ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ ΔΥΝΑΜΙΚΩΝ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ ΓΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΕ ΧΑΜΗΛΗ ΤΑΣΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΠΜΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ ΔΥΝΑΜΙΚΩΝ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ ΓΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΕ ΧΑΜΗΛΗ ΤΑΣΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΔΕΜΑΡΤΙΝΟΣ ΑΝΔΡΕΑΣ-ΧΡΗΣΤΟΣ Α.Μ. 401 Επιβλέπων: Αναπλ. Καθηγητής Κ. Ψυχαλίνος Πάτρα, Ιούλιος 2013

ii

ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ ΔΥΝΑΜΙΚΩΝ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ ΓΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΕ ΧΑΜΗΛΗ ΤΑΣΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΔΕΜΑΡΤΙΝΟΣ ΑΝΔΡΕΑΣ-ΧΡΗΣΤΟΣ Εξεταστική επιτροπή: Κ. Ψυχαλίνος Γ. Οικονόμου Σπ. Βλάσσης Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την Ιουλίου 2013. Κ. Ψυχαλίνος Αναπλ. Καθηγητής Γ. Οικονόμου Καθηγητής Σπ. Βλάσσης Επικ. Καθηγητής Πάτρα, Ιούλιος 2013 iii

iv

Περίληψη Η ανίχνευση των δυναμικών δραστηριότητας συμβάλλει στη μείωση των δεδομένων προς αποστολή από ένα εμφυτεύσιμο σύστημα ασύρματης καταγραφής της νευρωνικής δραστηριότητας ενός ζώντα οργανισμού. Η παρούσα Mεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία έχει ως στόχο την σχεδίαση ενός ανιχνευτή δυναμικών δραστηριότητας σε νευρωνικές κυματομορφές ικανό να λειτουργεί σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας για την επίτευξη μειωμένης κατανάλωσης ισχύος. Για το σκοπό αυτό, προτείνεται η σχεδίαση συστημάτων στο πεδίο του λογαρίθμου με τη χρήση MOS τρανζίστορ που είναι πολωμένα στην περιοχή υποκατωφλίου. Αρχικά, μελετώνται τα φυσικά χαρακτηριστικά των δυναμικών δραστηριότητας, δηλαδή το συχνοτικό τους περιεχόμενο και το σχήμα τους στο πεδίο του χρόνου. Επίσης, παρουσιάζεται ο μη-γραμμικός τελεστής ενέργειας και ο λόγος για τον οποίο αυτός καθίσταται σημαντικός στην επεξεργασία νευρωνικών σημάτων. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι βασικές αρχές για τη σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του λογαρίθμου. Ακόμα, κάνοντας χρήση των βασικών δομικών μονάδων του λογαριθμικού πεδίου, των μη-γραμμικών διαγωγών Ε Cells, υλοποιούνται τόσο οι συμπληρωματικοί τελεστές όσο και οι δομές επεξεργασίας σήματος που είναι απαραίτητες για την πραγματοποίηση του μη-γραμμικού τελεστή ενέργειας. Οι δομές αυτές είναι διαφοριστές και πολλαπλασιαστές τεσσάρων τεταρτημορίων τρόπου ρεύματος. Τέλος, δίνεται η ολοκλήρωση του συστήματος με την σχεδίαση ενός συγκριτή ρεύματος που επιτελεί την λειτουργία της κατωφλιοποίησης. Για την εξομοίωση του συστήματος, χρησιμοποιείται μια νευρωνική κυματομορφή, το Analog Design Environment του λογισμικού Cadence και οι παράμετροι της τεχνολογίας TSMC 130nm. Λέξεις κλειδιά: Αναλογικά κυκλώματα χαμηλής τάσης, Φίλτρα συμπίεσης/αποσυμπίεσης, Βιοϊατρικές εφαρμογές, Μη-γραμμικός τελεστής ενέργειας v

vi

Αbstract The detection of action potentials contributes to the reduction of data to be transmitted by an implantable wireless neural activity recording system. The goal of the present M.Sc. Τhesis is the design of an action potential detector capable of operating in a low-voltage environment, in order to achieve reduced power dissipation. For this purpose, the log-domain designing technique is suggested by using MOS transistors operating in the subthreshold region. Initially, the physical characteristics of action potentials are studied, i.e. the frequential content and time-domain shape. Moreover, the nonlinear energy operator is presented in addition to the reason that makes this system crucial for neural signal processing. Thereafter, the basic principles of designing log-domain circuits are presented. Furthermore, the complementary operators as well as the signal processing blocks that are necessary for the realization of NEO are implemented by using the main log-domain building units, the nonlinear transconductors E cells. The blocks required for the NEO implementation are current-mode differentiators and four-quadrant multipliers. Finally, the complete system is given after the design of a current comparator which is responsible for the operation of thresholding. The simulation of the system has been performed through the utilization of the Analog Design Environment of Cadence software and the design kit of TSMC 130nm process in addition to a neural waveform. Key words: Low-voltage analog circuits; Companding filtering, Biomedical applications, Nonlinear energy operator vii

