between positive values (1401 1), and negative values (14012) of said digitized signal (14001), is made by a digital comparator (14030) and a first demultiplexer (14010 ).
  • the same output of said digital comparator (14030) is used to distinguish, with the help of a second demultiplexer (14020), both the positive conversion end pulse (14021) and the negative conversion end pulse (14022) linked, respectively , to the positive values (1401 1), and the negative values (14012) of said digitized signal (14001).
  • both adaptation structures of the threshold voltages (15501, 15502) can operate simultaneously. Except for the input data (positive values (1401 1) and negative values (14012)) and corresponding outputs (upper threshold (15563) and lower threshold (15564)), there are no structural or operational differences between both adaptation structures of the threshold voltages (15501, 15502) so, for simplicity, only the detail of the adaptation structure of the positive threshold voltage (15501) will be described.
  • the positive threshold voltage adaptation structure (15501) comprises: a programmable pulse counter (15520) whose period, controlled by a "UPR" parameter, is configurable by the user; a digital accumulator consisting of an adder (15530) and a register (15540); and an output stage formed by a forming block (15550) and an adder (15560).
  • the operation of the positive threshold voltage adaptation module (15501) is as follows. Once said structure is enabled, each new value of the positive values (1401 1) of the digitized signal (14001) is accumulated in the register (15540), while increasing by one the value stored in the programmable pulse counter ( 15520) at the end of the positive conversion end pulse (14021) associated with said positive value (1401 1).
  • the programmable pulse counter (15520) triggers a DUMP signal (15522) that dumps the register contents (15540 ) in the forming block (15550).
  • the length of both the adder (15530) and the register (15540) is N + UPR, where N is the size of the input vectors of the positive values (1401 1). Then, after a clock cycle, the contents of said register (15540) are canceled and the described accumulation and counting procedure begins again.
  • the conformation module (15550) extracts from the register (15540) the N bits between the N + UPR-2 position and the UPR-2 position, which essentially amounts to shifting the contents of the two positions (multiplying by four) register (15540) and take the most significant N bits. The result of the extraction is saved in another register included in the conformation module itself (15550). According to the state of the art document "Michael Rizk and Patrick D. Wolf (2009). Optimizing the automatic selection of spike detection thresholds using a multiple of the noise level. Med Biol Eng Comput (2009) 47: 955-966 "and" R. Quian Quiroga, Z. Nadasdy and Y. Ben-Shaul (2004).
  • an amplitude value vector (15572), a temporal value vector (15573), a threshold vector (15574) composed of the upper threshold voltages (15563) can be mentioned and lower (15564), and / or an approach completion signal (15575), on the other hand, another of the outputs may be an operating pulse (15571) to indicate that the linear approach block section (15570) is in use and finally, after the passage of said outputs through the register (15580) the compressed signal (15401) is generated.
  • an operating pulse (15571 to indicate that the linear approach block section (15570) is in use and finally, after the passage of said outputs through the register (15580) the compressed signal (15401) is generated.
  • Figure 4 illustrates the real-time procedure of representation in the time-tension plane of the action potentials performed by the linear approach block to sections (15570). Said representation procedure is activated every time the digitized signal (14001) generated by the analog-digital converter (14000) exceeds the range of discrimination between an upper threshold (15563) and a lower threshold (15564).
  • Figure 4 shows a case in which the action potential begins with a transition towards values above the upper threshold (15563), this aspect is by no means limiting the present invention, and transitions in the opposite direction are equally susceptible of representation using the same procedure.
  • this figure shows a graphic representation of the neuronal signal (1), in a broken line, as well as a representation of an example of linear approximation to sections, in a continuous line, for said neuronal signal (1).
  • the representation in the time-voltage plane made by the linear approach block section (15570) comprises two amplitude values (a first voltage value Vp1 (155721) and a second voltage value Vp2 (155722)) and three temporal values ( ⁇ 1 (155731), ⁇ 2 (155732) and ⁇ 3 (155733)).
  • the two amplitude values correspond to the peak values of the action potential detected by the linear approach block (15570), where Vp1 (155721) is the amplitude value of the first peak (independently of whether it is positive or negative) and Vp2 (155722) the amplitude value of the second peak.
  • Vp1 (155721) is the amplitude value of the first peak (independently of whether it is positive or negative)
  • Vp2 (155722) the amplitude value of the second peak.
  • the three temporal values report the duration of the following intervals: A first interval ⁇ 1 (155731) elapsed from the detection of the action potential (when the neuronal signal (1) exceeds one of the thresholds) until the instant of the first voltage value Vp1 (155721).
  • a second interval ⁇ 2 (155732) elapsed between the instant of the first voltage value Vp1 (155721) and the instant of the second voltage value Vp2 (155722).
  • This termination is determined either by the crossing of the action potential by the upper threshold (15563) or lower (15564), closer to the second peak value Vp2 (155722) or when the time limit defined by an SPD value ( 155700) configurable by the user and transferred to the linear approach block to sections (15570) of the action potentials from a configuration block.
  • Said SPD value (155700) is expressed in clock cycles and is preferably between 2 ms and 3 ms, according to neurophysiological studies.
  • the interval ⁇ 3 (155733) takes the value:
  • the representation in the time plane- The tension made by the linear approach block section (15570) also comprises two amplitude values (a first voltage value and a second voltage value) and three temporal values.
  • the first voltage value would be the peak amplitude value detected by the linear approach block (15570) (regardless of whether it is positive or negative) and the second voltage value would be the voltage value threshold that marks the return of the action potential to the discrimination range (which is the same threshold whose crossing originated the detection of the action potential).
  • the three temporal values provide information on the duration of the following intervals: 1. A first interval elapsed from the detection of the action potential to the first voltage value.
  • a second interval elapsed between the instant of the first voltage value and the crossing of the action potential by the threshold closest to said first voltage value.
  • a third interval elapsed between the moment of the crossing of the action potential by the threshold closest to the first voltage value and the completion of the defined action potential, such as in the case of biphasic action potentials, by a defined time limit for a user-configurable SPD value (155700) and transferred to the linear approach block to sections (15570) of the action potentials from a configuration block.
  • the time intervals ⁇ 1 (155731), ⁇ 2 (155732) and ⁇ 3 (155733) are calculated by counting the pulses of a clock enabled in the 10000 sensing channel.
  • auxiliary signals and their determination from the graph shown are shown in Figure 4.
  • the approach completion signal (15575) is shown, this is a pulse that is executed for a certain time to signal that the analysis has been completed, an operating pulse (15571) indicating that a current is being performed.
  • analysis and a pulse of detection of action potentials (15576) that indicates the presence of an action potential and this pulse is maintained at 1 as long as the neuronal signal (1) remains outside the range of the discrimination range and is 0 while the Neural signal (1) remains within the range of discrimination.
  • the linear approach block (15570) of the action potentials operates in real time so that both the amplitude value vector (15572) and the temporal value vector (15573) are available at the end of the detected action potential, aspect that said linear approach block section (15570) communicates by issuing an approach completion signal (15575), as shown in Figure 3.
  • the procedure by means of which the linear approach block to sections (15570) of the action potentials dynamically determines the parameters of the representation in the time-voltage plane, is described in the flow chart of Figure 5.
  • the duration of the procedure for each action potential detected is SPD (155700).
  • FIG. 5a, 5b and 5c show, by way of example, a case in which the detection of the action potential is caused by a crossing with the upper threshold (15563), the procedure for a crossing with the lower threshold (15564) is completely dual, so it is not detailed for simplicity.
  • a first phase (5000) (shown in Figure 5a) comprises the time interval from the detection of the action potential to the return to the discrimination range defined by the upper (15563) and lower (15564) thresholds (crossing through the upper threshold (15563) in the present example).
  • the parameters ⁇ 1, Vp1 associated to the position of a first voltage peak of the detected action potential are calculated.
  • a second phase (6000) (shown in Figure 5b) it is determined whether the action potential detected is of the single-phase or two-phase type.
  • the first phase (5000) in this phase it starts (5001), arranging as inputs the values of the digitized signal (14001) which, in the following will be called TR_DATA and is analyzed for values in which TR_DATA is located, according to the example of figure 5, on the positive threshold (15560) which will be referred to as VTH +. Subsequently, values are given to the variables ⁇ 1, SPK, and PEAK (5002).
  • the first peak value is defined as the current value of TR_DATA and a CNT counter (5003) is started. Then we proceed to analyze a new data of TR_DATA (5004). Subsequently, a first decision operator (5007) analyzes whether the new value of TR_DATA is below the positive threshold VTH +. If so, it is considered that the first peak value has already been reached, so the auxiliary variable PEAK (5009) is reset, the peak value Vp1 and the interval ⁇ 1 (5010) are stored and the second phase is carried out ( 6000) after giving values to a set of control variables (501 1).
  • a second decision operator (5008) is carried out in which it is determined whether the value of TR_DATA is less than the amplitude value Vp1. If so, the counter (5005) is increased by adding one to the CNT variable and a new TR_DATA data (5004) is returned to analyze and, otherwise, ⁇ 1 (5006) is increased in the counter value CNT plus 1, the CNT variable is reset to zero and the peak value Vp1 (5003) is redefined as the current value of TR_DATA.
  • a second phase (6000) is carried out, whose task is to distinguish between single-phase and biphasic action potentials and, in the first case, provide parameters Vp2, ⁇ 2 and ⁇ 3 of the linear approximation by sections These actions will be shown with reference to Figure 5b.
