سیستمهای ضبط پتانسیل فعالیت عصبی به سرعت در حال توسعه هستند. یکی از بلوک های مهم در این سیستم ها، آشکارساز پتانسیل فعالیت می باشد. آشکار ساز های پتانسیل فعالیت رایج عموماً توسط کاربر کنترل می شود. حذف کاربر سیستمهای ضبط عصبی از موارد مورد توجه در توسعه این سیستم ها است. یکی از راه حل های مورد استفاده برای خودکار کردن آشکار ساز پتانسیل فعالیت، استفاده از ویژگیهای آماری سیگنال عصبی است. در این تحقیق دو مدار جهت آشکارساز خودکار پتانسیل فعالیت پیشنهاد و پیاده سازی شده است. مدار اول آشکار سازی با استفاده ازاخذ مقدار واریانس سیگنال است. مدار اخذ مقدار واریانس سیگنال شامل یک سلول ضرب کننده و آرایه های خازنی است. این مدار بر اساس تکنولوژی cmos 5/0 میکرو متری طراحی شده و توان مصرفی آن در حدود 270 میکرو وات است. درمداردوم آشکار سازی با استفاده از اخذ مقدار rms سیگنال است. مدار اخذ مقدار rms شامل سلول ضرب کننده، میانگین گیر گسسته و مجذور گیر می باشد. این مدار با تکنولولوژی cmos 18/0 میکرو متری طراحی شده و توان مصرفی آن 47 میکرو وات است. عملکرد مدار اول با شبیه سازی مورد بررسی و مورد تایید قرار گرفته است و مدار دوم ضمن شبیه سازی، پیاده سازی شده و نتایج حاصل از شبیه سازی به صورت عملی تایید شده است. سیگنال مورد استفاده در شبیه سازی و پیاده سازی عملی، سیگنال عصبی واقعی ضبط شده ازقشر شنوای مغز خوکچه گینه ای می باشد که با نرخ20 ksamples/s و رزولوشن 8 اخذ شده است. این سیگنال حدود 40~60 دسی بل تقویت و فرکانس های پایین (1~hz10) و بالای ( 7~khz10) آن فیلتر شده است.

در این پایان نامه یک روش موثر برای تبدیل آنالوگ به دیجیتال سیگنال عصبی در ریزسیستم های زیست پزشکی قابل کاشت در بدن ارائه شده است. به عنوان نخستین برتری روش پیشنهادی در قیاس با روش های معمول، نشان داده شده است که انتخاب تابع کوانتش غیرخطی مناسب نرخ داده خروجی حامل سیگنال عصبی را به مقدار قابل توجهی کاهش می دهد. دومین برتری عمده تبدیل سیگنال عصبی به دیجیتال با استفاده از یک مبدل آنالوگ به دیجیتال غیرخطی مناسب، بهبود نسبت سیگنال به نویز سیگنال عصبی است. در این پایان نامه دو مبدل a/d غیرخطی ارائه شده است. اولین مبدل یک مبدل نمایی 8 بیتی با اعمال تابع غیرخطی به صورت جداگانه (با استفاده از lut ) است که پتانسیل های فعالیت را با توان تفکیک 10 بیت به داده دیجیتال تبدیل می کند. این درحالی است که نویز پس زمینه که دامنه کوچکی دارد با توان تفکیک 3 بیت کوانتیده می گردد. به این ترتیب 20% صرفه جویی پهنای باند حاصل می شود. برطبق یافته های عملی از روی نمونه ی اولیه ، snr سیگنال عصبی از 5.11 قبل از کوانتش به 22 بعد از کوانتش افزایش می یابد. به منظور افزایش کارایی مبدل ارائه شده از جهت سطح سیلیکن مصرفی و مصرف توان، مبدل دومی با اعمال تابع غیرخطی به صورت ادغام شده در فرایند تبدیل با منحنی مشخصه تقریب تکه خطی از مشخصه عکس لگاریتمی یاد شده طراحی، شبیه سازی و جانمایی گردید. برای این مدار مقدار بیشینه ی dnl برابر با (0.17lsb+ و 0.24lsb-)، مقدار بیشینه ی inl معادل (1.15lsb+ و 0.42lsb-) و متوسط توان مصرفی 40?w از شبیه سازی مونت کارلو حاصل شد. سطح تراشه به همراه مدار مرجع ولتاژ برابر با 230?m×220?m و توان مصرفی حاصل از شبیه سازی پس از جانمایی برابر با 164.8?w است. همگی مدارها در یک فرایند cmos 0.18um با ولتاژ تغذیه 1.8 ولت طراحی و شبیه سازی شده اند.

