An Adaptive Neural Spike Processor With Embedded Active Learning for Improved Unsupervised Sorting Accuracy

There is a need for integrated spike sorting processors in implantable devices with low power consumption that have improved accuracy. Learning the characteristics of the variable input neural signals and adapting the functionality of the sorting process can improve the accuracy. An adaptive spike sorting processor is presented accounting for the variation in the input signal noise characteristics and the variable difficulty in the selection of the spike characteristics, which significantly improves the accuracy. The adaptive spike processor was fabricated in 180-nm CMOS technology for proof of concept. It performs conditional detection, alignment, adaptive feature extraction, and online clustering with sorting threshold self-tuning capability. The chip was tested under different input signal conditions to demonstrate its adaptation capability providing a median classification accuracy of 84.5 & #x0025; and consuming 148 & #x03BC;W from a 1.8 V supply voltage

A low-power programmable neural spike detection channel with embedded calibration and data compression

This paper reports a programmable 400 μm pitch neural spike recording channel, fabricated in a 130 nm standard CMOS technology, which implements amplification, filtering, digitization, analog spike detection plus feature extraction, and self-calibration functionalities. It can operate in two different output modes: 1) signal tracking, in which the neural signal is sampled and transmitted as raw data; and 2) feature extraction, in which the spikes of the neural signal are detected and encoded by piece-wise linear curves. Additionally, the channel offers a foreground calibration procedure in which the amplification gain and the passband of the embedded filter can be self-adjusted. The amplification stage obtains a noise efficiency factor of 2.16 and an input referred noise of 2.84 μVrms over a nominal bandwidth of 167 Hz-6.9 kHz. The channel includes a reconfigurable 8-bit analog-to-digital converter combined with a 3-bit controlled programmable gain amplifier for adjusting the input signal to the full scale range of the converter. This combined block achieves an overall energy consumption per conversion of 102 fJ at 90 kS/s. The energy consumed by the circuit elements which are strictly related to the digitization process is 14.12 fJ at the same conversion rate. The complete channel consumes 2.8 μW at 1.2 V voltage supply when operated in the signal tracking mode, and 3.1 μW when the feature extraction mode is enabled.Peer Reviewe

Low-Power Low-Noise CMOS Analog and Mixed-Signal Design towards Epileptic Seizure Detection

About 50 million people worldwide suffer from epilepsy and one third of them have seizures that are refractory to medication. In the past few decades, deep brain stimulation (DBS) has been explored by researchers and physicians as a promising way to control and treat epileptic seizures. To make the DBS therapy more efficient and effective, the feedback loop for titrating therapy is required. It means the implantable DBS devices should be smart enough to sense the brain signals and then adjust the stimulation parameters adaptively. This research proposes a signal-sensing channel configurable to various neural applications, which is a vital part for a future closed-loop epileptic seizure stimulation system. This doctoral study has two main contributions, 1) a micropower low-noise neural front-end circuit, and 2) a low-power configurable neural recording system for both neural action-potential (AP) and fast-ripple (FR) signals. The neural front end consists of a preamplifier followed by a bandpass filter (BPF). This design focuses on improving the noise-power efficiency of the preamplifier and the power/pole merit of the BPF at ultra-low power consumption. In measurement, the preamplifier exhibits 39.6-dB DC gain, 0.8 Hz to 5.2 kHz of bandwidth (BW), 5.86-μVrms input-referred noise in AP mode, while showing 39.4-dB DC gain, 0.36 Hz to 1.3 kHz of BW, 3.07-μVrms noise in FR mode. The preamplifier achieves noise efficiency factor (NEF) of 2.93 and 3.09 for AP and FR modes, respectively. The preamplifier power consumption is 2.4 μW from 2.8 V for both modes. The 6th-order follow-the-leader feedback elliptic BPF passes FR signals and provides -110 dB/decade attenuation to out-of-band interferers. It consumes 2.1 μW from 2.8 V (or 0.35 μW/pole) and is one of the most power-efficient high-order active filters reported to date. The complete front-end circuit achieves a mid-band gain of 38.5 dB, a BW from 250 to 486 Hz, and a total input-referred noise of 2.48 μVrms while consuming 4.5 μW from the 2.8 V power supply. The front-end NEF achieved is 7.6. The power efficiency of the complete front-end is 0.75 μW/pole. The chip is implemented in a standard 0.6-μm CMOS process with a die area of 0.45 mm^2. The neural recording system incorporates the front-end circuit and a sigma-delta analog-to-digital converter (ADC). The ADC has scalable BW and power consumption for digitizing both AP and FR signals captured by the front end. Various design techniques are applied to the improvement of power and area efficiency for the ADC. At 77-dB dynamic range (DR), the ADC has a peak SNR and SNDR of 75.9 dB and 67 dB, respectively, while consuming 2.75-mW power in AP mode. It achieves 78-dB DR, 76.2-dB peak SNR, 73.2-dB peak SNDR, and 588-μW power consumption in FR mode. Both analog and digital power supply voltages are 2.8 V. The chip is fabricated in a standard 0.6-μm CMOS process. The die size is 11.25 mm^2. The proposed circuits can be extended to a multi-channel system, with the ADC shared by all channels, as the sensing part of a future closed-loop DBS system for the treatment of intractable epilepsy

