Sobre el uso de técnicas chopper para la reducción del ruido flicker en amplificadores para la captación de señales neuronales

Abstract

La captación de señales neuronales mediante electrodos conectados a circuitos micro-electrónicos es necesaria para aplicaciones clínicas y para el control de prótesis senso-motoras, entre otras muchas aplicaciones bio-médicas. En todas estas aplicaciones, la preservación de la información contenida en las imágenes captadas depende críticamente de las prestaciones de los amplificadores empleados en la cabecera de la cadena de procesamiento electrónica. El problema es que se trata de señales muy débiles (rango de V) y de baja V) y de baja V) y de baja V) y de baja V) y de baja V) y de baja V) y de baja V) y de baja V) y de baja V) y de baja V) y de baja V) y de baja V) y de baja frecuencia (rango de sub-Hz), lo que implica una enorme influencia del ruido flicker. Al margen de esta influencia, el diseño de estos amplificadores, y de las cadenas de procesamiento completas, está condicionado por restricciones severas de área y consumo de potencia. En el Instituto de Microelectrónica de Sevilla está activa una línea de investigación sobre el diseño de interfaces de señal-mixta para captación de señales neuronales. Se han concebido, prototipado en forma de chips y validado mediante medidas “in-vitro” e “in-vivo” chips con 64 canales, con calibración “on-chip” y compresión de la señal “on-chip”, con captación de energía mediante enlaces inductivos. Estos circuitos emplean amplificadores seleccionados mediante técnicas de optimización para conseguir mínimo ruido con mínimo consumo de potencia. Sin embargo, no incluyen técnicas específicas para la reducción del ruido flicker. Además, estudios posteriores han permitido vislumbrar la posibilidad de mejorar las topologías de amplificadores, en particular usando la topología denominada active-feedback time constant enhanced neural amplifier, que se presenta en el Capítulo1 de esta Memoria. Este trabajo Fin de Grado se propone con el objetivo de desarrollar modelos y técnicas para reducción del ruido flicker en amplificadores neuronales, con una doble perspectiva:  Modelar dicho ruido en este tipo de amplificadores con vistas a la optimización del diseño de los mismos.  Incorporar técnicas de modulación Chopper en los amplificadores neuronales y evaluar su impacto sobre las prestaciones de los amplificadores. En particular, estudiar, a nivel de modelos eléctricos, cómo afecta la aplicación de la técnica de Chopper en amplificadores del tipo active-feedback time constant enhanced neural amplifier.  Explorar la posibilidad de generar ruido flicker mediante circuitos simples, adecuados para ser embebidos “on-chip” en sistemas de captación de señales neuronales, con los propósitos, no explorados en este trabajo, de auto-testado y calibración. Los modelos y técnicas propuestas nos han permitido reducir hasta 40dB la potencia del ruido en el amplificador para frecuencias inferiores a 1 Hz, lo cual nos permite constatar la validez de los resultados. De hecho, sobre la base de estos resultados, se está trabajando en la actualidad para diseñar y prototipar un chip que integra las soluciones propuestas en este trabajo. Respecto a la generación de ruido “on-chip” se han propuesto combinaciones de mapas discretos que pueden ser parametrizados para obtener densidades espectrales de potencia con distribución frecuencia propia de distintos tipos de ruido pertinentes para los objetivos del trabajo.

The uptake of neural signals through electrodes attached to micro-electronic circuits is needed for clinical applications and control sensorimotor prostheses, among many other bio-medical applications. In all these applications, the preservation of the information contained in the captured images depends critically on the performance of the amplifiers used in the header of the electronic processing chain. The problem is that there are very weak (V range) and low frequency (sub - Hz range) signals, which implies a huge influence of flicker noise. Apart from this influence, the design of these amplifiers, and complete processing chain, is conditioned by severe restrictions of area and power consumption. At the Institute of Microelectronics of Seville there is an active research on the interface design- mixed signal to seize neural signals. They are designed, prototyping in the form of chips and validated using measures "in-vitro" and "in-vivo" chips with 64 channels, calibrated on-chip and signal compression on-chip with capture energy by inductive links. These circuits employ amplifiers selected by optimization techniques to achieve minimal noise with minimal power consumption. However, they do not include specific techniques to reduce the flicker noise. In addition, further studies have allowed to glimpse the possibility of improving this kind of amplifiers, particularly using the topology called active-feedback time constant neural enhanced amplifier, which is presented in Chapter 1 of this Report. This work is proposed with the aim of developing models and techniques for reducing flicker noise in neural amplifiers with a dual perspective:  Modeling such noise in this type of amplifiers with the purpose of optimizing their design.  Incorporate Chopper modulation techniques in neural amplifiers and assess their impact on the performance of amplifiers. In particular, to study at electric models level, how the application of the technique Chopper affects amplifiers of the active-feedback amplifier time constant neural enhanced kind.  Explore the possibility to generate flicker noise by simple circuits, suitables for embedded on-chip systems for capturing neural signals, for purposes not explored in this work, as self-testing and calibration. The proposed models and techniques have allowed us to reduce up to 40dB noise power in the amplifier for less than 1 Hz frequencies, which let us verify the validity of the results. In fact, there is currently some work based on these results to design and prototype a chip that integrates the solutions proposed in this project. Regarding noise generation on-chip, it has been proposed combinations of discrete maps that can be parameterized to obtain spectral power densities with natural frequency distribution of different types of noise, relevant to the objectives of the work.