فهرست مطالب

فصلنامه مهندسی پزشکی زیستی
سال دوازدهم شماره 2 (تابستان 1397)

  • تاریخ انتشار: 1397/05/09
  • تعداد عناوین: 7
|
  • وحید شالچیان، امیر سلیمان خانی صفحات 85-96

    ثبت خارج سلولی فعالیت تک نورون های مغزی به عنوان روشی پرطرفدار در تحقیقات حوزه علوم اعصاب و مهندسی توان بخشی عصبی شناخته می شود. این ثبت ها شامل فعالیت همه نورون های اطراف الکترود می شود که برای استفاده بهتر از آن ها باید با روش های طبقه بندی اسپایک به فعالیت تک نورون ها رسید. بر اساس ویژگی های ساختاری نورون مانند درخت دندریتی آن و فاصله و جهت ثابتی که نسبت به الکترود ثبت دارد می توان نتیجه گرفت که شکل اسپایک تولیدی آن منحصر به فرد و ثابت است. با این حال انجام طبقه بندی پتانسیل عمل ها در مقادیر نسبت سیگنال به نویز پایین همواره با چالش هایی همراه است. طبقه بندی اسپایک های نورونی معمولا شامل سه بخش آشکارسازی، استخراج ویژگی و طبقه بندی می شود. در این مقاله روشی بر مبنای بهینه سازی ضرایب ویولت پیوسته در مرحله استخراج ویژگی ها ارایه شد که در مقادیر نسبت سیگنال به نویز پایین نیز کارایی خوبی دارد. در روش پیشنهادی بعد از محاسبه ضرایب ویولت پارامتری شده، با استفاده از معیارهای فاصله اقلیدسی و سطح زیر منحنی مشخصه عملگر گیرنده درطبقه بندی دو گروه، بهترین پارامترها برای افزایش تفکیک پذیری ویژگی ها انتخاب می شوند به طوری که ابتدا مقیاس مناسب با معیار فاصله اقلیدسی پیدا شده و در نهایت انتقال زمانی با معیار دوم انتخاب می شود. در این پژوهش برای خوشه بندی از الگوریتم ساده و در عین حال کارآمد k-means استفاده شده است. برای بررسی و ارزیابی روش پیشنهادی از سه مجموعه داده شبیه سازی شده استفاده گردید که در نه حالت مختلف نسبت سیگنال به نویز و با مدل سازی نویز زمینه از نویز حقیقی ثبت شده تهیه شده بودند. نتایج بهدست آمده از مرتب سازی داده های شبیه سازی شده نشان داد که بهینه سازی پارامترهای تبدیل ویولت پیوسته با روش پیشنهادی می تواند در ارتقای کارایی طبقه بندی اسپایک ها نسبت به روش آنالیز اجزای اصلی موثر واقع شود.

    کلیدواژگان: مرتب سازی اسپایک، پتانسیل عمل، تبدیل ویولت پیوسته، آنالیز اجزای اصلی، بهینه سازی
  • فاطمه قمی، امین مهنام، محمدرضا یزدچی صفحات 97-109