  • ⁇ 2 (6001) is started for which the remaining value of the variable CNT, of the first phase (5000) is given. Subsequently, the values of Vp2 and the counter (6002) are assigned for which the current value of the digitized signal TR_DATA is assigned to the variable Vp2 and the CNT counter is reset to zero. Next, the next value of the digitized signal TR_DATA (6003) is analyzed. Through a third decision operator (6006) it is analyzed whether this value of TR_DATA is below the negative threshold value that will be referred to as hereafter VTH-. If so, the auxiliary variable PEAK is assigned a value of one (6007) and the third stage (7000) is continued.
  • a fourth decision operator (6008) analyzes whether the value of A2 + CNT is lower than the SPD parameter (which is a pre-configured parameter, such and as explained above). If said value is lower, by means of a fifth decision operator (6009), it is analyzed whether the value of the current digitized signal TR_DATA is greater than the value of Vp2, if so the CNT counter (6004) is increased by one and proceed to analyze the following value of the digitized signal TR_DATA (6003) and, otherwise, the value of ⁇ 2 in the value of the CNT counter plus one (6005) is increased and the variable Vp2 is updated with the value of TR_DATA and the CNT counter is reset to zero (6002).
  • the fourth decision operator (6008) it is determined that the value of A2 + CNT is greater than the SPD parameter, it is determined that the digitized signal corresponds to a single-phase potential and the corresponding values of the linear approximation to sections Vp2 are stored, ⁇ 2 and ⁇ 3 (6010) in which the value of Vp2 would correspond to the threshold value closest to the peak (ie the upper threshold value (15563)). Subsequently, the SPK value (601 1) is reset to indicate that the compression procedure is finished and the END pulse or END pulse is emitted and the procedure is terminated (6012).
  • the value is initiated of ⁇ 2 and the CNT counter (7001) is reset.
  • the value of ⁇ 2 is defined as the remainder of the CNT variable of the second phase (6000), the current value of the digitized signal TR_DATA is assigned to the peak value Vp2 and the CNT counter is reset to zero.
  • the next TR_DATA value (7002) is analyzed.
  • the auxiliary variable PEAK (7006) is reset, the values of Vp2 and ⁇ 2 (7007) are stored, the value of ⁇ 3 (7008) is stored ) which will be the current CNT value, a zero is assigned to the SPK variable (7009) to indicate the completion of the process and the procedure is completed (7010).
  • a seventh decision operator (701 1) is determined in which it is determined whether the value of A2 + CNT is less than The value of the pre-configured parameter SPD, if so, is carried out to an eighth decision operator (7012) in which it is determined whether the value of TR_DATA is greater than the negative peak value Vp2. If TR_DATA is greater than the negative peak value, the CNT counter (7003) is increased by one and the next TR_DATA value (7002) is analyzed, otherwise ⁇ 2 is increased in the value of the CNT counter plus one (7004) and the variable Vp2 is updated with the value of TR_DATA and the CNT counter is reset to zero (7001).
  • the seventh decision operator (701 1) it is determined that the value of A2 + CNT is greater than the value of the pre-configured parameter SPD, the data of Vp2 and ⁇ 2 (7013) are stored, it is assigned to ⁇ 3 the value of SPD-A1-A2 (7014), a zero is assigned to the SPK variable (7015) to indicate the completion of the process and the procedure is completed (7016).
  • the different calculated parameters and the value of the thresholds VTH + and VTH- se dump in a register (15580) at the time of the pulse of completion of the procedure forms a compressed signal (15401), which preferably comprises the values of Vp1, Vp2, ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, VTH + and VTH-, derived from the procedure of Figures 5a, 5b and 5c.
  • the register (15580) of the data compression module (15400) triggers a transmission pulse for the transmission means to proceed send it to an external device to the sensing channel.
  • Figure 6a shows a typical sequence of compressed signals (15401) together with the underlying neuronal signal.
  • the differences between the neuronal signal (1) picked up by the electrode and what is intended to be sent in the compressed neuronal signal (3) can be observed.
  • said neuronal signal compressed (3) only some representative parameters are stored.
  • the compressed signal (15401) remains inactive as long as an action potential is not detected.
  • the volume of data transmitted (essentially formed by the parameters of the linear characterization in sections, as exemplified for a first potential (21) and a second potential (22) in Figure 6) it is much less than if the detail of the action potentials was transmitted.
  • the data compression module (15400) provides a reduction in the signal bandwidth to be transmitted that can reach several orders of magnitude.
  • Figure 6b shows a digital representation of an example of a compressed signal (15401).
  • the signals for the first potential (21) and the second potential (22) of Figure 6a are shown. From this figure it can be seen that the parameters considered as representative of the compressed neuronal signal (3) are Vp1 (155721), Vp2 (155722), ⁇ 1 (155731), ⁇ 2 (155732) and ⁇ 3 (155733).
  • the data transmission module (15500) comprised of the local data processor (15000) multiplexes the data outputs of the sensing channel (10000).
  • said data transmission module (15500) receives at least the compressed signal (15401) and transfers it to the serial output port (10002) of the local data processor (15000).
  • a plurality of sensing channels (10,000) would be used in an implantable neuronal activity acquisition and transfer system as the head of a brain-machine interface (BMI), "brain- machine interface ").
  • BMI brain-machine interface
  • the system 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 allow to alleviate some type of motor deficiency of the patient.
  • a plurality of sensing channels (10000) would be used in an acquisition system and Implantable neuronal activity transfer together with an electrical neuromodulation mechanism for prediction and treatment of epileptic seizures.
  • the activation of neurostimulators would be dictated by the analysis of the signals provided by the implantable neuronal activity acquisition and transfer system.

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Abstract

La presente invención describe un canal de sensado (10000) para la adquisición, digitalización y procesado de señales neuronales capturadas mediante un electrodo (20000) intracraneal y los procedimientos asociados. El canal (10000) propuesto comprende medios y mecanismos para la compresión de datos en tiempo real que comprenden la discriminación y compresión mediante parametrización de una señal neuronal (1) para obtener una representación simplificada de los potenciales de acción detectados, es decir, una señal neuronal comprimida (15401). La presente invención se enmarca dentro del sector de las tecnologías físicas y más, en concreto, en el ámbito de las tecnologías de la información y las comunicaciones aplicadas a la bioingeniería.

Description

CANAL DE SENSADO NEURONAL Y PROCEDIMIENTO DE SENSADO
NEURONAL
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención da a conocer un canal de sensado neuronal cuya función es la adquisición, digitalización y procesado de señales neuronales capturadas mediante un micro-electrodo intracraneal y los procedimientos asociados.
En particular, el canal de sensado objeto de la presente invención comprende medios de compresión de datos en tiempo real que permiten obtener una representación simplificada de los potenciales de acción detectados.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Son conocidos diversos tipos de sistemas de adquisición y transferencia de datos neuronales, dichos sistemas tienen como cometido la monitorización y transferencia de la actividad eléctrica capturada desde una pluralidad de micro-electrodos intracraneales.
De manera general, estos sistemas comprenden una pluralidad de canales de sensado, también referidos como sensores bioeléctricos, que individualmente amplifican y acondicionan la señal neuronal capturada desde cada uno de los micro-electrodos intracraneales. Estas señales analógicas se someten, posteriormente, a un proceso de digitalización y, una vez digitalizadas, son procesadas en el dominio digital y codificadas con vistas a su posterior transmisión, preferiblemente por medios inalámbricos.
Como parte integrante del procesado digital, los sistemas implantables de adquisición y transferencia de datos neuronales conocidos comprenden medios y procedimientos para la compresión de información con vistas a reducir la tasa de envío de datos al exterior y así disminuir el consumo de potencia del sistema en su conjunto.
La tendencia actual es la de integrar toda la electrónica comprendida en un sistema implantable de adquisición y transferencia de datos neuronales en un único circuito micro-electrónico, referido como SoC a partir de las siglas en inglés, "System-on-Chip", preferiblemente sobre substrato de silicio por razones de coste.
En realizaciones conocidas de este tipo de sistemas implantables de adquisición y transferencia de datos neuronales, los canales de sensado comprendidos en dicho sistema no incluyen toda la funcionalidad necesaria. Por ejemplo, en los documentos US2009157141 "Wireless neural recording and stimulating system" y US8090674 y título "Integrated system and method for multichannel neuronal recording with spike/LFP separation, integrated aid conversión and threshold detection", los canales de sensado comprenden una cabecera analógica de amplificación y acondicionamiento de señal, pero no contemplan la implementación de medios para la conversión y compresión de datos. En otro caso, los documentos US2010106041 "Systems and methods for multichannel wireless implantable neural recording" y US2012302856 "Distributed, minimally-invasive neural interface for wireless epidural recording", describen sistemas implantables de adquisición y transferencia de datos neuronales en donde la conversión de datos se realiza localmente en los canales de sensado. Sin embargo, en ninguna de estas propuestas se contempla el uso de técnicas de compresión de datos.
