Проектирование миниатюрных устройств для записи нейронов для носимых нейроинженерных решений
Инженерный вызов: создание крошечных окон в мозге
Нейроинженерия достигла ключевой точки перегиба. На протяжении десятилетий запись нейронной активности означала громоздкое лабораторное оборудование, проводные колпачки или хирургически имплантированные массивы, привязанные к стационарным усилителям. Сегодня гонка за сокращением этих систем в носимые, ненавязчивые устройства, которые могут непрерывно захватывать сигналы мозга, независимо от того, спит ли пользователь, на работе или движется по миру. Основная проблема обманчиво проста: как построить устройство, достаточно маленькое, чтобы быть удобным, но достаточно мощное, чтобы записывать высокоточные нейронные данные без шума, помех или чрезмерного расхода энергии? Ответ заключается в тщательном балансе материаловедения, проектирования схем и системной интеграции.
Миниатюрные устройства записи нейронов — это не просто уменьшенные версии их более крупных предшественников. Физика изменений получения сигналов в небольших масштабах. Импеданс электродов, тепловой шум и характеристики входного сигнала усилителя становятся пропорционально более сложными. Тем не менее потенциальная выгода огромна: непрерывный мониторинг мозга в реальном времени может трансформировать диагностику эпилепсии и расстройств сна, обеспечить интуитивные интерфейсы мозг-компьютер (BCI) для вспомогательных технологий и предоставить исследователям беспрецедентные окна в натуралистическую функцию мозга за пределами МРТ-сканера. В этой статье рассматриваются ключевые дизайнерские решения, текущие технологии и будущие траектории в этой быстро движущейся области.
Основные проблемы миниатюризации нейронных регистраторов
Миниатюризация — это не одна цель, а многомерная задача оптимизации. Каждое ограничение взаимодействует с другими, заставляя инженеров идти на компромиссы, которые напрямую влияют на производительность устройства и удобство использования.
Физический размер и фактор формы
Наиболее очевидным ограничением является размер. Носимые устройства должны удобно помещаться на коже головы, за ухом или в храме. Для имплантируемых версий объем часто измеряется в кубических миллиметрах. Для сокращения устройства требуется более плотная упаковка компонентов, но пассивные компоненты, такие как конденсаторы и индукторы, не масштабируются так легко, как транзисторы. Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли продемонстрировали беспроводные нейронные записывающие мотыльки, такие как зерно риса, но для достижения этого требуется жертвовать такими функциями, как бортовое хранение или многоканальная способность. Форм-фактор также диктует, как устройство соединяется с телом - жесткие корпуса могут вызывать точки давления, в то время как гибкие корпуса должны все еще защищать чувствительную электронику от влаги и пота.
Управление энергией в ограниченных пространствах
Мощность, пожалуй, самое упрямое узкое место. Меньшая батарея удерживает меньше заряда, но электроника должна усиливать нейронные сигналы на уровне микровольта, оцифровывать их и передавать данные беспроводным способом - все это время пользователь не привязан. Многие носимые нейронные регистраторы используют перезаряжаемую батарею, которая длится от нескольких часов до дня. Для продления срока службы дизайнеры полагаются на интегральные схемы с низким энергопотреблением (IC), которые работают при подпороговых напряжениях и рабочем цикле радио для сна между образцами. Уборка энергии, такая как термоэлектрическая генерация от тепла тела или пьезоэлектрическое удаление от движения, является активной областью исследований, но еще не дала достаточно энергии для непрерывной записи высокой пропускной способности. IEEE Spectrum охватывает несколько решений масштаба чипа, которые достигают нановатт потребления энергии с использованием аналоговой обработки сигнала перед оцифровкой, метод, который отменяет гибкость для эффективности.
Качество сигнала в шумной среде
Нейронные сигналы варьируются от 10 до 100 микровольт — в тысячи раз меньше, чем ЭКГ или сигнал ЭЭГ, измеренный обычным способом. Усиление таких крошечных сигналов при отказе от гудения сети 50/60 Гц, мышечных артефактов и радиочастотных помех является серьезной проблемой проектирования. Миниатюризация усугубляет проблему, поскольку небольшие электроды имеют более высокий импеданс, что увеличивает тепловой шум и делает емкостную связь с помехами более выраженной. Передовые фронтальные усилители используют стабилизацию вертолета, коррелированную двойную выборку и фирменные топологии с низким уровнем шума. компромисс заключается в том, что эти схемы потребляют больше площади и мощности. Один многообещающий подход заключается в интеграции электрода и усилителя на той же гибкой подложке, уменьшая паразитную емкость и собирая меньше помех.