    در چند دهه اخیر رابط مغز-رایانه مبتنی بر تصور حرکت به صورت گسترده برای کمک به افراد مبتلا به اختلال حرکتی، مورد توجه قرار گرفته است. مزیت این نوع رابط بعنوان سیستمی درون زاد، عدم نیازبه تحریک خارجی و کنترل طبیعی می باشد. یکی از مشکلات اصلی در کاربردی کردن این سیستم ، نیاز به نصب تعداد زیادی الکترود برروی سر است که سبب افزایش هزینه تجهیزات، افزایش حجم محاسبات و همچنین سخت شدن استفاده از آن برای کاربر بخاطر زمانبر بودن نصب الکترودها می شود. تحقیقات اخیر در جهت کاهش تعداد الکترودهای موردنیاز با حفظ کارایی سیستم بوده است. هدف از این پژوهش بررسی ویژگی ها و انتخاب ترکیبی مناسب برای تشخیص تصور حرکت با استفاده از تنها دو کانال (C3وC4) برای ثبت سیگنال مغز بوده است. به این منظور از روش توان باند، پارامترهای حوزه زمان و مدل خودبازگشتی تطبیقی به عنوان ویژگی و از روش شناخته شده و ساده ی آنالیز افتراقی خطی جهت طبقه بندی استفاده شد. نتایج نشان داد که ویژگی های توان باند بیشترین سازگاری و اثربخشی را برای تفکیک دقیق وظایف تصور حرکتی چپ و راست دارند. همچنین الگوریتم پیشنهادی بصورت ترکیب ویژگی توان باند با پارامترهای حوزه زمان و مدل خودبازگشتی تطبیقی سبب بهبود عملکرد طبقه بندی گردید. نتایج روی داده های سومین دوره مسابقات رابط مغز-رایانه توانست جایگاه دوم را بین رقابت کنندگان اصلی مسابقه، با بیشینه STMI برابر 2582/0 به دست آورد. در پردازش نابرخط، وظایف تصور حرکتی دست چپ و راست با صحت متوسط برابر با 85 درصد و کاپای 70 درصد تشخیص داده شد، همچنین نتایج بیانگر انتقال اطلاعات خروجی گسسته 39/0 و پیوسته 45/0 و سطح زیرمنحنی عملیاتی دریافت کننده برابر 91/0 بود. نتایج این مقاله نشان می دهد که ویژگی های جدید، بطور برجسته در هنگام استفاده از ترکیب هر سه دسته ویژگی، به بهبود عملکرد طبقه‎ بندی سیستم واسط مغز-رایانه دو کاناله منجر می شود و ضمن اینکه الگوریتم پیشنهاد یبرای افراد جدید نیز کارآیی قابل مقایسه ای را ارایه کرده است.

    کلیدواژگان: واسط مغز رایانه، تصور حرکت، توان باندهای فرکانسی، پارامترهای حوزه زمان، مدل خودبازگشتی تطبیقی، آنالیز افتراقی خطی
  • سمیه ملکی بالاجو، داوود آسمانی، حمید سلطانیان زاده صفحات 111-124

    اختلال در ارتباطات عملکردی مربوط به شبکه حالت پیش فرض در مراحل اولیه بیماری آلزایمر گزارش شده است. به تازگی، ویژگی غیر ایستانی شبکه های مغزی، با توجه به اینکه ارتباطات عملکردی درون و ما بین این شبکه ها در طول زمان حتی در شرایطی که مغز انسان در حالت استراحت است تغییر می کند، مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. بنابراین، برای مطالعه کامل تغییرات ارتباطات عملکردی در بیماری آلزایمر لازم است که تغییرات اساسی الگوی دینامیک آنها نیز بررسی شود. هدف از این مطالعه، بررسی الگوهای ارتباط عملکردی دینامیک درون شبکه حالت پیش فرض در بیماران آلزایمر نسبت به افراد سالم می باشد. در این مطالعه، روشی مبتنی بر رگرسیون منطقی تنک، برای تخمین ماتریس ارتباطات عملکردی از داده های تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی در حالت استراحت 24 بیمار آلزایمری و 37 فرد سالم استفاده می شود. برای تجزیه و تحلیل شبکه ارتباطات عملکردی دینامیک، نمره تغییرات زمانی الگوی عملکردی برای هر ناحیه مغزی تعریف می شود که می تواند چگونگی تغییرات الگوی عملکردی یک ناحیه مغزی در طول زمان با استفاده از ارتباطات عملکردی دینامیک آن ناحیه مغزی را کمی سازی نماید. نتایج مقایسه گروهی نشان می دهد که نمره تغییرات زمانی الگوی عملکردی برخی از مناطق اصلی شبکه حالت پیش فرض مانند قشر قدامی جلویی مغز میانی و قشر تمپورال جانبی در بیماران آلزایمری به طور قابل توجهی افزایش می یابد. همچنین تجزیه و تحلیل متعارف ارتباطات عملکردی استاتیک نشان می دهد که الگوی ارتباطات عملکردی این نواحی در اثر بیماری آلزایمر مختل می شود. این یافته ها نشان می دهند که نواحی قشر قدامی جلویی مغز میانی و قشر تمپورال جانبی در بیماران آلزایمری احتمالا تمایل به سازماندهی مجدد الگوی عملکردی خود در راستای جبران کاهش کارایی عملکردی به خاطر بیماری آلزایمر دارند.

