Integrated Time-based Sensor Interface Circuits for Implant Applications
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2021-11-26
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2021
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
82 + app. 54
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 154/2021
Abstract
As the population ages, the prevalence of neurological and neurodegenerative disorders such as epilepsy, schizophrenia, dementia, as well as Parkinson's and Alzheimer's diseases, are expected to increase, which in turn increases the socio-economic burden on care-givers, global health care systems, and society at large. The progressive degeneration of neurons in patients suffering from neurological disorders affects the generation and release of key neurotransmitters such as serotonin, glutamate, histamine, and dopamine in the brain. Available treatment methods aim to alleviate the symptoms and alter the disease progression. However, there is still active research on understanding more about the causes and progression of these diseases. As a result, there is a need for real-time monitoring of neurotransmitter signalling in the brain that may lead to development of improved treatments for neurological and psychological disorders. The main research objective of this thesis is the design of integrated time-based sensor interface circuits for implant applications, targeted towards monitoring of neurochemical and neuroelectrical signals. The thesis and related publications (I - VI) describe the investigated and implemented circuits. First, a sensor interface circuit based on a current-controlled oscillator (CCO) for neurochemical sensing applications is presented. The acquired current from the neurochemical is converted to frequency, and then the frequency is quantized in the digital domain, for generating the digital code representation of changes in the current flowing as the neurochemical undergoes oxidation and reduction reactions. The proposed CCO-based sensor interface circuit is fabricated in 65 nm CMOS technology and results measured using novel diamond-like carbon electrodes, demonstrate the detection of a physiologically-relevant dopamine concentration of 500 nM. In addition, the use of an asynchronous ΣΔ modulator (ASDM) in the design of time-based analog-to-digital conversion is explored. ASDMs operate based on the principle of duty-cycle modulation, which results in a linear relationship between the duty-cycle of the generated pulse train and the input signal amplitude. As a result, the duty-cycle is quantized in the digital domain by a time-to-digital converter. The ASDM circuits are fabricated in 28 nm FDSOI technology and the results measured from the current-input ASDM show an effective resolution of 13.2 bits. The fully-differential, configurable, and noise-shaping features of the asynchronous ΣΔ modulator-based converter make the proposed circuit an attractive ADC for implantable and biomedical applications. In summary, this thesis provides an overview of the design of integrated biomedical sensor interfaces, an introduction to time-based analog-to-digital conversion, a description of the implemented time-based ADCs, as well as simulated and measured performance of the proposed circuits.Väestörakenteen vanhetessa oletetaan hermostollisten ja hermostoa rappeuttavien sairauksien, kuten epilepsian, skitsofrenian, dementian ja Parkinsonin taudin esiintyvyyden kasvavan väestössä. Tämä luonnollisesti lisää terveyden- ja sosiaalihuollon sosiaalistaloudellista kokonaiskuormaa. Etenevä hermosolujen rappeutuminen hermostollisista sairauksia sairastavissa potilaissa vaikuttaa hermostollisten välittäjäaineiden, kuten glutamaatin, histamiinin, ja dopamiinin pitoisuuksiin aivoissa. Käytössä olevilla hoitomenetelmillä pyritään lievittämään oireita ja vaikuttamaan sairauden etenemiseen. Lisäksi tutkimuksella pyritään lisäämään ymmärrystä taudin etenemiseen vaikuttavista tekijöistä. Viimeaikainen tutkimus on synnyttänyt tarpeen seurata välittäjäaineiden tiedonvälitystä aivoissa, sillä onnistuessaan se edistää uusien parempien hoitomuotojen kehittämistä hermostollisiin ja psykologisiin sairauksiin. Tämän työn tavoitteet ovat integroitujen istutteiden aikapohjaisten anturirajapintojen elektroniikan suunnittelussa aivokemiallisten ja aivosähköisten hermosignaalien seurantaan. Väitöskirja ja siihen liittyvät julkaisut (I-V) kuvaavat tehdyn tutkimuksen sekä toteutetut piirit. Työn alussa esitetään virtaohjattu anturirajapintapiiri aivokemiallisten ilmiöiden tarkkailuun. Piirin