Die vorliegende Erfindung betrifft ein Neuroimplantat mit Datenratenreduktionsabschnitt.

Neuroimplantate kommen zum Einsatz in Mensch-Maschine-Schnittstellen. Diese basieren auf implantierbarer Mikroelektronik, die das rauscharme Auslesen von neuronalen Signalen parallel auf einer Vielzahl von Kanälen sowie die flexible Stimulation von Hirnaktivität ermöglicht.

Medizinische Anwendungen sind Diagnose und Therapie von neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson, Alzheimer und Epilepsie. Darüber hinaus sind Anwendungen in der neurophysiologischen Grundlagenforschung und im Bereich von neuartigen, direkt durch Gedanken gesteuerten Prothesen denkbar.

Durch die Vielzahl der Anwendungen ergeben sich auch grundlegend verschiedene Anforderungen an die zugrundeliegende Hardware. Beispielsweise ist bei implantierbaren Systemen die erlaubte Leistungsaufnahme stark limitiert, da das umliegende Gewebe durch zu große Wärmeentwicklung verletzt werden könnte. Die interessierenden Neurosignale werden grundsätzlich in zwei Kategorien eingeteilt. Im niederen Frequenzbereich zwischen etwa 0.2 und 200 Hertz sind lokale Feldpotentiale messbar, diese bestehen aus dem überlagerten Potential von hunderten oder sogar tausenden Neuronen im Bereich um die aufzeichnende Elektrode. Die zweite Kategorie umfasst die Aktionspotentiale (engl. „spikes“), die im Frequenzbereich von etwa 200 bis 8000 Hertz auftreten und den Aktivierungsprozess eines einzelnen Neurons zeigen. Je nach Anwendung sind unterschiedliche Signalbänder und unterschiedlich viele Kanäle als Datenquelle gewünscht. Gleichzeitig ist es aber wünschenswert, eine gemeinsame Hardware-Plattform für alle Applikationen zur Verfügung zu stellen, sodass die Forschung in diesem Bereich nicht durch die begrenzte Verfügbarkeit von passgenau zugeschnittener Mikroelektronik gebremst wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Datenratenmodul für ein Neuroimplantat bereitzustellen, mit welchem die vorgenannten technischen Probleme zumindest teilweise gelindert werden.

Diese Aufgabe wird durch das Datenratenmodul gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Bereitgestellt wird demnach ein Neuroimplantat für Gehirnbereich, aufweisend: zumindest einen Detektionsabschnitt zur Detektion von Signalen von dem Gehirnbereich, einen Elektrodenabschnitt mit zumindest einer Elektrode, der mit dem Detektionsabschnitt koppelbar ist und im Gehirnbereich anordenbar ist und zum elektrischen Kontaktieren des Gehirnbereichs ausgestaltet ist, zumindest einen Digitalisierungsabschnitt zum Erzeugen zumindest eines digitalen Datenstroms aus den von dem zumindest einen Detektionsabschnitt detektierten Signalen, wobei der zumindest eine Datenstrom jeweils eine Sequenz von Datenpunkten umfasst, und einen Datenreduktionsabschnitt, der ausgestaltet ist, aus dem zumindest einem Datenstrom gemäß einem vorbestimmten Schema Datenpunkte in der Sequenz von Datenpunkten zu verwerfen.

Es kann also die Datenrate des zumindest einen Datenstroms gemäß dem vorbestimmten Schema reduziert werden.

Die Anpassung der Datenrate, mit der neuronale Signale ausgegeben werden, kann speziell über zwei Schemata gesteuert werden, die die Auswahl der interessierenden Kanäle und die Anzahl der zu verwerfenden Datenpunkte zwischen zwei übertragenen Datenpunkten pro Kanal flexibel einstellbar machen. Damit ist eine Anpassung (= Optimierung) einer gemeinsamen Hardware-Plattform auf höchst verschiedene Anwendungsgebiete möglich. Die Neuerung, die Gegenstand dieser Erfindung ist, umfasst demnach einen digitalen Abschnitt, der es erlaubt, mit sehr einfachen Mitteln die Datenrate des Chips zu modifizieren. Das hat direkte Auswirkungen sowohl auf die Auslastung der auslesenden Instanz (z.B. Mikrocontroller) als auch auf die Leistungsaufnahme des Systems. Beide können reduziert werden. Leistungsreduktionen sind insbesondere bei implantierbarer Mikroelektronik von größter Wichtigkeit.

