A charge-metering method for voltage-mode neural stimulation

AbstractElectrical neural stimulation is the technique used to modulate neural activity by inducing an instantaneous charge imbalance. This is typically achieved by injecting a constant current and controlling the stimulation time. However, constant voltage stimulation is found to be more energy-efficient although it is challenging to control the amount of charge delivered. This paper presents a novel, fully integrated circuit for facilitating charge-metering in constant voltage stimulation. It utilises two complementary stimulation paths. Each path includes a small capacitor, a comparator and a counter. They form a mixed-signal integrator that integrates the stimulation current onto the capacitor while monitoring its voltage against a threshold using the comparator. The pulses from the comparator are used to increment the counter and reset the capacitor. Therefore, by knowing the value of the capacitor, threshold voltage and output of the counter, the quantity of charge delivered can be calculated. The system has been fabricated in 0.18μm CMOS technology, occupying a total active area of 339μm×110μm. Experimental results were taken using: (1) a resistor–capacitor EEI model and (2) platinum electrodes with ringer solution. The viability of this method in recruiting action potentials has been demonstrated using a cuff electrode with Xenopus sciatic nerve. For a 10nC target charge delivery, the results of (2) show a charge delivery error of 3.4% and a typical residual charge of 77.19pC without passive charge recycling. The total power consumption is 45μW. The performance is comparable with other publications. Therefore, the proposed stimulation method can be used as a new approach for neural stimulation

Charge Pumps for Implantable Microstimulators in Low and High-Voltage Technologies

RÉSUMÉ L'objectif principal de cette thèse est de concevoir et mettre en œuvre une pompe de charge qui peut produire suffisamment de tension afin de l’implémenter à un système de prothèse visuelle, conçue par le laboratoire PolyStim neurotechnologies. Il a été constaté que l'une des parties les plus consommatrices d'énergie de l'ensemble du système de prothèse visuelle est la pompe de charge. En raison de la nature variable du tissu nerveux et de l'interface d’électrode, la tension nécessaire par stimuler le tissu nerveux est très élevé et consomme extrêmement d’énergie. En outre, afin de fournir du courant biphasique aux électrodes il faut produire des tensions positives et négatives. La génération de tension négative est très difficile, surtout dans les technologies à faible tension compte tenu des limites de la technologie. Le premier objectif du projet est de générer la haute tension nécessaire qui va consommer une faible puissance statique. La technologie de haute tension a été utilisée dans le but d’atteindre cet objectif. Le deuxième objectif est de générer la tension requise dans la technologie de basse tension et ainsi surmonter les limites de la technologie. Dans les deux cas, une attention particulière a été portée afin que personne ne latch-up apparaît pour le cycle négatif. L'architecture de la conception proposée a été présentée dans cette thèse. La pompe de charge a été conçu et mis en oeuvre à la fois dans la technologie CMOS 0,8 μm offert par TELEDYNE DALSA et technologie 0,13 μm CMOS offert par IBM. En raison de la tension requise, 0,8 μm technologie a été utilisée pour atteindre la sortie et conçu pour minimiser la consommation de puissance statique. La même architecture a été mise en oeuvre en technologie 0,13 μm pour enquêter sur la tension de sortie obtenue avec une faible consommation électrique. Les deux puces ont été testées en laboratoire PolyStim. Les résultats testés ont montré une variation moyenne très faible de déviation inférieure à 5% par rapport au résultat de simulation. Pour la conception en 0,8 µm, nous avons été en mesure d'obtenir plus de 25 V avec une consommation électrique très faible d’énergie statique de 3,846 mW et une charge d'entraînement maximum de 2 mA avec un maximum d'efficacité de 84,2%. Pour le même processus en 0,13 µm, les resultats ont été plus que 20V, 0,913 mW, 500 µA, et 85,2% respectivement.----------ABSTRACT The main objective of the thesis is to design and implement a charge pump that can produce enough voltage required to be implemented to the visual prosthesis system, designed by the PolyStim Neurotechnologies laboratory. It has been found that one of the most power consuming parts of the whole visual prosthesis system is the charge pump. Due to the variable nature of the nerve tissue and electrode interface, the required voltage of stimulating the nerve tissue is very high and thus extremely power consuming. Also, in order to provide biphasic current to the electrodes, there is a requirement of generating both positive and negative voltages. Generating negative voltage is very hard especially in low voltage technologies considering the technology limitations. The first objective of the project is to generate required high voltage that will consume low static power. High voltage technology has been used to achieve the goal. The second objective is to generate the required voltage in low voltage technology overcoming the technology limitations. In both cases, special care has been taken so that no latch-up occurs for the negative cycle. Architecture of the proposed design has been presented in this thesis. The charge pump has been designed and implemented in both 0.8 µm CMOS technology offered by TELEDYNE DALSA and 0.13 µm CMOS technology offered by IBM. Because of the required voltage, 0.8 µm technology has been used to achieve the output and designed to minimize the static power consumption. The same architecture has been implemented in 0.13 µm technology to investigate the achievable output voltage with low power consumption. Both the chips have been tested in polyStim laboratory. The tested results have shown very low variation of less than 5% average deflection from the simulation output. For the design in 0.8 µm, we have been able to get more than 25 V output with very low static power consumption of 3.846 mW and maximum drive load of 2 mA with maximum efficiency of 84.2%. For the same design in 0.13 µm, the outputs were more than 20V, 0.913 mW, 500 µA, and 85.2% respectively

