Ultra-low power interface electronics design for fully implantable cochlear implants
Tamamen implante koklear implantlar için çok düşük güçlü arayüz elektroniği tasarımı
- Tez No: 534900
- Danışmanlar: PROF. DR. HALUK KÜLAH, DOÇ. DR. ALİ MUHTAROĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 132
Özet
Koklear implantlar en başarılı nöral protezdir, öyle ki işitme kaybı olan implant kullanıcıları yüksek kalitede işitme algısına kavuşabilmektedir. Fakat, implantasyon sonrasında dış parçadaki parçadan dolayı oluşan estetik endişeler, zarar riski ve harcadıkları yüksek güçten dolayı bu yöndeki çalışmaları tamamen implante koklear implant (FICI) tasarımına yöneltmiştir. Bu çalışmaların büyük bir çoğunluğu implante sensorler ile ilgili olmasına rağmen tamamen implante bir sistem için en önemli problem düşük güçlü bir arayüz elektroniği tasarımıdır. Bu tez çalışmasında çoklu frekans piezoelektrik tramplen yapılar sayesinde algılanan sesin şiddeti ve frekansına göre işitme sinirlerini uyaracak bir arayüz elektroniği tasarlanmıştır. 1. jenerasyon arayüz elektroniğinde ön taraftaki sinyal işleme devresinin güç tüketimi, yükseltici ve sıkıştırıcı safhalarını birleştiren yeni bir logaritmik yükseltici devresi ile optimize edilmiştir. İşlenen sinyal, uyarım akımı üreten devreyi sürerek sinir uyarımı için gerekli iki fazlı kare akım dalgalarının üretilmesini sağlamaktadır. Devrenin tek kanallı performansı ince film PLD PZT sensor ile test edilmiştir. Arayüz devresi girişteki 60 ile 100 dB SPL arasındaki akustik sesler için 110 ile 430 µA arasında değişen iki fazlı akım dalgaları üretmektedir. Sinyal işleme ve tüm uyarıcı devrelerin 8 kanallı operasyonu için harcadıkları güç miktarı sırası ile 51.2 ve 691.2 µW'tır. 2. jenerasyon FICI arayüz elektroniği ön safhadaki sinyal işleme devresinin gücünü daha da düşürecek yeni akım modunda çalışan devreler içermektedir. İşlenen sinyal, iki fazlı sinir uyarım akımına çevrilmektedir ki bu akım seviyesi 7-bit DAC yardımı ile hasta eşiğine göre ayarlanabilmektedir. FICI arayüz elektroniğinin harcadığı gücün büyük bir çoğunluğu yüksek voltajda çalışan sinir uyarımı kısmında harcanmaktadır. Bu sebeple, önerilen devre optimize akım dalgaları kullanarak elektrot voltajını dolayısı ile güç kaynağı voltajını %20 düşürmeyi sağlamaktadır. Tasarlanan devre 60 dB (40-100 dB) giriş seviyesi aralığında test edilmiş, sistemin minimum eşik ve maksimum konfor seviyeleri sırası ile 0 ve 1 mA olarak belirlenmiştir. 8 kanallı devre konuşma sesini taklit eden sinyali ile test edildiği zaman sinyal işleme ve tüm uyarım devresinin harcadığı güç 19.7 ve 471.7 µW'tır. Sonuç olarak 2. jenerasyon arayüz elektroniği 500 µW altında güç harcayan ilk FICI devresidir ve 30 yıldan fazla pil ömrü sunarak maliyeti ve pil değişimi sırasındaki ameliyat risklerini azaltmıştır. 2. jenerasyon FICI arayüz elektroniği devresinin implante cihaz performansı kobay üzerindeki in-vivo testler ile ispatlanmıştır. Kobayın işitme ve kısmi işitme kaybı ölçümleri yapıldıktan sonra kontrol edilebilen bir akım kaynağı ile elektriksel uyarım testleri yapılmıştır. Daha sonra, koklear içine yerleştirilen elektrot yardımı ile FICI sisteminin performansı ölçülmüş ve sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. PZT sensör ile birleştirilen FICI sistemi 55 dB'den yüksek seslerde ve 45 dB giriş ses aralığında işitme sinirleri uyarabilmektedir. Önerilen FICI sistemi, çalışması in-vivo testler ile ispatlanan düşük güç tüketimine ve geniş giriş aralığına sahip ilk devredir.