Überdies sind Optimierungen auf bestimmte Anwendungsszenarien bei gleichzeitiger Verwendung einer identischen Hardware Plattform möglich.

Hierbei kann das Schema umfassen, alle Datenpunkte eines Datenstroms zu verwerfen.

Alternativ oder zusätzlich kann das Schema umfassen, aus dem zumindest einen Datenstrom regelmäßig eine vorbestimmte Anzahl von Datenpunkten zu verwerfen.

Allgemein kann das Schema umfassen, aus jeder Sequenz von m Datenpunkten eines Datenstroms n Datenpunkte zu verwerfen, wobei m und n natürliche Zahlen sind.

Es kann ein erstes Register vorgesehen sein, welches für jeden des zumindest einen Datenstroms einen Wert enthält, der repräsentativ dafür ist, ob alle Datenpunkte des jeweiligen Datenstroms verworfen werden oder nicht.

Es kann ein zweites Register vorgesehen sein, welches einen Wert enthält, der repräsentativ dafür ist, aus jeder Sequenz von m Datenpunkten zumindest eines Datenstroms n Datenpunkte zu verwerfen.

Hierbei kann das erste und/oder das zweite Register programmierbar sein.

Beim Neuroimplantat gemäß einer Variante ist vorgesehen, dass der zumindest eine Detektionsabschnitt, der zumindest eine Digitalisierungsabschnitt und der Datenreduktionsabschnitt auf einem gemeinsamen Halbleiter-Substrat angeordnet sind und insbesondere als ein ASIC-Baustein ausgestaltet sind.

Der erfmdungsgemäße Abschnitt zur Reduzierung der Ausgangsdatenrate bietet in einer Variante speziell zwei Schemata: • Kanalauswahl: Durch das Setzen eines z.B. 32-bit-Registers wird für jeden Kanal individuell festgelegt, ob die gemessenen Daten verworfen („0“) werden oder nicht („1“), also ausgegeben werden.

• Datenpunkte verwerfen: Durch das Setzen eines z.B. 5-bit-Registers wird eine Zahl definiert, die bestimmt, wie viele verfügbare Datenpunkte pro Kanal zwischen zwei tatsächlich gesendeten Datenpunkten verworfen werden. Bsp: eine „1“ (binär „00001“) bedeutet, dass zwischen zwei ausgegebenen Datenpunkten ein Datenpunkt verworfen wird - somit verlässt nur jeder zweite Datenpunkt den Chip, und die Datenrate ist entsprechend halbiert.

Beide Schemata sind kombinierbar, ohne dass das System durch die große Anzahl von Einstellmöglichkeiten untestbar und damit unverifizierbar würde. Dies ist eine wichtige Eigenschaft, da sehr strenge Zulassungsbeschränkungen bei human-im plantierbarer Elektronik erfüllt sein müssen.

Das Verwerfen der nicht benötigten Datenpunkte erlaubt insbesondere eine deutliche Effizienzsteigerung bei Systemen, die nur lokale Feldpotentiale benötigen und damit auf die höhere Datenrate, die benötigt wird, um Spike-Potentiale zu messen, verzichten können. Auf eine Mittelwertbildung, um die verworfenen Datenpunkte doch noch zu verwerten, wurde bewusst verzichtet, da in der Regel keine signifikante Verbesserung des eingangsbezogenen Rauschens zu erwarten ist. Dies liegt daran, dass insbesondere im niedrigen Frequenzbereich, der besonders vom Verwerfen vieler Datenpunkte betroffen ist, das Funkelrauschen (1/f-Rauschen) der dominierende Rauschprozess ist. Dieser weist deutliche zeitliche Korrelationen auf, und somit kann durch zeitliche Mittelwertbildung keine Verbesserung erzielt werden.

Gemäß einer Variante ist der Abschnitt auf dem Neuromodulations-ASIC (application specific integrated circuit) mit 32 bidirektionalen Kanälen angeordnet. Dieser ist sehr flexibel ausgestaltet und kann damit in vielen verschiedenen Anwendungsszenarien eingesetzt werden.