در این پایان نامه، طراحی و ساخت یک آرایه میکروالکترودی (mea) برای تحریک سلول های شبکیه در یک پروتز بینایی انجام شده است. برای ساخت این آرایه الکترودی از یک زیرلایه از جنس ito بر روی پلیمر pet برای اولین بار استفاده شده است،این آرایه الکترودی با پلیمر su-8 عایق سازی شده است. یکی از ویژگی های ضروری برای میکروالکترودهای قابل کاشت در بدن زیست سازگاری است که زیرلایه و پلیمر عایق ساز انتخاب شده این خصوصیت را دارا می باشند. استفاده از زیرلایه از جنس پلیمر pet، الکترود ساخته شده را بسیار انعطاف پذیر می کند، به طوری که به راحتی می تواند شکل بافتی را که بر روی آن کاشته می شود، به خود بگیرد، از سوی دیگر آنقدر سخت می باشد که در حین عمل جراحی برای کاشت، مشکلی ایجاد نمی کند. از آن جا که برای کاربرد پروتز شبکیه ای ضروری است که الکترود کاشته شده، شکل انحنای شبکیه را به خود بگیرد، لذا مهمترین مزیت این کار، انعطاف پذیری مناسب آن است. نمونه اولیه ساخته شده میکروالکترود، شامل یک آرایه 4×4 از سایت های تحریک با قطر 125 میکرومتر می باشد که مسیرهایی با پهنای 50 میکرومتر، سایت ها را به پدها متصل می کنند. در نمونه نهایی، یک آرایش 6×12 از سایت های تحریک 100 میکرونی طراحی شده است. 36 مسیر اتصال با پهنای40 میکرومتر، که تشکیل یک کابل انعطاف پذیر را می دهند، سایت ها را به پدها متصل می کنند. یک لایه از جنس طلا بر روی سایت های تحریک پوشانده شده است، تا امپدانس متقابل بین بافت و الکترود را کاهش دهد. امپدانس متقابل الکتروشیمیایی در فرکانس khz1 و مساحت µm27854 به روش آزمایشگاهی اندازه گیری شده است، مقادیر امپدانس برای سایت های از جنس طلا k?4/19و برای سایت های از جنس ito برابر k?5/122 بدست آمده است.

میکروسیستم های بیومدیکال قابل کاشت به عنوان یکی از جذاب ترین حوزه های کابردی برای کارشناسان و خصوصا حوزه پزشکی و مهندسی در نظر گرفته شده است.کاشت حلزونی گوش، پروتزهای بینایی، ریزسیستم های ثبت عصبی و سیستم های کاشتنی برای کنترل مثانه نمونه هایی از موارد قابل کاشت بیومدیکال هستند. سیستم های تحریک نخاع نمونه دیگری از ریزسیستم های قابل کاشت هستند که هم برای کاهش درد و هم به عنوان فانکشن های محرک در بازتوانی افراد آسیب دیده نخاعی کابرد دارد. واحد کنترل به کار رفته در این سیستم ها به سه دسته کنترلرهای اقتضایی ، کنترلرهای سفارشی و میکروکنترلرهای تجاری تقسیم می شوند. در این پایان نامه یک کنترلر خاص برای سیستم های تحریک نخاع پیشنهاد داده شده است. این کنترلر پالس های دوفازه را برای شانزده کانال پشتیبانی می کند. همچنین پاسخ عصبی ثبت شده در هر یک از سایت ها را با هشت بیت دقت به بیرون ارسال می کند. ارسال و دریافت داده از طریق لینک سریال به صورت بی سیم انجام می شود. دامنه پالس های کاتدیک و آندیک نیز با هشت بیت دقت در کنترلر پردازش می شود. با فرکانس شبیه-سازی یک مگاهرتز رزلوشن زمانی پالس 60 میکروثانیه و طول بسته 25 بیت می باشد.پس از پیاده سازی، مدار نیز در فرکانس 240 کیلوهرتز تست شد. در این کنترلر از تایمینگ بیرون تراشه استفاده شده است.