Özet (Çeviri)
Cochlear implants are one of the most successful neural prosthesis where users could go from being profoundly deaf to enjoying high degree of speech perception. However, subsequent aesthetic concerns, damage risks and high power dissipation associated with bulky external units of cochlear implants have redirected recent studies to fully implantable cochlear implants (FICI). Although, implantable sensors occupies the largest portion of the previous researches on FICIs, design of the low powered signal conditioning interface circuit is a bottle-neck to accomplish a FICI system. In this thesis, a novel fully integrated interface circuit is designed to process signals from an implantable multi-frequency piezoelectric (PZT) cantilever set for stimulation of the auditory neurons. The 1st generation FICI interface is focused on power dissipation of the front-end signal conditioning circuit. Power of the front-end circuit is reduced through a novel logarithmic amplifier design that combines amplification and compression stages. The conditioned signal controls the biphasic rectangular current pulses for neural stimulation. Single channel performance of the circuit has been tested with a thin film pulsed-laser deposition (PLD) PZT sensor. The interface generates biphasic current in the range of 110-430 µA for acoustic input of 60-100 dB sound pressure level (SPL). Power dissipation of the front-end signal conditioning and the overall system for 8-channel operation is projected from measurement as 51.2 and 691.2 µW, respectively. After validating the 1st generation interface performance, power dissipation and input range of the sensor front was improved at the 2nd generation FICI interface through novel current mode circuits. The conditioned signal is converted into biphasic neural stimulation current with a 7-bit user-programmed DAC to enable patient fitting (calibration). The proposed circuit introduces an optimized stimulation current waveform to reduce the electrode voltage and hence supply voltage of the stimulator (most power hungry part) by about 20%. The designed system has been tested with up to 60 dB input dynamic range (40-100 dB SPL) while the minimum threshold and maximum comfort levels of the system are 0 and 1 mA, respectively. The 8-channel interface has been validated to be fully functional with the front-end and the overall circuit power dissipation of 19.7 and 471.7 μW, when excited by a mimicked speech signal. The proposed 2nd generation interface electronics is the first sub-500 μW FICI interface that provides more than 30 years of operational lifetime, and reduces the healthcare cost and risks associated with surgical battery replacements. The implantable device performance of the 2nd generation FICI interface electronics has been validated through in-vivo tests on a guinea pig. After validating healthy and partially-deafened hearing performance of the guinea pig, the electrical stimulation performance of controlled current stimulator and the FICI interface electronics were tested and compared. The neural stimulation capability of acoustically excited FICI system with intra-cochlear electrodes has been validated with 55 dB hearing threshold and 45 dB input dynamic range. The proposed system is the first FICI interface electronics with ultra-low power dissipation and wide dynamic range that is also validated with in-vivo tests.
Benzer Tezler
- Otomotiv sistemleri için elektronik kontrol kartı (body controller) ve entegre yazılımlarının geliştirilmesi
Development of electronic control card (body controller) and integrated softwarefor automotive systems
KEREM SEFA AOK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya Uygulamalı Bilimler ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ FURKAN KAMANLI
- Hızlı prototip üretim teknolojileri
Başlık çevirisi yok
LEVENT YAĞMUR
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Malzemesi ve İmalat Teknolojisi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUZAFFER ERTEN
- Design and implementation of low power interface electronics for vibration-based electromagnetic energy harvesters
Titreşime dayalı elektromanyetik enerji üreteçleri için düşük güçlü arayüz elektronik devrelerinin tasarımı ve uygulaması
ARİAN RAHİMİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. HALUK KÜLAH
YRD. DOÇ. DR. ALİ MUHTAROĞLU
- Ultra-low power RISC-V microprocessor system design for wireless microsystems using dynamic leakage suppression
Kablosuz mikrosistemler için dinamik sızıntı bastırma kullanan ultra düşük güçlü RISC-V mikroişlemci sistem tasarımı
MEHMET FATİH GÜLAKAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞENOL MUTLU
- Design and implementation of an interface circuit for piezoelectric energy harvesters
Piezoelektrik enerji üreteçleri için arayüz devresi tasarımı ve uygulaması
SALAR CHAMANIAN
Doktora
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
DOÇ. DR. ALİ MUHTAROĞLU