Por otra parte, el documento US2013090706 "Methods and associated neural prosthetic devices for bridging brain áreas to improve function" propone medios y procedimientos para la compresión de las salidas digitalizadas de ocho canales de sensado. De acuerdo con esta propuesta el sistema transmite tramas de datos formadas por un preámbulo y una palabra digital de ocho bits, cada uno de los cuales asociado a un canal. El valor lógico de dichos bits depende de si en el correspondiente canal se ha detectado o no un potencial de acción. En este documento se menciona brevemente una posible realización que comprende una etapa de compresión en la que, el procesador usado para la compresión de datos, único para todo el sistema, debe emplear una frecuencia de operación 28 veces superior a la tasa de datos de salida de los convertidores de datos. En consecuencia, resulta evidente que ninguna de las realizaciones conocidas en la técnica anterior dispone de un sistema y/o un método de adquisición y transferencia de datos neuronales que disponga de mecanismos de compresión de datos aplicables cuando se disponen de múltiples canales de sensado. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención resuelve los problemas mencionados. De acuerdo con la presente invención, se proporciona un canal de sensado para un sistema implantable de adquisición y transferencia de datos neuronales que comprende medios para amplificar y filtrar la señal neuronal capturada desde un micro-electrodo intracraneal, medios para ajustar 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; medios para convertir la señal neuronal acondicionada del dominio analógico al digital; medios para detectar en tiempo real la aparición de impulsos neuronales; medios para caracterizar la morfología tiempo-tensión de los impulsos detectados para de este modo comprimir la información capturada; y, preferentemente, medios para almacenar temporalmente la citada información. Adicionalmente, la presente invención puede comprender diversos procedimientos para la compresión de datos como, por ejemplo, la extracción de componentes principales (PCA, por sus siglas en inglés, "Principal Component Analysis"), el cálculo de parámetros derivados de un filtrado Hanning, o la conformación con ondas modelo (en inglés, "wavelet analysis"), en una configuración preferente de la presente invención, la compresión de los impulsos neuronales se realiza en tiempo-real y utiliza técnicas de aproximación lineal a tramos en el dominio digital.
De acuerdo con los medios descritos, un canal de sensado de acuerdo con la presente invención ofrece cuatro modos de operación: i. Modo de Configuración, mediante el que se definen los parámetros de operación de los diferentes medios comprendidos en dicho canal y se establecen las condiciones de contorno para la ejecución de los otros modos de operación.
¡i. Modo de Calibración, mediante el que se corrigen de forma automática las desviaciones de los medios implicados en la amplificación y filtrado de la señal neuronal capturada desde un electrodo intracraneal. i¡¡. Modo de Seguimiento de Señal, mediante el que se adquiere, acondiciona, filtra y digitaliza la actividad cerebral adquirida por el canal de sensado. Este modo de operación es, de hecho, el único disponible en la mayoría de sensores bioeléctricos reportados en la literatura.
Modo de Compresión de Datos, mediante el que se detectan y procesan los potenciales de acción contenidos en la señal neuronal capturada por el canal de sensado. De acuerdo con la presente invención, el canal de sensado permanece en estado latente y, por tanto, no transmite ninguna información al exterior, en tanto en cuanto no detecta un impulso neuronal. De este modo, la actividad de los medios de compresión de datos está determinada por los eventos que se producen. Una vez detectado un potencial de acción, los medios de compresión operan a la misma velocidad que la tasa de datos del convertidor de datos comprendido en el canal de sensado.
El canal de sensado, de acuerdo con la presente invención, ofrece una solución modular que facilita la integración de sistemas implantables de adquisición y transferencia de datos neuronales con un número arbitrario de micro-electrodos intracraneales y simplifica los procedimientos de serialización de datos. Además, pese a la superioridad en medios, procedimientos y funcionalidad frente a soluciones convencionales, el canal de sensado no incurre en un incremento sustancial de consumo de área y potencia. De hecho, de acuerdo con un ejemplo de realización, el canal de sensado completo ocupa un área de 0.016 mm2 y la disipación de la circuitería específica para la compresión de datos, cuando está activa, es del orden de 200 nW.
En particular, la presente invención da a conocer un canal de sensado neuronal que comprende:
• medios de conexión a al menos un electrodo;
• medios de acondicionamiento y/o adquisición de la señal capturada mediante el electrodo que disponen como salida una señal neuronal;
• un convertidor analógico-digital que transforma la señal neuronal en una señal neuronal digitalizada;
• medios de transmisión de datos; y
• al menos un procesador local de datos
en el que el procesador local de datos comprende un módulo de compresión de datos y en el que dicho módulo de compresión de datos comprende un primer sub-módulo de discriminación de señales que discrimina las secciones de la señal neuronal o de la señal neuronal digitalizada que se encuentran comprendidas en un rango de discriminación determinado y un segundo sub-módulo de compresión digital que comprende medios de parametrización de, al menos, parte de la señal neuronal digitalizada disponiendo como salida una señal comprimida. Preferentemente, dicha señal comprimida es una señal binaria y/o serial.
En realizaciones particulares de la presente invención, los medios de parametrización parametrizan la parte de la señal neuronal digitalizada que no ha sido discriminada por el sub-módulo de discriminación de señales. Se debe interpretar la expresión "parametrización" en su sentido más amplio, es decir, convertir un conjunto de datos en una menor cantidad de datos que son representativos de dicho conjunto. Por ejemplo, se puede parametrizar un conjunto de valores tomados en diferentes espacios de tiempo de manera lineal mediante el dato de menor valor, el dato de mayor valor, y el tiempo que ha transcurrido entre la toma de dichos datos. De esta manera, se utiliza menos información para definir el conjunto de datos. Asimismo, existen en la técnica diferentes técnicas de parametrización que se podrían aplicar de manera análoga a la invención sin alejarse del concepto inventivo aquí descrito.
En cuanto al sub-módulo de discriminación de señal dispone de un umbral superior y un umbral inferior que definen el citado rango de discriminación. Cuando la amplitud de una señal recibida por el sub-módulo de discriminación de señal es mayor que el umbral superior o menor que el umbral inferior, dicho sub-módulo de discriminación constata la existencia de un potencial de acción o, en otras palabras, partes de la señal neuronal que poseen información de interés para el canal de sensado y que contienen información que debe ser transmitida. Estos umbrales pueden ser umbrales analógicos (el sub-módulo de discriminación opera con señales analógicas previas al convertidor analógico-digital) o umbrales digitales (el sub-módulo de discriminación opera con señales digitales posteriores al convertidor analógico-digital). En el caso en el que sub-módulo de discriminación de señal opere en el dominio digital, dicho sub-módulo de discriminación de señal dispone a su entrada de la señal neuronal digitalizada y el sub-módulo de compresión digital dispone a su entrada la señal de salida del sub-módulo de discriminación de señal. Sin embargo, en otras realizaciones de la presente invención se contempla que el sub-módulo de discriminación de señal opere en el dominio analógico para lo que se dispondría a su entrada la señal neuronal y su salida se conectaría al conversor analógico digital que, tras su conversión a la señal neuronal digital, procedería a transmitir esta señal al sub-módulo de compresión digital para su parametrización. En una realización particular de la presente invención, los medios de parametrización son medios de parametrización lineal a tramos y, preferentemente, la señal comprimida mediante los medios de parametrización contiene valores de amplitud y valores temporales. Dichos valores se corresponden a las coordenadas en el plano tiempo- tensión de hitos significativos para la representación lineal a tramos de potenciales de acción tales como picos de tensión o cruces por umbrales.
En una realización particular, dichos hitos pueden ser valores de amplitud. En este caso, se dispondría de un primer valor de amplitud (por ejemplo, un pico máximo), un segundo valor de amplitud (por ejemplo, un pico mínimo) y un valor dependiente del tiempo, o valor temporal, puede ser el tiempo transcurrido entre el pico máximo y el pico mínimo. Sin embargo, los valores de amplitud no tienen necesariamente que ser picos de amplitud, de hecho, en realizaciones de la presente invención, alguno de los valores de amplitud puede ser uno de los valores umbral que definen el rango de discriminación. Además, en una realización especialmente preferente, los valores temporales de una parametrización lineal a tramos de un potencial de acción se calculan mediante el recuento de pulsos de un reloj asociado al canal de sensado.
Finalmente, la señal comprimida se puede enviar a un dispositivo de recepción de señales por medios inalámbricos para lo que el canal de sensado debe comprender medios de transmisión inalámbricos o estar conectado a unos medios de transmisión inalámbricos externos al canal.
Por otra parte, la presente invención da a conocer un procedimiento de sensado de actividad neuronal que comprende las etapas de:
a) captura, mediante un electrodo, de las señales bioeléctricas generadas por la actividad neuronal de un sujeto;
b) adquisición y acondicionamiento de la señal capturada por un electrodo en la etapa a);
c) digitalización, mediante un convertidor analógico-digital, de al menos parte de la señal adquirida y acondicionada en la etapa b);
d) discriminación de, al menos, parte señales eléctricas de las etapas b) o c) que se encuentran en un rango de discriminación previamente definido; comprendiendo dicho procedimiento, además, una etapa e) en la que la señal digitalizada obtenida tras la realización de las etapas c) o d) se comprime mediante una parametrización dando como salida una señal comprimida. Esta parametrización puede ser una parametrización en tiempo real.
Preferentemente, la discriminación de las señales eléctricas de la etapa d) se puede realizar en dominio analógico o digital.
Más preferentemente, la parametrización de la etapa e) es una parametrización lineal a tramos en el plano tiempo-tensión. En una realización particular, la parametrización dispone como entrada la señal digitalizada y la señal comprimida comprende valores de amplitud (como, por ejemplo, los valores pico máximo y mínimo) y al menos un valor referente al tiempo (como, por ejemplo, el tiempo transcurrido entre los valores pico máximo y mínimo) que aproximan la morfología en el plano tiempo-tensión del potencial de acción detectado. Los valores de amplitud no tienen necesariamente que ser picos de amplitud, de hecho, en realizaciones de la presente invención, alguno de los valores de amplitud puede ser uno de los valores umbral que definen el rango de discriminación. En este caso, el valor dependiente del tiempo puede ser un valor asociado al tiempo transcurrido al valor de amplitud objeto de la parametrización y el rango de discriminación
De manera particular, el valor dependiente del tiempo se calcula mediante el conteo de pulsos de un reloj del canal del canal de sensado.
