뇌질환을 관리하는 뉴로칩

[아름이]

뇌질환을 관리하는 뉴로칩
연구원들은 저전력 칩 설계, 기계 학습 알고리즘 및 소프트 이식형 전극을 결합하여 다양한 신경 장애의 증상을 식별하고 억제할 수 있는 신경 인터페이스를 생성했습니다.
날짜:
2023년 1월 30일
원천:
에콜 폴리테크니크 Fédérale de Lausanne
요약:
연구원들은 저전력 칩 설계, 기계 학습 알고리즘 및 소프트 이식형 전극을 결합하여 다양한 신경 장애의 증상을 식별하고 억제할 수 있는 신경 인터페이스를 생성했습니다.

공학부 통합 신경 기술 연구실의 Mahsa Shoaran은 Soft Bioelectronic Interfaces 연구실의 Stéphanie Lacour와 협력하여 질병 증상을 감지하고 완화할 수 있는 폐쇄 루프 신경 조절 시스템 온 칩인 NeuralTree를 개발했습니다. 256채널 고해상도 감지 어레이와 에너지 효율적인 기계 학습 프로세서 덕분에 이 시스템은 실제 환자 데이터와 생체 내 질병의 동물 모델에서 광범위한 바이오마커 세트를 추출하고 분류할 수 있습니다 . 증상 예측의 정확성.

"NeuralTree는 신경망의 정확성과 의사 결정 트리 알고리즘의 하드웨어 효율성에서 이점을 얻습니다."라고 Shoaran은 말합니다. "신경 보철 응용 프로그램을 위한 손가락 움직임 분류와 같은 다중 클래스 작업뿐만 아니라 발작 또는 떨림 감지와 같은 이진 분류 작업을 위해 복잡하면서도 에너지 효율적인 신경 인터페이스를 통합할 수 있었던 것은 이번이 처음입니다. "

그들의 결과는 2022년 IEEE 국제 솔리드 스테이트 회로 컨퍼런스에서 발표되었으며 집적 회로 커뮤니티의 주력 저널인 IEEE 저널 오브 솔리드 스테이트 회로 에 게재되었습니다.

효율성, 확장성 및 다양성

NeuralTree는 뇌파에서 신경 바이오마커(특정 신경 장애와 관련이 있는 것으로 알려진 전기 신호 패턴)를 추출하여 작동합니다. 그런 다음 신호를 분류하고 예를 들어 임박한 간질 발작 또는 파킨슨병 떨림을 예고하는지 여부를 나타냅니다. 증상이 감지되면 역시 칩에 있는 신경자극기가 활성화되어 전기 펄스를 보내 이를 차단합니다.

Shoaran은 NeuralTree의 고유한 설계가 시스템에 최신 기술에 비해 전례 없는 수준의 효율성과 다용성을 제공한다고 설명합니다. 이 칩은 이전 기계 학습 내장 장치의 32개에 비해 256개의 입력 채널을 자랑하므로 임플란트에서 더 많은 고해상도 데이터를 처리할 수 있습니다. 칩의 면적 효율적인 설계는 칩이 매우 작다는 것을 의미하므로(3.48mm 2 ) 더 많은 채널로 확장할 수 있는 큰 잠재력을 제공합니다. 많은 전력을 소비하는 기능에 페널티를 주는 '에너지 인식' 학습 알고리즘의 통합은 또한 NeuralTree를 매우 에너지 효율적으로 만듭니다.

이러한 장점 외에도 이 시스템은 지금까지 주로 간질 발작 감지에 중점을 둔 다른 장치보다 더 넓은 범위의 증상을 감지할 수 있습니다. 칩의 기계 학습 알고리즘은 간질 및 파킨슨병 환자의 데이터 세트에서 훈련되었으며 두 범주에서 미리 기록된 신경 신호를 정확하게 분류했습니다.

"우리가 아는 한, 이것은 온칩 분류기를 사용한 파킨슨병 떨림 감지의 첫 번째 시연입니다."라고 Shoaran은 말합니다.

자체 업데이트 알고리즘

Shoaran은 보다 효과적인 질병 제어를 가능하게 하기 위해 신경 인터페이스를 보다 지능적으로 만드는 데 열정적이며 이미 더 많은 혁신을 내다보고 있습니다.

"결국 우리는 다양한 장애에 대해 신경 인터페이스를 사용할 수 있으며 이를 실현하려면 알고리즘 아이디어와 칩 설계의 발전이 필요합니다. 이 작업은 매우 학제적이므로 Soft Bioelectronic Interfaces 실험실과 같은 실험실과의 협력이 필요합니다. 최신 신경 전극 또는 고품질 환자 데이터에 액세스할 수 있는 실험실을 개발할 수 있습니다."

다음 단계로, 그녀는 신경 신호의 진화를 따라잡기 위해 온칩 알고리즘 업데이트를 활성화하는 데 관심이 있습니다.

"신경 신호는 변하므로 시간이 지남에 따라 신경 인터페이스의 성능이 저하됩니다. 우리는 항상 알고리즘을 더 정확하고 신뢰할 수 있도록 만들기 위해 노력하고 있으며 이를 수행하는 한 가지 방법은 온칩 업데이트 또는 업데이트할 수 있는 알고리즘을 활성화하는 것입니다. 그들 자신."

ERC 시작 보조금 2021, 스위스 교육, 연구 및 혁신 사무국에서 자금을 지원합니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/