viii

Ευχαριστίες Η παρούσα Διπλωματική Εργασία πραγματοποιήθηκε κατά το ακαδημαϊκό έτος 2012-2013 στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών Ηλεκτρονική και Επικοινωνίες (Ραδιοηλεκτρολογία), του τμήματος Φύσικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αρχικά, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Κώστα Ψυχαλίνο, Αναπληρωτή Καθηγητή του τμ. Φυσικής και επιβλέποντα αυτής της εργασίας, για την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπό και την ευκαιρία που μου έδωσε να γνωρίσω τον τομέα της Μικροηλεκρονικής και της σχεδίασης Αναλογικών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων. Η καθοδήγηση του ήταν κάτι παραπάνω από ουσιαστική και συνεχής, ενώ η συνεργασία μου μαζί του είμαι σίγουρος ότι θα αποδειχθεί πραγματικά εποικοδομητική για το μέλλον μου. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Σπύρο Βλάσση, Επίκουρο Καθηγητή του τμ. Φυσικής, και τον κ. Γιώργο Σουλιώτη, μέλος ΕΤΕΠ, για τις πολύτιμες συμβουλές τους στην εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Ακόμα, ευχαριστώ τον κ. Γιώργο Οικονόμου, Καθηγητή του τμ. Φυσικής και μέλος της τριμελούς εξεταστικής επιτροπής, για τον χρόνο που διέθεσε στην ανάγνωση του κειμένου και την παρακολούθηση της παρουσίασης της εργασίας αυτής. Θα ήθελα, ακόμα, να εκφράσω τις ευχαριστίες μου προς όλους τους συναδέλφους μου απόφοιτους μεταπτυχιακούς φοιτητές, με τους οποίους συνυπήρξαμε στο εργαστήριο, για τη δημιουργία ενός ευχάριστου κλίματος κατά τους μήνες της συνεργασίας μας. Από το κομμάτι αυτό, φυσικά, δεν θα μπορούσα να παραλείψω την φίλη μου, Αλέξια, η οποία στις δυσκολίες δήλωνε παρούσα για να μου δώσει μια χαρούμενη νότα. Τέλος, οι πιο βαθιές μου ευχαριστίες πηγαίνουν στους γονείς μου, Δομένικο και Άντζελα, για την αμέριστη, τόσο ψυχολογική και όσο υλική, υποστήριξή τους κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. Ανδρέας Δεμαρτίνος Πάτρα, Ιούλιος 2013 ix

x

Περιεχόμενα Περίληψη.................................................... v Αbstract..................................................... vii Ευχαριστίες.................................................. ix Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή........................................ 1 1.1 Αναλογικά κυκλώματα σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας... 1 1.2 Αντικείμενο και στόχοι της Διπλωματικής Εργασίας............... 3 1.3 Οργάνωση της Διπλωματικής Εργασίας......................... 6 Κεφάλαιο 2 Ανίχνευση δυναμικών δραστηριότητας................. 9 2.1 Εισαγωγή................................................ 9 2.2 Η φύση των νευρωνικώ σημάτων............................... 10 2.2.1 Δυναμικά Τοπικού Πεδίου (Local Field Potentials)............. 13 2.2.2 Δυναμικά Δραστηριότητας (Action Potentials)................ 13 2.3 Ο μη-γραμμικός τελεστής ενέργειας (Nonlinear Energy Operator). 14 2.4 Ανασκόπηση της βιβλιογραφίας.............................. 16 Κεφάλαιο 3 Συστήματα στο πεδίο του λογαρίθμου................ 17 3.1 Εισαγωγή................................................ 17 3.2 Περιγραφή συστημάτων συμπίεσης/αποσυμπίεσης................. 18 3.3 Συστήματα στο πεδίο του λογαρίθμου.......................... 19 3.4 Το ΜΟS τρανζίστορ στην περιοχή υποκατωφλίου................. 21 3.5 Μη-γραμμικοί CMOS διαγωγοί............................... 23 3.6 Τελεστές συμπίεσης/αποσυμπίεσης............................ 24 xi

Κεφάλαιο 4 Σχεδίαση βασικών δομικών στοιχείων επεξεργασίας σήματος στο πεδίο του λογαρίθμου............................... 27 4.1 Εισαγωγή................................................ 27 4.2 Σχεδίαση βαθυπερατών φίλτρων 1 ης τάξης...................... 28 4.3 Σχεδίαση διαφοριστών με προσέγγιση.......................... 34 4.4 Σχεδίαση πολλαπλασιαστών τεσσάρων τεταρτημορίων............. 36 Κεφάλαιο 5 Σχεδίαση ανιχνευτή δυναμικών δραστηριότητας......... 45 5.1 Εισαγωγή................................................ 45 5.2 Σχεδίαση μη-γραμμικού τελεστή ενέργειας...................... 46 5.3 Σχεδίαση συγκριτή ρεύματος................................. 50 5.4 Σχεδίαση τελικού συστήματος................................ 52 Κεφάλαιο 6 Συμπεράσματα Προτάσεις για μελλοντική έρευνα..... 55 6.1 Σύνοψη και συμπεράσματα................................... 55 6.2 Προτάσεις για μελλοντική έρευνα.............................. 56 Δημοσιεύσεις................................................. 57 Αναφορές.................................................... 59 xii