در این پایان نامه یک تقویت کننده سیگنال های عصبی قابل استفاده در سیستم های قابل کاشت در بدن طراحی و شبیه سازی شده است. سیگنال های عصبی به خاطر ماهیت ذاتی خود، دارای دامنه کم بوده و قبل از هر نوع پردازشی باید آنها را تقویت کرد. با پیشرفت تکنولوژی امکان ساخت این نوع تقویت کننده ها بصورت مجتمع و بر روی میکروپروب های آرایه ای وجود داشته و از آنجایی که این مدارها در قالب یک میکروسیستم در بدن کاشته می شوند لذا یکسری محدودیت های خاص نظیر سطح اشغالی سیلیکان، نویز و توان مصرفی در طراحی این نوع تقویت کننده ها وجود دارد. در این پایان نامه با توجه به محدودیت های موجود در طراحی، یک ساختار جدید برای داشتن کمترین فضای اشغالی در سطح سیلیکان و در عین حال بهره ولتاژ مناسب برای این نوع تقویت کننده ها معرفی شده است. ساختار پیشنهاد شده از یک تقویت کننده عملیاتی و یک مدار ویژه در شبکه فیدبک خود استفاده می کند. همچنین روشی جدید برای ایجاد مقاومت معادل بزرگ، به جای استفاده از روش pseudo-mos ارایه شده است که مشکلات غیرخطی بودن و اعوجاج روش نامبرده را برطرف می سازد. تقویت کننده طراحی شده دارای بهره ولتاژ 60 db، پهنای باند 10 mhz-3/1 khz، نویز دیده شده در ورودی برابر 8 µvrms و توان مصرفی در حدود µw22 می باشد. کلیه مراحل شبیه سازی با استفاده از نرم افزار hspice و در تکنولوژی µm 18/0 صورت گرفته است. کلید واژه:تقویت کننده های سیگنال عصبی،میکروسیستم های قابل کاشت در بدن، میکروپروب های آرایه ای

یک پردازشگر 32 کاناله با هدف فشرده سازی سیگنال در ریزسیستم های قابل کاشت در بدن بر اساس کاهش افزونگی مکانی داده طراحی، پیاده سازی و تست شده است. تاکنون روش های حذف همبستگی موجود به سبب محدودیت های ریزسیستم های قابل کاشت از لحاظ مساحت و توان، قابل پیاده سازی در این نوع سیستم ها نبودند. روش پیشنهادشده در این پایان نامه بر اساس روش سفیدکنندگی می باشد. با استفاده از یک ماتریس جایگزین ( که تا حد زیادی بیانگر معیاری از شباهت سیگنال ها است.) به جای ماتریس همبستگی (در مقایسه با روش مرسوم) به بهای اندکی کاهش قدرت سفیدکنندگی، پیاده سازی روش سفیدکنندگی امکان پذیر می شود. روش پیشنهادی جهت محاسبه ماتریس جایگزین نیاز به عمل ضرب نداشته و تنها از عملگرهای ساده قدرمطلق و جمع با پیاده سازی سخت افزاری بسیار ساده تر استفاده می کند. بر اساس روش پیشنهادی، واحد پردازش یک سیستم 32 کاناله ثبت عصبی با فرکانس نمونه برداری 20khz طراحی شد. در پردازشگری با این مشخصات اگر هر دو کانال مجاور با هم سفید شوند، برای محاسبه ماتریس همبستگی 960000 عمل ضرب در ثانیه انجام می گیرد که با استفاده از روش ارائه شده عملگرهای ساده قدر مطلق و جمع استفاده می شود. برای پیاده سازی سخت افزاری روش فشرده سازی پیشنهاد شده، روش جدیدی نیز جهت برش بردارهای ویژه به منظور افزایش دقت داده ارسالی از داخل بدن به بیرون در عین جلوگیری از