    کلیدواژگان: تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی در حالت استراحت، ارتباط عملکردی دینامیک، تغییرات زمانی الگوی عملکردی، شبکه حالت پیش فرض، بیماری آلزایمر
  • زهرا ملاحسینی، بهمن وحیدی صفحات 125-136

    برای بیماران مبتلا به بیماری های مزمن ریوی، ریه مصنوعی که بطن راست وظیفه پمپاژ جریان خون به سمت آن را دارد، به عنوان پلی به سمت پیوند ریه محسوب می شود. عملکرد این دستگاه با چندین معیار از جمله کارآمدی دستگاه در تبادل گاز، عدم آسیب رسانی به سلول های خونی و امپدانس پایین در مقایسه با ریه طبیعی سنجیده می شود. در این مطالعه، جریان خون غیرنیوتنی حول آرایه هایی از فیبرهای توخالی، به عنوان مدلی از دسته فیبرهای موجود در ریه مصنوعی، به روش اجزای محدود، مبتنی بر متد گلرکین، بررسی عددی شد. دو نوع آرایش مربعی و قطری برای فیبرها درنظر گرفته شد تا اثر آرایش، ضمن بررسی اثر سرعت ورودی، برروی توزیع جریان، تنش برشی و غلظت اکسیژن تبادل شده بین سطح فیبرها و جریان خون بررسی شود. مشاهده شد که سرعت جریان و تنش برشی در آرایش قطری به مراتب بیشتر از آرایش مربعی است؛ به نحوی که برای بیشینه سرعت مورد بررسی (cm/s 87 /10) تنش برشی روی فیبرها در آرایش قطری حدود 5/3 برابر مقدار آن در آرایش مربعی است. همچنین، بین نتایج این تحلیل با نتایج مطالعات دیگری که در آنها از تبادل اکسیژن صرف نظر شده بود، اختلاف قابل توجهی دیده شد که مبین اهمیت مدل سازی تبادل گاز است. به عنوان ملاک کارآمدی دستگاه، از دید تبادل گاز، میزان دبی جرمی اکسیژن در خروجی دامنه حل مورد بررسی قرار گرفت. براین اساس، آرایش قطری در تبادل اکسیژن بسیار کارآمدتر است. اما، افت فشار بیشتری در عبور از دسته فیبرها، برای آرایش قطری نسبت به آرایش مربعی مشاهده شد. نتایج این شبیه سازی می تواند نقطه شروع مناسبی برای طراحی بهینه ریه مصنوعی باشد و در طراحی بهینه آزمایش های کلینیکی موثر واقع شود.

    کلیدواژگان: ریه مصنوعی، فیبر توخالی، آرایش فیبرها، دینامیک سیالات محاسباتی، انتقال گاز
  • محسن سریانی، حامد فیاض، احسان الله کوزه گر، تائو تن صفحات 137-146