Systèmes intégrés pour l'hybridation vivant-artificiel : modélisation et conception d'une chaine de détection analogique adaptative

Version corrigée/Bioelectronics is a transdisciplinary field which develops interconnection devices between biological systems presenting electrical activity and the world of electronics. This communication with living tissues implies to observe the electrical activity of the cells and therefore requires an electronic acquisition chain.The use of Multi / Micro Electrode Array leads to systems that acquire a large numberof parallel channels, thus consumption and congestion of acquisition circuits have a significant impact on the viability of the system to be implanted.This thesis proposes two reflections about these acquisition circuits. One of these reflections relates to amplifier circuits, their input impedance and consumption; the other concerns an analogue action potentials detector, its modeling and optimization.These theoretical work leading to concrete results, an ASIC was designed, manufactured, tested and characterized in this thesis. This eight-channel ASIC therefore includes amplifiers and analogue action potentials detector and is the main contribution of this thesis.La bioélectronique est un domaine transdisciplinaire qui oeuvre, entre autres, àl’interconnexion entre des systèmes biologiques présentant une activité électrique et le monde de l’électronique. Cette communication avec le vivant implique l’observation de l’activité électrique des cellules considérées et nécessite donc une chaine d’acquisition électronique.L’utilisation de Multi/Micro Electrodes Array débouche sur des systèmes devant acquérir un grand nombre de canaux en parallèle, dès lors la consommation et l’encombrement des circuits d’acquisition ont un impact significatif sur la viabilité du système destiné à être implanté.Cette thèse propose deux réflexions à propos de ces circuits d’acquisition. Une ces des réflexions a trait aux circuits d’amplification, à leur impédance d’entrée et à leur consommation ; l’autre concerne un détecteur de potentiels d’action analogique, sa modélisation et son optimisation.Ces travaux théoriques ayant abouti à des résultats concrets, un ASIC a été conçu,fabriqué, testé et caractérisé au cours de cette thèse. Cet ASIC à huit canaux comporte donc des amplificateurs et des détecteurs de potentiels d’action analogiques et constitue le principal apport de ce travail de thèse