Además, la presente invención contempla la posibilidad de incluir una etapa f) en la que se envía la señal comprimida a, al menos, un dispositivo externo al canal de sensado.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: La figura 1 muestra la estructura de un canal de sensado para la captura, digitalización y procesado de señales neuronales de acuerdo con la presente invención.
La figura 2 muestra un ejemplo de realización de un procesador de datos del tipo comprendido por canal de sensado de la figura 1.
La figura 3 muestra un ejemplo de realización del módulo de compresión de datos del tipo comprendido en el procesador de datos de un canal de sensado, de acuerdo con la presente invención. La figura 4 muestra la representación lineal a tramos en el plano tiempo-tensión de un potencial de acción neuronal.
Las figuras 5a, 5b y 5c muestran un diagrama de flujo de un ejemplo del procedimiento de compresión de datos que podría llevarse a cabo en un ejemplo de módulo de compresión de un canal de sensado según la presente invención. El diagrama de flujo no cabe completamente en una sola página, por lo que, para mayor claridad, se ha representado una primera fase en la figura 5a, así como una segunda fase, a continuación de la primera fase, en la figura 5b y una tercera fase, a continuación de la segunda fase, en la figura 5c.
La figura 6a muestra un ejemplo de una señal neuronal obtenida por un electrodo así como una representación gráfica de dicha señal neuronal comprimida.
La figura 6b muestra ejemplos de posibles señales comprimidas obtenidas mediante un dispositivo según la presente invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La figura 1 muestra un canal de sensado (10000) para la captura, digitalización y procesado de señales neuronales, de acuerdo con la presente invención. Dicho canal de sensado (10000) comprende un amplificador de bajo ruido (1 1000) (denominado LNA, por sus siglas en inglés, "Low Noise Amplifier") para amplificar la diferencia de potencial entre las señales eléctricas provenientes, por una parte, de un electrodo de referencia (30000) y un electrodo de biopotencial (20000); un circuito (12000) para estimar los artefactos debidos, por ejemplo, a alteraciones en la impedancia de la interfaz entre tejido y electrodo o a la aplicación de terapias de electromodulación, que potencialmente pueden contaminar la señal capturada por el amplificador de bajo ruido (1 1000); un elemento de amplificación de ganancia variable (13000) para ajustar los niveles de tensión de la señal proporcionada por el amplificador de bajo ruido (1 1000) una vez sustraída la señal generada por el circuito (12000) para la estimación de artefactos; un convertidor analógico-digital (14000) (denominado ADC, por sus siglas en inglés, "Analogue-to-Digital Converter") para digitalizar la señal proporcionada por el elemento de amplificación de ganancia variable (13000); un procesador local de datos (15000) que identifica el modo de operación del canal de sensado (10000), configura los parámetros del amplificador de bajo ruido (1 1000) y del elemento de amplificación de ganancia variable (13000), procesa los datos digitalizados por dicho convertidor (14000) y transfiere los resultados al exterior; y, adicionalmente, puede comprender una unidad de referencia que puede, por ejemplo, cumplir funciones para la calibración de la característica de transferencia paso de banda de la cabecera de un canal de sensado (10000).
Se debe interpretar la expresión "cabecera" como el subconjunto de elementos de un canal de sensado que comprende un amplificador de bajo ruido (1 1000) un elemento de amplificación de ganancia variable (13000).
En cuanto al elemento de amplificación de ganancia variable (13000) este puede estar comprendido por un amplificador de ganancia programable (13001 ) (del tipo conocido como PGA, por sus siglas en inglés, "Programmable Gain Amplifier") y un lazo de cancelación de offset (13002) (denominado OCL, por sus siglas en inglés, "Offset Cancellation Loop") para eliminar las componentes en corriente continua a la entrada del convertidor analógico-digital (14000) originadas por los desbalances a las entradas tanto del elemento de amplificación de ganancia variable (13000) como del amplificador de bajo ruido (1 1000). Es importante destacar que la configuración mostrada en la figura 1 de conexión entre el amplificador de bajo ruido (1 1000) y circuito (12000) para la estimación de artefactos forman un circuito acondicionador y captador de una señal neuronal cuya función es, principalmente, la de adecuar la señal para que pueda ser utilizada en el resto del procedimiento. En algunas realizaciones de la presente invención se puede incluir algún tipo de filtrado que ayude al acondicionamiento de dicha señal neuronal.
De acuerdo con la presente invención, la señal de salida del electrodo de biopotencial (20000) es la respuesta eléctrica capturada por dicho electrodo de biopotencial (20000), que sirve de interfaz entre el tejido cuya actividad eléctrica se desea monitorizar y el canal de sensado (10000). La señal de salida del electrodo de referencia (30000) es una tensión extraída desde dicho electrodo de referencia (30000) que ofrece una impedancia de entrada menor que el electrodo de biopotencial (20000) y que sirve de referencia para el funcionamiento del amplificador de bajo ruido (1 1000) y del circuito para la estimación de artefactos (12000).
De acuerdo con una realización preferente de la presente invención, el canal de sensado (10000), incluye elementos de protección frente a descargas electrostáticas (denominadas ESD, por sus siglas en inglés "electrostatic discharge") en los puntos de conexión con el electrodo de biopotencial (20000) y el electrodo de referencia (30000).
Los medios y procedimientos asociados a la calibración de un canal de sensado (10000) de acuerdo con la presente invención se pueden activar mediante el cambio de estado de una señal interna, de manera que las entradas del amplificador de bajo ruido (1 1000) se desconectan de los electrodos de biopotencial (20000) y de referencia (30000), y se conectan a señales analógicas de calibración con características prestablecidas. Dichos medios y procedimientos de calibración son ampliamente conocidos en la técnica anterior.
De acuerdo con la presente invención, tanto la frecuencia de corte por baja frecuencia como la frecuencia de corte por alta frecuencia de la cabecera del canal de sensado (10000), como la ganancia del elemento de amplificación de ganancia variable (13000) son programables en el sentido de que se pueden modificar por medios electrónicos, por ejemplo, mediante un módulo de configuración y/o mediante un módulo de lectura de instrucciones que se explicarán en mayor detalle haciendo referencia a la figura 2. Adicionalmente, de acuerdo con la presente invención, la salida del convertidor analógico-digital (14000) es un una señal digitalizada (14001 ) que tiene la forma de un vector y se almacena en un registro interno de dicho convertidor analógico-digital (14000). Con cada actualización de dicho registro, correspondiente a un nueva digitalización de la señal de salida del amplificador de ganancia variable (13000), el convertidor (14000) emite un pulso de final (14002), representativo del fin del proceso de conversión.
Como ejemplos de posibles entradas digitales (10001 ) al canal de sensado (10000), se pueden destacar entradas tales como un tren de pulsos periódicos para secuenciar el funcionamiento de dicho canal de sensado (10000) (es decir, pulsos de reloj), una entrada de programación para la carga secuencial de un vector de configuración, una señal de habilitación para ejecutar dicho vector de configuración una vez cargado, un vector de datos para seleccionar y activar el canal de sensado (10000), etc.
A la salida, el canal de sensado (10000) puede disponer de una salida serial de datos (10002) del canal de sensado (10000). Como se verá más adelante, la estructura de de dicha señal de salida serial de datos (10002) puede depender del modo de operación especificado en el vector de configuración.
De acuerdo con la presente invención, un canal de sensado (10000) ofrece cuatro modos de operación, de acuerdo con el tipo de instrucción recibida a través del vector de configuración: i. Modo de Configuración, mediante el que se definen los parámetros de operación de los diferentes medios comprendidos en el canal de sensado (10000) y se establecen las condiciones de contorno para la ejecución de los otros modos de operación.
¡i. Modo de Calibración, mediante el que se ajustan de forma automática las características de transferencia paso de banda de la cabecera de un canal de sensado (10000).
i¡¡. Modo de Seguimiento de Señal, mediante el que se adquiere, acondiciona, filtra y digitaliza la actividad cerebral adquirida por el canal de sensado (10000).
iv. Modo de Compresión de Datos, mediante el que se detectan y procesan los potenciales de acción contenidos en la señal neuronal capturada por el canal de sensado (10000). A diferencia de otras técnicas disponibles para la caracterización de la morfología tiempo-tensión de potenciales de acción neuronales (combinación de funciones base, extracción de componentes principales PCA - del inglés, "Principal Component
Analysis" -, cálculo de parámetros de un filtrado Hanning, o la conformación con ondas modelo - del inglés, "wavelet analysis" -), la presente invención propone, a título de ejemplo, el uso de técnicas de aproximación lineal a tramos en tiempo real.
La figura 2 muestra el diagrama de bloques de un ejemplo de procesador local de datos (15000) comprendido en un canal de sensado (10000). Dicho procesador local de datos (15000) comprende: un módulo de lectura de instrucciones (15100); un almacén de parámetros (15200) en donde se archivan los parámetros de configuración (15101 ) del canal de sensado (10000) contenidos en las instrucciones recibidas por dicho módulo de lectura de instrucciones (15100); un módulo de configuración (15300); un módulo de compresión de datos (15400); y un módulo de transmisión de datos (15500) que dispone de diversas salidas del canal de sensado (10000) y genera, entre otras, una señal de habilitación.
La salida digitalizada (14001 ) y el pulso final (14002) proporcionados por el convertidor analógico-digital (14000) del canal de sensado (10000), entre otras, representan algunas de las entradas más representativas al procesador local de datos (15000). Según la presente invención, el módulo de lectura de instrucciones (15100) puede disponer de una entrada para un vector para la activación del canal de sensado (10000). En otro aspecto, el módulo de lectura de instrucciones (15100) desglosa el contenido de un ejemplo de vector de configuración, por un lado, identificando el modo de operación del canal de sensado (10000) de entre los cuatro modos posibles, por otro, identificando los cualificadores (15102) de dichos comandos y, por otro, identificando los parámetros de configuración (15101 ) asociados.