xiii

Εισαγωγή 1.1 Αναλογικά κυκλώματα σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας Η εξέλιξη της VLSI τεχνολογίας, σε συνδυασμό με τις τεράστιες απαιτήσεις της αγοράς για ανάπτυξη φορητών συσκευών, έχει εντείνει το ενδιαφέρον για σχεδίαση κυκλωμάτων με δυνατότητα λειτουργίας σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας, και ενδεχομένως, χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Η σχεδίαση αναλογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων τα οποία θα λειτουργούν σε συνθήκες χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, αλλά ταυτόχρονα θα παρουσιάζουν υψηλές επιδόσεις, είναι πλέον επιβεβλημένη. Η συνεχής μείωση της κλίμακας ολοκλήρωσης οδηγεί σε χαμηλότερες τάσεις κατάρρευσης (breakdown voltages) των transistor. Επομένως, τα κυκλώματα δεν μπορούν να λειτουργούν σε υψηλές τάσεις τροφοδοσίας. Επίσης, οι σύγχρονες εφαρμογές επιτάσσουν τη χρήση συσκευών με όσο το δυνατό μικρότερες διαστάσεις και μεγαλύτερη αυτονομία. Τέλος, η συνεχής μείωση της τάσης τροφοδοσίας στα ψηφιακά κυκλώματα, επιβάλλει τη σχεδίαση των αναλογικών κυκλωμάτων προς την ίδια κατεύθυνση, έτσι ώστε να μπορούν να τοποθετηθούν στο ίδιο ολοκληρωμένο κύκλωμα και επομένως να κατασκευαστούν με την ίδια τεχνολογία. Σύμφωνα με στοιχεία της International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) 1

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 [18], η οποία παρέχει πληροφορίες για το εγγύς μέλλον της τεχνολογίας των ημιαγωγών, η ελάχιστη διάσταση σχεδίασης να είναι στα 22nm με την τροφοδοσία να φθάνει 0.5V. Δεδομένου ότι στα ψηφιακά κυκλώματα η κατανάλωση ισχύος είναι ανάλογη του τετραγώνου της τάσης τροφοδοσίας, η συνεχής μείωση της τάσης τροφοδοσίας επιφέρει δραστική μείωση της συνολικής κατανάλωσης ισχύος. Πρέπει ωστόσο να τονιστεί ότι, η μείωση της τάσης τροφοδοσίας καθορίζεται κυρίως από παράγοντες που έχουν σχέση με την αξιόπιστη λειτουργία των κυκλωμάτων και τις τάσεις κατάρρευσης των ενεργών στοιχείων. Στα αναλογικά κυκλώματα, η μείωση της τάσης τροφοδοσίας δεν συνεπάγεται απαραίτητα και την μείωση της κατανάλωσης ισχύος. Αντιθέτως, αν δεν υπάρξει διαφορετική σχεδίαση των κυκλωμάτων, κάνοντας χρήση συγκεκριμένων τεχνικών, τότε μείωση της τάσης τροφοδοσίας συνεπάγεται μείωση του επιτρεπτού πλάτους των σημάτων που μπορούν να διαχειριστούν, και επομένως μικρότερη δυναμική περιοχή για δεδομένη κατανάλωση ισχύος. Αυτό έχει ως επακόλουθο την αύξηση των σφαλμάτων λόγω θορύβου αλλά και λόγω offset των τάσεων (ρευμάτων), προβλήματα των οποίων η επίλυση οδηγεί σε μεγαλύτερη κατανάλωση ισχύος. Επομένως, τα υπάρχοντα αναλογικά κυκλώματα θα πρέπει είτε να τροποποιηθούν είτε να επανασχεδιαστούν έτσι ώστε, να έχουν την ίδια ή καλύτερη απόδοση σε συνθήκες χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Υπάρχουν αρκετοί περιοριστικοί παράγοντες οι οποίοι θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στον αξιόπιστο σχεδιασμό ενός CMOS αναλογικού συστήματος σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας. Οι σημαντικότεροι είναι: α) η τιμή της τάσης κατωφλίου (Vth), β) η λειτουργία του MOS transistor στην περιοχή υποκατωφλίου (Subthreshold Region) και γ) η δυναμική περιοχή (Dynamic Range) λειτουργίας της διάταξης. Τα ηλεκτρονικά φίλτρα αποτελούν βασικές μονάδες σε πολλά σύγχρονα ολοκληρωμένα κυκλώματα μεταβάλλοντας το φάσμα συχνοτήτων ενός σήματος. Ένα από τα χαρακτηριστικά στοιχεία αξιοπιστίας ενός φίλτρου είναι η δυναμική περιοχή λειτουργίας του (Dynamic Range). Γενικά αυτό ορίζεται ως o λόγος του μεγαλύτερου προς το μικρότερο αποδεκτό σήμα που μπορούν να εφαρμοστούν στην είσοδο ενός φίλτρου με τη προϋπόθεση διατήρησης των ιδιοτήτων του σε επιθυμητό επίπεδο. Είναι γνωστό ότι σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα ενεργού φίλτρου η κατανάλωση ισχύος καθώς και ο χώρος που καταλαμβάνουν οι πυκνωτές μέσα σ αυτό αυξάνεται ανάλογα με την 2