    سرطان پستان دومین عامل مرگ زنان در جهان است. این بیماری هر چه زودتر تشخیص داده شود، احتمال موفقیت درمان آن بیشتر خواهد بود. امروزه بدلیل مشکلات تصویربرداری ماموگرافی، استفاده از تصاویر فراصوت برای تشخیص سرطان پستان در حال افزایش است. یکی از انواع سامانه های تصویر برداری پستان، ‎ABUS است. این نوع تصویربرداری دارای مزایای زیادی نسبت به ماموگرافی و سایر روش های تصویربرداری فراصوت است. طراحی یک سامانه تشخیص به کمک کامپیوتر برای تحلیل تصاویر فراصوت در کنار رایج شدن این نوع تصویربرداری ضروری است. این سامانه ها معمولا دارای چهار بخش پیش پردازش، قطعه بندی، استخراج ویژگی و دسته بندی هستند. افزایش دقت قطعه بندی باعث افزایش دقت در کل سامانه می شود. در پژوهش های قبلی از روش های پویش حلزونی و کانتور فعال برای قطعه بندی توده ها در تصاویر سه بعدی استفاده شده است. در سال های اخیر استفاده محققان از یادگیری ژرف در زمینه های مختلف منجر به کسب نتایج قابل توجهی که با روش های سنتی پیشین ممکن نبود، شده است. در این پژوهش با استفاده از یک شبکه عصبی ژرف که از معماری ‎U-net‎ 3Dبهره می برد توده های سرطانی در تصاویر ‎ABUS‎ قطعه بندی شده اند. در این روش جهت بهبود عملکرد شبکه از رویکردی جدید برای پس پردازش استفاده شده است. مجموعه دادگان مورد استفاده از ‎32‎ بیمار جمع آوری شده است و شامل ‎50‎ توده (‎38‎ توده بدخیم و ‎12‎ توده خوش خیم) است. برای ارزیابی دقت قطعه بندی از معیار ضریب Dice استفاده شده است. میانگین دقت به دست آمده روی مجموعه دادگان مورد استفاده در این پژوهش 77/0 است.

    کلیدواژگان: سرطان پستان، توده، تصاویر سه بعدی فراصوت، قطعه بندی، یادگیری ژرف
  • فرناز فهیمی هنزایی، محمد مهدی احمدی صفحات 147-159

    در این مقاله، طراحی و شبیه سازی یک کنترل کننده دیجیتال قابل استفاده در یک سیستم تحریک الکتریکی قابل کاشت در مغز ارائه شده است. کنترل کننده دیجیتال ارائه شده در این مقاله دارای قابلیت تولید پالس های تحریک مربعی با امکان برنامه ریزی مقادیر عرض پالس، دامنه پالس، تک فازی یا دو فازی بودن آن و تقدم فاز کاتدی بر آندی یا بالعکس در صورت دو فازی بودن آن می باشد. همچنین امکان کنترل 16 سایت تحریک و تحریک چهار تا از آنها به طور هم زمان در این سیستم فراهم است. عرض پالس-های تحریک بین چهار میکرو ثانیه تا چهار میلی ثانیه و فاصله میان دو فاز، بین چهار میکرو ثانیه تا 512 میکرو ثانیه قابل برنامه ریزی است. همچنین، دامنه پالس ها می تواند مقادیری بین چهار میکرو آمپر تا یک میلی آمپر را اختیار کند. کنترل هر چهار سایت از 16 سایت موجود، توسط یک واحد تحریک کننده محلی (LDC) صورت می گیرد که داده های خود را از واحد کنترل کننده سراسری (GDC) دریافت می نماید. صحت عملکرد کدهای VHDL مدار طراحی شده ابتدا بر روی یک برد FPGA بررسی و سپس تراشه ASIC آن با تکنولوژی CMOS 0. 18 μm جانمایی گشته است. ابعاد هر یک از بخش های تحریک کننده محلی در تراشه طراحی شده برابر با 160/19 میکرومتر مربع و ابعاد بخش تحریک کننده سراسری برابر با 246/4 میکرومتر مربع می باشد. همچنین توان مصرفی بخش-های کنترل کننده های محلی و سراسری به ترتیب عبارت است از 12 و 2/8 میکرو وات. به منظور سهولت در ارسال پارامترهای سیگنالهای تحریک توسط کاربر، یک واسط گرافیکی در محیط نرم افزار MATLAB طراحی شده است، که با ارسال متناوب دستور تولید پالس توسط آن می توان فرکانس پالس ها و یا تعداد و فاصله آنها را در یک قطار پالس تحریکی برنامه ریزی کرد.