Bladder Volume Decoding from Afferent Neural Activity

RÉSUMÉ Lorsque les fonctions de stockage et de miction de la vessie échouent à la suite de traumatismes médullaires, ou en raison d'autres maladies neurologiques, de conditions de santé ou au vieillissement, des complications graves pour la santé du patient se produisent. Actuellement, il est possible de restaurer partiellement les fonctions de la vessie chez les patients réfractaires aux médicaments à l'aide des neurostimulateurs implantables. Pour améliorer l'efficacité et la sécurité de ces neuroprothèses, il faut un capteur de la vessie capable de détecter l’urine stockée afin de mettre en place un système en boucle fermée qui applique la stimulation électrique uniquement lorsque nécessaire. Le capteur peut également servir à aviser les patients ayant des sensations affaiblies pour les aviser en temps opportun le moment où la vessie doit être vidée ou quand un volume résiduel postmictionnel anormalement élevé reste après une miction incomplète. Dans cette thèse, on présente de nouvelles méthodes de mesure, ainsi qu’un processeur de signal numérique dédié pour décoder en temps réel le volume de la vessie à partir des enregistrements neuronaux afférents provenant des récepteurs naturels présents dans la paroi de la vessie. Nos principales contributions sont rapportées dans trois articles de journaux avec comité de lecture. On présente d'abord une revue exhaustive de la littérature comprenant des articles de journaux, des brevets et les livres les plus réputés portant sur l'anatomie, la physiologie et la physiopathologie du tractus urinaire inférieur ainsi que sur la mesure du volume ou la pression de la vessie. Cette étude nous a permis d'identifier les besoins qu'un capteur de la vessie doit satisfaire pour être utilisé dans des applications chroniques telles que celles proposées dans cette thèse. On présente aussi le résultat d’une analyse exhaustive des caractéristiques anatomiques et physiologiques de la vessie que nous avons identifiées d’avoir exercé une influence, ou même d’avoir empêché, la réalisation d'un tel capteur dans des études faites au cours des dernières années. Sur la base de cette étude et de l'évaluation systématique des méthodes de mesure pour la vessie, on a conclu que le principe de mesure le mieux adapté pour la surveillance chronique du volume de la vessie était la détection, la discrimination et le décodage de l'activité neuronale afférente découlant des récepteurs spécialisés du volume (mécanorécepteurs), au sujet desquels certains auteurs ont émis l'hypothèse de leur existence dans la muqueuse interne de la vessie. Ensuite, on présente la méthode de mesure qui permet d'estimer en temps réel le volume de la vessie à partir de l'activité afférente des mécanorécepteurs. Notre méthode a été validée avec les----------ABSTRACT Failure of the storage and voiding functions of the urinary bladder due to spinal cord injury (SCI), neural diseases, health conditions, or aging, causes serious complications in a patient's health. Currently, it is possible to partially restore bladder functions in drug-refractory patients using implantable neurostimulators. Improving the efficacy and safety of these neuroprostheses used for bladder functions restoration requires a bladder sensor (BS) capable of detecting urine volume in real-time to implement a closed-loop system that applies electrical stimulation only when required. The BS can also trigger an early warning to advise patients with impaired sensations when the bladder should be voided or when an abnormally high post-voiding residual volume remains after an incomplete voiding. In this thesis, we present new measurement methods and a dedicated digital signal processor for real-time decoding of the bladder volume through afferent neural signals arising from natural receptors present in the bladder wall. The main contributions of this thesis have been reported in three peer-reviewed journal papers. We first present a comprehensive literature review, including papers, patents and mainstay books of bladder anatomy, physiology, and pathophysiology. This review allowed us to identify the requirements (user needs) that a BS must meet for chronic applications, such as those proposed in this thesis. An exhaustive analysis of the particular anatomical and physiological characteristics of the bladder, which we realized had influenced or prevented the achievement of a BS for monitoring the bladder volume or pressure in past studies, are also presented. Based on this study and on a systematic assessment of the measurement methods published in past years, we determined the best measurement principle for chronic bladder volume monitoring: the detection, discrimination and decoding of the afferent neural activity stemming from specialized volume receptors (mechanoreceptors), on which some authors had hypothesized about its existence in the bladder inner mucosa. Next, we present methods that allows for a real-time estimation of bladder volume through the afferent activity of the bladder mechanoreceptors. Our method was validated with data acquired from anesthetized rats in acute experiments. It was possible to qualitatively estimate three states of bladder fullness in 100% of trials when the recorded afferent activity exhibited a Spearman’s correlation coefficient of 0.6 or better. Furthermore, we could quantitatively estimate the bladder volume, and also its pressure, using time-windows of properly chosen duration. The mea