1.2 Aντικείμενο και στόχοι της Διπλωματικής Εργασίας δυναμική περιοχή του. Η κατάσταση αυτή είναι ασυμβίβαστη με τις ανάγκες των ολοκληρωμένων συστημάτων, ιδιαίτερα όταν αυτά λειτουργούν αυτόνομα. Στην πραγματικότητα απαιτείται σχεδιαστική καινοτομία προκειμένου με μειωμένη τάση τροφοδοσίας να αποφευχθεί η αύξηση της κατανάλωσης, για ένα συγκεκριμένο λόγο σήματος προς θόρυβο (S/N) της διάταξης. Τα τελευταία χρόνια έχει προσελκύσει το ερευνητικό ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, η σχεδίαση αναλογικών φίλτρων συμπίεσης-αποσυμπίεσης (companding filters), ονομασία που προέρχεται από τα ακρωνύμια των λέξεων (compressing) συμπιέζω και (expanding) αποσυμπιέζω [8]. Τα φίλτρα αυτά ανήκουν στην κατηγορία των (ELIN) (Externally Linear, Internally Non-linear) εξωτερικά γραμμικά, εσωτερικά μη-γραμμικά, και διέπονται από την αρχή της διαγραμμικότητας (translinear principle). 1.2 Αντικείμενο και στόχοι της Διπλωματικής Εργασίας Ο εγκέφαλος είναι το κέντρο ελέγχου του κεντρικού νευρικού συστήματος και το πιο πολύπλοκο όργανο του ανθρωπίνου σώματος. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος περιέχει περίπου 15-33 x 10 9 νευρώνες, αναλόγως το φύλο και την ηλικία. Η ιδιότητα η οποία κάνει τους νευρώνες σημαντικούς είναι η δυνατότητά τους να στέλνουν μεταξύ τους, ακόμα και σε μεγάλη απόσταση, παλμικά σήματα τα οποία καλούνται δυναμικά δραστηριότητας (action potentials APs). Με αυτό τον τρόπο σχηματίζουν τα λεγόμενα νευρωνικά δίκτυα. Τα δίκτυα αυτά μοιάζουν με τα ηλεκτρικά κυκλώματα διότι περιέχουν δομικά στοιχεία (τους νευρώνες) που συνδέονται μεταξύ τους με βιολογικά καλώδια (τις νευρικές ίνες). Τυπικά, οι νευρώνες συνδέονται με τουλάχιστον χιλιάδες άλλους γειτονικούς νευρώνες σχηματίζοντας, έτσι, πολύπλοκα κυκλώματα. Αυτά τα κυκλώματα συγκροτούν συστήματα τα οποία είναι η βάση για την ανθρώπινη αντίληψη, για διάφορες δράσεις και για σημαντικές βιολογικές διαδικασίες. Εξαιτίας, λοιπόν, αυτής της πολυπλοκότητας και του γεγονότος ότι ο εγκέφαλος είναι το κέντρο ελέγχου του κεντρικού νευρικού συστήματος, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι μικρές αποκλίσεις ή δυσλειτουργίες στον εγκέφαλο μπορούν να έχουν τεράστια επίδραση στην υγεία του ανθρώπου. Έως τώρα, σε ανθρώπους με ασθένειες όπως η κατάθλιψη, η επιληψία, η νόσος Alzheimer και η νόσος Parkinson και πολλές άλλες, χορηγείται, συνήθως, φαρμακευτική αγωγή. Ωστόσο, η 3

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 φαρμακευτική αγωγή δεν έχει σε όλους τους ασθενείς την ίδια θετική επίδραση. Αντίθετα, οι πιθανότητες εμφάνισης παρενεργειών, που δημιουργούν νέα προβλήματα στον ασθενή, είναι αυξημένες. Οι τελευταίες εξελίξεις στην κατασκευή μικροεπεξεργαστών, βιοσυμβατών υλικών, μπαταριών, συστήματων επικοινωνίας μέσω ραδιοσυχνοτήτων (RF) και λογισμικού είναι δυνατόν να συνδυαστούν προκειμένου να επιτευχθεί απομακρυσμένα νευροδιέγερση και κατ επέκταση θεράπευση των διαφόρων δυσλειτουργιών. Οι νευροεπιστήμονες και οι νευροπροσθετικές συσκευές συχνά απαιτούν την καταγραφή της βιοηλεκτρικής δραστηριότητας πολλαπλών νευρώνων σε πραγματικό χρόνο. Χάρη στην εξέλιξη των συστημάτων MEMS (MicroElectroMechanical Systems) και των CMOS ολοκληρωμένων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων είναι δυνατή η κατασκευή αισθητήριων συσκευών με 100 ή περισσότερα ηλεκτρόδια με σκοπό την παραπάνω καταγραφή. Το FBD (Functional Block Diagram) μιας τέτοιας συσκευής για την ασύρματη καταγραφή νευρωνικών σημάτων φαίνεται στο Σχήμα 1.1 [6]. Αρχικά, χρησιμοποιείται μια συστοιχία από ενισχυτές για την ενίσχυση των ασθενών σημάτων των ηλεκτροδίων. Οι διαφορικοί ενισχυτές χρησιμοποιούνται για την μέτρηση του δυναμικού κάθε ηλεκτροδίου σε σχέση με ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς χαμηλής εμπέδησης. Στη συνέχεια, τα δεδομένα επεξεργάζονται και στέλνονται προς μετάδοση στην εξωτερική συσκευή καταγραφής. Signal electrodes Signal processing / Data reduction RF Xmitter Reference electrode Σχήμα 1.1 FBD μιας ασύρματης συσκευής καταγραφής νευρωνικών σημάτων Η δημιουργία πλήρως εμφυτεύσιμων αισθητήριων συσκευών αναδεικνύει μια σειρά από προκλήσεις στη σχεδίαση των κυκλωμάτων. Καταρχήν, μια τέτοια συσκευή πρέπει να είναι πολύ 4

