Nano-Watt Modular Integrated Circuits for Wireless Neural Interface.

In this work, a nano-watt modular neural interface circuit is proposed for ECoG neuroprosthetics. The main purposes of this work are threefold: (1) optimizing the power-performance of the neural interface circuits based on ECoG signal characteristics, (2) equipping a stimulation capability, and (3) providing a modular system solution to expand functionality. To achieve these aims, the proposed system introduces the following contributions/innovations: (1) power-noise optimization based on the ECoG signal driven analysis, (2) extreme low-power analog front-ends, (3) Manchester clock-edge modulation clock data recovery, (4) power-efficient data compression, (5) integrated stimulator with fully programmable waveform, (6) wireless signal transmission through skin, and (7) modular expandable design. Towards these challenges and contributions, three different ECoG neural interface systems, ENI-1, ENI-16, and ENI-32, have been designed, fabricated, and tested. The first ENI system(ENI-1) is a one-channel analog front-end and fabricated in a 0.25µm CMOS process with chopper stabilized pseudo open-loop preamplifier and area-efficient SAR ADC. The measured channel power, noise and area are 1.68µW at 2.5V power-supply, 1.69µVrms (NEF=2.43), and 0.0694mm^2, respectively. The fabricated IC is packaged with customized miniaturized package. In-vivo human EEG is successfully measured with the fabricated ENI-1-IC. To demonstrate a system expandability and wireless link, ENI-16 IC is fabricated in 0.25µm CMOS process and has sixteen channels with a push-pull preamplifier, asynchronous SAR ADC, and intra-skin communication(ISCOM) which is a new way of transmitting the signal through skin. The measured channel power, noise and area are 780nW, 4.26µVrms (NEF=5.2), and 2.88mm^2, respectively. With the fabricated ENI-16-IC, in-vivo epidural ECoG from monkey is successfully measured. As a closed-loop system, ENI-32 focuses on optimizing the power performance based on a bio-signal property and integrating stimulator. ENI-32 is fabricated in 0.18µm CMOS process and has thirty-two recording channels and four stimulation channels with a cyclic preamplifier, data compression, asymmetric wireless transceiver (Tx/Rx). The measured channel power, noise and area are 140nW (680nW including ISCOM), 3.26µVrms (NEF=1.6), and 5.76mm^2, respectively. The ENI-32 achieves an order of magnitude power reduction while maintaining the system performance. The proposed nano-watt ENI-32 can be the first practical wireless closed-loop solution with a practically miniaturized implantable device.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/98064/1/schang_1.pd

Mejoras en una prótesis mioeléctrica de mano para su uso en rehabilitación

Las prótesis mioeléctricas están cada vez más evolucionadas. Por ello resulta interesante poder desarrollar uno de estos dispositivos con un presupuesto ajustado, para que así todo el mundo pueda acceder a una prótesis mioeléctrica. En el presente documento se realizará un recorrido por el proceso de creación de una prótesis mioeléctrica asequible, sin dejar de ser funcional. Se comenzará con una introducción teórica, para después continuar con el desarrollo del hardware, separando cada una de las componentes. Posteriormente se verá el desarrollo del software, así como todas las pruebas que han sido necesarias para el correcto funcionamiento de la prótesis. También se ha tenido en consideración la necesidad de incluir un sistema de sensores en la prótesis que nos ayuden a que el manejo de esta sea más natural y eficiente. El resultado final es una mano mioeléctrica que, si bien no es funcional, tiene mucho potencial para serlo, tras aplicar unas pequeñas mejoras, las cuales también han sido reflejadas en la memoria en el apartado “líneas de mejora”.Grado en Ingeniería de Tecnologías Específicas de Telecomunicació

PROGETTO DI UN AMPLIFICATORE DA STRUMENTAZIONE A BASSO RUMORE E RIDOTTO CONSUMO DI POTENZA

In questo lavoro di tesi è stato proposto un amplificatore da strumentazione a basso rumore e ridotto consumo di potenza per la lettura di sensori temici integrati basati su termopile; l’interfaccia proposta è progettata sul processo tecnologico a 320nm BCD6s di STMicroelectronics. Le grandi resistenze di sorgente hanno richiesto l’utilizzo di dispositivi MOSFET che introducono, almeno idealmente, una corrente di ingresso nulla; sono state successivamente analizzate le problematiche relative al rumore flicker che, alle basse frequenze di lavoro imposte dal segnale fornito dalla sorgente, risulterebbe predominante. Si è dunque reso necessario l’utilizzo di una delle tecniche di cancellazione dell’offset e del rumore a bassa frequenza, ed abbiamo indirizzato la nostra scelta verso la modulazione chopper, che è quella che presenta una minore densità spettrale di potenza riportata in banda base. La soluzione adottata in questa sede prevede di incorporare la funzione filtrante, tipica degli amplificatori chopper, nell’amplificatore stesso, andando così nella fattispecie ad ottenere un filtro attivo di Butterworth del secondo ordine. Una volta descritto l’amplificatore nel suo intero siamo passati ad un possibile dimensionamento dei dispositivi ed abbiamo successivamente eseguito le simulazioni sulla cella. I risultati ottenuti e riportati in questo elaborato confermano un comportamento idoneo alla lettura di sensori integrati basati su termopile, in particolar modo la banda passante risulta B=200Hz, con un guadagno in continua H0=200, mentre la dinamica di ingresso risulta |vid|<7mV, più che sufficiente per l’applicazione specifica. L’offset residuo è stato stimato mediante simulazioni Monte Carlo intorno a VIO=4.75μV, mentre le prestazioni in termini di rumore e di consumo di corrente rientrano nelle specifiche primarie richieste dal progetto; in particolar modo abbiamo ottenuto una densità spettrale di potenza che può essere considerata costante su tutta la banda dell'amplificatore, la cui radice ha un valore inferiore a 12 nV/sqrt(Hz), mentre la potenza assorbita risulta circa P=1.7 mW. Abbiamo inoltre introdotto la possibilità, agendo su un pin esterno, di ridurre il consumo di potenza a circa P=570μW, a scapito delle prestazioni in termini di rumore