    کلیدواژگان: تحریک کننده الکتریکی عصبی، کنترل کننده دیجیتال، مدار مجتمع با کاربرد خاص، مدار مجتمع دیجیتال برنامه پذیر، واسط گرافیکی، ایمپلنت مغزی
  • سپیده خنیوه، علی مالکی صفحات 161-170
    پتانسیل برانگیخته ی حالت ماندگار حس های تنی (SSSEP) یکی از سیگنال های کنترلی برای رابط های مغز-رایانه (BCI) است که مبتنی بر انعکاس تحریک لرزشی پوست با فرکانس های مشخص در سیگنال‎های مغزی است. سیستم های BCI مبتنی بر SSSEP در مقایسه با سیستم های BCI مبتنی بر تحریک بینایی، خستگی بینایی ایجاد نمی کنند و به ویژه در بیمارهای با سندروم قفل شدگی یا اسکلروز جانبی آمیوتروفیک (ALS) می توانند مورد استفاده قرار گیرند. تاکنون مطالعات کمی در زمینه ی SSSEP و کاربردهای آن در سیستم های BCI صورت گرفته که دلیل آن چالش برانگیز بودن پیاده سا زی سخت افزار این سیستم است. در این مقاله یک دستگاه ایجاد کننده ی تحریک لرزشی مبتنی بر عملگر موتور لرزشی پیشنهاد و ساخته شده است. این دستگاه دارای دو کانال خروجی مجزا برای اعمال تحریک لرزشی به دو نقطه ی متفاوت بدن است. فرکانس خروجی هر کانال در بازه ی 35-15 هرتز با گام یک هرتز تنظیم پذیر هستند. برای جلوگیری از انتشار نویز الکترومغناطیس، عملگرهای لرزشی و تمامی اجزای دستگاه، شیلد شده اند.
    کلیدواژگان: پتانسیل برانگیخته ی حالت ماندگار حس های تنی (SSSEP)، رابط مغز- رایانه (BCI)، اسکلروز جانبی آمیوتروفیک (ALS)
|
  • Vahid Shalchyan, Amir Soleymankhani Pages 85-96

    The extracellular recording from the brain's single neurons is known as a popular method in neuroscience and neuro-rehabilitation engineering. These recordings include the activity of all neurons around the electrode, for better use of which, spike sorting methods should be utilized to obtain the activity of single neurons. Based on the structural properties of the neuron, such as its dendritic tree, and the distance and direction of it relative to the electrode, it can be claimed that the form of its spike waveform is unique and constant. However, spike sorting under low signal-to-noise ratio (SNR) conditions is always accompanied with challenges. A spike sorting algorithm usually consists of three sections including the spike detection, feature extraction, and classification. In this paper, a method based on optimization of continuous wavelet coefficients is presented which is effective in low SNR values. In the proposed method, after the calculation of the parameterized wavelet coefficients, using the Euclidean distance and the area under the receiver operator characteristic curve, the best parameters were chosen to increase the separation of the features, so that a suitable scale was first found with the Euclidean distance criterion and then the translation parameter was obtained with the second criterion. In this research k-means algorithm was used for the clustering as a simple but efficient method. For evaluation, three simulated data sets were made in 9 different SNRs with a modeled background noise. The obtained results from simulated data showed that the optimization of parameters in continuous wavelet transform using the proposed algorithm could effectively improve the spike sorting performance compared to principal component analysis method.

    Keywords: Spike Sorting, Action Potential, Continuous Wavelet Transform, Principal Component Analysis, Optimization
  • Fatemeh Ghomi, Amin Mahnam, Mohammad Reza Yazdchi Pages 97-109

    Over the past few decades, the brain-computer interfaces (BCI) based on motor imagery has been widely developed to help people with motor disability. The advantage of this type of BCI as an endogenous system is, no need for external stimulation, and natural control. One of the major challenges to make these systems practical is to reduce the number of recording electrodes. In this study, only two EEG channels (C3 and C4) were used for detecting the imagery of left and right-hand movements. The features used were band powers (BP), some time domain parameters (TDP) and an adaptive autoregressive model (AAR). For classification, linear discriminant analysis (LDA), a well-known and simple classifier was used. The data was taken from the third BCI Competition. Our results confirm that BP features provide the most robust and effective features for accurate recognition. It was shown that combining the BP with TDP and AAR features can improve the accuracy of classification. However, implementing BP and TDP features is proposed for online classification where short computational cost is important. A maximum steepness of the mutual information (STMI) of 0.2582 was achieved in this study that could win the second place in the BCI Competition III. Left and right motor imagery (MI) tasks can be discriminated with an average classification accuracy of 85% and Kappa of 70%.