Биосовместимость и долгосрочная стабильность
Для устройств, которые контактируют с кожей или имплантируются, материалы не должны вызывать раздражение, воспаление или токсические реакции. Золото, платина и оксид иридия являются обычными электродными материалами, но они отличаются по мощности заряда и долгосрочной коррозионной стойкости. Гибкие субстраты, такие как полиимид, парилен-С и жидкокристаллический полимер, позволяют устройству соответствовать контурам тела без механического несоответствия. Однако инкапсуляция должна предотвращать попадание влаги, которая может замыкаться или корродировать провода связи. Для имплантируемых систем реакция инородного тела, где глиальные клетки инкапсулируют устройство, увеличивая импеданс, остается барьером для хронических записей. Исследователи разрабатывают био-вдохновленные гидрогелевые покрытия, которые имитируют механические свойства нервной ткани для уменьшения рубцевания.
Стратегии проектирования для носимой нейронной записи
Опираясь на вышеупомянутые проблемы, инженеры сблизились в наборе стратегий проектирования, которые уравновешивают производительность с миниатюризацией. Эти стратегии не являются взаимоисключающими; многие успешные устройства объединяют несколько.
Интегральная схема и дизайн системы на чипе (SoC)
Первая стратегия заключается в интеграции как можно большего количества функций на одном кремниевом кристалле. Современные нейронные SoC упаковывают стадию усиления, аналого-цифровой преобразователь (ADC), цифровую обработку сигналов и беспроводной приемопередатчик в один чип, часто менее 5 мм2. Это устраняет межчиповую проводку, снижает паразитную емкость и снижает мощность. Например, платформа NeuralWISP объединяет многоканальный нейронный регистратор с радиоприемником обратного рассеяния, достигая беспроводной работы без батареи за счет сбора энергии считывателя RFID. Недостатком является повышенная сложность конструкции и неповторяющиеся инженерные затраты, но для объемного производства стоимость единицы резко падает.
Гибкая и растяжимая электроника
Жесткие печатные платы ограничивают комфорт и могут вызывать артефакты движения. Замена их гибкими подложками позволяет устройству изгибаться кожей. Полиимид и полиэстер являются обычным выбором, но более новые материалы, такие как полидиметилсилоксан (PDMS) и Ecoflex, обеспечивают растяжимость, что важно для устройств, которые будут имплантированы в движущуюся ткань, такую как мозг или спинной мозг. Исследователи разработали «электронные татуировки», которые применяются к коже головы, как временная татуировка и записывают сигналы ЭЭГ с уменьшенным импедансом. Эти устройства обычно используют серпантиновые межсоединения, которые могут растягиваться без разрыва, и они могут быть сделаны прозрачными по эстетическим причинам. Однако гибкая электроника более восприимчива к разрыву и часто требуют методов трансферной печати, которые усложняют производство.
Беспроводные протоколы с низким энергопотреблением и сжатие данных
Беспроводная передача необработанных нейронных данных при отборе проб на 1 кГц по 16 каналам может потребовать скорости передачи данных 256 кбит/с или более. Bluetooth Low Energy (BLE) является общим выбором, но его энергопотребление по-прежнему является основным расходом. Для снижения радиочастотного времени устройства сжимают данные на самом чипе. Методы включают сжатие без потерь, такое как кодирование длины пробега (подходящее для данных с шипами) или сжатие с потерями, такое как дельта-кодирование или пороговое значение вейвлета. Некоторые системы передают только извлеченные времена спайка, а не сырые формы волн, уменьшая скорость передачи данных на порядки величины. Альтернативно, связь ближнего поля (NFC) или ультраширокополосная (UWB) может использоваться для приложений с очень коротким диапазоном, высокой пропускной способностью. Выбор протокола сильно влияет на срок службы батареи и размер устройства.
Адаптивное управление питанием и дежурный цикл
Не вся нейронная активность должна записываться непрерывно. Для таких приложений, как постановка сна или обнаружение эпилептических припадков, устройство может работать в маломощном «чувствительном» режиме, который только пробуждает полную цепочку записи, когда порог пересекается. Этот дежурный цикл может продлить время автономной работы от часов до дней. Небольшой постоянно включенный усилитель обнаруживает грубые изменения в оболочке нейронного сигнала, такие как высокочастотные колебания во время захвата, и запускает основной регистратор. Реализация адаптивного порога в аппаратном обеспечении (а не в программном) экономит энергию, потому что микроконтроллер остается спящим. Некоторые продвинутые чипы используют машинные классификаторы, встроенные в аналоговый домен, для обнаружения шаблонов без оцифровки сигнала непрерывно.
