Rice introducerade det första neurala implantatet som kan programmeras och laddas på distans med ett magnetfält vid International Solid-State Circuits Conference. Kredit:Secure and Intelligent Micro-Systems Lab/Rice University
Ett team av Rice University-ingenjörer har introducerat det första neurala implantatet som både kan programmeras och laddas på distans med ett magnetfält.
Deras genombrott kan möjliggöra inbäddade enheter som en ryggmärgsstimulerande enhet med en batteridriven magnetisk sändare på ett bärbart bälte.
Det integrerade mikrosystemet, kallas MagNI (för magnetoelektriska neurala implantat), innehåller magnetoelektriska givare. Dessa gör att chippet kan hämta kraft från ett alternerande magnetfält utanför kroppen.
Systemet utvecklades av Kaiyuan Yang, en biträdande professor i el- och datateknik; Jacob Robinson, en docent i el- och datateknik och bioteknik; och medförfattarna Zhanghao Yu, en doktorand, och doktorand Joshua Chen, allt vid Rice's Brown School of Engineering.
Yang introducerade projektet vid International Solid-State Circuits Conference i San Francisco.
MagNI riktar sig till applikationer som kräver programmerbar, elektrisk stimulering av neuroner, till exempel för att hjälpa patienter med epilepsi eller Parkinsons sjukdom.
"Detta är den första demonstrationen att du kan använda ett magnetfält för att driva ett implantat och även för att programmera implantatet, ", sa Yang. "Genom att integrera magnetoelektriska givare med CMOS-teknologier (komplementära metalloxid-halvledare) vi tillhandahåller en bioelektronisk plattform för många applikationer. CMOS är kraftfullt, effektivt och billigt för avkännings- och signalbehandlingsuppgifter."
Han sa att MagNI har klara fördelar jämfört med nuvarande stimuleringsmetoder, inklusive ultraljud, elektromagnetisk strålning, induktiv koppling och optisk teknik.
Rice doktorander Joshua Chen, vänster, och Zhanghao Yu testar ett prototyp av neurala implantat som kan programmeras och laddas på distans med ett magnetfält. Chipet kan möjliggöra inbäddade enheter som en ryggmärgsstimulerande enhet med en batteridriven magnetisk sändare på ett bärbart bälte. Kredit:Jeff Fitlow
"Människor har demonstrerat neurala stimulatorer i denna skala, och ännu mindre, "Yang sa. "Den magnetoelektriska effekten vi använder har många fördelar jämfört med vanliga metoder för kraft och dataöverföring."
Han sa att vävnader inte absorberar magnetfält som de gör andra typer av signaler, och värmer inte vävnader som elektromagnetisk och optisk strålning eller induktiv koppling. "Ultraljud har inte uppvärmningsproblemet men vågorna reflekteras vid gränssnitt mellan olika medier, som hår och hud eller ben och andra muskler."
Eftersom magnetfältet också sänder styrsignaler, Yang sa att MagNI också är "kalibreringsfri och robust."
"Det kräver ingen intern spänning eller tidsreferens, " han sa.
Komponenter i prototypenheten sitter på ett flexibelt polyimidsubstrat med endast tre komponenter:en 2 x 4 millimeter magnetoelektrisk film som omvandlar magnetfältet till ett elektriskt fält, ett CMOS-chip och en kondensator för att tillfälligt lagra energi.
Teamet testade framgångsrikt chipets långsiktiga tillförlitlighet genom att blötlägga det i en lösning och testa i luft och geléliknande agar, som efterliknar vävnadsmiljön.
Forskarna validerade också tekniken genom spännande Hydra vulgaris, en liten bläckfiskliknande varelse studerad av Robinsons labb. Genom att begränsa hydra med labbets mikrofluidiska enheter, de kunde se fluorescerande signaler associerade med sammandragningar i varelserna utlösta av kontakt med chipsen. Teamet utför för närvarande in vivo-tester av enheten på olika modeller.
I den nuvarande generationen chips, energi och information flödar bara på ett sätt, men Yang sa att teamet arbetar med tvåvägskommunikationsstrategier för att underlätta datainsamling från implantat och möjliggöra fler applikationer.