rakenne perustuu virtaohjattuun värähtelijäpiiriin (CCO). Aivokemiallisen välittäjäaineen tuottama virta muunnetaan taajuudeksi jonka jälkeen taajuus muunnetaan digitaaliseen esitysmuotoon. Näin saatu tulos seuraa virran muutoksia välittäjäaineessa tapahtuvien hapettumis- ja pelkistymisreaktioiden johdosta. Suunniteltu CCO:n pohjautuva piiri on toteutettu 65 nm CMOS piiteknologialla ja toiminta on mitattu käyttäen uutta timanttirakenteista hiilielektrodia. Saatu tulos todentaa fysiologisesti mielekkään 500nM dopamiinikonsentraation. Työssä on tutkittu myös asynkronisen ΣΔ-modulaattorin (ASDM) soveltamista digitaali-analogia muunnoksessa. ASDM:n toimintaperiaate on pulssisuhdemodulaatio, mikä tuottaa lineaariseen riippuvuuden värähtelijän pulssisuhteen ja tulosuureen välillä. Modulaation jälkeen pulssisuhde muunnetaan digitaaliseen muotoon ajasta-digitaaliseksi muuntimella. Työssä esitetty ASDM-piiri on toteutettu 28 nm FDSOI piiteknologialla. ASDM piirin saavuttaessa 13,2 bitin tehollisen erottelukyvyn, mittaustulokset ovat erittäin kilpailukykyisiä. Suunniteltu täysin eromuotoinen, uudelleenmääriteltävä, kohinaa muokkaava ASDM-pohjainen AD-muunnin on kirjoittajan tämänhetkisen tietämyksen mukaan ensimmäinen tämän tyyppinen julkaistu muunnin. Sen ominaisuudet tekevät asynkronisesta ΣΔ-modulaatttoripohjaisesta muuntimesta kiinnostavan muunninrakenteen biolääketieteellisiin istutesovelluksiin. Väitöskirjassa esitettään katsaus biolääketieteellisten anturirajapintojen suunnitteluun, johdanto aikapohjaisiin analogia-digitaali muunnokseen, kuvaus toteutetuista aikapohjaisista muunninpiireistä, sekä niiden simuloitu ja mitattu suorituskyky.Description
Supervising professor
Ryynänen, Jussi, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, FinlandThesis advisor
Kosunen, Marko, Dr., Aalto University, FinlandUnnikrishnan, Vishnu, Dr., Aalto University, Finland
Keywords
integrated sensor interfaces, time-based ADC, ASDM, biomedical readout circuits, biopotential monitoring, dopamine detection, neurochemical sensing, integroidut anturirajapinnat, aikapohjaiset AD-muuntimet, biolääketieteelliset seurantapiirit, dopamiinin havainnointi, aivokemiallinen tarkkailu
Other note
Parts
-
[Publication 1]: O. Olabode, M. Kosunen and K. Halonen. A current controlled oscillator based readout front-end for neurochemical sensing in 65nm CMOS technology. In the Proceedings of the IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Montreal, QC, Canada, pp. 514-517, August 2016.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201901141139DOI: 10.1109/ISCAS.2016.7527290 View at publisher
-
[Publication 2]: O. Olabode, A. Ontronen, V. Unnikrishnan, M. Kosunen and J. Ryynänen. A VCO-based ADC with Relaxation Oscillator for Biomedical Applications. In the Proceedings of the IEEE 25th International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), Bordeaux, France, pp. 861-864, January 2019.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201902251986DOI: 10.1109/ICECS.2018.8617935 View at publisher
-
[Publication 3]: O. Olabode, M. Kosunen, V. Unnikrishnan, T. Palomäki, T. Laurila, K. Halonen, and J. Ryynänen. A Sensor Interface for Neurochemical Signal Acquisition. In the Proceedings of the IEEE 62nd International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), Dallas, TX, USA, pp. 390-393, August 2019.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202001021417DOI: 10.1109/MWSCAS.2019.8885019 View at publisher
-
[Publication 4]: O. Olabode, M. Kosunen, V. Unnikrishnan, T. Palomäki, T. Laurila, K. Halonen, and J. Ryynänen. Time-based Sensor Interface for Dopamine Detection. IEEE Transactions on Circuits and Systems I, vol. 67, no. 10, pp. 3284-3296, October 2020.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202011066340DOI: 10.1109/TCSI.2020.3008363 View at publisher
-
[Publication 5]: O. Olabode, V. Unnikrishnan, I. Kempi, A. Hammer, M. Kosunen and J. Ryynänen. A Configurable Hysteresis Comparator for Asynchronous Sigma-Delta Modulators. In the Proceedings of the IEEE Nordic Circuits and Systems Conference (NORCAS: NORCHIP and International Symposium of System-on-Chip (SoC), Tallinn, Estonia, pp. 1-4, December 2018.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201901301397DOI: 10.1109/NORCHIP.2018.8573454 View at publisher
- [Publication 6]: O. Olabode, V. Unnikrishnan, I. Kempi, A. Hammer, M. Kosunen and J. Ryynänen. 5-13 ENOB 2-22 μW Asynchronous Sigma Delta Modulator Analog-to-Digital Converter for Neural Signal Acquisition. Submitted to IEEE Journal of Solid State Circuits, May 2021
