2016, University of California, Berkeley, ingenjörer demonstrerade det första implanterade, ultraljud neurala dammsensorer, närmar sig dagen då en Fitbit-liknande enhet kunde övervaka inre nerver, muskler eller organ i realtid. Nu, Berkeley -ingenjörer har tagit neural damm ett steg framåt genom att bygga den minsta volymen, hittills den mest effektiva trådlösa nervstimulatorn.

Enheten, kallas StimDust, kort för att stimulera neural damm, lägger till mer sofistikerad elektronik till neuralt damm utan att göra avkall på teknikens lilla storlek eller säkerhet, utökar kraftigt utbudet av neurala dammapplikationer. Forskarnas mål är att få StimDust implanterat i kroppen genom minimalt invasiva ingrepp för att övervaka och behandla sjukdomar i realtid, patientspecifikt tillvägagångssätt. StimDust är bara 6,5 ​​kubik millimeter i volym och drivs trådlöst av ultraljud, som enheten sedan använder för att driva nervstimulering med en effektivitet på 82 procent.

"StimDust är den minsta djupvävnadsstimulator som vi är medvetna om som kan stimulera nästan alla de viktigaste terapeutiska målen i det perifera nervsystemet, sa Rikky Muller, medledare för arbetet och biträdande professor i elektroteknik och datavetenskap vid Berkeley. "Den här enheten representerar vår vision om att ha små enheter som kan implanteras på minimalt invasiva sätt att modulera eller stimulera det perifera nervsystemet, som har visat sig vara effektivt vid behandling av ett antal sjukdomar. "

Forskningen kommer att presenteras den 10 april vid IEEE Custom Integrated Circuits Conference i San Diego. Forskargruppen leddes av en av neuralstoftets uppfinnare, Michel Maharbiz, professor i elektroteknik och datavetenskap vid Berkeley.

Skapandet av neurala damm i Berkeley, ledd av Maharbiz och Jose Carmena, en professor i elektroteknik och datavetenskap i Berkeley och medlem av Helen Wills Neuroscience Institute, har öppnat dörren för trådlös kommunikation till hjärnan och det perifera nervsystemet genom små implanterbara enheter inuti kroppen som drivs av ultraljud. Ingenjörsteam runt om i världen använder nu den neurala dammplattformen för att bygga enheter som kan laddas trådlöst med ultraljud.

Maharbiz kom på idén att använda ultraljud för att driva och kommunicera med mycket små implantat. Tillsammans med Berkeley -professorerna Elad Alon och Jan Rabaey, gruppen utvecklade sedan det tekniska ramverket för att demonstrera skalningseffekten för ultraljud för implanterbara enheter.

Tidigt ingenjörsarbete av D.J. Seo, en Berkeley Ph.D. student som fick råd av Alon och Maharbiz, följt av experimentella valideringar av Ryan Neely, en annan Berkeley Ph.D. studerande, råd av Carmena, sätta grunden för den neurala dammvisionen. Under åren sedan neuralstoftets uppfinning, ultraljud har visat sig vara en av de mest lovande teknikerna för att driva och kommunicera implanterbara enheter.

Muller kom till Berkeley 2016 och har varit en viktig drivkraft för neural damminnovation. Hennes forskargrupp är specialiserad på dubbelriktade elektroniska gränssnitt mot människokroppen, specifikt i hjärnan och det perifera nervsystemet. Hennes team har arbetat med sätt att använda den kraft som kan överföras till neurala damm. I StimDust, hennes labb har tagit den neurala dammplattformen och byggt en mer effektiv stimulator som kan linda runt en manschett och också kan spela in, överföra och ta emot data. De gjorde detta genom att designa en anpassad integrerad krets för att överföra ultraljudsladdning till nerven i en välkontrollerad, säkert och effektivt sätt.

StimDust handlar om en storleksordning mindre än någon aktiv enhet med liknande funktioner som forskargruppen är medveten om. Komponenterna i StimDust inkluderar en enda piezokristall, som är antennen på systemet, en 1 millimeter integrerad krets och en laddningskondensator. StimDust har elektroder på botten, som kommer i kontakt med en nerv genom en manschett som sveper runt nerven. Förutom enheten, Mullers team utformade ett anpassat trådlöst protokoll som ger dem ett stort utbud av programmerbarhet samtidigt som effektiviteten bibehålls. Hela enheten drivs med bara 4 mikrovatt och har en massa på 10 milligram.

Efter att ha testat StimDust på bänkskivan, forskargruppen implanterade den i en levande gnagare för att testa den i en realistisk miljö. Genom en manschett runt ischiasnerven, forskargruppen kunde kontrollera bakbenets rörelse, registrera stimuleringsaktiviteten och mäta hur mycket kraft som utövades på bakbensmuskeln när den stimulerades. Forskarna ökade sedan gradvis stimuleringen och kartlade svaret hos bakbensmuskeln så att de kunde veta exakt hur mycket stimulering som behövdes för en önskad muskelrekrytering, ett slags sofistikerad analys av medicinsk utrustning.

Muller hoppas att hennes arbete kan leda till tillämpningar av StimDust för att behandla sjukdomar som hjärt oegentligheter, kronisk smärta, astma eller epilepsi.

"En av de stora visionerna för min grupp är att skapa dessa mycket effektiva dubbelriktade gränssnitt med nervsystemet och koppla ihop det med intelligens för att verkligen förstå signalerna från sjukdom och sedan kunna behandla sjukdomar på ett intelligent sätt. metodiskt sätt, "Sa Muller. Det finns en otrolig möjlighet för vårdapplikationer som verkligen kan vara transformerande."