Sistemas de detecção e classificação de impulsos elétricos de sinais neurais extracelulares.

• Ano de defesa: 2016
• Autor(a) principal: Saldaña Pumarica, Julio Cesar
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: CMOS; Detecção de impulsos elétricos; Implantable neural interfaces; Interfaces neurais implantáveis; Microeletrônica; Neurociências; Separação de impulsos elétricos; Spike detection; Spike sorting
• Link de acesso: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-19122016-133542/

O registro de sinais neurais através de matrizes de microeletrodos implantáveis no meio extracelular do córtex cerebral tem-se tornado um paradigma experimental para a neurociência. Por outro lado, a pesquisa recente sobre neuropróteses motoras tem mostrado que é possível decodificar comandos motores a partir dos sinais registrados no meio extracelular do córtex cerebral. Em ambos os contextos, neurociência experimental e desenvolvimento de neuropróteses motoras, um dos aspectos encontrados no estado da arte ´e a utilização de circuitos integrados (chips) implantados no cérebro. Nesses chips, os sinais neurais medidos com os microeletrodos são amplificados, filtrados, processados e transmitidos a um computador externo mediante fios que atravessam o crânio. Existe o interesse em desenvolver chips implantáveis que transmitam os sinais ao computador externo sem a necessidade de fios que atravessem o crânio. Na pesquisa do estado da arte tem-se encontrado a utilização de tais chips implantáveis sem fio em ratos e macacos, porém até a data da elaboração deste texto não foram encontrados relatos da aplicação em humanos. Um dos aspectos que deve se levar em consideração no desenvolvimento de interfaces neurais implantáveis sem fio é a largura de banda do canal de comunicação. Quanto maior a quantidade de dados a serem transmitidos, maior a largura de banda necessária e maior o aquecimento do chip devido à dissipação de potência. Esta tese aborda sistemas de processamento de sinais neurais extracelulares que tem como objetivo reduzir a quantidade de dados a serem transmitidos e assim viabilizar a transmissão sem fio. Para poder ser integrados dentro do chip implantável, esses sistemas de processamento devem estar otimizados em termos de área e consumo de potência. Dois processamentos encontrados na pesquisa de interfaces neurais implantáveis são a detecção de impulsos elétricos e a separação de impulsos elétricos (Spike Sorting). Nesta tese apresentam-se soluções para esses tipos de processamentos visando a implementação mediante tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Para o caso da detecção de impulsos elétricos (spikes), nesta tese apresenta-se uma alternativa de implementação em hardware de um operador matemático conhecido como operador não linear de energia (NEO do inglês Nonlinear Energy Operator) ou operador Teager. Através da aplicação desse operador a um sinal neural evidencia-se a presença de spikes e atenua-se o ruído. Uma das características inovadoras da implementação apresentada nesta tese é a utilização de um circuito elevador ao quadrado que consiste de apenas três transistores, como bloco funcional básico para a realização da operação NEO. O circuito NEO desenvolvido consome 300 pJ no processamento de um spike e foi caracterizado por simulação até em 30 kHz, frequência que é compatível com as taxas de amostragem encontradas na literatura. O outro processamento abordado nesta tese, conhecido como separação de impulsos elétricos ou Spike Sorting, consiste no agrupamento dos impulsos elétricos registrados por um eletrodo em categorias, de maneira que em uma categoria estejam os impulsos gerados por um mesmo neurônio. Em outras palavras, o objetivo é reconhecer quais dos impulsos elétricos medidos pelo eletrodo pertencem a um mesmo neurônio, sendo possível que vários neurônios influenciem na medida realizada por um único eletrodo. Uma solução para a separação de impulsos, apropriada no contexto de sistemas implantáveis, é o template matching. Essa técnica baseia-se na geração de modelos (templates) durante uma fase inicial ao final da qual o número de templates gerados corresponde ao número de neurônios identificados pelo eletrodo. Numa fase seguinte, o sistema associa cada impulso elétrico detectado a um dos modelos inicialmente gerados. Nesta tese propõe-se um sistema de classificação que executa essa segunda fase do processo de spike sorting. Nesta tese apresenta-se o projeto de um sistema de classificação de spikes baseado na t écnica template matching, implementado com tecnologia CMOS. A implementação proposta nesta tese baseia-se na representação de amostras analógicas mediante o tempo. Esse tipo de representação de sinais analógicos mediante atrasos de pulsos digitais está sendo muito utilizado como alternativa à representação no domínio da tensão, da corrente ou da carga elétrica. A vantagem desse tipo de representação é que não se vê severamente afetada pela redução da tensão de alimentação dos circuitos integrados fabricados em tecnologias submicrométricas. A taxa de acerto na classificação do sistema desenvolvido é maior que 99% inclusive considerando um offset de até 20mV no comparador de saída. Os circuitos apresentados neste trabalho foram projetados considerando dispositivos da tecnologia TSMC de 90nm.