افزایش حجم داده ها ارائه شده، که در این کاربردها از اهمیت به سزایی برخوردار است. کارایی روش پیشنهادشده در دو وضعیت ارسال فقط اسپایک و ارسال کل سیگنال با تحلیل ریاضی، شبیه سازی، پیاده سازی و نتایج آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرارگرفته است. نرخ فشرده سازی روش با ارسال کل سیگنال 2/22 بوده که قابلیت افزایش تا 4 را دارد. در صورت ارسال فقط اسپایک، نرخ فشرده سازی می تواند به ازای rms خطای پایین 2.14% تا 231 افزایش یابد. برای طراحی سخت افزاری از زبان توصیف سخت افزار vhdl در محیط نرم افزار xilinx ise استفاده شده است. رسم جانمایی با استفاده از خروجی نرم افزار xilinx ise در نرم افزار cadance soc encounter با تکنولوژی 0.18-µm standard n-well cmos انجام شده است. هسته اصلی پردازشگر و هسته اصلی به همراه بخش قالب بندی داده به ترتیب مساحتی برابر با 0.3mm2 و 0.420mm2 اشغال می کنند. مصرف توان در نرم افزار design synopsys compiler محاسبه گردید. مصرف توان هسته اصلی پردازشگر در فرکانس کاری 1.28mhz و تغذیه 1.8v برابر با 238?w است. هسته اصلی پردازشگر همراه بخش قالب بندی توان مصرفی برابر با 318?w دارند. برای انجام آزمایش های عملی پردازشگر سیگنال طراحی شده روی xcs200 از خانواده ی fpga های xilinx spartan-ll با موفقیت پیاده سازی و تست شده است. برای شبیه سازی و آزمایش های عملی نیز از داده های طبیعی و سنتز شده استفاده شده است.

دراین پایان نامه، تکنیک مدولاسیون جدیدی برای انتقال بی سیم همزمان داده و توان در بردکوتاه ‏ به ‏ریزسیستم های قابل کاشت در بدن ‏ به نام مدولاسیون حکاکی دامنه ‏amplitude-engraving ‎modulation (aem)‎‏ که از روش رمزگذاری قطبیت پالس ‏pulse-polarity encoding (ppe)‎‏ استفاده ‏می کند، معرفی شده است. از این روش مدولاسیون، برای انتقال همزمان توان و داده با نرخ بالا از طریق ‏لینک خازنی به عنوان یک لینک بی سیم پهن باند استفاده شده است. مزیت کلیدی این روش ‏مدولاسیون این است که نرخ داده ارسالی از فرکانس سیگنال حامل توان مستقل گردیده است که این ‏روش را به عنوان گزینه ای مناسب برای ارتباط بی سیم در ریزسیستم های تحریک با چگالی بالا ‏ معرفی ‏می کند. به این ترتیب در روش ‏aem، لینک ارتباط بی سیم پرسرعت ‏ دیگر به معنای افزایش فرکانس ‏حامل نیست. در نتیجه، می توان فرکانس حامل سینوسی را به اندازه کافی پایین در نظر گرفت تا ‏ایمنی بافت در برابر تشعشعات الکترومغناطیسی ناشی از میدان های ‏rf ‏ تامین شود و در عین حال ‏نرخ ارسال داده را تا مقدار مورد نیاز افزایش داد. این روش را می توان ترکیبی از روش های مبنتی بر ‏مدولاسیون های پالسی ‏ برای انتقال داده و روش های مبتنی بر مدولاسیون های برپایه حامل سینوسی ‏برای انتقال توان بی سیم در نظر گرفت. استفاده از روش رمزگذاری ‏ppe‏ موجب گردیده تا کلاک ‏سنکرون با داده در سمت بیرونی در دل رشته پالس ‏ppe‏ ارسالی