Des Weiteren kann der Detektionsabschnitt dazu ausgestaltet sein, eine Signalfilterung, insbesondere Hochpass-Filterung, durchzuführen, die entsprechend dem vorbestimmten Schema einstellbar ist. Damit ist die Signalfilterung an die Datenrate des Datenstroms (Datenpunkte pro Zeiteinheit) nach der Reduktion der Datenrate durch den Datenratenreduktionsabschnitt anpassbar.

Die Erfindung und Ausführungsbeispiele werden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 2 die Anordnung und die Funktion des Datenreduktionsabschnittes.

Fig. 1 illustriert ein Neuroimplantat gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welchem der Datenratenreduktionsabschnitt realisiert ist.

Das Neuroimplantat umfasst zumindest einen Detektionsabschnitt 230 zur Detektion von Signalen aus dem Gehimbereich und ist in eine Vielzahl gleichartig ausgestalteter Kanäle 10 unterteilt, eine typische Zahl ist 32 Kanäle. In Fig. 1 ist lediglich ein Kanal 10 illustriert. Dieses Neuroimplantat ist also ein Neuromodulator bzw. Closed-Loop-Neuroimplantat.

Der Elektrodenabschnitt 600 umfasst eine Anzahl von Elektroden und ist mit dem zumindest einen Detektionsabschnitt 230 verbunden. Die Anzahl von Elektroden ist in der Regel zumindest so groß wie die Anzahl von Kanälen 10.

Das Neuroimplantat gemäß einer Variante weist zusätzlich zumindest einen Stimulationsabschnitt 220 zur Erzeugung von Stimulationsspannungen für den Gehirnbereich sowie einen mit dem Stimulationsabschnitt 220 verbundenen Elektrodenabschnitt 600 zur Kontaktierung des Gehirnbereichs auf. Der Elektrodenabschnitt 600 mit zumindest einer Elektrode ist mit dem Stimulationsabschnitt 220 über eine Verbindung 700 zur Übertragung der Stimulationssignale gekoppelt.

Jedem Kanal 10 ist genau eine Elektrode des Elektrodenabschnitts 600, ein Stimulationsabschnitt 220 und ein Detektionsabschnitt 230 zugeordnet oder zuordenbar.

Jeder Kanal 10 (gemäß der Variante) ist bidirektional ausgestaltet, kann also in zwei Richtungen elektrische Signale und andere elektrische Größen leiten. In der einen Richtung werden vom zumindest einen Stimulationsabschnitt 220 erzeugte Stimulationssignale an die jeweilige Elektrode geleitet, in der entgegengesetzten Richtung werden neuronale Signale aus dem Gehirnbereich, die über die Elektrode des Elektrodenabschnitts 600 erfasst werden, zum zumindest einen Detektionsabschnitt 230 geleitet.

Der Stimulationsabschnitt 220 eines jeden Kanals 10 umfasst einen Digital-Analog- Wandler (DAC) 221, um aus extern zugeführten digitalen Steuersignalen analoge Stimulationssignale zu erzeugen. Bei dem DAC 221 kann es sich um einen 5-Bit- Strom-DAC mit Hochspannungs-Gegentaktendstufe handeln. Die Hochspannung beträgt z.B. 18 V.

Der Stimulationsabschnitt 220 kann in verschiedenen Modi konfiguriert sein. In einem ersten Modus generiert er stromgesteuerte Stimulationssignale (current-controlled Stimulation - CCS), in einem zweiten Modus generiert er spannungsgesteuerte Stimulationssignale (CVS). Im zweiten Modus sind der DAC 221 und der Hochspannungsausgang in eine DSM-basierte Rückkopplungsschleife eingebettet.

Beim Ausführungsbeispiel hat der Stimulationsabschnitt 220 einen erhöhten Dynamikbereich durch Skalieren der Stromspiegel-Verstärkungsoptionen. Beim Ausführungsbeispiel beträgt der Dynamikbereich 66 dB, mit Stimulationsströmen von 5pA bis 10mA.

Der Stimulationsabschnitt 220 weist eine flexible Signalformerzeugung auf, die auf einem Zustandsautomaten mit sequenzieller Ausführung von Stimulationsbefehlen basiert. Diese ist erweitert um programmierbare Schleifen innerhalb der Befehlstafel, wodurch erweiterte wiederholte Ausführungen von Wellenformen und Befehlen ermöglicht werden.