De acuerdo con la presente invención, los cualificadores (15102) se particularizan dependiendo del modo de operación del canal de sensado (10000) siendo diferentes para el Modo de Configuración, Modo de Calibración o Modo de Compresión de Datos (151021 ) (ilustrado en la figura 2). El Modo de Seguimiento de Señal no tiene cualificadores (15102) asociados. Asimismo, sólo las tramas asociadas a modos de operación de Configuración y Calibración contienen parámetros de configuración (15101 ) en cuanto a que, por ejemplo, el Modo de Compresión de Datos (151021 ) es una instrucción de habilitación de dicho módulo.
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, el módulo de configuración (15300) se habilita cuando el módulo de lectura de instrucciones (15100) identifica un comando vinculado al modo de configuración en cuyo caso se emite una señal de habilitación (15301 ) del módulo de configuración (15300). En cualquier otro modo de operación, dicho módulo de configuración (15300) permanece deshabilitado. El propósito del módulo de configuración (15300) es la validación de la correcta escritura en el almacén de parámetros (15200) de los parámetros contenidos en el vector de configuración. Una vez el módulo de la lectura de instrucciones (15100) registra en el almacén de parámetros (15200) los parámetros de configuración (15101 ) asociados al comando recibido, el módulo de configuración (15300) recibe una señal de validación (15302) y conforma un vector representativo del modo de configuración y un patrón específico que informa de la correcta escritura de dichos parámetros de configuración (15101 ) en el almacén de parámetros (15200).
En realizaciones particulares de la presente invención, el procesador local de datos (15000) comprende un módulo adicional de calibración (no mostrado) que se habilita cuando el bloque para la lectura de instrucciones (15100) identifica un comando vinculado al Modo de Calibración que puede ser activado y desactivado mediante señales provenientes del módulo de lectura de instrucciones (15100) de manera similar al módulo de compresión de datos (15400).
El propósito del módulo de calibración es la programación automática del conjunto de valores de frecuencias de corte y ganancia variable de forma que la banda pasante de la cabecera del canal de sensado (10000) sólo incluya el contenido espectral de la señal objeto de monitorización y que el nivel de amplificación proporcionado por el amplificador de ganancia variable (13000) se ajuste al valor deseado.
Un ejemplo de calibración automática de frecuencia de corte se puede realizar mediante un sistema de lazo cerrado que usa un sintetizador de frecuencias como unidad de referencia. La programación de la frecuencia del tono generado por dicho sintetizador se realiza a través de palabras digitales representativas. El tono generado se hace coincidir con el valor deseado para la frecuencia de corte. El proceso de calibración de dicha frecuencia de corte comienza una vez transcurrido el tiempo necesario para estabilizar el lazo de realimentación. En el caso del nivel de amplificación, el ajuste automático se puede realizar mediante la monitorización, durante un periodo de tiempo, de los picos de amplitud de la señal proporcionada por el amplificador de ganancia variable. Por otra parte, el propósito del módulo de compresión de datos (15400) es la extracción y procesamiento de algunas de las características de la actividad cerebral con vistas a reducir el ancho de banda de la señal transmitida por el canal de sensado (10000). En consecuencia, el módulo de compresión de datos (15400) se encarga de la detección y caracterización de la morfología tiempo-tensión de los potenciales de acción neuronales capturados por la cabecera del canal de sensado (10000). La transferencia de información desde el módulo de compresión de datos (15400) a través de la salida comprimida (15401 ) sólo se produce cuando se ha detectado y completado la extracción de las características de un potencial de acción. Bajo cualquier otra circunstancia, dicha salida comprimida (15401 ) permanece inactiva. En consecuencia, la transferencia de datos está basada en eventos, vinculados a la presencia de potenciales de acción en la señal neuronal capturada, y no se realiza de forma continua. Ello supone, en comparación con el modo de operación de Seguimiento de Señal, una reducción considerable de la tasa de datos enviados desde un canal de sensado (10000) de acuerdo con la presente invención.
En la figura 3 se puede observar que la detección de los potenciales de acción se realiza mediante comparación con umbrales y la extracción de las características de dichos potenciales se basa en la obtención de aproximaciones lineales a tramos en el plano tiempo-tensión. De acuerdo con ello, el módulo de compresión de datos (15400) supervisa la señal digitalizada (14001 ) generada por el convertidor analógico-digital (14000) comprendido en el canal de sensado (10000) e identifica la presencia de potenciales de acción neuronales mediante la detección de los instantes en que dicha secuencia sobrepasa la banda de valores comprendida entre un umbral superior (15563) y un umbral inferior (15564) que definen un rango de discriminación. En el momento en que se produce la detección de un potencial de acción, el módulo de compresión de datos (15400) activa un procedimiento en tiempo real mediante el que se determinan los valores de tensión y los intervalos temporales necesarios para construir la representación lineal a tramos del potencial detectado. En definitiva, se puede entender que la presente invención dispone, por una parte, de un sub-módulo de discriminación encargado de constatar la presencia de potenciales de acción en la señal neuronal capturada, lo que sucede cuando dicha señal supera un rango de discriminación definido por un umbral superior (15563) y un umbral inferior (15564); y dicho sub-módulo de discriminación puede ser digital, tal y como se ha explicado anteriormente, o analógico, mediante un procesado previo al convertidor analógico-digital (14000). Es decir, el sub-módulo de discriminación se encarga de eliminar del proceso de compresión (o discriminar) las señales que no correspondan a potenciales de acción. Con este objetivo se definen dos umbrales que definen dicho rango de discriminación y que pueden ser configurados previamente por el usuario o venir definidos mediante técnicas automáticas de calibración conocidas en la técnica.
Por otra parte, la presente invención dispone de un sub-módulo de compresión digital en el que se realiza una compresión digital de datos mediante técnicas de compresión como, por ejemplo, mediante aproximación lineal a tramos. Dichos sub-módulos se encuentran contenidos en el bloque de aproximación lineal a tramos (15570).
Adicionalmente, en un registro (15580) se almacenan temporalmente los datos de la aproximación lineal a tramos efectuada por dicho bloque de aproximación lineal a tramos (15570); y dos entidades estructuralmente idénticas, una estructura de adaptación de umbral positivo (15501 ) y una estructura de adaptación de umbral negativo (15502), que cuando están habilitadas permiten el ajuste dinámico de dichas tensiones de umbral frente a potenciales variaciones en el fondo de ruido de la señal capturada por la cabecera del canal de sensado (10000). El módulo de compresión de datos (15400) puede comprender, adicionalmente, un sub-módulo de configuración para la activación y establecimiento de los parámetros de operación de los diferentes elementos de la estructura.
También de acuerdo con la presente invención, como entradas al bloque de aproximación lineal a tramos (15570), además de los citados valores externos de las tensiones de umbral (15563, 15564) y la señal digitalizada (14001 ), se puede disponer de un parámetro SPD (155700) que indica el número de periodos de reloj que comprende la duración estimada de un potencial de acción neuronal, dicho parámetro puede ser utilizado por el bloque de aproximación lineal a tramos (15570) para la detección y aproximación lineal a tramos de los potenciales de acción.
En cuanto a las estructuras de adaptación de los umbrales (15501 , 15502), estas operan, respectivamente, con los valores positivos y negativos de la señal digitalizada (14001 ) proporcionada por el convertidor analógico-digital (14000). Tal como se muestra en la figura 3, la distinción entre los valores positivos (1401 1 ), y los valores negativos (14012) de dicha señal digitalizada (14001 ), se realiza mediante un comparador digital (14030) y un primer demultiplexor (14010). La misma salida de dicho comparador digital (14030) se emplea para distinguir, con ayuda de un segundo demultiplexor (14020), tanto el pulso de fin de conversión positivo (14021 ) como el pulso de fin de conversión negativo (14022) ligados, respectivamente, a los valores positivos (1401 1 ), y los valores negativos (14012) de dicha señal digitalizada (14001 ).
Según la presente invención, ambas estructuras de adaptación de las tensiones de umbral (15501 , 15502) pueden funcionar de forma simultánea. Salvo por los datos de entrada (los valores positivos (1401 1 ) y los valores negativos (14012)) y las correspondientes salidas (el umbral superior (15563) y el umbral inferior (15564)), no existen diferencias ni estructurales ni operativas entre ambas estructuras de adaptación de las tensiones de umbral (15501 , 15502) por lo que, por simplicidad, solo se describirá el detalle de la estructura de adaptación de la tensión umbral positivo (15501 ).
