شماره ركورد
33692
پديد آورنده
مصطفي كاتبي
عنوان
طراحي و ساخت سيستم تحريك كننده قابل كاشت در بدن
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي پزشكي- بيوالكتريك
سال تحصيل
1398
تاريخ دفاع
1404/06/18
استاد راهنما
دكتر عباس عرفانيان اميدوار
استاد مشاور
دكتر محمد عظيم كرمي - دكتر محمد صواّن
دانشكده
برق
چكيده
در اين رساله يك سيستم تحريككننده عصبي طراحي و ساخته شده است. اين سيستم از 4 قسمت اصلي تشكيل شده است كه شامل يكسوساز، تثبيتكننده ولتاژ، پمپكننده بار و يك تحريككننده عصبي حالت جريان است. قسمت تنظيمكننده ولتاژ نياز به يك ولتاژ مرجع مناسب دارد. همچنين قسمت تحريككننده نياز به يك قسمت كنترلكننده براي كنترل فازهاي تحريك دارد. بنابراين علاوه بر قسمتهاي بالا، اين دو قسمت نيز طراحي شدهاند. در طراحي يكسوساز به مشخصههاي مهمي از جمله بالا بودن كارايي و كاهش افت ولتاژ توجه شده است. در طراحي اين قسمت از ساختار ديودهاي فعال كه گيت آنها به صورت ضربدري به هم متصل شدهاند استفاده شده است. ايده اصلي اين مدار استفاده از ساختار كلمپ است كه پس از قسمت اتصال ضربدري براي بالا بردن سطح ولتاژ و كاهش افت ولتاژ خروجي نسبت به ورودي استفاده شده است. در قسمت يكسوساز طبق نتايج، مدار بهره تبديل ولتاژ و بهره تبديل توان بيشينه 128 و 86/86 درصد را دارد. در قسمت تثبيتكننده ولتاژ از يك مدار مرجع شكاف باند به عنوان يك ولتاژ مرجع دقيق استفاده ميشود. براي طراحي مدار شكاف باند و توليد ولتاژ مرجع از تركيب 2 مدار توليد كننده ولتاژ PTAT و CTAT و تركيب آن با يك مدار ديگر با ترانزيستورهايي كه در ناحيه اشباع قرار دارند، استفاده شده است تا بتوان يك مرجع مقاوم در برابر تغييرات دما، فرآيند ساخت و ولتاژ تغذيه طراحي نمود. طبق نتايج خروجي مدار در برابر تغييرات ولتاژ تغذيه و دما بسيار پايدار و به ترتيب داراي حساسيت ولتاژي و دمايي به مقدار %/V 61/0 و ppm/oC 06/18 است. براي طراحي قسمت پمپكننده بار از ساختار Self-cascode استفاده شده است. استفاده از اين ساختار باعث كاهش چشمگير توان مدار و افزايش پايداري مدار در برابر تغييرات زمان صعود و نزول سيگنال كلاك شده است. در طراحي تحريك¬كننده عصبي از يك ساختار جديد براي انجام تعادل بار استفاده شده است. در اين تحريككننده حالت جريان، ابتدا جريان مرجع توسط مدار مرجع توليد شده و وارد مدار كنترل بهره جريان مي¬شود. سپس اين جريان وارد يك مبدل ديجيتال به آنالوگ 5 بيتي حالت جريان شده تا دقت قابل ملاحظه¬اي براي جريان تحريككننده به¬دست آيد. اين جريان وارد يك مدار آينه جريان با امپدانس بالا شده تا برابري بار در حالت كاتديك و آنديك را به مقدار قابل قبولي تضمين كند. سپس يك راه¬¬انداز با ولتاژ بالا كه به صورت پل H طراحي شده، جريان تحريك را توسط الكترودها به بافت بدن خواهند رساند. كليّه طراحيها در اين پروژه در فناوري 180 نانومتر CMOS (3/3 ولت) پياده¬سازي شده است. ولتاژ تغذيه تحريك¬كننده عصبي تقريبا 4 برابر ولتاژ فناوري (2/11 ولت) در نظر گرفته شده است. با توجه به فناوري مورد استفاده، خروجي مدار كنترل بهره جريان بعد از عبور از مبدل ديجيتال به آنالوگ حالت جريان به نحوي خواهد بود كه پس از تقويت تا مقدار 2/3 ميليآمپر برسد كه به تبع آن ميتواند به ترتيب براي كنترل بيماري صرع، كنترل عضلاني و پارككينسون به كار گرفته شود. همچنين ولتاژ اندازهگيري شده بر روي بافت در تحريككننده ميتواند به مقدار 2/10 ولت دست يابد. در مدار تحريككننده، تطبيق بسيار خوبي بين دو فاز آنديك و كاتديك برقرار است و به دليل استفاده از ساختار پيشنهاد شده، مقدار عدم تطبيق بار در حدود 21/0 درصد است. همچنين براي تاييد كاركرد مدار تحريككننده، آزمايش حيواني براي ديدن حركت پا و ثبت سيگنال مربوطه و نتايج آن در پاياننامه ارائه شده است.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/07/06
عنوان به انگليسي
Design and development an implantable neural stimulator
تاريخ بهره برداري
9/9/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
مصطفي كاتبي
چكيده به لاتين