Das gesamte Neuroimplantat kann durch eine Mikrocontroller-Einheit (MCU, nicht illustriert) gesteuert sein.

Das Neuroimplantat umfasst weiterhin einen Schaltermatrixabschnitt 240, der zwischen dem Elektrodenabschnitt 600 und dem zumindest einem Detektionsabschnitt 230 angeordnet ist. Der Schaltermatrixabschnitt 240 umfasst Schaltvorrichtungen 241, 242 für jeden Kanal 10, um die Elektrode eines jeden Kanals 10 mit dem Detektionsabschnitt 230 des Kanals 10 zu koppeln bzw. zu entkoppeln. Zusätzlich umfasst der Schaltermatrixabschnitt 240 Schaltvorrichtungen 243, mit welchen eine jede Elektrode jeweils mit Masse GND verbunden werden kann. Auf diese Weise kann die betreffende Elektrode z.B. entladen werden. Des Weiteren umfasst der Schaltermatrixabschnitt 240 Schaltvorrichtungen 244, mit denen eine Elektrode (oder mehrere Elektroden) als Referenzelektrode REF geschaltet werden kann. Ist die Elektrode als Referenzelektrode REF geschaltet, so ist sie mit dem Referenzeingang, z.B. dem invertierenden Eingang (-) eines jeden Detektionsabschnitts 230 koppelbar, während sie von dem Messeingang, z.B. dem nicht-invertierenden Eingang (+) des betreffenden Detektionsabschnitts 230 entkoppelbar ist. Auf diese Weise kann jeder Detektionsabschnitt 230 das Potential REF der Referenzelektrode als das gemeinsame Referenzpotential aufgeschaltet erhalten.

Dieses Merkmal ist in praktischen Anwendungen häufig gefragt, weil die Charakteristik implantierter Elektroden vor der Implantation unbekannt ist und überdies über der Zeit variieren kann, was es nachteilig macht, a priori eine bestimmte Elektrode als Referenzelektrode festzulegen.

Somit ist der Schaltermatrixabschnitt 240 so anpassbar, dass die Referenzelektrode REF nicht zugleich als Ladungssenke für die passive Entladung von Elektroden nach der Stimulation verwendet wird, weil dies zu Artefakten und Aufladen der Referenzelektrode REF führen kann. Stattdessen wird eine von der Referenzelektrode unterschiedliche Elektrode als Masseelektrode GND zur Entladung dient. Dies bietet überdies auch eine bessere Referenz beim Detektieren und Aufzeichnen der Neurosignale.

Jeder Kanal 10 ist digital gesteuert durch einen Zustandsautomaten, der mittels SPI- Kommunikation (SPI = Serial Peripheral Interface) programmierbar ist.

Ferner ist der zumindest eine Detektionsabschnitt 230 programmierbar ausgestaltet, wodurch es ermöglicht wird, entweder local field potentials (LPFs), action potentials (APs) oder beide Bänder mit selektierbarer wählbare Verstärkungs- und Bandbreiten-Einstellungen aufzuzeichnen.

Es ist zumindest ein Digitalisierungsabschnitt 800, speziell ein Analog-Digital- Wandler (ADC, I-DSM 1, I-DSM 2), vorgesehen, um die detektierten analogen neuronalen Signale zu digitalisieren und hieraus zumindest einen Datenstrom (via SPI 850) zu erzeugen. In einem Ausführungsbeispiel sind zwei 16-Bit-ADC vorgesehen, jeder ADC kann mit 16 Kanälen gekoppelt sein. Jeder ADC kann periodisch im Zeit-Multiplex mit den einzelnen Kanälen verbunden sein, die hierüber detek- tierten Signale digitalisieren.

Üblicherweise beträgt die Abtastfrequenz der ADC konstant z.B. 20 kHz. Dies übersteigt jedoch die benötigte Datenrate, wenn nur LFP-Signale aufgezeichnet werden sollen, was zu einer unnötig hohen Arbeitslast der MCU, welche die Datenströme weiterverarbeiten soll, führt. Denn diese müsste dann die Datenströmen herunterabtasten, um eine übermäßige Leistungsaufnahme in der SPI-Bluetooth- Verbindung außerhalb des Körpers zu vermeiden.