Génération de stimuli efficaces en énergie pour la microstimulation électrique intracorticale

RÉSUMÉ Ce mémoire a comme objectif principal la mise en oeuvre de circuits dédiés à l’amélioration de l’efficacité de la stimulation électrique de tissus situés au niveau du cortex visuel primaire. Le stimulateur proposé permet la génération de nouveaux stimuli flexibles de forme exponentielle et demi-sinusoïdale dans l’optique de réduire la consommation de puissance globale de l’implant. En plus d’être potentiellement plus efficaces que les stimulations rectangulaires standard pour exciter les tissus, ces formes d’impulsions permettraient également de réduire la concentration d’ions toxiques relâchés par les électrodes. Le second objectif de ce projet est de permettre la stimulation à pleine échelle, soit au moins 150 µA, à travers l’interface microélectrode-tissus qui est caractérisée par une impédance élevée. Un étage de sortie à haute-tension a donc également été réalisé afin de générer des tensions d’alimentation d’environ ±9 V et d’augmenter ainsi l’excursion de tension des stimuli tout en étant entièrement intégré. Une architecture comportant deux circuits intégrés indépendants est proposée dans ce mémoire. Le générateur de stimuli est implémenté dans la technologie CMOS 0,18-µ m 1,8V/3,3V de TSMC afin de limiter sa consommation de puissance. Pour ce qui est de l’étage de sortie, il est intégré à l’aide du procédé C08E CMOS/DMOS 0,8-µ m 5V/20V de DALSA Semiconductors, technologie supportant les niveaux de tension requis.Les deux puces ainsi fabriquées ont été testées. L’intensité des stimuli rectangulaires couvre une plage de 1,6 à 167,2 µ A des erreurs de non-linéarité différentielle et intégrale de 0,10 et 0,16 LSB respectivement. Les impulsions exponentielles ont une plage dynamique de 34,36 dB pour une erreur de ±0,5 dB par rapport à la fonction théorique. La consommation de puissance du générateur de stimuli atteint en moyenne 29,1 µW en mode rectangulaire et de 28,5 à 88,3 µ W en mode exponentiel. Les résultats obtenus pour la demi-sinusoïde proviennent de simulations. En moyenne, 80,2 % de la durée des impulsions demi-sinusoïdales a une erreur inférieure à ±1 % par rapport à la fonction idéale. Le générateur de stimuli complet consomme de 46,7 à 199,1 µW en mode demi-sinusoïdal. En ce qui a trait à l’étage de sortie, des tensions de 8,95 et -8,46 V sont générées avec succès, permettant à l’excursion de tension d’atteindre 13,6 V à travers une charge de 100 kΩ.----------ABSTRACT This master thesis’ main objective is the implementation of circuits dedicated to electrical stimulation efficiency enhancement for tissues in the primary visual cortex. The proposed stimulator allows novel stimuli waveform generation such as flexible exponential and half-sine pulses in order to reduce the implant’s global power consumption. In addition of being potentially more efficient to excite neural tissues than standard rectangular pulse-based stimulations, these waveforms should also reduce toxic ions concentration released by the electrodes. Moreover, this project’s second objective is to allow full-scale stimulation, i.e., at least 150 µA, through high-impedance microelectrode-tissue interfaces. A high-voltage output stage has also been realized to generate ±9 V voltage supplies to increase the voltage swing while being fully-integrated. An architecture composed of two independent integrated circuits has been proposed. The stimuli generator is implemented in TSMC CMOS 0.18-µ m 1.8V/3.3V technology to limit its power consumption. On the other hand, the output stage is integrated in C08E CMOS/DMOS 0.8- µm 5V/20V process from DALSA Semiconductors as this technology supports the required voltage levels.These two fabricated chips were tested. Rectangular stimuli intensity varies from 1.6 to 167.2 µA with differential and integral nonlinearities of 0.10 and 0.16 LSB, respectively. Exponential pulses show a dynamic range of 34.36 dB for an error of ±0.5 dB with the theoretical waveform. The stimuli generator’s power consumption reaches an average of 29.1 µW in rectangular mode and from 28.5 to 88.3 µW in exponential mode. Half-sine results are obtained from simulations. An average of 80.2 % of half-sine pulse duration has an error lower than ±1 % with the ideal sine function. The whole stimuli generator consumes from 46.7 to 199.1 µW in half-sine mode. For the output stage, voltages of 8.95 and -8.46 V are successfully generated, allowing the output voltage compliance to reach 13.6 V through a 100 kΩ load. However, this chip dissipates 51.37 mW when operating normally