Analog Workshop 2023

Schaltungen und Systeme für bidirektionale Gehirn-Maschine-Schnittstellen

Integrierte Elektronik hat die Entwicklung implantierbarer biomedizinischer Systeme in den letzten zwei Jahrzehnten vorangetrieben. Moderne Geräte für die Tiefenhirnstimulation sind von der FDA für die Behandlung der Parkinson-Krankheit zugelassen und bringen für Menschen, die an essentiellem Tremor leiden, eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Schwere der Symptome. Das an der Universität Ulm entwickelte 32-kanalige Neuromodulations-System-on-Chip ist in der Lage, die neuronale Aktivität mit einer Vielzahl von programmierbaren Parametern aufzuzeichnen und zu stimulieren, darunter einstellbare Verstärkungs- und Bandbreiteneinstellungen in der Signalerfassungskette sowie Wellenformen mit mehreren Freiheitsgraden, CCS/CVS-Modi und 66dB Dynamikumfang in der Stimulatoreinheit. Bemerkenswerte Merkmale sind ein neuartiges erstes Fehlersicherheitskonzept, das die Einhaltung von Zulassungsvorgaben (ISO-14708-1) erreicht und keine externen Abblockkondensatoren benötigt, wodurch Leiterplattenplatz eingespart und Verschattungen im MRT vermieden werden. Darüber hinaus verfügt der Neuromodulator über eine frei wählbare Aufzeichnungsreferenz, eine einstellbare Datenrate, Scan-Chain-Verifikation, eine SPI-konforme Schnittstelle mit CRC zur Fehlererkennung in der Programmierung sowie die wiederholbare Ausführung von Befehlen in der Zustandsmaschine des Stimulators. Letzteres ermöglicht eine sehr effiziente Implementierung eines tonbasierten Verfahrens zur Schätzung der Elektrodenimpedanz, was die Genauigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Rauschen und Störfaktoren verbessert.