1.2 Αντικείμενο και στόχοι της Διπλωματικής Εργασίας μικρή σε μέγεθος, ενώ πρέπει να κατασκευασθεί με υλικά συμβατά με τον ανθρώπινο ιστό για την αποφυγή μολύνσεων. Επίσης, η κατανάλωση ισχύος οφείλει να είναι πολύ μικρή τόσο για την μείωση της εκπεμπόμενης θερμότητας που μπορεί να αποδειχτεί επιβλαβής για τα γειτονικά κύτταρα όσο και για την επέκταση της διάρκειας ζωής της συσκευής. Στα σύγχρονα συστήματα καταγραφής, μπορούν να επιτευχθούν ρυθμοί μετάδοσης ανεπεξέργαστων δεδομένων της τάξης των 15 Mbps ή και παραπάνω [7]. Ωστόσο, τέτοιοι ρυθμοί μετάδοσης δεν μπορούν επιτευχθούν από συστήματα με κατανάλωση ισχύος της τάξης των 10-6 W. Για τον λόγο αυτό, είναι αναγκαίο να υπάρξει μείωση των δεδομένων προς μετάδοση (data reduction) και να μεταδοθούν μόνο τα κατάλληλα δεδομένα, για να μειωθεί σημαντικά ο όγκος των πληροφοριών και να είναι αποδοτικό το σύστημα. Η μείωση των δεδομένων μπορεί να γίνει με την ανίχνευση των δυναμικών δραστηριότητας από μια νευρωνική κυματομορφή, ενώ η μείωση της κατάλωσης ισχύος της εμφυτευμένης συσκευής και, ταυτόχρονα, η αύξηση της αποδοτικότητας μπορεί να επιτευχθεί με την μετάδοση μόνο των ανιχνευμένων APs [1]. Αντικείμενο, επομένως, της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η μελέτη των ΑPs και τον τρόπων με τους οποίους είναι δυνατή η ανίχνευσή τους. Η παρούσα Διπλωματική Εργασία αποσκοπεί στην σχεδίαση ενός συστήματος για την ανίχνευση των APs (action potential detector APD) κατάλληλου για λειτουργία σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας για περαιτέρω μείωση της καταναλισκόμενης ισχύος. Για τον σκοπό αυτό, υιοθετήθηκε η τεχνική υλοποίησης κυκλωμάτων στο πεδίο του λογαρίθμου χρησιμοποιώντας ως βασικά ενεργά στοιχεία τα MOS τρανζίστορ πολωμένα στην περιοχή υποκατωφλίου. Signal processing / Data reduction Signal electrodes V / I converter Log-Domain APD RF Xmitter This work Reference electrode Σχήμα 1.2 Συνεισφορά της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας σε μια ασύρματη συσκευή καταγραφής νευρωνικών σημάτων 5

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1.3 Οργάνωση της Διπλωματικής Εργασίας Η διπλωματική εργασία δομείται σε 6 Κεφάλαια συμπεριλαμβανομένου και του παρόντος εισαγωγικού. Στο δεύτερο Κεφάλαιο γίνεται η μελέτη των δυναμικών δραστηριότητας. Αρχικά, εξετάζεται η φύση των νευρωνικών σημάτων και στη συνέχεια αναδεικνύεται η συμβολή του μηγραμμικού τελεστή ενέργειας (nonlinear energy operator NEO) στην ανίχνευσή τους. Τέλος, γίνεται μια ανασκόπηση της βιβλιογραφίας όσον αφορά στις υπάρχουσες υλοποιήσεις του. Στο τρίτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συστήματα στο πεδίο του λογαρίθμου. Αρχικά, δίνεται μια γενική περιγραφή των συστημάτων συμπίεσης/αποσυμπίεσης, των οποίων υποκατηγορία είναι τα συστήματα λογαριθμικού πεδίου. Στη συνέχεια, εισάγονται οι συμπληρωματικοί τελεστές με τη χρήση των οποίων είναι δυνατή η πραγματοποίηση των συστημάτων αυτών. Έπειτα, ακολουθεί η περιγραφή της λειτουργίας της ασθενούς αναστροφής (weak inversion) ή ισοδύναμα της περιοχής υποκατωφλίου (subthreshold region) των MOS τρανζίστορ με τη βοήθεια της οποίας υλοποιούνται τα δομικά κυκλώματα των συστημάτων στο πεδίο του λογαρίθμου, οι μη-γραμμικοί CMOS διαγωγοί Ε Cells. Τέλος, δεικνύεται και εξηγείται η κυκλωματική υλοποίηση των συμπληρωματικών τελεστών με τη χρήση κατάλληλα συνδεδεμένων μη-γραμμικών CMOS διαγωγών. Στο τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η μελέτη για τη σχεδίαση βασικών δομικών στοιχείων επεξεργασίας σήματος στο πεδίο του λογαρίθμου. Πρώτα, περιγράφεται η σχεδίαση ενός βαθυπερατού φίλτρου 1ης τάξης. Στη συνέχεια, μελετάται η σχεδίαση διαφοριστών με προσέγγιση και, έπειτα, η υλοποίηση πολλαπλασιαστών τεσσάρων τεταρτημορίων στο πεδίο του λογαρίθμου. Η ορθή λειτουργία των παραπάνω κυκλωμάτων επιβεβαιώνεται με τη χρήση του Analog Design Environment του λογισμικού Cadence και των παραμέτρων της τεχνολογίας TSMC 130nm. Στο πέμπτο Κεφάλαιο σχεδιάζεται το σύστημα για την ανίχνευση δυναμικών δραστηριότητας στο πεδίο του λογαρίθμου. Αυτό αποτελείται από την κυκλωματική υλοποίηση του μη-γραμμικού τελεστή ενέργειας και ενός συγκριτή ρεύματος. Για την επαλήθευση της ορθής λειτουργίας του χρησιμοποιείται μια πραγματική νευρωνική κυματομορφή και το Analog 6