Применение миниатюрной нейронной записи
Возможность записывать активность мозга за пределами лаборатории открывает широкий спектр приложений, которые ранее были непрактичными. Эти приложения охватывают медицину, исследования, взаимодействие человека с компьютером и личное здоровье.
Медицинская диагностика и хронический мониторинг
Для пациентов с эпилепсией непрерывный амбулаторный мониторинг ЭЭГ является золотым стандартом для захвата припадочной активности, которая может происходить всего несколько раз в месяц. Традиционный внутрибольничный мониторинг требует, чтобы пациенты оставались в постели с проводной крышкой в течение нескольких дней. Миниатюрные носимые регистраторы позволяют им вести повседневную жизнь, пока устройство регистрирует данные. Одноразовые одноразовые патчи ЭЭГ, которые прилипают к коже головы и передают на смартфон, уже входят в клинические испытания. Аналогично, для диагностики апноэ сна домашняя полисомнография с использованием нескольких беспроводных датчиков может заменить неудобные лабораторные исследования. Ключевое требование заключается в том, что устройство должно быть достаточно ненавязчивым, чтобы оно не меняло сон или поведение пациента.
Имплантируемые устройства предлагают еще более глубокий обзор. Stentrode, стент-ориентированный нейронный регистратор, помещенный внутри кровеносных сосудов вблизи моторной коры, использовался для обеспечения контролируемого с помощью мысли набора текста у парализованных пациентов. Несмотря на то, что имплантируется через катетер, устройство имеет диаметр всего несколько миллиметров и не требует открытой хирургии мозга. Этот подход демонстрирует, как миниатюризация может значительно снизить хирургический риск, все еще получая доступ к сигналам высокой точности.
Нейронаука исследования в натуралистических условиях
Традиционные исследования МРТ и МЭГ требуют, чтобы испытуемые лежали неподвижно в ограниченном канаве или шлеме. Это серьезно ограничивает типы поведения, которые можно изучать — ходьба, социальное взаимодействие и сложные движения рук почти невозможны. Носимые нейронные регистраторы позволяют исследователям наблюдать активность мозга, в то время как испытуемые выполняют реальные задачи. Например, исследование пространственной навигации может заставить участников ходить по парку, в то время как устройство с повязкой на голове записывает ритмы тета гиппокампа. Качество данных не так высоко, как от имплантированных зондов, но экологическая обоснованность намного выше. Это особенно важно для изучения расстройств, таких как аутизм или ПТСР, где ответы на натуралистические стимулы отличаются от лабораторных сигналов.
Мозгово-компьютерные интерфейсы для вспомогательных технологий
Возможно, самое захватывающее приложение - интерфейс мозг-компьютер. Неинвазивные BCI, использующие ЭЭГ из миниатюрных носимых гарнитур, уже позволяют пользователям управлять курсорами, заклинаниями или играть в простые игры. Такие компании, как Нейромобильные , разработали беспроводные гарнитуры ЭЭГ, которые интегрируют сухие электроды и обработку в реальном времени для VR и приложений производительности. Для людей с серьезными нарушениями моторики имплантированные миниатюрные массивы предлагают более высокую пропускную способность. Консорциум BrainGate продемонстрировал многоканальные микроэлектродные массивы, которые позволяют управлять инвалидными колясками и робототехникой. По мере того, как эти устройства сокращаются дальше, они могут стать постоянными, косметически невидимыми имплантатами, которые восстанавливают связь и движение.
Личное благополучие и когнитивное улучшение
Носимые ЭЭГ-устройства потребительского класса были доступны в течение многих лет (например, Muse, NeuroSky), но они обычно используют только несколько сухих электродов и полагаются на объемную обработку в приложении для смартфона. Миниатюризация позволяет больше каналов и лучшее соотношение сигнал-шум без объема. Приложения включают в себя нейрообратную связь в реальном времени для улучшения фокусировки или снижения тревоги, отслеживания умственной нагрузки во время сложных задач и мониторинга сонливости для водителей или пилотов. Носимые устройства, которые могут обнаружить ранние признаки когнитивного снижения или стресса, могут своевременно стимулировать вмешательства. Однако точность этих систем по-прежнему ограничена артефактами движения и качеством сигнала сухих электродов, которые более восприимчивы к поту и движению, чем мокрые гелевые электроды.