گنجانده شود و روند بازیابی کلاک در ‏سمت سیستم کاشته شده را ساده تر و بسیار کم مصرف تر نماید. پیاده سازی ساده بخش بازیابی توان، ‏کلاک و داده یکی دیگر از مزایای مهم این روش می باشد که منجر به کاهش توان مصرفی سیستم ‏کاشته شده گردیده که در چنین کاربردهایی بسیار با اهمیت می باشد. یک برد نمونه برای بررسی ‏صحت عملکرد روش ‏aem‏ ارائه شده در این پایان نامه با استفاده از قطعات تجاری ساخته شده و آزمایش ‏گردیده است و نتایج این آزمایش های عملی نیز در این پایان نامه آورده شده است.‏

یکی از بخش های جدایی ناپذیر سیستم های چندکاناله با تعداد کانال بالا، بلوک مبدل آنالوگ به دیجیتال است. در این پایان نامه مبدل آنالوگ به دیجیتالی متناسب با مقتضیات ریزسیستم های قابل کاشت در بدن برای ثبت سیگنال های عصبی ارائه شده است. عملکرد مبدل آنالوگ به دیجیتال ارائه شده مبتنی بر شیب دیجیتال است. در واقع یک شیب دیجیتال به عنوان ولتاژ مرجع تولید شده و با سیگنال ورودی مقایسه می شود. از آنجا که بلوک مولد شیب دیجیتال بلوک اصلی مصرف کننده توان و مساحت اشغالی است، می توان با اشتراک گذاری این بلوک میان تمامی کانال ها در میزان مساحت و توان مصرفی اختصاص داده شده به هر کانال بهبود حاصل نمود. ویژگی دیگر مبدل ارائه شده، مشخصه غیرخطی آن می باشد که متناسب با خصوصیات سیگنال های عصبی، بصورت تابع نمایی انتخاب شده است بدین صورت که دامنه های نزدیک به قله پتانسیل عمل با رزولوشنی بیشتر از دامنه های نزدیک به سطح نویز سیگنال عصبی نمونه برداری می شوند. انتخاب این مشخصه علاوه بر ایجاد بهبود در مشخصات سیگنال بازسازی شده مانند کاهش محتوای نویز پس زمینه سیگنال عصبی بازسازی شده نسبت به سیگنال عصبی اصلی و درنتیجه افزایش نسبت سیگنال به نویز (snr) برای سیگنال بازسازی شده، مزایایی از قبیل کاهش فرکانس کاری مدار و کاهش نرخ داده را به همراه خواهد داشت. بنابراین بلوک مولد شیب دیجیتال، شیبی با مشخصه نمایی تولید کرده و با اشتراک گذاری آن در میان تمامی کانال ها، از یک طرف فرکانس کاری مبدل آنالوگ به دیجیتال مستقل از تعداد کانال ها می شود و همچنین در توان و مساحت اشغالی صرفه جویی می گردد، از طرف دیگر نرخ داده و فرکانس کاری مدار کاهش و مقدار snr افزایش می یابد. بنابراین با استفاده از مشخصه نمایی، رزولوشن مبدل آنالوگ به دیجیتال پیشنهادی برابر 6 بیت فیزیکی انتخاب شده است که دامنه های بالا را با رزولوشن معادل 8 بیت و دامنه های نزدیک به سطح نویز سیگنال عصبی را با رزولوشنی معادل 3 بیت نمونه برداری می کند. بنابراین % 25 در پهنای باند نسبت به مبدلی با مشخصه خطی صرفه جویی می شود. فرکانس کاری مدار mhz 28/1 و فرکانس نمونه برداری از سیگنال برابر ksample/s 20 است. مدار در فناوری µm 18/0 سی ماس و تغذیه v 8/1 طراحی شده است. توان مصرفی کل مدار برابر µw 3/8 است که از این میزان µw 8/7 آن مربوط به بلوک مولد ولتاژ مرجع می باشد.