Compressive Sensing and Multichannel Spike Detection for Neuro-Recording Systems

RÉSUMÉ Les interfaces cerveau-machines (ICM) sont de plus en plus importantes dans la recherche biomédicale et ses applications, tels que les tests et analyses médicaux en laboratoire, la cérébrologie et le traitement des dysfonctions neuromusculaires. Les ICM en général et les dispositifs d'enregistrement neuronaux, en particulier, dépendent fortement des méthodes de traitement de signaux utilisées pour fournir aux utilisateurs des renseignements sur l’état de diverses fonctions du cerveau. Les dispositifs d'enregistrement neuronaux courants intègrent de nombreux canaux parallèles produisant ainsi une énorme quantité de données. Celles-ci sont difficiles à transmettre, peuvent manquer une information précieuse des signaux enregistrés et limitent la capacité de traitement sur puce. Une amélioration de fonctions de traitement du signal est nécessaire pour s’assurer que les dispositifs d'enregistrements neuronaux peuvent faire face à l'augmentation rapide des exigences de taille de données et de précision requise de traitement. Cette thèse regroupe deux approches principales de traitement du signal - la compression et la réduction de données - pour les dispositifs d'enregistrement neuronaux. Tout d'abord, l’échantillonnage comprimé (AC) pour la compression du signal neuronal a été utilisé. Ceci implique l’usage d’une matrice de mesure déterministe basée sur un partitionnement selon le minimum de la distance Euclidienne ou celle de la distance de Manhattan (MDC). Nous avons comprimé les signaux neuronaux clairsemmés (Sparse) et non-clairsemmés et les avons reconstruit avec une marge d'erreur minimale en utilisant la matrice MDC construite plutôt. La réduction de données provenant de signaux neuronaux requiert la détection et le classement de potentiels d’actions (PA, ou spikes) lesquelles étaient réalisées en se servant de la méthode d’appariement de formes (templates) avec l'inférence bayésienne (Bayesian inference based template matching - BBTM). Par comparaison avec les méthodes fondées sur l'amplitude, sur le niveau d’énergie ou sur l’appariement de formes, la BBTM a une haute précision de détection, en particulier pour les signaux à faible rapport signal-bruit et peut séparer les potentiels d’actions reçus à partir des différents neurones et qui chevauchent. Ainsi, la BBTM peut automatiquement produire les appariements de formes nécessaires avec une complexité de calculs relativement faible.----------ABSTRACT Brain-Machine Interfaces (BMIs) are increasingly important in biomedical research and health care applications, such as medical laboratory tests and analyses, cerebrology, and complementary treatment of neuromuscular disorders. BMIs, and neural recording devices in particular, rely heavily on signal processing methods to provide users with nformation. Current neural recording devices integrate many parallel channels, which produce a huge amount of data that is difficult to transmit, cannot guarantee the quality of the recorded signals and may limit on-chip signal processing capabilities. An improved signal processing system is needed to ensure that neural recording devices can cope with rapidly increasing data size and accuracy requirements. This thesis focused on two signal processing approaches – signal compression and reduction – for neural recording devices. First, compressed sensing (CS) was employed for neural signal compression, using a minimum Euclidean or Manhattan distance cluster-based (MDC) deterministic sensing matrix. Sparse and non-sparse neural signals were substantially compressed and later reconstructed with minimal error using the built MDC matrix. Neural signal reduction required spike detection and sorting, which was conducted using a Bayesian inference-based template matching (BBTM) method. Compared with amplitude-based, energy-based, and some other template matching methods, BBTM has high detection accuracy, especially for low signal-to-noise ratio signals, and can separate overlapping spikes acquired from different neurons. In addition, BBTM can automatically generate the needed templates with relatively low system complexity. Finally, a digital online adaptive neural signal processing system, including spike detector and CS-based compressor, was designed. Both single and multi-channel solutions were implemented and evaluated. Compared with the signal processing systems in current use, the proposed signal processing system can efficiently compress a large number of sampled data and recover original signals with a small reconstruction error; also it has low power consumption and a small silicon area. The completed prototype shows considerable promise for application in a wide range of neural recording interfaces