Будущие направления и новые технологии
Область быстро развивается, движимая параллельными улучшениями в производстве полупроводников, материалов и машинном обучении. Следующее поколение устройств, вероятно, будет интегрировать функции, которые сегодня кажутся научной фантастикой.
Полностью имплантируемые микросистемы с беспроводной энергией
Одна из основных целей состоит в том, чтобы создать устройства, достаточно маленькие, чтобы их можно было вводить через иглу и питать беспроводным способом от внешней носимой катушки. Исследователи из Сан-Диего разработали нейронные пылевые узлы, субмиллиметровые узлы, которые могут быть рассеяны по коре, каждый из которых содержит электрод, усилитель и передатчик обратного рассеяния. Мощность доставляется с помощью ультразвука или индуктивной связи из пластыря, который носят на коже головы. Проблемы включают обеспечение надежной связи с несколькими муфтами и предотвращение повреждения тканей от акустической энергии. Если это удастся, такие массивы могут заменить большие имплантированные массивы, такие как массивы Юты, уменьшая хирургический след и позволяя одновременно проводить плотный отбор проб из многих областей мозга.
Искусственный интеллект на чипе для обработки в реальном времени
Переход от передачи необработанных данных к интерпретации на устройстве уменьшит мощность и задержку. Пользовательские ускорители нейронных сетей, которые помещаются внутри аналогового интерфейса чипа, могут классифицировать стадии сна, обнаруживать судороги или декодировать предполагаемые движения в течение миллисекунд. Эти аппаратные ускорители потребляют только микроватты при выполнении вывода. Задача состоит в том, чтобы обучить их обобщать у пациентов, не требуя больших наборов данных для каждого нового пользователя. Изучаются методы обучения передаче и адаптации домена. Будущее устройство может обнаружить предстоящий захват и запустить терапевтический электрический импульс от стимулятора компаньона, все в носимой системе с замкнутым контуром.
Энергия, получаемая из энергии тела
Батареи остаются самым слабым звеном в носимых устройствах. Они громоздки, имеют ограниченные циклы и требуют периодической замены. Уборка энергии из тепла тела (термоэлектрический), движение (пьезоэлектрический или трибоэлектрический) или биотопливные элементы (с использованием глюкозы в жидкостях организма) могут обеспечить вечную работу. Термоэлектрические генераторы, которые используют температурный градиент между кожей и окружающим воздухом, производят только десятки микроватт на квадратный сантиметр, что может быть достаточно для регистратора низкого цикла, но не для непрерывной многоканальной передачи. Трибоэлектрические наногенераторы могут давать более высокую пиковую мощность, но являются прерывистыми. Гибридные системы, которые объединяют небольшой суперконденсатор для буферизации энергии с первичным энергоуборщиком, являются перспективным направлением.
Продвинутые биосовместимые материалы
Материаловедение создает новые электродные покрытия, которые снижают реакцию инородного тела и поддерживают низкий импеданс в течение многих лет. Проводящие полимеры, такие как PEDOT:PSS, имеют более высокую емкость для впрыска заряда, чем благородные металлы, и являются более мягкими, соответствующими модулям ткани мозга. Углеродные нанотрубки и графен обеспечивают высокую площадь поверхности и гибкость. Следующим рубежом являются самозаживляющиеся материалы, которые могут восстанавливать микротрещины или деламинацию во время хронической имплантации. Кроме того, биорезорбируемая электроника, которая растворяется через несколько недель, может использоваться для временного мониторинга после операций, устраняя необходимость второй процедуры для удаления устройства.
Заключение
Миниатюрные устройства для записи нейронов находятся на пороге трансформации того, как мы взаимодействуем с мозгом. Сжимая усилители, радиоприемники и процессоры в пакеты, которые можно носить под шляпой или имплантировать через кровеносный сосуд, инженеры устраняют барьеры между мозгом и внешним миром. Проблемы огромны - мощность, шум, биосовместимость и масштаб - но каждое постепенное продвижение открывает новые возможности для диагностики заболеваний, восстановления функций и понимания ума. В следующем десятилетии эти устройства, вероятно, будут уменьшаться, получая интеллект, делая носимую нейроинженерию не только лабораторным любопытством, но и практическим инструментом для медицины и повседневной жизни.