In this thesis, a neural stimulation system has been designed and implemented. The system consists of four main parts: a rectifier, a voltage regulator, a charge pump, and a current-mode neural stimulator. The voltage regulator requires a suitable reference voltage. Furthermore, the stimulator needs a controller to manage its stimulation phases. Therefore, in addition to the main blocks mentioned above, these two sections have also been designed. In designing the rectifier, important characteristics such as high efficiency and low voltage drop were considered. For this part, an active diode structure with cross-coupled gates was used. The main idea of this circuit is to employ a clamp structure after the cross-coupled stage to increase the voltage level and reduce the output voltage drop relative to the input. According to the results, the rectifier circuit achieves a maximum voltage conversion ratio and power conversion efficiency of 128 and 86.86%, respectively. In the voltage regulator section, a bandgap reference circuit is used as a precise reference voltage. The bandgap circuit design combines two PTAT and CTAT voltage generator circuits with another circuit using transistors in the saturation region. This combination enables the design of a reference that is resistant to variations in temperature, fabrication process, and supply voltage. The output results show the circuit is highly stable against supply voltage and temperature changes, with a line sensitivity and temperature coefficient of 0.61 %/V and 18.06 ppm/°C, respectively. A Self-cascode structure was used for designing the charge pump. Utilizing this structure significantly reduces the circuitʹs power consumption and increases its stability against clock signal rise and fall time variations. A new structure was used in the neural stimulator design to achieve charge balancing. In this current-mode stimulator, a reference current is first generated by the reference circuit and fed into a current gain control block. This current then enters a 5-bit current-mode digital-to-analog converter (DAC) to achieve considerable accuracy for the stimulation current. The current is then passed through a high-impedance current mirror to ensure a acceptable level of charge balance between the anodic and cathodic phases. Finally, a high-voltage driver, designed as an H-bridge, will deliver the stimulation current to the body tissue via the electrodes. All designs in this project were implemented in a 180 nm CMOS technology (3.3V). The supply voltage for the neural stimulator was set to approximately four times the technologyʹs voltage (11.2V). Given the technology used, the output of the current gain control circuit, after passing through the current-mode DAC, is such that after amplification it can reach up to 3.2 mA. Consequently, it can be used for controlling epilepsy, muscle control, and Parkinsonʹs disease, respectively. The measured voltage across the tissue during stimulation can reach up to 10.2V. In the stimulator circuit, there is very good matching between the anodic and cathodic phases, and due to the proposed structure, the charge mismatch is about 0.21%. Furthermore, to validate the stimulatorʹs functionality, animal testing was conducted to observe leg movement and record the corresponding signal; the results are presented in the thesis.
كليدواژه هاي فارسي
يكسوساز , تثبيتكننده ولتاژ , تقويتكننده خطا , تحريككننده عصبي , مبدل ديجيتال به آنالوگ , پمپكننده بار , مرجع جريان
كليدواژه هاي لاتين
Current Reference , Charge Pump , DAC , Stimulator , Error Amplifier , Regulator , Rectifier
Author
Mostafa Katebi
SuperVisor
Abbas Erfanian omidvar