Implantierbares System für den lang- und kurzfristigen Ladungsausgleich bei neuronaler elektrischer Stimulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Elektrostimulation (FES und FNS) findet bereits in vielen Anwendungen erfolgreichen Einsatz. Das Thema des Ladungsausgleiches für eine sichere Stimulation ist dabei sehr wichtig und vor allem bei chronischen Stimulationsversuchen unerlässlich. In dieser Projektarbeit wurden integrierte Ladungsausgleichschaltungen entwickelt, welche in einer breiten Palette von CMOS-integrierten neuronalen Stimulatoren angewandt werden können. Dies erfordert eine hohe Anpassungsfähigkeit und Flexibilität. Die Ladungsausgleichschaltungen bieten aus diesem Grund einstellbare Sicherheitsgrenzbereiche, Ausgangsstrombegrenzungen und eine adaptive Hochspannungskompatibilität bis zu 38 V. Auch allgemeine Anforderungen an implantierbare Systeme, wie geringer Stromverbrauch und kleine Chipfläche, wurden mit hoher Priorität berücksichtigt. Die größte Herausforderung beim Entwurf und der Implementierung war die Minimierung des Stromverbrauchs sowie die Überwindung der Hochspannungsbeschränkungen des verfügbaren CMOS-Prozesses. Alle Schaltungen wurden in einer 0,35 μm-HV-CMOS-Technologie entworfen und mit Simulationen auf Transistorebene charakterisiert und nach der Fertigung durch Messungen über ein elektrisches Elektrodenmodell sowie in-vitro-Messungen verifiziert. Im Detail wurden zwei komplementäre (ursachenbasierte und folgenbasierte) Ladungsausgleichsmethoden für unterschiedliche Stimulationsabsichten, d.h. für Lang- und Kurzzeitexperimente, entwickelt. Jede Methode stellt eine in sich geschlossene Regelschleife dar, die auf ihre Stabilität hin untersucht wurde. Beide Regelkreise können unabhängig voneinander betrieben werden, verbessern jedoch ihre Wirksamkeit, wenn sie in Kombination verwendet werden. Hierbei bestand die größte Herausforderung darin die beiden Regelkreise zu kombinieren, was zu einem MIMO-System führt. Das Verhalten letzterer wurde durch Simulation und Messungen analysiert. Der Konzeptnachweis und weitere Validierungstests wurden unter Laborbedingungen durchgeführt. Die Kombination des Ladungsausgleichs-ASICs mit den durchgeführten Arbeiten an einem CMOS-integrierten Nervenstimulator des Fritz-Hüttinger-Lehrstuhls für Mikroelektronik zu einem kleinen Gerät gab uns die Möglichkeit auch in-vitro Validierungen und Demonstrationen durchzuführen. Unterstützung für den in-vitro-Aufbau gab es durch die Kooperation mit dem Labor für Biomedizinische Mikrotechnik - IMTEK.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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22.6 A 22V compliant 56µW active charge balancer enabling 100% charge compensation even in monophasic and 36% amplitude correction in biphasic neural stimulators. 2016 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), 390-391. IEEE.
Butz, Natalie; Taschwer, Armin; Manoli, Yiannos & Kuhl, Matthias
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Intra-Pulse Charge Control, EP 3 100 766 B1, 27.12.2017 US 10,166,399 B2
N. Butz, M. Kuhl & Y. Manoli
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A 22 V Compliant 56 μ W Twin-Track Active Charge Balancing Enabling 100% Charge Compensation Even in Monophasic and 36% Amplitude Correction in Biphasic Neural Stimulators. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 53(8), 2298-2310.
Butz, Natalie; Taschwer, Armin; Nessler, Sebastian; Manoli, Yiannos & Kuhl, Matthias
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A Charge Balanced Neural Stimulator with 3.3 V to 49 V Supply Compliance and Arbitrary Programmable Current Pulse Shapes. 2018 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS), 1-4. IEEE.
Taschwer, Armin; Butz, Natalie; Kohler, Manuel; Rossbach, Daniel & Manoli, Yiannos
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Active Charge Balancer with 6.6 to 40 V Quad-Rail Power Supply Compliance for Neural Stimulators. 2018 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 1-4. IEEE.
Butz, Natalie; Kalita, Utpal; Kuhl, Matthias & Manoli, Yiannos
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Active Charge Balancer With Adaptive 3.3 V to 38 V Supply Compliance for Neural Stimulators. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 68(10), 4013-4024.
Butz, Natalie; Kalita, Utpal & Manoli, Yiannos