1.3 Οργάνωση της Διπλωματικής Εργασίας Design Environment του λογισμικού Cadence καθώς και οι παράμετροι της τεχνολογίας TSMC 130nm. Τέλος, στο έκτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της Διπλωματικής Εργασίας και μερικές προτάσεις για μελλοντική έρευνα. 7

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1

Ανίχνευση δυναμικών δραστηριότητας 2.1 Εισαγωγή Στο παρόν Κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στην ανίχνευση των δυναμικών δραστηριότητας. Η ανίχνευση, η καταγραφή και η ανάλυση των βιοηλεκτρικών σημάτων τα οποία παράγονται από το νευρικό κυτταρικό πληθυσμό, καθώς επίσης και η ερμηνεία των μηχανισμών που υπόκεινται, συνιστούν το πεδίο έρευνας της Νευροφυσιολογίας. Επιπροσθέτως αποτελούν αναπόσπαστο τμήμα στο ραγδαία αναπτυσσόμενο τομέα της Νευρομηχανικής και συγκεκριμένα στην κατηγορία των συστημάτων διεπαφής εγκεφάλου-μηχανής (Brain Machine Interfaces-BMIs) με τη χρήση εμφυτευμάτων, για τον έλεγχο προσθετικών τεχνητών μελών. Αρχικά, παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά των διάφορων βιοηλεκτρικών σημάτων και διαχωρίζονται τα δυναμικά δραστηριότητας στην ανίχνευση των οποίων εστιάζει η παρούσα διπλωματική εργασία. Για τον σκοπό αυτό μελετάται η διάταξη του μη-γραμμικού τελεστή ενέργειας (nοnlinear energy operator) και πως αυτή συμβάλλει στην ανίχνευση αιχμών. Τέλος, γίνεται η ανασκόπηση της βιβλιογραφίας που αφορά στις υπάρχουσες υλοποιήσεις του. 9

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2.2 Η φύση των νευρωνικών σημάτων Τα ηλεκτρικά σήματα που παράγονται από έναν ζώντα κυτταρικό σχηματισμό, όπως είναι το νευρικό κύτταρο, καλούνται βιοηλεκτρικά. Τα ηλεκτρικώς ενεργά κύτταρα στο ανθρώπινο σώμα παράγουν μια ευρεία ποικιλία από ηλεκτρικά σήματα. Η κατανομή τους όσον αφορά στο συχνοτικό τους περιεχόμενο αλλά και το πλάτος τους φαίνεται προσεγγιστικά στο Σχήμα 2.1. Από αυτό φαίνεται ότι το φάσμα τους εκτείνεται από τα 0.1Hz έως τα 10kHz, ενώ το πλάτος της τάσης κυμαίνεται από ένα 1μV έως 10mV. H παρούσα εργασία ασχολείται με τα σήματα που παράγονται από νευρώνες. Κατά συνέπεια, το ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) και το ηλεκτρομυογράφημα (ΕΜG) δεν πρόκειται να μας απασχολήσει στα επόμενα. Σχήμα 2.1 Η (κατά προσέγγιση) κατανομή των βιοηλεκτρικών σημάτων στη συχνότητα και το πλάτος για αυτά που μετρώνται πάνω από το δέρμα (λευκά κουτιά) και εσωτερικά (σκιασμένα κουτιά) Το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG), το οποίο είναι σήμα που παράγεται από νευρώνες, είναι δυνατόν να καταγραφεί εύκολα με τη χρήση πολλαπλών ηλεκτροδίων εξωτερικά τοποθετημένων στο κρανίο, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 2.2. Η κύρια διαγνωστική εφαρμογή της καταγραφής EEG σημάτων είναι η περίπτωση της επιληψίας, καθώς η επιληπτική δραστηριότητα δημιουργεί προφανείς ανωμαλίες σε μια κανονική ΕΕG κυματομορφή [19]. 10

2.2 Η φύση των νευρωνικών σημάτων Σχήμα 2.2 Μέτρηση και καταγραφή ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος Σε αντίθεση με το HEΓ, τα δυναμικά τοπικού πεδίου (Local Field Potentials LFPs) καθώς και τα δυναμικά δραστηριότητας μετρώνται εσωτερικά. Με τη χρήση αυτόνομα οδηγούμενων μικρο-ηλεκτροδίων είναι δυνατόν να ληφθούν εσωκυτταρικές καταγραφές με πολύ μεγάλη ακρίβεια. Ωστόσο, για να γίνει κάτι τέτοιο αλλά και για να καταγραφεί η δραστηριότητα μεγαλύτερης επιφάνειας είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν συστοιχίες πολυ-ηλεκτροδίων (multi-electrode arrays). Mια τέτοια διάταξη απεικονίζεται στο Σχήμα 2.3. Κάνοντας χρήση μιας τέτοιας συστοιχίας μετρώνται τα εξωκυτταρικά δυναμικά σε μια απόσταση μερικών μικρομέτρων από τον πυρήνα. Σε αυτή την περίπτωση, η επαφή της μεταλλικής αιχμής του ηλεκτροδίου και του εξωκυτταρικού υγρού δημιουργεί μια διεπαφή η οποία έχει χωρητική συμπεριφορά για μικρές τιμές τάσης. Οι τιμές της χωρητικότητας της διεπαφής είναι κυμαίνονται μεταξύ 150pF και 1.5nF, ανάλογα με το εμβαδόν του ηλεκτροδίου και της τραχύτητας της επιφάνειας. Μια τυπική νευρωνική κυματομορφή καταγεγραμμένη εξωκυτταρικά φαίνεται στο Σχήμα 2.4. Αυτή η κυματομορφή ελήφθη με τη χρήση της διάταξης του Σχήματος 2.3 από τον κινητήριο φλοιό μιας ξύπνιας γάτας [6, 7]. Αφού τα LFPs και τα APs καταλαμβάνουν συχνότητες 0.1 Hz - 200 Ηz και 300 Hz 5 khz (Σχήμα 2.1), αντίστοιχα, είναι δυνατόν να διαχωριστούν με γραμμικό φιλτράρισμα. Στο Σχήμα 2.5 φαίνεται το φιλτράρισμα της προηγούμενης κυματομορφής. 11

