A Distributed Neural Recorder/Stimulator for Epilepsy Monitoring

神经刺激改善生活质量的潜力现已得到充分证实，例如起搏器（心律失常）、人工耳蜗植入（耳聋）、深部脑刺激器（帕金森氏症治疗）和慢性疼痛。到2024年，全球医疗神经调节市场将达到100亿美元。癫痫的特征是异常和过度的大脑活动，可能导致暴力癫痫发作，影响0.5-1%的人口（美国250万人，加拿大约225 k人）。多达30%的癫痫患者患有难治性耐药性癫痫，可以从神经刺激中获益。最近的研究表明，可在发生后24小时内对癫痫发作进行预测，从而有机会采取缓解癫痫发作的措施和调整活动。然而，在多个皮层目标的长期神经记录/刺激仍然是具有挑战性的。这种可植入设备最具挑战性的方面之一是在实际和临床安全的功率预算内同时从分布在不同皮层部位的数千个电极采集和传输数据。该项目旨在开发一种针对癫痫的专用集成电路（ASIC），使神经记录/刺激设备具有单神经元分辨率，片上尖峰表征（幅度和形状）和刺激脉冲整形，同时使用代数编码方案无线传输压缩数据。该器械的目标植入物包括4个ASICS，植入大脑皮层部位，适合癫痫发作预测。这些ASIC连接到中央无线通信集线器，该集线器将压缩信息传输到患者佩戴的外部计算机。与其他癫痫记录器仅限于分布在几平方毫米面积上的几十个电极不同，每个集成电路<1平方毫米，并将以20 µm的间距同时记录来自1600个通道的尖峰。我们与商业合作伙伴合作，正在创建第一个同步和分布式6400电极神经记录器/刺激器系统，适用于安全，终身植入。该项目是与Gezell（加蒂诺，加拿大），墨尔本大学（澳大利亚）及其工业合作伙伴Carbon Cybernetics Inc.（墨尔本，澳大利亚），他们是极高分辨率、100%生物相容性电极技术、超纳米晶金刚石外壳和癫痫预测算法的先驱。这种伙伴关系完美地补充了我们的团队组成的舍布鲁克大学（舍布鲁克，加拿大）和Gezell公司。（加拿大加蒂诺），拥有微电子和产品开发方面的专业知识。(cr)#（lf）Le potentiel de la neurosstimulation pour amélivéla qualité de vie est désormais bien établi avec des patiples tels que le stimulateur cardiaque，l'implant cochléaire，le stimulateur cérébral profond（ex. Parkinson）et la doubles chronique. Le marché mondial de la neuromodulation devrait atteindre 10 G$ d'ici 2024. L'épilepsie，caractérisée par une activité cérébrale anormale et excessive，peut entrainner des crises violentes et schoolentre 0.5 et 1% de la population（2，5 million de personnes aux États-Unis，~ 225 000 Au Canada）. 30%的癫痫患者在神经刺激的药物和基础上出现癫痫复发。目前的研究表明，在24小时前就有能力预防危机，并有可能Au patient de prendre des meures d 'attenuation。然而，长期的神经元登记包括以下缺陷：在多个部位上的数百万个电极上采集神经元活动，以及在能量消耗方面没有安全限制的情况下传输信息。Ce projet vise à décédérénée un système électronique composé de circuits intégrés à application spécifique（ASIC）effectu

The potential of neurostimulation to improve quality of life is now well established with examples such as Pacemakers (cardiac arrhythmia), cochlear implants (deafness), deep brain stimulators (Parkinson's treatment) and chronic pain. The global medical neuromodulation market is set to reach $10B by 2024.Epilepsy, characterized by abnormal and excessive brain activity which can lead to violent seizures, affects between 0.5-1% of the population (2.5 M people in United States, ~225k in Canada). As much as 30% of epilepsy patients suffer from intractable drug-resistant epilepsy and can benefit from neurostimulation. Recent research demonstrated seizure forecasting within 24 hours of occurrence, giving the opportunity for seizure mitigative measures and adjustment of activities. However, long-term neural recording/stimulation at multiple cortical targets is still challenging. Among the most challenging aspects of such an implantable device is the acquisition and transmission of data simultaneously from thousands of electrodes distributed at different cortical sites within a practical and clinically safe power budget. This project seeks to develop an application specific integrated circuit (ASIC) targeting epilepsy that will enable neurorecording/stimulation devices with single-neuron resolution, on-chip spike characterization (amplitude and shape) and stimulus pulse shaping, while wirelessly transmitting the compressed data using an algebraic coding scheme. The target implant for this device comprises four ASICS, implanted in the brain at cortical sites suitable for seizure prediction. These ASICs are wired to a central wireless communication hub that transmits the compressed information to an external computer worn by the patient. Unlike other epilepsy recorders limited to few tens of electrodes distributed on an area of few mm2, each integrated circuit is <1 mm2, and will simultaneously records spikes from 1600 channels at a 20 µm pitch. In collaboration with our commercial partners we are creating the first synchronized and distributed 6400-electrode neurorecorder/stimulator system suitable for safe, life-long implantation.This project is conducted in collaboration with Gezell (Gatineau, Canada), the University of Melbourne (Australia) and their industrial partner Carbon Cybernetics Inc. (Melbourne, Australia), who are pioneering very high resolution, 100% biocompatible electrode technology, ultrananocrystalline diamond enclosures and epilepsy prediction algorithms. This partnership perfectly complements our teams composed of the Université de Sherbrooke (Sherbrooke, Canada) and Gezell inc. (Gatineau, Canada) with expertise in microelectronics and product development.#(cr)#(lf)Le potentiel de la neurostimulation pour améliorer la qualité de vie est désormais bien établi avec des exemples tels que le stimulateur cardiaque, l'implant cochléaire, le stimulateur cérébral profond (ex. Parkinson) et la douleur chronique. Le marché mondial de la neuromodulation devrait atteindre 10 G$ d'ici 2024.L'épilepsie, caractérisée par une activité cérébrale anormale et excessive, peut entraîner des crises violentes et touche entre 0,5 et 1% de la population (2,5 millions de personnes aux États-Unis, ~ 225 000 au Canada). Environ 30% des patients épileptiques souffrent d'épilepsie réfractaire aux médicaments et bénéficierait de la neurostimulation. Des recherches récentes démontrent la capacité de prévoir les crises 24 heure à l'avance, donnant la possibilité au patient de prendre des mesures d'atténuation. Cependant, l'enregistrement neuronale à long terme comporte des défis de taille dont l'acquisition simultanée l'activité neuronale sur des milliers d'électrodes réparties sur de multiples sites et la transmission de l'information sans fils tout en respectant des limites sécuritaires au niveau de la consommation énergétique. Ce projet vise à développer un système électronique composé de circuits intégrés à application spécifique (ASIC) effectu