    Keywords: Brain Computer Interface, Motor Imagery, Frequency band power, Time domain parameters, adaptive autoregressive model
  • Somayeh MalekiBalajoo, Davoud Aseemani Pages 111-124

    Early alterations of functional connectivity (FC) within the default mode network (DMN) have been reported in Alzheimer’s disease (AD). Recently, the resting-state brain networks have been described with non-stationary profiles since inter- and intra-FC of the brain networks changes over time, even at rest. To fully unserstand the FC changes that characterize AD, the underlying change of its dynamic pattern needs to be captured. The purpose of this study was to evaluate dynamic FC (dFC) patterns within the DMN in patients with AD relative to healthy aging. Here, a sparse logistic regression (SLR) model was employed to estimate the dFC networks in patients with AD (n = 24) compared with healthy control group (n = 37) using resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) data. To analyze the dFC network, we introduced a temporal variability-functional pattern (TV-FP) score, which shows how the functional pattern of a given region changes over time. This score is able to quantify the temporal patterns of regions involved in a dFC network. We compared TV-FP score across groups. The results indicate that the main regions of DMN, such as the anterior medial prefrontal cortex (aMPFC) and lateral temporal cortex (LTC), are associated with a significantly increased TV-FP score in the AD group when compared to the HC group. The FC pattern of these regions is impaired in AD according to a conventional static functional connectivity (sFC) analysis. These findings may suggest that aMPFC and LTC may tend to reorganize their functional pattern to compensate for the related functional deficiency due to AD.

    Keywords: resting-state functional magnetic resonance imaging, dynamic functional connectivity, temporal variability of functional pattern, default mode network, Alzheimer’s disease
  • Zahra Mollahoseini, Bahman Vahidi Pages 125-136

    For patients with chronic pulmonary disease, artificial lungs to which right ventricular pumps blood flow is considered as a bridge to lung transplantation. The performance of this device is measured by several criteria, including the efficiency of the device in gas exchange, non-damage to blood cells and low impedance compared to normal lung. In this study, the non-Newtonian blood flow around arrays of hollow fibers, as a model of fiber bundles in artificial lungs, was numerically investigated by finite element method based on the Galerkin method. Two types of square and diagonal arrangements for fibers were considered to examine the effect of arrangement, besides the inlet velocity effect on the flow distribution, shear stress and the exchanged oxygen concentration between the surface of the fibers and the blood stream. It was observed that the flow velocity and shear stress in the diagonal arrangement were far more than the square arrangement that for the maximum velocity (10/87 cm / s), the shear stress on the fibers in the diagonal arrangement was about 3.5 times that of the square arrangement. Also, there was a significant difference between the results of this analysis and the results of other studies in which oxygen exchange was ignored, which illustrates the importance of gas exchange modeling. As a measure of the efficiency of the device, from the viewpoint of gas exchange, the mass flow rate of oxygen was investigated in the output of the domain. As a result, the diagonal arrangement is much more efficient in oxygen exchange. However, there was a higher pressure drop across the fibers, for a diagonal arrangement, in comparison with the square arrangement. The results of this simulation can be a good starting point for optimal artificial lung design and can be effective in optimizing the design of clinical trials.