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Σχήμα 2.3 Μικρογραφία από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο της διάταξης 100 ηλεκτροδίων Utah Electrode Array (4x4x1.5mm 3 ) Σχήμα 2.4 Καταγραφή της δραστηριότητας με τη διάταξη του Σχήματος 2.3 στον κινητήριο φλοιό ξύπνιας γάτας Σχήμα 2.5 Φιλτραρισμένη κυματομορφή του Σχήματος 2.4 12

2.2 Η φύση των νευρωνικών σημάτων 2.2.1 Δυναμικά Τοπικού Πεδίου (Local Field Potentials) Τα LFPs προκύπτουν από την σύγχρονη δραστηριότητα πολλών νευρώνων σε μια περιοχή του εγκεφάλου. Το συχνοτικό τους περιεχόμενο εκτείνεται ως τα 200 Hz. Η προστιθέμενη αυτή δραστηριότητα γειτονικών νευρώνων δημιουργεί ένα ισχυρό σήμα σε σχέση με τα μεμονωμένα APs που πυροδοτεί ένας νευρώνας που βρίσκεται σε μεγαλύτερη απόσταση από το ηλεκτρόδιο. Η ενέργεια των LFPs στον προκινητήριο και κινητήριο φλοιό του εγκεφάλου, που είναι υπεύθυνος για τον έλεχγο των μυών του κορμού αλλά και των εγγύτατων σε αυτόν μυών, σχετίζεται με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά της κίνησης των χεριών, όπως είναι η κατεύθυνση, η ταχύτητα και η απόσταση. Επομένως, τα LFPs ενδείκνυνται για την χρήση τους σε νευροπροσθετικές εφαρμογές. Επίσης, τα LFPs είναι ένα συμπαγές σήμα σε αντίθεση με τα APs. Αυτό είναι κάτι που έχει αποδειχθεί σε πειράματα στα οποία έχουν χρησιμοποιηθεί συστοιχίες μικροηλεκτροδίων. Ο ουλώδης ιστός που δημιουργείται γύρω από τις άκρες των μικροηλεκτροδίων εξασθενεί σημαντικά τα APs, ενώ τα LFPs επηρρεάζονται πολύ λιγότερο. 2.2.2 Δυναμικά Δραστηριότητας (Action Potentials) Στις εξωκυτταρικές καταγραφές, τα ΑPs είναι διφασικά και η διάρκειά τους, συνήθως, κυμαίνεται μεταξύ 0.3 ms έως 1.0 ms. Ένα τυπικό AP το οποίο είναι καταγεγραμμένο από συστοιχίες πολλών μικροηλεκτροδίων φαίνεται στο Σχήμα 2.6. Οι νευρώνες σπάνια πυροδοτούν περισσότερα από 100 APs ανά δευτερόλεπτο. Όσον αφορά στον εγκεφαλικό φλοιό, που είναι ο σημαντικότερος παράγοντας στη διαμόρφωση της αντίληψης μας, στη μνήμη και στη σκέψη, οι ρυθμοί πυροδότησης είναι περί τα 10 Hz. Tα ΑPs που παράγονται από νευρώνες έχουν σχεδόν πανομοιότυπο πλάτος και χρονική διάρκεια. Επίσης, η πληροφορία που μεταφέρουν δεν σχετίζεται με το σχήμα τους αλλά με το χρονισμό τους, δηλαδή πότε συμβαίνουν. Συνεπώς, τα ΑPs μπορεί να τα αντιληφθεί κανείς σαν ψηφιακά σήματα υπό την έννοια ότι παράγονται όταν εκδηλώνεται δραστηριότητα από κάποιον νευρώνα και μόνο τότε. Τέλος, όταν τοποθετούνται στον εγκέφαλο κάποιου ζώντα οργανισμού συστοιχίες μικροηλεκτροδίων, είναι συνήθης η ανίχνευση από ένα ηλεκτρόδιο των APs που πυροδοτούν δύο έως τέσσερις νευρώνες, ενώ κάποιο άλλο ηλεκτρόδιο να μην ανιχνεύει κανένα ευδιάκριτο AP. 13

