Design and synthesis of digital circuit for microelectrode arrays in 180nm CMOS technology and real-time stimulation artifact removal algorithm

By using complementary metal–oxide-semiconductor (CMOS) based integrated circuit (IC), integrating active microarrays for recording and stimulating electrogenic cells in vitro in a single chip is feasible. Active array means that circuitry components, such as amplifiers or filter units, are integrated with the digital core and the electrodes on the same substrate. As a result of integration on a single chip, the microelectrodes site close to each other. Neural cells can be cultured on microelectrode arrays (MEAs), which allow simultaneous electrical stimulation and recording of their electrical activity. This enables to study neuronal information process, neurological disorders, and the effects of drugs in electrogenic cells. During recording, all signals are recorded, including stimulation pulse and spike signals. The stimulation pulse has a significant amplitude, which causes the spike signal to be distorted, especially near the electrode where the stimulation pulse is applied. The purpose of this work is to design and implement the digital core of the MEA integrated circuit (IC), followed by a real-time post-digital signal processing algorithm to remove the artifacts caused by the stimulation pulses. The digital core is designed at register transfer level and implemented in layout level using Modelsim, Design Compiler, and SoC Encounter tools. The real-time artifact removal algorithm is achieved through principal component analysis (PCA), which is based on Singular Value Decomposition (SVD) calculations and implemented on Xilinx Kintex-7 FPGA KC705 Evaluation Kit.

Utilizzando un circuito integrato semiconduttori complementari a ossidi metallici (CMOS), è possibile l'integrazione di microarray attivi per la registrazione e la stimolazione di cellule elettrogeniche in vitro in un singolo chip. Array attivo significa che i componenti del circuito, come amplificatori o unità di filtraggio, sono integrati con gli elettrodi e il nucleo digitale sullo stesso substrato. Come risultato dell'integrazione su un singolo chip, i microelettrodi sono vicini l'uno all'altro. Le cellule neurali possono essere coltivate su array di microelettrod (MEA), che consentono simultaneamente la stimolazione elettrica e la registrazione della loro attività elettrica. Ciò consente lo studio elaborazione delle informazioni neuronali, delle malattie mentali e degli effetti dei farmaci nelle cellule elettrogeniche. Durante la registrazione, vengono registrati tutti i segnali, inclusi impulsi di stimolazione e segnali di picco. L'ampiezza dei segnali di stimolazione è molto ampia, il che impedisce di registrare chiaramente il segnale di picco, soprattutto per l'elettrodo vicino alla sorgente dell'impulso di stimolazione. Lo scopo di questo lavoro è progettare e implementare il core digitale del circuito integrato MEA, seguito da un algoritmo di elaborazione del segnale post-digitale in tempo reale per rimuovere gli artefatti causati dagli impulsi di stimolazione. Il core digitale è progettato a livello di RTL e implementato a livello di layout, utilizzando gli strumenti Modelsim, Design Compiler e SoC Encounter. L'algoritmo di rimozione degli artefatti in tempo reale è ottenuto attraverso l'analisi dei componenti principali (PCA) basata sul calcolo della decomposizione del valore singolare (SVD) e implementata sul kit di valutazione Xilinx Kintex-7 FPGA KC705.