امروزه، استفاده از ریزسیستم های قابل کاشت در بدن رو به افزایش است، یکی از چالش های مهمی که در این زمینه با آن مواجهیم، افزایش حرارت بطور موضعی در بافت بدن شخصی است که ریز سیستم در آن کاشته شده است، بطوریکه این افزایش حرارت منجر به صدمه زدن به بافت می شود. هدف این پروژه بررسی تاثیر حرارت و امواج الکترومغناطیسی ناشی از پروتز شبکیه بر روی بافت اطراف آن است، در این تحقیق افزایش دما و نرخ جذب ویژه به طور موضعی در بافت ناشی از ساختار پروتز شبکیه در انتقال توان و داده، به دو روش لینک القایی و لینک خازنی مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور این بررسی به روش القایی، مدلی از لایه های چشم (مانند قرنیه، صلبیه، عنبیه و غیره) که بکمک نرم افزار cad ایجاد شده، مورد استفاده قرار گرفته است و برای شبیه سازی و تجزیه و تحلیل اثرات حرارتی و الکترومغناطیسی پروتز شبکیه از نرم افزارهای comsol ، hfss ، maxwell و simplorer استفاده شده است. تجزیه و تحلیل حرارتی انجام شده در این پروژه نشان می دهد که مصرف توان 3.31 میلی وات حداکثر مقدار مجازی است که بر اساس استاندارد برای ریز سیستم کاشته شده در چشم با ابعاد mm34 x 4 x 5.0 می توان اعمال کرد. همچنین، نشان داده شده که با افزایش سطح ریزسیستم، افزایش دما (به دلیل انتقال حرارت بهتر) کمتر می شود. تجزیه و تحلیل الکترومغناطیسی نشان می دهد که حداکثر بازده سیم پیچ مدار چاپی حلزونی دولایه (طراحی شده در آزمایشگاه مدارها و سیستم های مجتمع (icas)) در مدل چشم 58.16 ? است. نرخ جذب ویژه برای مدل بافت های چشم در معرض میدان الکترومغناطیسی ناشی از این نوع سیم پیچ، بیشتر از حد استاندارد برای بافت است، بنابراین قرار دادن این نوع سیم پیچ در مقابل چشم توصیه نمی شود. در روشی دیگر، تاثیر میدان الکتریکی بر روی بافت ناشی از انتقال توان و داده، به روش خازنی در ناحیه ی شقیقه ی سر مورد بررسی قرار گرفت و مشاهده شد که بهترین بازده نزدیک به 90 درصد در کمترین فاصله بین صفحات مقابل خازن (با وجود تنها لایه ی پوست به قطر 8.2 میلیمتر) است. بدین منظور، بر لایه پوست که به عنوان دی الکتریک بین صفحات خازن قرار گرفته، بررسی های حرارتی انجام شد و مشخص شد که برای داشتن بیشترین فرکانس به مقدار10 مگاهرتز و با رعایت حد استاندارد بافت، حداکثر ولتاژ مجاز قابل اعمال توسط بخش فرستنده (یک قله) 1 ولت است. برای اعمال ولتاژ بیشتر به مقدار4 ولت فرکانس باید به 5 مگا هرتز کاهش یابد. از نظر ابعاد و فاصله ی بین جوشن ها ی مجاور، مشاهده شد که هرچه ابعاد بزرگتر (مثلا ابعاد 7 میلیمتر نسبت به ابعاد 5 میلیمتر) و فاصله ی بین جوشن های مجاور بیشتر باشد (فاصله ی 12 میلیمتر نسبت به 5.8 میلیمتر)، بازده بیشتر و میزان حرارت در بافت و تداخل میدان های الکتریکی کمتر می شود، همچنین، میدان الکتریکی یکنواخت تری مشاهده می شود.

جذاب وکاربردی برای کارشناسان حوزه پزشکی و مهندسی مطرح شده است. کاشت حلزونی گوش، پروتزهای بینایی، ریز سیستم های ثبت عصبی و سیستم های کنترل مثانه و تحریک نخاع نمونه هایی از میکروسیستم های قابل کاشت هستند. از جمله کاربردهای آن می توان به ثبت کننده های فعالیت عصب، تحریک کننده های مختلف و ضبط تصاویر ویدیوئی و ارسال بی سیم آنها به خارج ازبدن اشاره نمود. در بسیاری از این تجیهزات انرژی الکتریکی لازم در هنگام ثبت فعالیت اعضای درونی بدن از خارج به داخل منتقل می گردد. علاوه براین مدار رابط باید قابلیت دریافت داده های کنترلی (تله متری مستقیم) و ارسال وضعیت ماژول های داخل بدن و سیگنال های ضبط شده توسط آن ها به کنترلر خارجی (تله متری معکوس) را دارا باشد.

این رساله به ارائه روشهایی نوین برای نگاشت فاز- دامنه در سنتزکننده های فرکانس دیجیتالی مستقیم می پردازد. در این تحقیق برای نخستین بار تقریبهای پارابولیک مرتبه اول و مرتبه دوم برای محاسبه تابع سینوسی در dds ها معرفی شده است .