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Σχήμα 2.6 AP καταγεγραμμένο απο συστοιχία μικροηλεκτροδίων 2.3 Ο μη-γραμμικός τελεστής ενέργειας (Nonlinear Energy Operator) Μια διάταξη η οποία είναι ο πυρήνας πολλών συστημάτων ανίχνευσης αιχμών είναι ο μη-γραμμικός τελεστής ενέργειας. Ο ΝΕΟ περιγράφεται από την (2.1), μια μη-γραμμική διαφορική εξίσωση 2 ης τάξης ως προς το σήμα εισόδου x IN 2 2 ( d d xout = xin ) ( x ) 2 IN xin. (2.1) dt dt Σύμφωνα με το FBD του ΝΕΟ, τα απαραίτητα κυκλώματα που απαιτούνται για την υλοποίηση του είναι 4 διαφοριστές, 2 πολλαπλασιαστές και 1 αθροιστής. Θεωρώντας ένα ημιτονικό σήμα x = Asin( ωt), τότε από τη (2.1) λαμβάνουμε ότι IN xout 2 2 = A ω. (2.2) Διαπιστώνουμε, επομένως, ότι το σήμα που λαμβάνεται στην έξοδο του ΝΕΟ ισούται με το τετράγωνο του γινομένου του πλάτους με τη συχνότητα του σήματος. Για ένα ημιτονικό σήμα η ποσότητα αυτή είναι σταθερή. Αντίθετα, για ένα σήμα με συνεχείς μεταβολές στον χρόνο, όπως είναι μια νευρωνική κυματομορφή, ο ΝΕΟ υπολογίζει το στιγμιαίο γινόμενο. 14

2.3 Ο μη-γραμμικός τελεστής ενέργειας Η ιδιότητα αυτή είναι που τον καθιστά πολύ σημαντικό δομικό στοιχείο συστημάτων ανίχνευσης αιχμών. Όπως φαίνεται και από τα αποτελέσματα που δίνει το Μatlab (Σχήμα 2.7), όταν στην είσοδο του NEO εφαρμόζεται μια νευρωνική κυματομορφή [20], τότε αυτό που λαμβάνεται στην έξοδο είναι ένα σήμα στο οποίο αναδεικνύονται οι αιχμές και καταπιέζεται ο τυχαίος θόρυβος. Έτσι, με μια απλή κατωφλιοποίηση στη συνέχεια είναι δυνατόν να ανιχνευτούν χωρίς πολύπλοκες διαδικασίες τα APs, δηλαδή οι αιχμές, σε ένα νευρωνικό σήμα. Αυτό που πρόκεται να διαπραγματευτεί στα επόμενα η παρούσα διπλωματική εργασία είναι η κυκλωματική υλοποίση του ΝΕΟ χρησιμοποιώντας τεχνική της σχεδίασης κυκλωμάτων στο πεδίο του λογαρίθμου και η επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας του. 2 neural signal relative amplitude 0-2 -4 0 1 2 3 4 time (s) 5 6 7 8 x 10-3 NEO output 1.5 relative amplitude 1 0.5 0-0.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 time (s) x 10-3 Σχήμα 2.7 Εξομοίωση του ΝΕΟ με το Matlab στη διέγερση μιας νευρωνικής κυματομορφής 15

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2.4 Ανασκόπηση της βιβλιογραφίας Έως τώρα έχουν ήδη προταθεί κάποιες υλοιποιήσεις του ΝΕΟ στη βιβλιογραφία [1-4]. Η τοπολογία [1] λειτουργεί με τάση τροφοδοσίας ίση με 1.8V, ενώ η τοπολογία [2] λειτουργεί με μια συμμετρική τροφοδοσία ± 1.65V. Oι τοπολογίες [3] και [4] λειτουργούν με τάσεις τροφοδοσίας 2V και 0.6V, αντίστοιχα. Στις υλοποιήσεις [1] και [2] γίνεται χρήση Τελεστικών Ενισχυτών Διαγωγιμότητας (ΟΤΑs). Ένα μειονέκτημα αυτών των τοπολογιών είναι ο περιορισμός για διαχείριση σημάτων με μικρό πλάτος, ώστε να πληρούνται οι συνθήκες για λειτουργία χαμηλού σήματος και,συνεπώς, να γίνει χρήση της παραμέτρου μικρού σήματος των χρησιμοποιούμενων τρανζίστορ. Το ίδιο ισχύει και για την υλοποίηση [4]. Οι υλοποιήσεις που υιοθετούν την τεχνική σχεδίασης συμπίεσης/αποσυμπίεσης δεν υπόκεινται στον παραπάνω περιορισμό. Αυτό συμβαίνει επειδή ένα συνολικά γραμμικό σύστημα μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση μη-γραμμικών εσωτερικών δομικών στοιχείων. Επομένως, δεν είναι απαραίτητο να γίνει χρήση τεχνικών γραμμικοποίησης για την επίτευξη της γραμμικής συμπεριφοράς του συνολικού συστήματος. Κατά συνέπεια, για ένα δεδομένο πλάτος του ρεύματος εισόδου, το ρεύμα πόλωσης μπορεί να επιλεγεί μικρότερο από αυτό των περιπτώσεων που γίνεται σχεδίαση με χρήση OTAs. Στην τοπολογία [3], η οποία είναι μια υλοποίηση στο πεδίο του λογαρίθμου, οι απαιτούμενοι διαγραμμικοί βρόχοι σχηματίζονται από διπολικά τρανζίστορ που είναι πολωμένα στην ενεργό περιοχή. Στην παρούσα διπλωματική εργασία προτείνεται μια διάταξη ΝΕΟ η οποία υλοποιείται στο πεδίο του λογαρίθμου. Για την τροφοδοσία της απαιτείται μια απλή τάση τροφοδοσίας ίση με 0.5V, που είναι η ελάχιστη ανάμεσα στις ήδη υπάρχουσες υλοποιήσεις. 16