Tal como muestra la figura 3, la estructura de adaptación de la tensión umbral positivo (15501 ) comprende: un contador de pulsos programable (15520) cuyo periodo, controlado por un parámetro "UPR" es configurable por el usuario; un acumulador digital formado por un sumador (15530) y un registro (15540); y una etapa de salida formada por un bloque de conformación (15550) y un sumador (15560). La operación del módulo de adaptación de la tensión umbral positivo (15501 ) es como sigue. Una vez habilitada dicha estructura, cada nuevo valor de los valores positivos (1401 1 ) de la señal digitalizada (14001 ) se acumula en el registro (15540), al tiempo que se incrementa en uno el valor almacenado en el contador de pulsos programable (15520) a instancias del pulso de fin de conversión positivo (14021 ) asociado con dicho valor positivo (1401 1 ). Cuando el recuento de dichos pulsos de fin de conversión positivos (14021 ) alcanza un valor igual dos elevado a UPR (2UPR), el contador de pulsos programable (15520) dispara una señal DUMP (15522) que vuelca el contenido del registro (15540) en el bloque de conformación (15550). La longitud tanto del sumador (15530) como del registro (15540) es de N+UPR, donde N es el tamaño de los vectores de entrada de los valores positivos (1401 1 ). Acto seguido, tras un ciclo de reloj, se anula el contenido de dicho registro (15540) y comienza de nuevo el procedimiento descrito de acumulación y recuento. El módulo de conformación (15550) extrae del registro (15540) los N bits comprendidos entre la posición N+UPR-2 y la posición UPR-2, lo que en esencia equivale a desplazar en dos posiciones (multiplicar por cuatro) el contenido del registro (15540) y tomar los N bits más significativos. El resultado de la extracción se guarda en otro registro comprendido en el propio módulo de conformación (15550). De acuerdo con los documento del estado de la técnica "Michael Rizk and Patrick D. Wolf (2009). Optimizing the automatic selection of spike detection thresholds using a múltiple of the noise level. Med Biol Eng Comput (2009) 47:955-966" y "R. Quian Quiroga, Z. Nadasdy and Y. Ben-Shaul (2004). Unsupervised Spike Detection and Sorting with Wavelets and Superparamagnetic Clustering. Neural Computation 16, 1661-1687", esta sencilla operación realizada en el módulo de conformación (15550) proporciona una estimación del valor de la tensión de umbral superior (15563) necesaria para la detección de potenciales de acción. Con objeto de permitir un ajuste fino controlado por usuario del valor óptimo de la tensión de umbral superior (15563), un sumador digital (15560) añade o substrae al vector digital conformado (15562) proporcionado por el módulo conformación (15550) una cantidad (15561 ) configurable que ha sido transferida a la estructura de adaptación de la tensión de umbral superior (15563) desde un bloque de configuración. La transferencia del valor final de la tensión de umbral superior (15563) al bloque de aproximación lineal a tramos (15570) para la detección y aproximación lineal a tramos de los potenciales de acción sólo se produce en ausencia de potenciales de acción.
Como ejemplos de salidas del bloque de aproximación lineal a tramos se pueden mencionar un vector de valores de amplitud (15572), un vector de valores temporales (15573), un vector de umbrales (15574) compuesto por las tensiones de umbral superior (15563) e inferior (15564), y/o un una señal de finalización de aproximación (15575), por otra parte, otra de las salidas puede ser un pulso de funcionamiento (15571 ) para indicar que el bloque de aproximación lineal a tramos (15570) se encuentra en uso y .finalmente, tras el paso de dichas salidas por el registro (15580) se genera la señal comprimida (15401 ). El significado de estos valores se explicará con mayor detalle haciendo referencia a la figura 4.
De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, la figura 4 ilustra el procedimiento en tiempo real de representación en el plano tiempo-tensión de los potenciales de acción realizado por el bloque de aproximación lineal a tramos (15570). Dicho procedimiento de representación se activa cada vez que la señal digitalizada (14001 ) generada por el convertidor analógico-digital (14000) sobrepasa el rango de discriminación comprendido entre un umbral superior (15563) y un umbral inferior (15564). Aunque la figura 4 muestra un caso en el que el potencial de acción comienza con una transición hacia valores por encima del umbral superior (15563), este aspecto no es de ninguna manera limitativo de la presente invención, y transiciones en el sentido contrario son igualmente susceptibles de representación usando el mismo procedimiento.
En particular, en esta figura se observa una representación gráfica de la señal neuronal (1 ), en línea discontinua, así como de una representación de un ejemplo de aproximación lineal a tramos, en línea continua, para dicha señal neuronal (1 ).
En un ejemplo de realización y suponiendo potenciales de acción bifásicos (tal como el ilustrado en la figura 4) para los que existen dos picos, uno por encima y otro por debajo del rango de discriminación definido por las tensiones umbrales superior (15563) e inferior (15564), la representación en el plano tiempo-tensión realizado por el bloque de aproximación lineal a tramos (15570) comprende dos valores de amplitud (un primer valor de tensión Vp1 (155721 ) y un segundo valor de tensión Vp2 (155722)) y tres valores temporales (Δ1 (155731 ), Δ2 (155732) y Δ3 (155733)). En este ejemplo de realización, los dos valores de amplitud se corresponden con los valores de pico del potencial de acción detectado por el bloque de aproximación lineal a tramos (15570), siendo Vp1 (155721 ) el valor de la amplitud del primer pico (independientemente de si es positivo o negativo) y Vp2 (155722) el valor de la amplitud del segundo pico. Por otro lado, los tres valores temporales informan de la duración de los siguientes intervalos: Un primer intervalo Δ1 (155731 ) transcurrido desde la detección del potencial de acción (cuando la señal neuronal (1 ) sobrepasa uno de los umbrales) hasta el instante del primer valor de tensión Vp1 (155721 ).
Un segundo intervalo Δ2 (155732) transcurrido entre el instante del primer valor de tensión Vp1 (155721 ) y el instante del segundo valor de tensión Vp2 (155722).
Un tercer intervalo Δ3 (155733) transcurrido entre el instante del segundo valor de tensión Vp2 (155722) y la finalización del potencial de acción (es decir, hasta que la señal vuelve a estar en el rango de discriminación). Dicha finalización se determina bien por el cruce del potencial de acción por el umbral superior (15563) o inferior (15564), más cercano al segundo valor de pico Vp2 (155722) o bien cuando se alcanza el límite temporal definido por un valor SPD (155700) configurable por el usuario y transferido al bloque de aproximación lineal a tramos (15570) de los potenciales de acción desde un bloque de configuración. Dicho valor SPD (155700) se expresa en ciclos de reloj y está comprendido, preferentemente, entre 2 ms y 3 ms, de acuerdo con estudios neurofisiológicos. En el caso en que el potencial de acción alcanza el límite temporal definido por un valor SPD, sin que previamente se haya cruzado un umbral del rango de discriminación, el intervalo Δ3 (155733) toma el valor:
Δ3 = SPD - Δ1 - Δ2.
En otro ejemplo de realización y suponiendo potenciales de acción monofásicos con un sólo pico, bien por encima o bien por debajo del rango de discriminación definido por las tensiones de umbrales superior (15563) e inferior (15564), la representación en el plano tiempo-tensión realizado por el bloque de aproximación lineal a tramos (15570) también comprende dos valores de amplitud (un primer valor de tensión y un segundo valor de tensión) y tres valores temporales. En este caso, el primer valor de tensión sería el valor de la amplitud del pico detectado por el bloque de aproximación lineal a tramos (15570) (independientemente de si es positivo o negativo) y el segundo valor de tensión sería el valor de la tensión umbral que marca el retorno del potencial de acción al rango de discriminación (que es el mismo umbral cuyo cruce originó la detección del potencial de acción). Por otro lado, los tres valores temporales proveen información de la duración de los siguientes intervalos: 1. Un primer intervalo transcurrido desde la detección del potencial de acción hasta el primer valor de tensión.
2. Un segundo intervalo transcurrido entre el instante del primer valor de tensión y el cruce del potencial de acción por el umbral más cercano a dicho primer valor de tensión.
3. Un tercer intervalo transcurrido entre el instante del cruce del potencial de acción por el umbral más cercano al primer valor de tensión y la finalización del potencial de acción definido, tal como en el caso de potenciales de acción bifásicos, por un límite temporal definido por un valor SPD (155700) configurable por el usuario y transferido al bloque de aproximación lineal a tramos (15570) de los potenciales de acción desde un bloque de configuración.
En todos los casos, ya sean potenciales de acción bifásicos o monofásicos, los intervalos temporales Δ1 (155731 ), Δ2 (155732) y Δ3 (155733) se calculan mediante el recuento de pulsos de un reloj habilitado en el canal de sensado 10000.
Adicionalmente, en la figura 4 se muestran algunas de las señales auxiliares y su determinación a partir del gráfico mostrado. En particular, se muestra la señal de finalización de aproximación (15575), esto es un pulso que se ejecuta durante un tiempo determinado para señalizar que se ha finalizado el análisis, un pulso de funcionamiento (15571 ) que indica que actualmente se está realizando un análisis y un pulso de detección de potenciales de acción (15576) que indica la presencia de un potencial de acción y este pulso se mantiene en 1 mientras la señal neuronal (1 ) se mantenga fuera del rango del rango de discriminación y es 0 mientras la señal neuronal (1 ) se mantiene dentro del rango de discriminación.
También de acuerdo con otro aspecto de la presente invención, el bloque de aproximación lineal a tramos (15570) de los potenciales de acción opera en tiempo real de modo que tanto el vector de valores de amplitud (15572), como el vector de valores temporales (15573) están disponibles a la finalización del potencial de acción detectado, aspecto que dicho bloque de aproximación lineal a tramos (15570) comunica mediante la emisión de una señal de finalización de la aproximación (15575), tal como muestra la figura 3. El procedimiento mediante el que el bloque de aproximación lineal a tramos (15570) de los potenciales de acción determina de forma dinámica los parámetros de la representación en el plano tiempo-tensión, se describe en el diagrama de flujo de la figura 5. La duración del procedimiento por cada potencial de acción detectado es SPD (155700). Aunque en las figuras 5a, 5b y 5c se muestra, a título de ejemplo, un caso en el que la detección del potencial de acción está originado por un cruce con el umbral superior (15563), el procedimiento para un cruce con el umbral inferior (15564) es completamente dual, por lo que no se detalla por simplicidad.
