Sensing and monitoring of neural activities within the central nervous system has become a fast-growing area of research due to the need to understand more about how neurons communicate. Several neurological disorders such as Parkinson’s disease, Schizophrenia, Alzeihmers and Epilepsy have been reported to be associated with imbalance in the concentration of neurotransmitters such as glutamate and dopamine [1] - [5]. Hence, this thesis proposes a solution for the measurement of dopamine concentration in the brain during neural communication.
The proposed design of the dopamine oxidation readout sensor interface is based on a mixed-signal front-end architecture for minimizing noise and high resolution of detected current signals. The analog front-end is designed for acquisition and amplification of current signals resulting from oxidation and reduction at the biosensor electrodes in the brain. The digital signal processing (DSP) block is used for discretization of detected dopamine oxidation and reduction current signals that can be further processed by an external system.
The results from the simulation of the proposed design show that the readout circuit has a current resolution of 100 pA and can detect minimum dopamine concentration of 10 μMol based on measured data from novel diamond-like carbon electrodes [6]. Higher dopamine concentration can be detected from the sensor interface due to its support for a wide current range of 1.2 μA(±600 nA). The digital code representation of the detected dopamine has a resolution of 14.3-bits with RMS conversion error of 0.18 LSB which results in an SNR of 88 dB at full current range input. However, the attained ENOB is 8-bits due to the effect of nonlinearity in the oscillator based ADC. Nonetheless, the achieved resolution of the readout circuit provides good sensitivity of released dopamine in the brain which is useful for further understanding of neurotransmitters and fostering research into improved treatments of related neurodegenerative diseases.Keskushermoston aktiivisuuden havainnointi ja tarkkailu on muodostunut tärkeäksi tutkimusalaksi, sillä tarve ymmärtää neuronien viestintää on kasvanut. Monien hermostollisten sairauksien kuten Parkinsonin taudin, skitsofrenian, Alzheimerin taudin ja epilepsian on huomattu aiheuttavan muutoksia välittäjäaineiden, kuten glutamaatin ja dopamiinin, pitoisuuksissa [1] - [5]. Aiheeseen liittyen tässä työssä esitetään ratkaisu dopamiinipitoisuuden mittaamiseksi aivoista.
Esitetty dopamiinipitoisuuden lukijapiiri perustuu sekamuotoiseen etupäärakenteeseen, jolla saavutetaan matala kohinataso ja hyvä tarkkuus signaalien ilmaisemisessa. Suunniteltu analoginen etupää kykenee lukemaan ja vahvistamaan dopamiinipitoisuuden muutosten aiheuttamia virran muutoksia aivoihin asennetuista elektrodeista. Digitaalisen signaalinkäsittelyn avulla voidaan havaita dopamiinin hapettumis-ja pelkistymisvirtasignaalit, ja välittää ne edelleen ulkoisen järjestelmän muokattavaksi.
Simulaatiotulokset osoittavat, että suunniteltu piiri saavuttaa 100 pA virran erottelukyvyn. Simuloinnin perustuessa hiilipohjaisiin dopamiinielektrodeihin piiri voi havaita 10 μMol dopamiinipitoisuuden [6]. Myös suurempia dopamiinipitoisuuksia voidaan havaita, sillä etupäärajapinta tukee 1.2 μA(±600 nA) virta-aluetta. Digitaalinen esitysmuoto tukee 14.3 bitin esitystarkkuutta 0.18 bitin RMS virheellä saavuttaen 88 dB dynaamisen virta-alueen. Saavutettu ENOB (tehollinen bittimäärä) on kuitenkin 8 bittiä oskillaattoripohjaisen ADC:n (analogia-digitaalimuuntimen) epälineaarisuuden takia. Saavutettu tarkkuus tuottaa hyvän herkkyyden dopamiinin havaitsemiseksi ja hyödyttää siten välittäjäainetutkimusta ja uusien hoitomuotojen kehittämistä hermostollisiin sairauksiin