Daher ist ein Abschnitt 900 zur Reduktion der Datenrate der digitalisierten Datenströme vorgesehen, welcher ausgestaltet ist, die digitalen Datenströme entsprechend der Bandbreite des SPI-Interface anzupassen. Hierfür ist der Datenreduktionsabschnitt 900 derart programmierbar, dass er aus jeder Sequenz von m Datenpunkten des Datenstroms eines Kanals n Datenpunkte verwirft und nur die übrigen Datenpunkte unverändert passieren lässt; hierbei sind m und n natürliche Zahlen.

Zusätzlich oder alternativ können einzelne Kanäle vollständig deaktiviert, also die Datenpunkte des betreffenden Datenstroms vollständig verworfen werden.

Fig. 2 illustriert die Anordnung und die Funktion des Datenreduktionsabschnittes.

Rechts oben in der Figur ist ein Datenstrom mit voller Datenrate, also ohne Datenreduktion durch Verwerfen von Datenpunkten, gezeigt, darunter mit Reduktion.

Nach der Erfindung werden gemäß dem jeweils gültigen Schema der Reduktion Datenpunkte (oder Samples) unterdrückt, während die nicht unterdrückten Datenpunkte unverändert weitergeleitet werden. Im Beispiel werden die Datenströme der Hälfte der Kanäle 10 verworfen, während von den übrigen Datenströmen nur jeder dritte Punkt übertragen wird, jeweils zwei von drei Datenpunkten werden also verworfen (m=3, n=2).

Für die Auswahl desjenigen Datenstroms oder derjenigen Datenströme (Kanal/Ka- näle 10), der/die vollständig unterdrückt werden sollen, kann ein erstes Register 950 vorgesehen sein. Durch das Setzen dieses z.B. 32-bit-Registers wird für jeden Kanal individuell festgelegt, ob der detektierte Datenstrom ausgegeben wird („1“) oder verworfen wird („0“). Um zu definieren, ob einzelne Datenpunkte eines Datenstroms zu verwerfen sind, kann ein zweites Register 955 vorgesehen sein. Durch das Setzen des z.B. 5-bit- Registers wird eine Zahl definiert, die bestimmt, wie viele verfügbare Datenpunkte pro Kanal zwischen zwei tatsächlich gesendeten Datenpunkten verworfen werden. Zum Beispiel bedeutet eine 1 (binär „00001“), dass zwischen zwei ausgegebenen Datenpunkten ein Datenpunkt verworfen wird - somit verlässt nur jeder zweite Datenpunkt den Chip, und die Datenrate ist entsprechend halbiert.

Zwar erscheint das Übertragen von lediglich einem Teil der Samples als eine primitive Maßnahme, weil ein Mitteln über mehrere Samples durch Herunterabtasten Rauschen unterdrücken könnte. Dies gilt jedoch nur für weißes Rauschen, nicht aber für das korreliertes Funkelrauschen, welches bei LPF-Signalen vorherrschend ist. Weil Herunterabtasten in dem durch weißes Rauschen dominierten AP -Bereich wegen Bandbreitenanforderungen nicht realisierbar ist, gibt es auch dort keinen signifikanten Nutzen. Somit kann Herunterabtasten vollständig weggelassen werden.

Die Reduktion der Datenrate erfolgt also durch einen Abschnitt 900, der auf dem ASIC zusammen mit den übrigen Abschnitten des Neuroimplantats angeordnet ist. Die Datenrate kann demnach reduziert werden, noch ehe der Datenstrom das Neuroimplantat verlässt. Die (externe) MPU ist also von der Aufgabe entlastet, die Kommunikationsverbindung wird hinsichtlich der benötigten Bandbreite geschont.

Des Weiteren kann der Detektionsabschnitt 230 dazu ausgestaltet sein, eine Signalfilterung, insbesondere Hochpass-Filterung, durchzuführen, die entsprechend dem vorbestimmten Schema einstellbar ist. Damit ist die Signalfilterung an die Datenrate des Datenstroms (Datenpunkte pro Zeiteinheit) nach der Reduktion der Datenrate durch den Datenratenreduktionsabschnitt anpassbar.