Tal como se muestra en el diagrama de flujo de las figuras 5a, 5b y 5c, se pueden distinguir tres fases en el procedimiento para la determinación en tiempo real de los parámetros para la representación lineal a tramos de potenciales de acción. Una primera fase (5000) (que se muestra en la figura 5a) comprende el intervalo de tiempo desde la detección del potencial de acción hasta el retorno al rango de discriminación definido por los umbrales superior (15563) e inferior (15564) (cruce por el umbral superior (15563) en el presente ejemplo). En esta fase se calculan los parámetros Δ1 , Vp1 asociados a la posición de un primer pico de tensión del potencial de acción detectado. En una segunda fase (6000) (que se muestra en la figura 5b) se determina si el potencial de acción detectado es de tipo monofásico o bifásico. En el primer caso, potencial monofásico, se proporcionan los valores de los parámetros Vp2, Δ2 y Δ3 y concluye el procedimiento de caracterización lineal a tramos. En caso contrario, potencial bifásico, se procede a la tercera fase (7000) del procedimiento (que se muestra en la figura 5c). En dicha tercera fase (7000), se determina la posición de un segundo pico de tensión del potencial de acción detectado y se proporcionan los valores de la dupla Δ2, Vp2 asociados a dicho segundo pico. Así mismo durante la tercera fase (7000) se calcula el parámetro Δ3, tanto si se produce un retorno al rango de discriminación como si no, y se concluye el procedimiento de caracterización lineal a tramos.
En cuanto a la primera fase (5000), en esta fase se inicia (5001 ) disponiendo como entradas los valores de la señal digitalizada (14001 ) que, en lo sucesivo se denominará TR_DATA y se analiza para valores en los que TR_DATA se encuentra, de acuerdo con el ejemplo de la figura 5, sobre el umbral positivo (15560) que, en lo sucesivo, se denominará VTH+. Posteriormente, se dan valores a las variables Δ1 , SPK, y PEAK (5002). Donde Δ1 , tal y como se explicó anteriormente, corresponde al intervalo de tiempo hasta que se alcanza el primer valor pico Vp1 (valor máximo del potencial de acción en la figura 5); SPK corresponde a una variable auxiliar que indica que el bloque de aproximación lineal a tramos (15570) se encuentra en funcionamiento y correspondería con el pulso de funcionamiento (15571 ); y PEAK corresponde a una variable auxiliar que indica que el bloque de aproximación lineal a tramos (15570) se encuentra detectando un pico.
Una vez se han dado estos valores se define el primer valor pico como el valor actual de TR_DATA y se inicia un contador CNT (5003). A continuación se procede a analizar un nuevo dato de TR_DATA (5004). Posteriormente, mediante un primer operador de decisión (5007) se analiza si el nuevo valor de TR_DATA se encuentra por debajo del umbral positivo VTH+. De ser así, se considera que ya se ha alcanzado el primer valor pico por lo que se reinicia la variable auxiliar PEAK (5009), se almacenan el valor de pico Vp1 y el intervalo Δ1 (5010) y se procede a la segunda fase (6000) tras dar valores a un conjunto de variables de control (501 1 ). Si en el primer operador de decisión (5007) se determina que el valor de TR_DATA se encuentra aún sobre el umbral positivo VTH+, se procede a un segundo operador de decisión (5008) en el que se determina si el valor de TR_DATA es menor que el valor de amplitud Vp1. En caso de que así sea, se incrementa el contador (5005) añadiendo uno a la variable CNT y se retorna a analizar un nuevo dato de TR_DATA (5004) y, en caso contrario, se incrementa Δ1 (5006) en el valor del contador CNT más 1 , se reinicia a cero la variable CNT y se redefine el valor de pico Vp1 (5003) como el valor actual de TR_DATA.
Tras finalizar la primera fase (5000) se procede a una segunda fase (6000), cuyo cometido es distinguir entre potenciales de acción monofásicos y bifásicos y, en el primero de los casos, proporcionar los parámetros Vp2, Δ2 y Δ3 de la aproximación lineal a tramos. Estas acciones se mostrarán haciendo referencia a la figura 5b.
Inicialmente se inicia el valor de Δ2 (6001 ) para lo que se le da el valor remanente de la variable CNT, de la primera fase (5000). Posteriormente, se asignan los valores de Vp2 y el contador (6002) para lo que se asigna el valor actual de la señal digitalizada TR_DATA a la variable Vp2 y el contador CNT se reinicia a cero. A continuación, se procede a analizar el siguiente valor de la señal digitalizada TR_DATA (6003). Mediante un tercer operador de decisión (6006) se analiza si este valor de TR_DATA se encuentra por debajo del valor umbral negativo que, en lo sucesivo, se denominará VTH-. De ser así se asigna a la variable auxiliar PEAK un valor de uno (6007) y se continúa con la tercera etapa (7000).
En caso de que el valor de TR_DATA se encuentre sobre el umbral VTH-, mediante un cuarto operador de decisión (6008) se analiza si el valor de A2+CNT es inferior al parámetro SPD (que es un parámetro pre-configurado, tal y como se ha explicado anteriormente). Si dicho valor es inferior, mediante un quinto operador de decisión (6009), se analiza si el valor de la señal digitalizada actual TR_DATA es mayor que el valor de Vp2, de ser así se incrementa en uno el contador CNT (6004) y se procede a analizar el siguiente valor de la señal digitalizada TR_DATA (6003) y, en caso contrario, se incrementa el valor de Δ2 en el valor del contador CNT más uno (6005) y se procede a actualizar la variable Vp2 con el valor de TR_DATA y se reinicia el contador CNT a cero (6002). Si en el cuarto operador de decisión (6008) se determina que el valor de A2+CNT es superior al parámetro SPD, se determina que la señal digitalizada corresponde a un potencial monofásico y se almacenan los valores correspondientes de la aproximación lineal a tramos Vp2, Δ2 y Δ3 (6010) en el que el valor de Vp2 correspondería con el valor de umbral más cercano al pico (es decir el valor de umbral superior (15563)). Posteriormente se pasa a cero el valor de SPK (601 1 ) para indicar que ha finalizado el procedimiento de compresión y se emite el pulso de finalización o pulso END y se finaliza (6012) el procedimiento.
En cuanto a la tercera etapa (7000), que se explica haciendo referencia a la figura 5c y, en la que ya se ha determinado que existe un valor pico negativo Vp2 y, por tanto, un potencial de acción bifásico, se inicia el valor de Δ2 y se reinicia el contador CNT (7001 ). El valor de Δ2 se define como el remanente de la variable CNT de la segunda fase (6000), se asigna el valor actual de la señal digitalizada TR_DATA al valor de pico Vp2 y se reinicia el contador CNT a cero.
Posteriormente, se procede a analizar el siguiente valor TR_DATA (7002). Mediante un sexto operador de decisión (7005) si el valor actual de TR_DATA es mayor al umbral negativo se reinicia la variable auxiliar PEAK (7006), se almacenan los valores de Vp2 y Δ2 (7007), se almacenan el valor de Δ3 (7008) que será el valor actual de CNT, se asigna un cero a la variable SPK (7009) para indicar la finalización del proceso y se finaliza (7010) el procedimiento.
Si en el sexto operador de decisión (7005) se determina que el valor actual de TR_DATA es menor al umbral negativo se procede a un séptimo operador de decisión (701 1 ) en el que se determina si el valor de A2+CNT es menor que el valor del parámetro pre-configurado SPD, de ser así, se procede a un octavo operador de decisión (7012) en el que se determina si el valor de TR_DATA es mayor que el valor pico negativo Vp2. Si TR_DATA es mayor que el valor pico negativo se incrementa en uno el contador CNT (7003) y se procede a analizar el siguiente valor TR_DATA (7002), de lo contrario se incrementa Δ2 en el valor del contador CNT más uno (7004) y se procede a actualizar la variable Vp2 con el valor de TR_DATA y se reinicia el contador CNT a cero (7001 ).
Finalmente, si en el séptimo operador de decisión (701 1 ) se determina que el valor de A2+CNT es mayor que el valor del parámetro pre-configurado SPD, se almacenan los datos de Vp2 y Δ2 (7013), se asigna a Δ3 el valor de SPD-A1-A2 (7014), se asigna un cero a la variable SPK (7015) para indicar la finalización del proceso y se finaliza (7016) el procedimiento. En otro aspecto de la presente invención, cuando concluye el procedimiento de caracterización lineal a tramos de cada potencial de acción detectado por el bloque de aproximación lineal a tramos (15570), los diferentes parámetros calculados y el valor de los umbrales VTH+ y VTH- se vuelcan en un registro (15580) a instancias del pulso de finalización del procedimiento. Dicho registro (15580) conforma una señal comprimida (15401 ) que, preferentemente, comprende los valores de Vp1 , Vp2, Δ1 , Δ2, Δ3, VTH+ y VTH-, derivados del procedimiento de las figura 5a, 5b y 5c. Cuando dicha señal comprimida (15401 ) está lista para ser enviada a través del módulo de transmisión de datos (15600), el registro (15580) del módulo de compresión de datos (15400) dispara un pulso de transmisión para que los medios de transmisión procedan enviarlo a un dispositivo externo al canal de sensado.
A modo de ilustración, la figura 6a muestra una secuencia típica de señales comprimidas (15401 ) junto con la señal neuronal subyacente. En particular, se pueden observar las diferencias entre la señal neuronal (1 ) captada por el electrodo y lo que se pretende enviar en la señal neuronal comprimida (3). Aunque, de dicha señal neuronal comprimida (3) únicamente se almacenan algunos parámetros representativos.