    Keywords: Artificial Lung, hollow fiber, Fiber Arrangement, Computational Fluid Dynamics, Gas Transfer
  • Hamed Fayyaz, Ehsan Kozegar, Tao Tan Pages 137-146

    Automated 3-D breast ultrasound(ABUS) is a novel system for breast screening‎. ‎It has been proposed as a supplementary modality to mammography for detection and diagnosis of breast cancers‎. ‎Although ABUS has better performance for dense breasts‎, ‎reading ABUS images is time-consuming and exhausting‎. ‎A computer-aided detection (CAD) system can be helpful for interpretation of ABUS images‎. ‎Mass Segmentation in CADe and CADx systems play the leading role because it affects the performance of succeeding stages‎. ‎Besides‎, ‎it is a very challenging task because of the vast variety in size‎, ‎shape, and texture of masses‎. ‎Moreover, imbalanced datasets make segmentation harder‎. ‎A novel mass segmentation approach based on deep learning is introduced in this paper‎. ‎The deep network that is used in this study for image segmentation is inspired by U-net which has been used broadly for dense segmentation in recent years‎‎. ‎Performance was determined using a dataset of 50 masses including 38 malignant and 12 benign masses‎.

    Keywords: Breast cancer‎, ‎Automated Diagnosis‎, ‎Tumor‎, ‎3D ABUS‎, Mass Segmentation, ‎Deep learning
  • Farnaz Fahimi Hanzaee Pages 147-159

    Nowadays, implantable electrical neural stimulation is extensively used to treat or alleviate certain brain-related health conditions, such as in deep brain stimulation (DBS) or in vagus nerve stimulation (VNS). In this paper, we present a digital controller block, designed for a neuroelectrical stimulator chip dedicated for a brain implant.The presented design is very power- and area-efficient and provides a great flexibibity in programming the specifications of the stimulation pulses. The duration of each stimulation pulse can programmed to be from 4 µs to 4 ms, and the amplitude of each pulse could be from 4 µA to 1 mA. The stimulation pulses could be either monophasic or biphasic, In addition, in biphasic stimulation, the priority of the catholic pulse over the anodic pulse, or vice versa, could be pragrammed. The interphase delay between the anodic and cathodic phases could be programmed to be between 4 µs and 512 µs. The controller controls 16 stimulation sites, four of which can be stimulated simoultaneualy. The 16 stimulation sites are divided into four groups, each of which is stimulated by a current-controlled stimulation circuit. Each stimulation circuit is controlled by a local digital controller (LDC), which receives its data from a global digital controller (GDC). The designed controller blocks have been implemented and tested on a Spartan-6 field-programmable gate array (FPGA) board, before being implemented as an application-specific integrated circuit (ASIC) layout. The ASIC circuit has been designed using 0.18-µm CMOS technology. Based on the layout, each LDC occupies an area of 19,160 µm2 and consumes 12 µW of power from a 1.8V supply. On the other hand, the GDC takes up an area of 4,246 µm2 and consumes 8.2 µW of power. We have also created a graphical user interface (GUI) to be able to program the stinulation chip.

    Keywords: Neuroelectrical stimulation Digital controller, Application-specific integrated circuit (ASIC), Field-programmable gate array (FPGA), Graphical user interface (GUI), brain implant
  • sepide khoneiveh, Ali Maleki Pages 161-170
    Steady state somatosensory evoked potential (SSSEP) is one of the control signals of brain- computer interfaces (BCI), based on the reflection of skin vibrational stimulation with specific frequencies in brain signals. BCI systems based on SSSEP do not cause visual fatigue in comparison with SSVEP based BCI systems, and they can be used for locked-in or amyotrophic lateral sclerosis (ALS) patients. So far, few studies have been done on SSSEP and its applications in BCI systems, because the hardware implementation of this system is challenging. In this paper, a vibrational stimulation device based on vibrational motor has been developed. This device has two separate output channels for applying vibrational stimulation to two different points of the body. The output frequency of each channel is adjustable in the range of 15 to 35 Hz with a step of 1 Hz. All parts of the device and the actuators have been shielded to prevent the emission of electromagnetic noise.
    Keywords: steady state somatosensory evoked potentials (SSSEP), brain- computer interfaces, amyotrophic lateral sclerosis (ALS)