Cabe destacar que la señal comprimida (15401 ) permanece inactiva en tanto no se detecta un potencial de acción. En caso de que se produzca una detección, el volumen de datos transmitidos (esencialmente formado por los parámetros de la caracterización lineal a tramos, tal como se ejemplifica para un primer potencial (21 ) y un segundo potencial (22) en la figura 6) es muy inferior a si se transmitiera el detalle de los potenciales de acción. En conjunto, el módulo de compresión de datos (15400) proporciona una reducción del ancho de banda de señal a transmitir que puede alcanzar varios órdenes de magnitud.
A título de ejemplo, la figura 6b muestra una representación digital de un ejemplo de señal comprimida (15401 ). En particular, se muestran las señales para el primer potencial (21 ) y el segundo potencial (22) de la figura 6a. De esta figura se puede observar que los parámetros considerados como representativos de la señal neuronal comprimida (3) son Vp1 (155721 ), Vp2 (155722), Δ1 (155731 ), Δ2 (155732) y Δ3 (155733).
De acuerdo con la presente invención, el módulo de transmisión de datos (15500) comprendido del procesador local de datos (15000) multiplexa las salidas de datos del canal de sensado (10000). Cuando el módulo de transmisión de datos (15500) recibe el pulso de descarga de datos, dicho módulo de transmisión de datos (15500) recibe, como mínimo, la señal comprimida (15401 ) y lo transfiere al puerto serial de salida (10002) del procesador local de datos (15000).
En una posible aplicación de la presente invención, una pluralidad de canales de sensado (10000) se emplearía en un sistema de adquisición y transferencia de actividad neuronal implantable como cabecera de una interfaz cerebro-máquina (BMI por sus siglas en inglés, "brain-machine interface"). Según este posible ejemplo de aplicación, el sistema 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, una pluralidad de canales de sensado (10000) se emplearía en un sistema de adquisición y transferencia de actividad neuronal implantable junto con un mecanismo de neuromodulación eléctrica para la predicción y tratamiento de ataques epilépticos. En esta aplicación, la activación de los neuroestimuladores estaría dictada por el análisis de las señales proporcionadas por el sistema de adquisición y transferencia de actividad neuronal implantable.
Es importante resaltar que los conceptos y especificaciones descritos en la presente invención son generales y no están estrictamente vinculados a ningún tipo de estándar en particular, ni en lo referente a la adquisición de señal ni en lo referente a las comunicaciones inalámbricas.
A lo largo de esta especificación, el término "comprende" y sus derivados no debe interpretarse en un sentido excluyente o limitativo, es decir, no debe interpretarse en el sentido de excluir la posibilidad de que el elemento o concepto al que se refiere incluya elementos o etapas adicionales.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1. Canal de sensado (10000) neuronal del tipo que comprende:
• medios de conexión a al menos un electrodo (20000);
· medios de acondicionamiento y/o adquisición de la señal capturada mediante el electrodo (20000) que disponen como salida una señal neuronal (1 );
• un convertidor analógico-digital (14000) que transforma la señal neuronal (1 ) en una señal neuronal digitalizada (14001 );
· medios de transmisión de datos (15500); y
• al menos un procesador local de datos (15000)
en el que el procesador local de datos (15000) comprende un módulo de compresión de datos (15400) caracterizado por que dicho módulo de compresión de datos (15400) comprende un primer sub-módulo de discriminación de señales que discrimina las secciones de la señal neuronal (1 ) o de la señal neuronal digitalizada (14001 ) que se encuentran comprendidas en un rango de discriminación determinado y un segundo sub- módulo de compresión digital que comprende medios de parametrización de, al menos, parte de la señal neuronal digitalizada disponiendo como salida una señal comprimida (15401 ).
2. Canal de sensado (10000), según la reivindicación 1 , caracterizado por que los medios de parametrización parametrizan la parte de la señal neuronal digitalizada que no ha sido discriminada por el sub-módulo de discriminación de señales.
3. Canal de sensado (10000), según la reivindicación 1 , caracterizado por que la señal comprimida (15401 ) es una señal binaria.
4. Canal de sensado (10000), según la reivindicación 1 , caracterizado por que la señal comprimida (15401 ) es una señal serial.
5. Canal de sensado (10000), según la reivindicación 1 , caracterizado por que el sub-módulo de discriminación de señales dispone de un umbral superior (15563) y un umbral inferior (15564) que definen el rango de discriminación.
6. Canal de sensado (10000), según la reivindicación 1 , caracterizado por que el sub-módulo de discriminación de señales es un sub-módulo de discriminación de señales digitales.
7. Canal de sensado (10000), según la reivindicación 6, caracterizado por que el sub-módulo de discriminación de señales dispone a su entrada de la señal neuronal digitalizada (14001 ).
8. Canal de sensado (10000), según la reivindicación 7, caracterizado por que el sub-módulo de compresión digital dispone a su entrada la señal de salida del sub-módulo de discriminación de señales.
9. Canal de sensado (10000), según la reivindicación 6, caracterizado por que el sub-módulo de discriminación de señales dispone a su entrada de la señal neuronal (1 ).
10. Canal de sensado (10000), según la reivindicación 1 , caracterizado por que los medios de parametrización son medios de parametrización lineal a tramos.
1 1. Canal de sensado (10000), según las reivindicaciones 5 y 10, caracterizado por que la señal comprimida (15401 ) mediante los medios de parametrización comprende un primer valor de tensión (155721 ), un segundo valor de tensión (155722) de la señal digitalizada (14001 ) y un primer intervalo de tiempo definido por el tiempo transcurrido entre el instante en que la señal neuronal (1 ) sobrepasa uno de los umbrales hasta el instante del primer valor de tensión (155721 ).
12. Canal de sensado (10000), según la reivindicación 1 1 , caracterizado por que la señal comprimida (15401 ) mediante los medios de parametrización comprende un segundo intervalo de tiempo definido por el tiempo transcurrido entre el instante del primer valor de tensión (155721 ) y el instante del segundo valor de tensión (155722).
13. Canal de sensado (10000), según las reivindicaciones 1 1 ó 12, caracterizado por que la señal comprimida (15401 ) mediante los medios de parametrización comprende un tercer intervalo de tiempo definido por el tiempo transcurrido entre el instante del segundo valor de tensión (155722) y el instante en el que señal neuronal (1 ) vuelve a estar comprendida en el rango de discriminación.
14. Canal de sensado (10000), según la reivindicación 12, caracterizado por que la señal comprimida (15401 ) mediante los medios de parametrización comprende un tercer intervalo de tiempo definido por la substracción del primer intervalo y el segundo intervalo de tiempo a un valor predeterminado.
15. Canal de sensado (10000), según la reivindicación 1 1 , caracterizado por que al menos uno de los primer y segundo valor de tensión corresponde con el valor de un umbral superior (15563) o un umbral inferior (15564) definiendo dichos umbrales superior e inferior el rango de discriminación.
16. Canal de sensado (10000), según las reivindicaciones 1 1 a 14, caracterizado por que los intervalos de tiempo se calculan mediante el conteo de pulsos de un reloj asociado al canal del canal de sensado (10000).
17. Canal de sensado (10000), según la reivindicación 1 , caracterizado por que comprende medios de transmisión inalámbricos de la señal comprimida (15401 ).
18. Procedimiento de sensado de actividad neuronal en un canal de sensado (10000) que comprende las etapas de: a) captura, mediante un electrodo (20000), de las señales bioeléctricas generadas por la actividad neuronal de un sujeto;
b) adquisición y acondicionamiento de la señal capturada por un electrodo en la etapa a) dando como resultado una señal neuronal (1 );
c) digitalización, mediante un convertidor analógico-digital (14000), de al menos parte de la señal adquirida y acondicionada en la etapa b);
d) discriminación de, al menos, parte de las señales eléctricas de las etapas b) o c) que se encuentran en un rango de discriminación previamente definido; caracterizado por que comprende, además, una etapa e) en la que la señal digitalizada (14001 ) obtenida tras la realización de las etapas c) o d) se comprime mediante una parametrización dando como salida una señal comprimida (15401 ).
19. Procedimiento, según la reivindicación 18, caracterizado por que la discriminación de las señales eléctricas de la etapa d) se realiza en el dominio analógico.
20. Procedimiento, según la reivindicación 18, caracterizado por que la discriminación de las señales eléctricas de la etapa d) se realiza en el dominio digital.
21. Procedimiento, según la reivindicación 18, caracterizado por que la parametrización de la etapa e) es una parametrización lineal a tramos.
22. Procedimiento, según la reivindicación 21 , caracterizado por que la parametrización dispone como entrada la señal digitalizada (14001 ), así como la señal comprimida (15401 ) comprende, al menos, un primer valor de amplitud, (155721 ), un segundo valor de amplitud (155722) y un valor dependiente del tiempo.
23. Procedimiento, según la reivindicación 22, caracterizado por que al menos uno del primer o segundo valor de amplitud corresponde con el valor de un umbral superior (15563) o un umbral inferior (15564) definiendo dichos umbrales superior e inferior el rango de discriminación.
24. Procedimiento, según la reivindicación 22, caracterizado por que el valor dependiente del tiempo se calcula mediante el conteo de pulsos de un reloj del canal del canal de sensado.
25. Procedimiento, según la reivindicación 18 caracterizado por que comprende una etapa f) en la que se envía la señal comprimida (15401 ) a, al menos, un dispositivo externo al canal de sensado (10000).
26. Procedimiento, según la reivindicación 25, caracterizado por que dicho envío de la señal comprimida (15401 ) se realiza mediante medios de comunicación inalámbricos.
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